煤矿生产中， 掘进工作面是主要的产尘环节。粉尘不仅严重危及采掘工作面人员的身体健康，而且容易造成重大事故隐患。采用除尘风机对掘进工作面进行降尘是主要降尘方式之一。但是，由于工作面粉尘极易随风四处扩散，如何将粉尘定向导入离心风机，提高除尘效率，是亟待解决的问题。其中集流器是引导粉尘气体进入通风机的重要结构，其结构形式对风机性能有很大的影响。有关研究表明圆弧形集流器对提高风机性能效果好。山东冠熙环保设备有限公司对集流器进行改进，在通风机集流器内部的侧壁上固定若干条肋组成的“米”字支撑架。
本文将对加米字支撑架的集流器和普通圆弧形集流器进行整机数值模拟，***分析这2 种结构形式对掘进工作面的粉尘的导流效果，并对比其对风机性能的影响，为掘进工作面降尘效率的提高提供理论依据。
通风机流体的数学模型
粉尘流体在风机中流动的物理条件较为复杂，影响因素较多，因此在离心风机的数值计算中，假设流体为连续等温不可压缩的牛顿流体稳态运动而且各组分之间没有化学反应。其在风机中的流动要遵循质量守恒定律、动量定理和能量守恒定律3 个基本物理守恒定律的支配。
为改善通风机受气体粘性影响导致流动分离加剧的现象，在传统蜗壳型线设计理论的基础上，研究气体粘性力矩对蜗壳壁线分布的影响，并采用动量矩修正方法对其进行改型设计。另外，为真实反映风机内流场分布情况，在标准k-ε 计算模型的扩散项中加入粘性应力作用，使其高计算误差降低至3%。对比分析改型前后风机数值模拟计算和试验测量结果可知，采用修改的k-ε 模型进行计算发现改型后风机内旋涡强度减小，蜗壳出口靠近蜗舌处流动分离得到改善。试验结果表明：改型通风机出口静压提升约25Pa，较大全压效率较原型机提升约10%。
同时，由于蜗壳张开度扩大能够***流动分离，使蜗舌附近区域的旋涡强度及其影响区域减小，从而有效地降低了多翼离心风机噪声2.5dB。多翼离心风机广泛应用于国民经济的各个领域，是工业生产中主要耗能设备之一，蜗壳作为离心风机中不可或缺的基本元件，其结构的不对称性及内部流动的复杂性会对叶轮出口气流角造成较大影响，使其沿圆周方向呈现出明显的不对称性。而在风机实际运行过程中，通风机叶轮出口气流与蜗壳壁面间存在强烈的非定常干涉，使得蜗壳壁面成为风机的主要噪声源。因此提高蜗壳型线设计水平，不仅能改善风机气动性能，还能达到降低噪声的效果。目前国内外学者对离心风机蜗壳型线的研究，主要集中在寻找能真实反映蜗壳内流体流动状态的设计方法。
将建立好的通风机三维模型导入ICEM 软件进行混合网格的划分。其中进出口和叶轮区域采用结构化网格，而蜗壳部分由于其内部结构复杂，尤其是电动机周围结构并非规则模型，故采用适应性较强的非结构化四面体网格，具体网格如图3 所示。综合考虑动静耦合区域对数值模拟预测结果的影响，在进行网格划分时，对边界层进行加密处理，其较低网格质量雅克比[14]在0.3 以上。为了保证数值计算结果的准确性，避免网格误差对其模拟结果造成影响，对通风机进行网格无关性验证，如表1 所示。综合考虑计算精度和计算效率可知，当网格数为25 万左右时预测结果较为合理，终确定整个计算域的网格数为2513558。k-ε 模型作为为普遍有效的湍流模型，能够计算大量的各种回流和薄剪切层流动，被广泛应用于各类风机的数值求解计算中。
由于有梯度扩散项，模型k-ε 方程为椭圆形方程，故其特性同其他椭圆形方程，需要边界条件：通风机出口或对称轴处k / n0和/ n0。但上述边界条件只针对高雷诺数而言，在固体壁面附近，流体粘性应力将取代湍流雷诺应力，并在临近固体壁面的粘性底层占主要作用。而多翼离心风机由于结构尺寸小、相对马赫数低，气体黏性力在流体流动过程中起重要作用，因此，在实际运用过程中，标准k-ε 模型由于未充分考虑粘性力的影响，导致计算模型出现偏差。运用Visual C 将上述修正函数编写为UDF代码，并导入Fluent 内置Calculation module。为符合实际运行状态，通风机进出口边界条件设置为压力入口和压力出口，出口压降与动能成正比，从而避免在进口和出口定义一致的速度分布[15]。后以CFD 计算的定常结果作为初始条件，进行非定常数值计算。
