1、前言
    對旋式軸流風(fēng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊，壓頭高、流量大且具有良好的反風(fēng)性能的特點被廣泛應(yīng)用于礦山安全通風(fēng)與隧道通風(fēng)工程中，這種風(fēng)機(jī)由于兩轉(zhuǎn)子間沒有導(dǎo)葉而使得兩級間的氣動匹配與氣流干涉成為內(nèi)流分析優(yōu)化的核心內(nèi)容。本文結(jié)合BD6對旋風(fēng)機(jī)的幾何模型，采用CFD分析方法對該機(jī)的性能與兩級間的氣動匹配特點進(jìn)行了分析，預(yù)測性能與實驗性能進(jìn)行了對比，給出了內(nèi)部流動的流場分布，討論分析設(shè)計工況下兩級間匹配的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)，為該類風(fēng)機(jī)的使用和優(yōu)化改型提供依據(jù)。
2對旋風(fēng)機(jī)的內(nèi)流分析方法
    對旋風(fēng)機(jī)的內(nèi)流模擬近十年來一直受到流體機(jī)械內(nèi)流研究領(lǐng)域的重視，作者曾在文獻(xiàn)通過對采用混合設(shè)計方法設(shè)計的一種板式葉片的對旋軸流風(fēng)機(jī)通過采用SIMPLE算法編程實現(xiàn)求解雷諾時均N-S方程，給出了兩級葉片流道內(nèi)的速度分布，為設(shè)計的葉片提供了局部的流動依據(jù)。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)K-e紊流模型和SIMPLEC算法進(jìn)行了定常三維紊流流場的數(shù)值模擬分析了對旋式軸流泵的內(nèi)部流場特性及前后葉輪之間的流場干涉情況。李秋實等結(jié)合實驗對對旋風(fēng)機(jī)對旋葉輪級間流場進(jìn)行了研究，成功應(yīng)用CFD對對旋風(fēng)機(jī)昀內(nèi)流場進(jìn)行了研究。近年來商用軟件在葉輪機(jī)械上的成功應(yīng)用，使得對旋風(fēng)機(jī)的深入細(xì)致的內(nèi)流分析更為容易。
2.1計算方法
    采用三維雷諾平均守恒型定常Navier-Stokes方程和K—s標(biāo)準(zhǔn)兩方程湍流模型對前、后兩級葉輪構(gòu)成的集合模型，采用SEGREGATED隱式計算方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散；壓力一速度耦合采用SJMPLE算法。
    本模型計算研究中：當(dāng)進(jìn)出口的流量誤差小于10^-5，同時各方向的速度參數(shù)和K、￡等參量的計算誤差都小于10 -時，認(rèn)定當(dāng)前數(shù)值計算已經(jīng)收斂。
2.2計算模型與網(wǎng)格劃分
    計算中對對旋風(fēng)機(jī)在進(jìn)行數(shù)值模擬的計算區(qū)域包括從進(jìn)入集流器到離開擴(kuò)壓器的所有內(nèi)流流道空間，模擬使用的網(wǎng)格如圖1所示。數(shù)值模擬中為控制網(wǎng)格質(zhì)量，需將復(fù)雜的計算區(qū)域分割，各區(qū)域單獨生成合適的網(wǎng)格節(jié)點。這里對整個流場按主要部件劃分為四個計算區(qū)域，即：  1．集流器流道；2．第一級轉(zhuǎn)子流道；3．第二級轉(zhuǎn)子流道；  4．?dāng)U壓器流道。其中區(qū)域1、4定義為靜止區(qū)域；區(qū)域2、3為運(yùn)動域。

2.3邊界及運(yùn)動條件的確定
    第一級轉(zhuǎn)子和第二級轉(zhuǎn)子區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，流體給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，其他區(qū)域為靜止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系。另外對旋風(fēng)機(jī)的自身獨特性，需要采用多參考系模型(MRF)。
    定義轉(zhuǎn)子所有葉片表面為旋轉(zhuǎn)壁面，由于葉片隨流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，給定相對旋轉(zhuǎn)速度為0，殼體表面、輪轂表面、整流罩表面均為靜止壁面，旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無滑移條件。
    定義對旋風(fēng)機(jī)的集流器進(jìn)口截面作為整個計算域的進(jìn)口，擴(kuò)壓器的出口截面定義為整個計算域的出口。進(jìn)口邊界條件給定為設(shè)計工況的質(zhì)星進(jìn)口，出口給定靜壓條件，為大氣壓。進(jìn)出口湍流動能和湍流動能耗散率均依據(jù)經(jīng)驗公式計算確定。兩級轉(zhuǎn)子間的交界面使用interface面，上游的出口參數(shù)和下游葉片的進(jìn)口參數(shù)在交界面上進(jìn)行耦合計算。
3模型結(jié)果分析
3.1模型幾何模型的特點
    本模型分析中的對旋結(jié)構(gòu)軸流風(fēng)機(jī)模型選用文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣動性能數(shù)據(jù)較為齊全的OB-84-84B模型機(jī)。該風(fēng)機(jī)的研制及實驗工作是由前蘇聯(lián)中央流體動力學(xué)研究所與礦山機(jī)械和工程控制研究所共同進(jìn)行的。這種通風(fēng)機(jī)的特點是在設(shè)計它的工作輪葉片時考慮了沿半徑的壓力損失變化，該葉片的弦長值，翼型的安裝角及其中線的曲率半徑按照一定的規(guī)律變化，其特點是在給定壓力和流量計算值的條件下得到較高的最大效率和擴(kuò)壓特性曲線的高效率范圍。
該模型機(jī)主要設(shè)計與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1模型機(jī)主要設(shè)計與結(jié)構(gòu)參數(shù)

流量系數(shù)	0.225
壓力系數(shù)	0.75
輪轂比	0.6
外徑（mm）	630
工作轉(zhuǎn)速（r/min）	2900/2900
基元翼型	NACA對稱翼型
第一級葉片參數(shù)	12
第二級葉片參數(shù)	10

    算選用的對旋軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，其中1為集流器，2為擴(kuò)壓器，R1為第一級工作輪，R2為第二級工作輪。其中電機(jī)與工作輪直聯(lián)，前后兩級工作輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。

3.2整體及一、二級葉片網(wǎng)格劃分
    用GAMBIT形成了1、2級葉輪的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中對葉片的葉尖、葉根部位進(jìn)行了局部加密，整個計算區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)量為150萬左右．其中一、二級葉片區(qū)域劃分的數(shù)量分別為48萬和55萬。
3.3性能預(yù)測及與試驗結(jié)果的對比
    為詳細(xì)對比CFD預(yù)測性能與實驗氣動性能結(jié)果，采用上述方法計算了給定轉(zhuǎn)速凡= 2900 rlmin時的8個不同流量工況，計算預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中給出的氣動性能略圖結(jié)果對比，圖3給出了CFD預(yù)測與試驗結(jié)果的對比。結(jié)果顯示，在流量系數(shù)小于0.22的小流量區(qū)，實驗與預(yù)測結(jié)果相差在8%左右，而在流量系數(shù)大于0.22后，壓力特性實驗與計算預(yù)測精度符合較好，誤差在2%范圍內(nèi)，而在效率的預(yù)測時，流量系數(shù)大于0.25后效率與實驗誤差逐步增大。大。顯然在小流量工況下預(yù)測計算時采用紊流模型受到了限制，而在大流量范圍內(nèi)能夠較好地預(yù)測整機(jī)的壓力特性。

3.4設(shè)計點工況的內(nèi)流特征與分析
    在轉(zhuǎn)速為n=2940r／min時，設(shè)計點的流量6.5m³/S，壓力為4500 Pa，該工況下子午面上的流速等值線分布見圖4。圖5給出第一、二級葉輪中部及兩葉輪中間無葉通道中部的徑向面上的流速等值分布結(jié)果，顯示為局部通道徑向面上的結(jié)果，平均周向回轉(zhuǎn)面上的速度云圖、等值線及速度矢量圖分布見圖6。

    在設(shè)計工況下，圖4子午面其流速等值線顯示由于所取的截面穿過第一級葉輪，而該截面又穿過第二級葉片間通道，因此只能局部反映第二級通道流動流速在子午面上分布，第一級位置反映了在葉片周圍的速度變化在子午面上分布；圖5徑向面分布顯示，一、二級葉片通道中部的速度大小分布結(jié)構(gòu)差異較大。第一級中部徑向面不同位置速度的大小不同，在中部流動速度較低，而輪轂、葉頂位置上速度增加；而在第二級中部徑向位置，通道上下流速分布較好，在葉片邊界部位速度變化明顯，而在中部流動結(jié)構(gòu)顯示，由于一、二級葉片所處的相對位置不同，使得局部圖上顯示部分區(qū)域上從葉頂?shù)饺~根速度下降，而相鄰部分的速度則相反。這種分布沿周向基本對稱分布，顯示兩級葉輪間速度上下傳送的特征。圖6平均周向面上的流速矢量及等值線分布看出，第一級的進(jìn)口速度分布均勻，顯示具有良好的進(jìn)氣條件，一級葉片通道內(nèi)的流動速度分布基本均勻，而在出口形成一定的尾跡，影響到兩葉片間的流動速度分布，使二級進(jìn)口速度分布不均，在二級通道兩側(cè)的流動速度分布具有明顯的不穩(wěn)特征。

4結(jié)  論
    (1)本文結(jié)合對旋式軸流風(fēng)機(jī)的特點，對所選模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全流道的CFD模擬分析計算，給出了計算分析方法，預(yù)測計算的性能與實驗得到的性能吻合，選用的模型方法對于高效率區(qū)的預(yù)測精度相當(dāng)高，在大流星區(qū)，效率預(yù)測與實驗結(jié)果誤差在8.8%內(nèi)，驗證了本文處理方法的可靠性，能夠為同類風(fēng)機(jī)的優(yōu)化改型提供幫助。
    (2)對設(shè)計工況點進(jìn)行了兩級流道內(nèi)內(nèi)流結(jié)構(gòu)的分析，詳細(xì)給出了兩級葉輪周向面、徑向面以及子午面上的流速等值分布特征，給出了初步的分析。結(jié)果顯示，設(shè)計點上外部性能良好，但其兩級葉輪間的流速分布仍存在很大差異，流速分布顯示一級尾跡對二級進(jìn)口影響較大。
    (3)利用成熟的CFD軟件進(jìn)行全流道對旋式軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)流分析比過去傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行內(nèi)流的分析具有計算速度高，后處理直觀清晰，能夠有效地縮短研究周期，得到內(nèi)流的更多有效信息，有助提高對該形式風(fēng)機(jī)內(nèi)流機(jī)理的認(rèn)識。