本發(fā)明屬于鐵路、公路隧道建設(shè)工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其屬于高海拔鐵路、公路隧道通風(fēng)工程建設(shè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及高海拔鐵路、公路隧道施工通風(fēng)設(shè)計技術(shù)。
背景技術(shù)：
：隨著我國交通網(wǎng)的逐漸完善，高海拔鐵路、公路隧道的數(shù)量迅速增多，高海拔隧道建設(shè)工程中的通風(fēng)設(shè)備優(yōu)化問題日益受到國內(nèi)各界的關(guān)注。目前，國內(nèi)高海拔隧道施工中，選用的通風(fēng)設(shè)備多為軸流風(fēng)機，與平原地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的空氣密度相對低，軸流風(fēng)機的有效功率會降低，從而導(dǎo)致通風(fēng)效果降低。保證軸流風(fēng)機的有效功率是隧道施工安全的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。通過對國內(nèi)外資料的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究學(xué)者主要針對軸流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進行研究改進，從而達到增大軸流風(fēng)機有效功率的效果，而對于軸流風(fēng)機在高海拔地區(qū)是否適用或滿足功率要求，目前采取的是現(xiàn)場測試的方法，有時需進行反復(fù)多次的改進和測試，費時費力。因此，快速有效的預(yù)測高海拔地區(qū)軸流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以節(jié)省成本，減少不必要的人力物力的浪費。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對現(xiàn)有高海拔隧道施工中軸流風(fēng)機有效功率降低現(xiàn)象，提出一種通過獲得軸流風(fēng)機葉片最優(yōu)安裝角來滿足高海拔地區(qū)軸流風(fēng)機有效功率要求的方法。本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：軸流風(fēng)機葉片安裝角度獲得方法，其特征在于包括以下方法：(1)選定軸流風(fēng)機型號，提取其基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立不同安裝角的風(fēng)機模型，并分別導(dǎo)入FLUENT軟件中；(2)獲得不同海拔高度空氣質(zhì)量密度，分別輸入FLUENT軟件中，模擬計算得到各海拔高度條件不同安裝角情況下，風(fēng)機的有效功率P與安裝角θ的關(guān)系曲線；(3)對步驟(2)得到的曲線進行擬合，得到各海拔高度該軸流風(fēng)機型號風(fēng)機的有效功率P與安裝角θ的計算公式；(4)根據(jù)工程實際功率需要，利用步驟(3)計算式獲得風(fēng)機的安裝角。本發(fā)明軸流風(fēng)機葉片安裝角度獲得方法具體包括以下步驟：步驟一、選定軸流風(fēng)機型號，提取其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟二、根據(jù)步驟一選擇的風(fēng)機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行葉輪幾何模型的建立；首先在GAMBIT中將風(fēng)機葉片模型建立起來，隨后在其基礎(chǔ)上依次建立電機、支架、風(fēng)筒形成軸流風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)模型；步驟三、利用FLUENT軟件對不同海拔、風(fēng)機葉片不同安裝角度進行組合計算，包括：(1)在GAMBIT中建立葉片不同安裝角的軸流風(fēng)機模型；(2)將(1)建立的模型導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)置計算時的初始邊界條件，包括氣流入口、氣流出口、風(fēng)筒內(nèi)壁、電機、支架、過渡面、葉片、風(fēng)機段、入口風(fēng)量、出口段，并劃分網(wǎng)格；(3)分別計算不同海拔高度的空氣密度和氣壓，并將其設(shè)置為風(fēng)機入口處的空氣密度和氣壓后進行計算。(4)提取各個工況計算結(jié)果中風(fēng)機出口的全壓，根據(jù)初設(shè)的風(fēng)機流量可以得出風(fēng)機的有效功率；Pe＝△p.Q，其中Pe為風(fēng)機有效功率，△p為風(fēng)機出口全壓，Q為風(fēng)機流量；(5)繪制同一海拔高度時，風(fēng)機有效功率與葉片安裝角之間的關(guān)系曲線，并擬合曲線，得到關(guān)系計算式；步驟四、根據(jù)所選軸流風(fēng)機所在海拔高度，重復(fù)以上步驟一、二、三，即可獲得該海拔情況下，風(fēng)機不同葉片安裝角的有效功率，確定風(fēng)機的安裝角。所述步驟三中風(fēng)機葉片不同安裝角度分別選取20°、22°、24°、26°、28°進行計算。本發(fā)明具體選取軸流風(fēng)機型號SDZ260-8P進行模擬，得到的模型計算式包括：(1)海拔為0m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P0＝3.7182θ+57.592(2)海拔為1000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P1000＝3.6024θ+55.807(3)海拔為2000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P2000＝3.5457θ+45.378(4)海拔為3000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P3000＝2.992θ+41.809(5)海拔為4000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P4000＝2.4818θ+38.532(6)海拔為5000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值：P5000＝2.2292θ+34.636其中：P為軸流風(fēng)機有效功率，單位kW；θ為軸流風(fēng)機葉片安裝角，單位度。本發(fā)明中采用FLUENT及其前處理軟件GAMBIT。FLUENT軟件是目前國際上流行的商業(yè)計算流體力學(xué)(CFD)軟件，只要涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等的工程問題，都可以用FLUENT進行求解。GAMBIT是一款幫助計算流體力學(xué)軟件建立模型并劃分網(wǎng)格的前處理軟件。GAMBIT通過其用戶界面(GUI)能夠簡單、直接地建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等。本發(fā)明通過利用數(shù)值模擬的方法，對高海拔地區(qū)的軸流風(fēng)機有效功率進行計算，得出一種高海拔地區(qū)軸流風(fēng)機葉片安裝角度的預(yù)測方法。提出一種基于數(shù)值模擬的高海拔隧道施工通風(fēng)中軸流風(fēng)機葉片安裝角的確定方法。本發(fā)明利用流體力學(xué)計算軟件FLUENT及其前處理軟件GAMBIT，進行軸流風(fēng)機不同葉片安裝角θ模型的建立，輸入不同海拔H的環(huán)境參數(shù)，設(shè)定入口風(fēng)量Q，進行高海拔軸流風(fēng)機運行狀況的組合模擬計算。提取不同海拔，不同安裝角的風(fēng)機出口風(fēng)壓ΔP，計算出對應(yīng)軸流風(fēng)機的有效功率Pe。提取不同海拔情況下，軸流風(fēng)機有效功率隨葉片安裝角變化的數(shù)值，并進行作圖，線性擬合并給出計算公式式(Pe-θ)。在實際應(yīng)用中，根據(jù)工程情況，選擇軸流風(fēng)機要求的有效功率，帶入對應(yīng)的海拔高度計算式中，計算得到該軸流風(fēng)機在該海拔情況下，能夠滿足有效功率的最小安裝角。由于本發(fā)明只給出了部分海拔，功率與葉片安裝角的關(guān)系計算式，因此，可以首先計算與實際工程的海拔高度相鄰的兩個海拔高度時軸流風(fēng)機的葉片安裝角，然后進行線性內(nèi)插或者線性延伸的方法，得到所需海拔高度的軸流風(fēng)機的葉片安裝角的預(yù)測值。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用數(shù)值模擬計算和模型，得出了軸流風(fēng)機葉片安裝角的獲得方法，經(jīng)現(xiàn)場測評，得出的結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符。本發(fā)明解決了施工方以往不斷進行現(xiàn)場試驗確定軸流風(fēng)機葉片安裝角的復(fù)雜問題，得到的結(jié)果準確可靠，最大限度地實現(xiàn)了經(jīng)濟、合理、高效、便捷。附圖說明圖1軸流風(fēng)機平面布置示意圖；圖2軸流風(fēng)機平面尺寸示意圖；圖3軸流風(fēng)機風(fēng)筒切面圖；圖4軸流風(fēng)機葉片整體示意圖；圖5軸流風(fēng)機葉片整體另一示意圖；圖6軸流風(fēng)機葉片尺寸示意圖；圖7軸流風(fēng)機葉片建模示意圖；圖8軸流風(fēng)機整體建模示意圖；圖9海拔0m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖；圖10海拔1000m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖；圖11海拔2000m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖；圖12海拔3000m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖；圖13海拔4000m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖；圖14海拔5000m時，軸流風(fēng)機有效功率隨安裝角變化圖。圖中，1是入口段；2是風(fēng)機段；3是出口段；4是集流器；5是電機；6是擴散筒；圖10至圖14中，橫坐標表示安裝角θ，單位度；縱坐標表示有效功率P，單位kw。具體實施方式下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，實施例只用于對本發(fā)明進行進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整也屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明首先選用SDZ260-8P型軸流風(fēng)機，平面布置圖如圖1所示，提取其基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要是葉片截面數(shù)據(jù))，包括：風(fēng)筒直徑、長度，支架的位置、尺寸，葉片輪轂半徑、安裝角范圍、葉型弦長、葉型厚度、葉片數(shù)等，SDZ260-8P型軸流風(fēng)機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2、3、4、5所示。利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行風(fēng)機模型的建立。前期建模，分別建立葉片安裝角為20°、22°、24°、26°、28°的風(fēng)機模型，葉片模型如圖6所示，風(fēng)機整體模型如圖7所示。然后導(dǎo)入FLUENT軟件之中，進行網(wǎng)格的劃分，邊界條件的設(shè)置包括：氣流入口(風(fēng)機進口質(zhì)量流量)、氣流出口(設(shè)風(fēng)機出口靜壓為大氣壓力)、風(fēng)筒內(nèi)壁、電機、支架(無滑移固壁邊界條件)、過渡面(利用unite命令將入口段、風(fēng)機段、出口段連接成一個整體)、葉片(旋轉(zhuǎn)壁面條件)、風(fēng)機段(此段設(shè)為fluid，先設(shè)定氣流的方向，然后流體結(jié)構(gòu)設(shè)為MovingReferenceframe結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速可根據(jù)實際的風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)定，但要注意方向)、入口段、出口段(兩段的邊界條件可取默認值，軟件默認他們?yōu)镾tationary，即相對靜止結(jié)構(gòu))。根據(jù)SDZ260-8P型軸流風(fēng)機廠家出廠建議，將風(fēng)機入口風(fēng)量設(shè)定為120m3/s。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式可以求得空氣密度與海拔高度的關(guān)系：式中：ρH——海拔高度為H時的空氣密度，kg/m3；ρ0——標準狀態(tài)下空氣密度；H——海拔高度，m；T0——絕對溫度，273K；α——空氣溫度梯度，約為0.0065K/m。根據(jù)氣體狀態(tài)方程式可以得到不同海拔高度標準大氣的相關(guān)參數(shù)如下表所示。海拔H(m)溫度T(K)壓力(Pa)ρ(kg/m3)0288.21.0133×1051.2251000281.70.898761.1112000275.20.795011.0073000268.70.701210.90934000262.20.616600.81945000255.70.540480.7364設(shè)置好所有的初始條件之后，利用FLUENT軟件，對軸流風(fēng)機模型進行計算，分別對安裝角為20°、22°、24°、26°、28°和海拔為0m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m進行組合計算，提取30種工況下的風(fēng)機出口全壓△P。根據(jù)風(fēng)機有效功率計算式：Pe＝△p.Q(Pe為風(fēng)機有效功率，△p為風(fēng)機出口全壓，Q為風(fēng)機流量)。分別提取海拔為0m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m時，風(fēng)機效率與葉片安裝角。分別在EXCEL中對其進行描點、繪圖，后期對散點圖進行線性擬合，并給出計算式：(1)海拔為0m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖9：P0＝3.7182θ+57.592(2)海拔為1000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖10)：P1000＝3.6024θ+55.807(3)海拔為2000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖11)：P2000＝3.5457θ+45.378(4)海拔為3000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖12)：P3000＝2.992θ+41.809(5)海拔為4000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖13)：P4000＝2.4818θ+38.532(6)海拔為5000m時，風(fēng)機有效功率P隨安裝角θ變化值(圖14)：P5000＝2.2292θ+34.636其中P為軸流風(fēng)機有效功率(kW)，θ為軸流風(fēng)機葉片安裝角(°)。以上述6個計算式為基礎(chǔ)，根據(jù)軸流風(fēng)機所在的實際海拔高度，選取兩個相鄰的計算式，進行葉片安裝角的計算，將計算結(jié)果根據(jù)實際海拔高度進行線性內(nèi)插，得到軸流風(fēng)機實際的葉片安裝角預(yù)測值。當前第1頁1 2 3