A Combined analytical, experimental and numerical investigation of turbulent air flow behaviour in a rotor-stator cavity

Étude analytique, expérimentale et numérique du comportement d'un écoulement turbulent en air dans une cavité de type Rotor-Stator.

¹ PRES Université Nord de la France, Arts et Métiers ParisTech, 8, Boulevard Louis XIV, Laboratoire de Mécanique de Lille UMR CNRS 8107, 59046 Lille, France
² Laboratoire M2P2, UMR 6181 CNRS, Université d'Aix-Marseille, Technopôle Château-Gombert, 38 rue F. Joliot-Curie, 13451 Marseille, France
³ PRES Université Nord de la France, IUT de Béthune, 1230 Rue de l'Université, Laboratoire de Mécanique de Lille UMR CNRS 8107, BP 819, 62408 Béthune, France

Corresponding author: fadi_abdnour@hotmail.com

Received: 20 April 2009

Abstract

The present work considers the turbulent air flow inside an annular high speed rotor-stator cavity opened to the atmosphere at the periphery, where the pre-swirl ratio of the fluid is low. The interdisk spacing is sufficiently large so that the boundary layers developed on each disk are separated and the flow belongs to the regime IV of Daily and Nece (ASME J. Basic Eng. 82 (1960) 217–232). In such a system, the solid body rotation of the core predicted by Batchelor (J. Mech. Appl. Math. 4 (1951) 29–41) in case of infinite disks is not always observed: the flow behaviour in the whole interdisk spacing is governed by the level of the pre-swirl velocity of the fluid which is closely linked to the peripheral geometry (Debuchy et al., Int. J. Rotating Machinery, (2007)). In the first part of the paper, experimental results performed by hot-wire probes introduced through the stator including mean radial and tangential velocity components, as well as three turbulent correlations, are presented for several peripheral boundary conditions leading to the same value of the pre-swirl ratio. In the second part, comparisons between experiments, numerical and analytical results are provided. The numerical approach is based on the Reynolds Stress Modeling (RSM) developed by Elena and Schiestel (Int. J. Heat Fluid Flow 17 (1996) 283–289). A good agreement between the different approaches is obtained for the mean and turbulent fields and especially for the distribution of the core swirl ratio.

Résumé

Ce travail porte sur l'étude de l'écoulement turbulent en air à l'intérieur d'une cavité annulaire de type rotor-stator, ouverte à l'atmosphère en périphérie là où le taux de pré-rotation du fluide est faible. L'espace inter-disques est suffisamment important pour que les couches limites près des parois soient séparées, ce qui correspond au régime IV selon Daily et Nece (1960). Dans un tel système, on n'observe pas toujours la rotation en bloc du noyau central prévue par Batchelor (1951) dans le cas de disques infinis: le comportement de l'écoulement dans l'espace inter-disques est induit par le niveau de pré-rotation du fluide, lui-même étroitement lié à la géométrie périphérique du dispositif (Debuchy et al. 2007). Dans une première partie, on présente des résultats de mesures effectuées par sondes à fils chauds introduites au travers du stator, comprenant les composantes radiale et tangentielle de la vitesse moyenne ainsi que trois corrélations turbulentes, ceci pour différentes géométries périphériques conduisant toutes à la même valeur du taux de pré-rotation du fluide. Dans la deuxième partie, on effectue des comparaisons entre résultats expérimentaux, numériques et analytiques. L'approche numérique est basée sur le modèle de type Reynolds Stress Modeling (RSM) développé par Elena et Schiestel (1996). On obtient des résultats comparables pour les champs moyen et turbulent, et plus particulièrement pour l'évolution du taux de rotation du fluide dans le noyau central.