转子定子间隙流ANSYS-CFX仿真

关键词：转子-定子系统 | ANSYS-CFX | SAS-SST | 涡结构 | 间隙流

一、研究背景

转子-定子系统广泛存在于风机、压缩机和流体机械中，其间隙流动特性在变转速工况下会发生显著变化，直接影响系统稳定性和气动性能。Zhao Z.等人（Applied Sciences, 2021）采用ANSYS-CFX对经典圆柱进气转子-定子系统腔体进行了数值仿真，并与风阻转矩试验结果进行了对比验证。研究采用SAS-SST湍流模型（RANS-LES混合方法），通过改变转速（ReΦ=2.12×10^6至4.23×10^6）系统分析了转子壁面剪切应力、雷诺应力、涡结构和转矩系数的变化规律。

图1 转子-定子系统腔体物理模型示意图

二、仿真方法

研究采用ANSYS-CFX求解转子-定子系统三维流场，以空气为工作介质，入口施加质量流量和5%湍流强度，出口设为开口条件。湍流模型选择SAS-SST模型，该模型在 SST k-ω基础上引入 von Kármán长度尺度，可根据局部流动结构动态调整模型行为，在稳定流区保持RANS性能、在不稳定流区具备类似LES的分辨率。网格采用结构化六面体网格，转子和定子壁面第一层网格高度为0.005mm，y+值小于5以精确捕获粘性子层流动。网格数量由网格收敛指数GCI验证，最终选择594万单元。非定常计算时间步长确保均方根Courant数低于5，取最后两个旋转周期的平均值作为结果。与试验对比，SAS-SST模型相对误差仅3.3%，优于SST k-ω模型的4.9%。

图2 计算域网格划分及网格无关性验证

图3 SAS-SST与SST k-ω湍流模型与试验结果对比

三、结果分析

数值仿真结果表明，随着旋转雷诺数ReΦ增大，转子壁面剪切应力逐渐增大，最大梯度区域位于无量纲长度 l*<0.15范围内。除剪切应力外，切向雷诺应力Rrθ对转子壁面转矩亦有部分贡献。转子-定子系统腔体内由引射形成的旋涡在ReΦ=3.53×10^6时趋于分离；随着旋转雷诺数继续增大，二次涡最终完全分离。转子湍流边界层内涡旋强度随转速增大而降低，但涡核数量随转速增大而增加，表明高转速下涡结构更加碎化。研究强调，根据流体机械应用场景，将转速控制在合理范围内可有效改善间隙流动特性，提升整机效率和稳定性。

图4 监测线布置及转子壁面分区示意图

图5 不同旋转雷诺数下腔体内流场分布演化

图6 不同转速下转子壁面雷诺应力分布

图7 不同旋转雷诺数下转子湍流边界层涡结构

四、我们提供的服务

我们团队在流体机械与旋转机械CFD仿真领域提供以下特色计算服务：①基于ANSYS-CFX/Fluent的转子-定子系统、空压机、风机间隙流及内流场数值仿真，支持多种湍流模型比选与验证。②SAS-SST、DES、LES等高精度RANS-LES混合模型定制仿真，捕获涡结构演化、转捷分析和流动不稳定性。③网格无关性验证与y+近壁网格优化，确保计算精度与效率平衡。④转子壁面风阻转矩、雷诺应力分量与剪切应力分布定量分析。⑤变转速工况下流场特性参数化研究，为流体机械变频调速设计提供依据。

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