带旋转轮毂的低速轴流风机泄漏流动的CFD研究

《International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power》：CFD Study of the Leakage Flow in a Low-Speed Axial Fan with Rotating Shroud

　　

本文对配备旋转轮毂的低速轴流风机中转速对泄漏流动发展的影响进行了数值研究。通过稳态CFD模拟与静态有限元分析（FEM）之间的单向耦合，考虑了离心力和气动载荷引起的转子变形。在四个转速下获得的气动和结构结果与同一研究团队收集的现有实验数据进行了验证，与转子变形相关的不同泄漏流动模式得到了正确再现。随后，采用对应两个转速且在相同无量纲流量系数下运行的变形几何体进行了URANS模拟。数值结果为旋转轮毂与静止机壳之间间隙内的泄漏流动行为提供了深入认识，该区域由于光学通路限制而无法通过实验进行研究。研究表明，通过间隙的泄漏流量对转子变形的敏感性有限，因其随转速缩放，且由两个主要贡献来源供給：一股直接从转子出口引出的流动和一股沿安装板发展的再循环流动。相反，无量纲角动量流量在较低转速下更大，对应泄漏流被转子快速再吸入的情况。这表明与泄漏流旋流相关的离心效应并非观察到的泄漏流模式变化的原因。最后，在泄漏流中识别出显著的周期性和非周期性分量。这些分量预计将促成撞击转子叶片并因此产生显著噪声的大尺度结构的形成。

# 带旋转轮毂的低速轴流风机泄漏流动数值研究解读

## 研究背景与意义

低速轴流风机广泛应用于民用、工业和交通运输领域。在许多应用场景中，性能约束的重要性不及尺寸、简单性或单位成本等要求，因此常采用刚度有限的低成本材料，这导致运行期间转子可能发生显著变形。为缓解这一问题，转子常配备旋转轮毂（即环），该结构不仅能提高容积效率，还能增强整个转子组件的结构刚度，从而允许采用后掠叶片以降低辐射噪声。然而，这种配置促进了静止机壳与旋转轮毂之间间隙内特殊泄漏流动的发展。已有文献报道的主要影响是泄漏流中大尺度湍流结构与转子叶片相互作用所产生的噪声增加，表现为低频至中频段宽带噪声的整体升高和次谐波频率处窄带驼峰的出现。

间隙区域的几何与流场复杂性使得在该区域进行详尽的空气动力学测量难以实现，这使得数值模拟既具吸引力又特别具有挑战性。过去十年中已开展多项非定常数值研究，但主要集中于辐射噪声的直接模拟，而对间隙区域流动的气动特性关注相对有限。另一个重要方面是尽管存在旋转轮毂，叶片仍会因离心力和气动载荷产生变形；在汽车冷却风机中，旋转轮毂的轴向位移通常可达转子直径的百分之几。本课题组的前期实验研究发现，变形随转速增加，且流动模式和辐射噪声特性通常会发生突然改变，但现有文献中针对带轮毂轴流风机转子变形的研究很少，且均未探讨其对泄漏流或主流的影响。

## 研究方法概述

研究人员采用商业软件套装Star-CCM+ 20.02.007-R8完成网格划分和数值模拟。基于前期振动测量未发现显著振动的实验事实，采用稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟与静态结构分析（SSA）之间的单向耦合方法进行流固耦合（FSI）分析，从而获得变形后的转子几何。有限元分析在四个转速（500、1500、2400和3000 rpm）下进行，均对应相同无量纲流量系数。气动计算采用Menter k–ω SST湍流模型，转子与静止域均使用非结构化多面体网格离散。为分析泄漏流的非定常特性，在获得变形几何后进行了URANS模拟，叶轮旋转一周划分为110个时间步，共模拟五个完整转子旋转周期。验证工作通过与实验测量的轮毂轴向位移和流场数据进行比较完成。

## 结果与讨论

**泄漏流流场结构。** 瞬态q因子等值面显示，在Ω = 2400 rpm工况下，泄漏流流出间隙后被风机快速再吸入，受扰动区域径向限制在0.9 < r/rtip < 1范围内；而在Ω = 3000 rpm工况下，再循环气泡向径向外侧位移并显著扩大，泄漏流以径向为主导方向流出，受扰动区域径向范围达到r/rtip = 0.75至超过1.5，轴向延伸约0.45 rtip。两种工况下旋涡结构的卷曲形态均表明泄漏流中存在非周期性大尺度结构。

**间隙内的平均流动与角动量。** 间隙流动由两个主要贡献来源供给：一是从转子出口直接引出并绕过旋转轮毂下游边缘的流动，二是沿安装板下游侧发展的向心再循环流动。在两种转速下，间隙入口截面的体积流量均约占风机总流量的8.7%，表明泄漏流量对转子变形基本不敏感。非定常无量纲角动量流量在Ω = 2400 rpm时是Ω = 3000 rpm时的1.56倍，表明较低转速下从间隙流出的泄漏流具有更强的离心效应。由于泄漏流模式随转速的变化与旋流离心效应所预期方向相反，旋流并非模式转变的主要原因，间隙几何形状的改变起主导作用。

**泄漏流的周期性分量。** 在间隙入口附近，周期性轴向速度分量呈现9个局部极大值，空间周期性与叶片位置相关。随着泄漏流向上游发展，这些极大值部分衰减但仍可辨识，导致间隙出口截面处泄漏流在切向方向上的释放不均匀。这种非均匀性可能诱导周期性相干结构的形成，其与非周期性大尺度结构共存。

## 结论

本研究通过详细的URANS数值模拟，揭示了带旋转轮毂低速轴流风机中转子变形对泄漏流动的影响机制。研究确认泄漏流量与转速和风机流量成正比，转子变形对泄漏流量影响可忽略；而无量纲角动量流量在较低转速下更大，排除了旋流离心效应作为流动模式转变的主因。间隙几何形状的改变，特别是旋转轮毂轴向位移的大小，决定了泄漏流是径向向外排出还是被转子再吸入。此外，泄漏流中同时存在与叶片数和转子旋转周期相关的周期性分量及非周期性大尺度结构，这些结构对噪声产生具有重要贡献。