Unsteady flow phenomena at the entrance of the centrifugal fan impeller

Nestacionarno strujanje u centrifugalnom ventilatoru simulirano je metodama računalne mehanike fluida tehnikom simulacije odvojenih vrtloga (eng. DES). Ispitivane su četiri geometrijske konfiguracije radnoga kola u širokom rasponu masenih protoka, u cilju istraživanja nestacionarnih strujnih pojava, osobito rotirajućega prekida strujanja te predvrtloga u usisnoj cijevi, a koje se javljaju u vanprojektnim režimima rada pri protocima koji su niži od optimalnoga. Istovremeno su izvedena mjerenja radnih karakteristika te nestacionarnih fluktuacija tlaka na stacionarnim pozicijama u neposrednoj blizini ulaza u radno kolo, u cilju eksperimentalne validacije rezultata numeričke simulacije. Vizualizacijom i animacijama rezultata računalne simulacije pokazano je postojanje snažnoga natražnoga strujanja u rotorskim međulopatičnim kanalima zahvaćenima rotirajućim prekidom strujanja. Zastojne ćelije se premještaju ili miruju relativno u odnosu na radno kolo. Fluid u natražnom strujanju iz kanala u prekidu strujanja izbija u prostor ispred rotorskih lopatica gdje uzrokuje nastajanje precesijskih vrtloga. Precesijski vrtlozi se premještaju po unutarnjem obodu rotorskih lopatica. Mlazevi natražnoga toka penetriraju u usisnu cijev gdje se miješaju s dolaznom strujom. Mlazevi su nestacionarni, na mahove, a turbulentna difuzija vrtložne tangencijalne brzine koju posjeduju mlazevi je vrlo intenzivna. Kod nižih protoka cijela jezgra dolaznog toka se prožima vrtložnošću te se s precesijskim vrtlozima spaja u jedinstveni predvrtlog. Na početak i oblike pojave rotirajućeg prekida strujanja, kao i na početak pojave predvrtloga te njegov doseg unutar usisne cijevi snažno utječu broj lopatica, ulazni kut lopatica, omjer širine i duljine međulopatičnih kanala radnoga kola te veličina zazora između vrhova lopatica otvorenoga radnog kola i prednje ploče kućišta.Extensive numerical detached-eddy simulations of the unsteady flow in four different centrifugal fan impeller configurations and in a broad range of mass flow rates are conducted to investigate the unsteady flow phenomena at part-load conditions, particularly rotating impeller stall and formation of the prerotation swirl in the draft tube. Measurements of the performance curve and pressure fluctuations in the steady frame in vicinity of the impeller eye inlet are conducted to validate results of the numerical simulations. Visualisation of the CFD results shows significant reverse flow in the rotating stall affected blade passages. Stall cells are stationary or moving in the impeller frame of reference. Reverse flow from stalled passages is ejected into impeller eye generating precessing vortices along impeller blade inlet edges. Jets of the reverse flow penetrate into draft tube in unsteady manner causing rapid turbulent mixing and diffusion of the swirl velocity into the incoming flow. At smaller flow rates swirl vorticity pervades the core of the incoming flow and the precessing vortices coalesce into single prerotation vortex. All of the blade number configuration, blade inlet angle, blade passage width-to-length ratio and unshrouded impeller blade tip gap influence significantly the onset and the mode of the impeller stall and onset and extent of the unsteady prerotation swirl