扩散弯道合理流型的设计研究

    扩散弯道是接装于风机扩散器之后的通流元件,其作用一是回收动压;二是把井下含有有害气体的空气排放到足够的高度,以减轻对周围环境的污染。目前国内矿井通风用的扩散弯道主要有苏式60°倾扩散弯道和东工流线型扩散弯道。苏式60°扩散弯道由于转角大,内外边界线形不佳,出风口内转角部分有较大的回风涡流区,从而影响风机能量的有效利用。东工流线型扩散弯道的边界形式是应用流体力学的方法确定的,因而其性能要比苏式60°的要好;但这种扩散弯道的最优断面扩大系数并非很,其对气流的动能回收并未达到最大,而且它也未能完全消除内边界出口处的涡流回流现象。涡流区的出现表明气流的边界层发生了分离,根据资料[1]研究,当雷诺数Re>5×105时,扩散弯道中气流是否发生分离现象,扩散弯道中的气流边界层是否发生分离主要取决于其结构的界面形状即流型,因为它直接影响到气流流动的方向。因此为了设计出性能良好的扩散弯道,必须应用流体力学的方法设计出符合实际流场流动规律的扩散弯道内外边界的形式,以防止内边界出口处涡流区的出现,在此条件下尽量增大其断面扩大系数;以减小出口动能的损失。

    1　扩散弯道的性能评估参数

    根据文献[2],扩散弯道的性能主要可用静压恢复系数Cp以及扩散效率η等表示,它们的表达式如下:

    A_1,A₂———扩散弯道入口和出口处的横截面积

    静压恢复系数:

式中　P₁,P₂———扩散弯道入口和出口处的静压,Pa

    v₁———扩散弯道入口处气流速度,m/s

    ρ———空气密度,kg/m3

    2　扩散弯道的模型试验研究

    本文在设计扩散弯道的合理流形时,首先进行了扩散弯道的小模型试验,试验的目的主要是观察气流在扩散弯道中的流动情况,以此作为用流体力学设计其边界流型的依据。试验装置和测试仪器如图1。其中扩散弯道的内外边壁用薄木板组成,以保证其边界形式可调,其中的锥形芯块是用来模拟现用扩散弯道芯筒后的一段锥形芯筒,整个模型水平放置,模型的底板设置坐标纸,用于记录扩散弯道模型的边界曲线。试验的风量范围定为0.0197~0.0403m3/s,入口流速范围为5.41~11.07m3/s,雷诺数范围为2.10×104~5.03×104。由于此试验装置的尺寸很小,而且模型壁面的粗糙度、气流雷诺数的大小等都与实际工程中的不同,因而它的计算性能并不能代替扩散弯道的真实性能,然而试验是在相同的条件下进行的,具有可比性,所以它可以反映出不同边界形式对扩散弯道性能的影响。试验方法如下:①在扩散弯道中均匀地撒上细盐粒,作为流场显示物,然后进行吹风试验,可以观察到在扩散弯道型的内边壁处有呈弧线状分布的盐粒堆积区,在这个区域内,盐粒没有被吹走,这说明在盐粒堆积区内,气流的流速很小,气流在此处易发生边界层分离,并形成了涡流区;②向外不断调整扩散弯道的外边界,进行多次吹风试验,盐粒堆积区的分布与第一步所做的结果基本相同,盐粒堆积区的外缘曲线基本未变;这时可调整扩散弯道的内边界,使之处于盐粒积区最外缘曲线上;③在扩散弯道的内边界线上选取合适的点作为内边界线的顶点。内边界线顶点的选择很重要,如果选择的点的高度较低,那么气流的出流的速度也未能充分降低;如果太高,将增大扩散弯道的尺寸,使基建费用增多。考虑到这些因素,取C点为内边界线顶点的位置,此时C点距风洞顶端的高度为0.732h(h为风道高度,此处为56)。通过流体力学理论的分析,可知当选取的内边界线顶点C处的出流角为60°时所得的理论流型与试验流型相吻合,因而可以确定C处的出流角为60°;④过内边界线端点C点做与60°相垂直的直线,那么这条直线所在的断面与气流在出口处的出流方向相垂直。为了确定扩散弯道的最优断面扩大系数,在此直线上分别选择了具有代表性的四点D1、D2、D3、D4,各点间距为3mm,如图2,通过这四点即可定出具有四种断面扩大系数的扩散弯道。如果以这四点作为扩散弯道的外边界顶点,那么它们的高度均达不到要求的最低高度1.4h,因此可再从这四点分别做与水平面成一定角度的直线,使其外边界线的顶点位置处于1.4h的高度。分别过D1、D2、D3、D4四点做与水平面成45°,50°,55°三种夹角的直线,这样经过每一点有三种外边界线的形式,四点共有十二种外边界线的形式。试验用微压计测量扩散弯道入口断面的负压,用速度测针测定出口断面的速度,用温度计、干湿计、气压计测定大气密度,再由式(1)~式(2),分别计算了它们的阻力系数及其它性能参数[3]。经对比可以得知,当CD2/AB=1.52,以及由D2点的延长直线与水平成50°角时,扩散弯道具有最佳的性能。这样可以确定外边界流线汇流点D2的高度为0.95h,由于在进出口断面相同的情况下,扩散弯道内外边界顶端的出流角越接近,则出口动能损失越小,因而可以选择外边界流线顶点D2处的出流角也为60°