（动力机械及工程专业论文）车用小型离心压气机结构参数优化及流量特性的仿真计算.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 柴油机以其独特的优势广泛应用社会生产的各个部门，但随着全球能源的匮乏、 排放法规的日益严格，迫使人们对柴油机的动力性、经济性和排放性提出了更高的要 求，而采用废气涡轮增压器是实现上述目标的一个较好的办法。 离心式压气机，因其具有单级压比高、工艺性能好、结构简单、效率高等优点被 广泛应用于柴油机的废气涡轮增压器中。在以前，压气机的设计以及其流量特性( 图) 主要通过试验的方法得到，这样不仅花费大，周期长，而且获得的数据有限。利用计 算流体力学( c f d ) 的方法对压气机的工作过程进行模拟计算，可以得到压气机流道 内详尽的流场信息，并可以得到压气机的工作性能。如果可以采用数值计算的方法设 计压气机，并计算压气机的流量特性图，这将对所设计压气机的前期评估以及增压器 与柴油机的匹配预测起到非常重要的帮助和指导作用。为此，可利用c f d 的方法建立 一个压气机的数值计算方案，实现压气机结构设计、优化及压气机流量特性图计算的 目的。 本文初步分析了一款1 6 个全长叶片叶轮的压气机，对压气机在不同转速和压比下 进行计算，根据得到的结果绘制出压气机的流量特性图；然后在全长叶片叶轮的基础 上修改叶轮成为长短叶片的压气机，并以实现较好的整机流量和效率特性为目标，通 过改变压气机的叶轮叶片数目、扩压器外径大小和蜗壳截面大小等结构参数，对压气 机模型参数进行优化。计算的结果表明，优化后的压气机性能在一定程度上有所提高， 高绝热效率区域在转速范围内有所扩展，喘振线向低流量区域偏移，高转速下压气机 的流量范围增加。 在优化压气机流量特性基础上，对不同转速下的流动损失情况进行分析，结果表 明，叶轮中的流动损失始终占流动损失的主要部分，扩压器中的流动损失相对较小， 随工况变化波动较小，蜗壳在高绝热效率区流动损失较小，但在低绝热效率区流动损 失很大，甚至超过叶轮处的流动损失。 通过对等厚直壁式、等厚圆弧式、楔形直壁式和弯翼式四种叶片式扩压器压气机 的计算分析得到，楔形直壁式叶片可以有效地提高压气机的效率，而采用弯翼式叶片， 由于气流在叶片吸力面头部不远处就出现了气流分离，使压气机的效率和流量大大降 低，采用其它两种叶片扩压器，压气机的性能与无叶式相当。 关键词：柴油机；离心压气机；c f d ；有限体积法；结构优化；流量特性图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e m o n s t r a b l ea d v a n t a g e s ，d i e s e le n g i n eh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n y i n d u s t r i a ld e p a r t m e n t s h o w e v e r , d u et o p o w e rr e s o u r c ed e c r e a s e da n dc u r r e n t s t r i c t e m i s s i o nc o n t r o lc r i t e r i al i m i t ，t h ep e o p l eh a v et os e th i g h e ra n ds t r i c t e rr e q u i r e m e n tf o r t h e d i e s e lp e r f o r m a n c ei np o w e ro u t p u t ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o nb e h a v i o r i th a sb e e n p r o v e d t h a ti n s t a l l i n ga ne x h a u s tg a st u r b o c h a r g e ro nt h ed i e s e le n g i n e ，w h i c hi so n eo ft h eb e s t w a y st oa c h i e v et h et a r g e t w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g h e rs t a g ep r e s s u r er a t i o ，s u p e r i o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ， s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g h e ra d i a b a t i ce f f i c i e n c y , c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h ee x h a u s tg a st u r b o c h a r g e r a tp r e s e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o di sm a i n l yu s e dt o d e s i g nc o m p r e s s o ra n do b t a i nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i cm a p ，b u tt h i sm e t h o de x p a n d sm o r e m o n e ya n dl o n g e rt i m e i nr e c e n t l yy e a r s ，c f dh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ec o m p r e s s o r r e s e a r c h i fw ec o u l dd e s i g na n do p t i m i z et h es t r u c t u r eo fc o m p r e s s o r , t h e nc a l c u l a t ef l o w c h a r a c t e r i s t i cm a pv i ac f d ，i tw o u l dp r o v eas i g n i f i c a n tg u i d e l i n ef o rt h ea c t u a ld e s i g na n d e n g i n em a t c h i n g t h e r e f o r e ，i ti sq u i t eam e a n i n g f u lw o r kt oe s t a b l i s hac f dm e t h o df o r i m p l e m e n t i n gt h ec o m p r e s s o r sd e s i g n , o p t i m i z a t i o na n dt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i cm a p c a l c u l a t i o n f i r s t l y , ac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rw i t h16l o n gb l a d e si m p e l l e rw a sd e s i g n e d ，t h ea i r f l o wq u a n t i t i e so ft h ec o m p r e s s o ri nd i f f e r e n tr u n n i n gs p e e d sa n dd i f f e r e n tp r e s s u r er a t i o s w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h em a pg r a p ho f f l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p r e s s o rw a se s t a b l i s h e d t h e n ，ao p t i m i z i n gc o m p r e s s o rm o d e lw i t hl o n ga n ds h o r tb l a d e sw a se s t a b l i s h e dt h r o u g h a d j u s t i n gt h en u m b e ro ft h eb l a d e so fi m p e l l e ra n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fd i f f u s e ra n d v o l u t eb yt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f o p t i m i z e dc o m p r e s s o rw a si m p r o v e d ，h i g he f f i c i e n tr e g i o ne x p a n d si n t ot h el o w e rs p e e d r a n g e s ，t h es u r g el i n ed e v i a t e st ol o w e rf l o wr e g i o na n dt h ef l o wr a n g ei nh i g h s p e e d b a s e do nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sm a pg r a p ho ft h eo p t i m i z e dc o m p r e s s o r , t h ee f f e c t l o s s e sw a sb e e na n a l y z e di nd i f f e r e n ts p e e d s i ts h o w st h a tt h el o s so fi m p e l l e ra c c o u n t e dt h e m a j o rp a r t ，d i f f u s e rw a sr e l a t i v e l ys m a l l ，v o l u t e w a sc h a n g e di nw i d er a n g ew i t ht h e o p e r a t i n gc o n d i t i o nc h a n g i n g i nt h ee n d ，t h ep a p e rc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ev a n e l e s sd i f f u s e rw i t ht h a to f f o u rt y p e so fv a n e dd i f f u s e r sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h i c k n e s ss t r a i g h tw a l lb l a d e ，t h i c k n e s sa r c w a l lb l a d e ，w e d g eb l a d ea n da i r f o i lb l a d e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew e d g eb l a d e d i f f u s e rc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o m p r e s s o r , w h i l et h ea i r f o i lb l a d e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 h a st h ew o r s ee f f i c i e n c y , d u et ot h ef l o ws e p a r a t i o no c c u r r i n gf r o mt h eh e a do ft h es u c t i o n s u r f a c ea n dl e a d i n gt ot h ea d i a b a t i ce f f i c i e n c ya n df l o wr a t ef a l l ，a n dt h eo t h e rt w ot y p e so f d i f f u s e r sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec o m p r e s s o rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；c f d ；f i n i t ev o l u m em e t h o d ；f l o w c h a r a c t e r i s t i cm a p ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：斛剁军 指导老师签名： 同期：凇，d 上 磊彩 日期：7 , o l o 石2 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 )通过c f d 的方法对压气机的不同工况进行计算，得到设计阶段的压气机流 量特性，而不是依赖实验测试。 ( 2 )通过改变压气机各组成的结构参数，对压气机进行结构优化，使压气机的 流量特性得到改进。 ( 3 )对压气机的各组成结构流动损失进行分析。 ( 4 )比较了四种叶片式扩压器，分析叶片式扩压器对压气机性能的影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：属中利旱 日期：7 o o - 多2 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 柴油机由于具有单位质量功率高，燃油消耗量低，热效率高，扭矩特性独特，运 行稳定、寿命长，一氧化碳和氮氧化物排放低，单机功率设计范围广，使用、安装、 移动灵活等优点而被广泛应用在工业、农业、交通运输和国防工程等各个部门。虽然 世界石油资源不断匮乏和排放法规越来越严格，但还没有相应的替代动力机械出现， 所以柴油机的使用还会持续很长时间。但是不断提升柴油机的性能，实现单机高功率、 高效率和低排放是柴油机可以良性发展的唯途径，这也是柴油机工作者不断追求的 目标。 柴油机采用废气涡轮增压器是实现上述目标的最好方法之一，它具有增加内燃机 比功率、降低燃油消耗率、提高低速扭矩性能、改善排放和有利于高原恢复功率等优 点，越来越多的车用发动机采用增压技术来提高功率。以往增压技术主要应用于大型 柴油机中，但随着人们对高功率密度动力机械的需求，以及增压器小型化技术的发展， 现今，在小型柴油机中，乃至在汽油机中都开始广泛使用废气涡轮增压器，可以说使 用增压系统已经成为内燃机发展的一种趋势i l ”j 。 增压器中压气机的性能优劣是评价增压器性能的重要指标，而压气机的性能主要 取决于工作叶轮、扩压器、出气蜗壳等部件的结构参数。压气机的性能最终要归结为 流量特性( 图) ，同时压气机流量特性( 图) 也是增压器与柴油机匹配的主要参考依据 【45 1 。过去，主要通过试验的方法得到压气机的流量特性曲线，不仅花费大，周期长， 而且获得数据有限，并且在设计阶段无法采用实验方法来获得流量特性图。所以，若 在压气机设计阶段，就可以得到压气机的流量特性图，将会对所设计压气机的前期评 估以及增压器与柴油机的匹配预测起到重要的帮助和指导作用。 离心式压气机，因其具有单级压比高、工艺性能好、结构简单、效率高等优点广 泛应用于航天、能源等多种国民生产领域，也正是这些优点，离心式压气机在柴油机 的废气涡轮增压器中也得到了广泛的应用【6 】。长期以来，各国学者为了设计出高性能的 离心式压气机，纷纷对离心式压气机进行了全面而深入的研究，并取得了很好的成果。 离心式压气机在工作状态时，由于受到旋转、曲率、黏性等因素的影响和互相作 用，导致其内部流动的三维流动现象相当复杂。为了设计出高性能的离心式压气机， 就必须有非常完善、可靠的设计方法及实验设施，在这方面的研究直是叶轮机械研 究的个热点，也是一个难点。 采用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 的方法可以较详细地分 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 析压气机内部的流体流动过程，通过多方案计算可获得较优的结构参数，通过流动损 失和流动特性分析，也可以得到压气机的整体性能。国内已有一些研究者利用计算流 体力学的方法分析压气机内部流场，但通常只是分析流体在工作轮中的流动，且只选 取一个流道或某一单个元件作为研究对象，这种处理方法忽略了蜗壳的非对称性，不 能为正确分析压气机内流场提供令人信服的依据。也有些研究者进行了压气机的整机 三维流场计算，但也主要是验证性计算或分析压气机在个别固定工况下的流场而已【l7 1 。 本课题的开展即是基于对以上方面的认识，拟建立个离心压气机整机模型的 c f d 数值计算平台，实现压气机的各主要流通部件联立计算，得到与压气机实际工作 情况一致的计算结果，并采用此平台实现压气机结构优化、流量特性计算和压气机内 部损失分析的目的。 1 2 国内外的研究现状 从1 8 世纪初期，p a p i n 给出了最早的离心式轮机械的设计方法，从此，离心式叶 轮机械技术开始起步。在1 9 世纪，伴随很多叶轮机械理论的提出，离心式叶轮机械技 术得到很大发展。从2 0 世纪开始至今，产生了很多对离心式叶轮机械发展具有划时代 意义的理论和方法，使得离心式叶轮机械技术得以更加迅猛的发展，也正是这些理论 和方法的诞生，使得离心式叶轮机械在全世界范围内得到了极为广泛的应用【8 】。 压气机技术在国外发展相对领先较多，作为叶轮机械的一种，以g e ，s i e m e n s ， n u o v op i g n o n e ，d e l a v a ，d e m a g ，g h h ，s u l t z ，e l l i o t ，i n g e r s o l l r a n d ，d r e s s e rr a n d ， a b b ，涅瓦工厂，日立，三菱、荏原，神户制钢所等研制的产品水平较高。经过几十 年的发展，这些国外的压气机生产厂商的设计与生产水平已经相当成熟，他们的产品 针对不同使用范围，设计出了对应的一系列的产品，可以根据客户的需要提供相应的 产品。在技术支持方面：以n a s a ，n r e c ，c o n c e p t 等公司研发的设计软件最好1 9 j 。 我国在柴油机增压设计方面起步较晚，在近十几年来，在柴油机的增压技术和废 气涡轮增压器的研究方面都取得了很大的进步。目前，一般大型柴油机都采用了废气 涡轮增压；中、小型柴油机也在逐步实现废气涡轮增压。就国产增压器本身来讲，不 但其类型同渐增多，在性能方面有些达到了较高的水平。但是相比外国的技术，我国 还是有很大的差距，而且外国对我国进行技术封锁，对于高性能的增压设备只出口产 品，而不出售技术，要想达到或赶超外国水平，国内的增压器研究者任重而道远。 1 2 1 国外的研究现状 日本法政大学机械工程系s h i m p e im i z u k i 等人对超小型离心压气机做了广泛的研 究，采用5 倍和l o 倍的模型进行分析，采用了实验和c f d 两种方法，绘制出了该压 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 气机的性能特性曲线，并对叶轮内部的流场进行了详细的分析。并提出，设计理论和 加工制造水平是决定超小型离心压气机性能的主要因素【1 01 1 】。他们的研究也说明了 c f d 的方法是可以用来计算并绘制压气机的性能特性曲线的。 日本法政大学y u i c h i r oa s a g a 等人设计了一种采用简单被动控制来降低离心压气 机出口流道中紊流的方法，通过调节一个外径1 5 m m 的钢球在流道中的位置，来降低 紊流。实验所得，在钢球大小适当的情况下，此方法可以有效地抑制紊流，还可以扩 大离心压气的稳定工作范围，并且不会破坏压气的正常工作状态【l 2 1 。 芬兰拉普兰大工业大学机械工程系h a r r ip i t k a n e n ，h a n n ue s a 等人通过实验与数值 模拟的方法对两种不同的蜗壳进行比较，两种方法得到的结果比较一致，结果得到圆 形截面蜗壳的流场分布更好【l 3 1 。 芬兰哥但斯克工业大学r o m n a l dp u z y r e w s k i ，p a w e lf l a s z y n s k i 通过使用数值计算 的方法研究了压气机不同叶轮子午面形状对其性能的影响，并进行了压气机二维计算 和三维计算直接的对比，得到的结论表明在同样的转速与流量工况下二维计算的增压 比要比三维计算的要大型1 4 】。 德国宇航院( d f v l r ) k r a i n 博士基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完 成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并对其内部流动及气动性能进行了计算，在保 留子午线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内 部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维黏性分析为参考准则的使用设计方 法【1 5 】。 早稻f f l 大学机械工程系的y u t a k ao h t a ，t a k a s h ig o t o 等人，通过c f d 数值分 析与实验的方法，分析了离心式压气机扩压器采用楔形叶片后对内部流场以及噪声的 影响。证实了楔形扩压器的采用不光可以减小噪声，还可以改善扩压器通道内的压力 回复特性【1 6 1 。 波兰哥但斯克工业大学的r o m u a l dp u z y r e w s k i ，p a w e lf l a s z y n s k i 对传统离一t l , 压气 机叶轮结构做了修改，将叶轮通道的子午面结构由传统的锥型改为双曲线型，叶片的 形状根据二维轴对称计算结果调节。然后对修改后的叶轮进行三维建模，并通过数值 计算的方法计算流场。通过计算得到，双曲线叶轮通道可以有效消除空气在叶轮通道 内由轴流转化为径流而形成的紊流，使流出叶轮的空气更均匀【1 7 】。 伊朗沙立夫工业大学m a h d in i l i a h m a d a b a d i 等人用实验和数值模拟的方法对一个 离心式压气机的运行状况进行对比，两种方法得到的结果比较吻合。在同一机型的基 础上，他们又采用数值模拟的方法迸一步分析了不同叶轮面积比( 扩压器出口面积叶 轮进口面积) 与不同高度的叶顶间隙对压气机压比与效率的影响，计算结果表明在某 一面积比下可以实现最高的压比，而叶顶间隙从0 变化到l m m 会引起压气机整机效率 下降2 0 9 6 【1 8 】1 8 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 e c k a r d t 运用s c h o d l d 的2 倍焦距激光测速计( l a s e r - 2 f o c u s v e l o c i m e t e r ) 对压比为 3 的压气机内部流场进行了研究。在2 0 世纪6 0 年代出现的激光多普勒测速技术和2 倍焦距激光测速技术几乎同步被应用于离心压气机内部流场的测量之中【1 9 】。 1 2 2 国内研究现状 国内研究人员对离心压气机的研究主要是通过数值计算来进行，一般是先用自己 开发的计算程序或应用软件计算国外文献提到的有详细实验结果的离心压气机或叶 轮，经过验证可行后，再用自己的程序研发。 杨策等人开发了一套将初步设计、性能优化计算、性能预测、叶片成型和叶轮应 力分析包含在内的离心式叶轮辅助设计系统，并用其设计出了种小型高转速离心压 缩机，然后对其性能进行了详细地分析研究。研究结果表明：在进口条件和转速相同 情况下，后掠叶轮压t k d , 于径向叶轮，效率高于径向叶轮，后掠叶轮的流量特性曲线 的斜率大于径向叶轮的流量特性曲线的斜率，后掠叶轮的流量特性更接近轴流压缩机 的特性；顶部间隙增大时，离心压气机压比减小，效率下降；对于小流量的离心压缩 机，叶轮进口弯曲对叶轮在设计点的绝热效率影响不大，叶轮出口弯曲对离心压缩机 在设计点的效率影响很小；叶轮正弯时存在一个最高效率点，当叶轮正弯度大于或小 于这个点时效率均下降；采用前倾叶轮可以提高压缩机的效率，但降低了压缩机的压 比；在较低转速下，前倾叶轮在大部分工作范围内效率高于普通叶轮，在较高转速下， 前倾叶轮在全工况范围内效率都高于普通叶轮；前倾叶轮比普通叶轮有更大的喘振裕 度，工作范围更宽广；前倾叶轮改善了出口的气流分离现象，能够减少掺混损失【2 0 2 1 2 2 2 3 】 o 西北工业大学的钱泽球等人用全三维数值模拟的方法，分析了分流叶片对叶轮流 场有性能的影响，并与不带分流叶片的叶轮进行了比较。得出，不带分流叶片时，叶 片的相对马赫数梯度明显更高，导致进口截面相对速度增高，造成叶轮进口堵塞，使 气流摩擦损失增大。而带分流叶片的叶轮出口截面各参数分布更为均匀，对后面扩压 器内的流动有很好的改善。无分流叶片时，叶顶处周向平均静压沿着气流的流动方向 光滑地逐渐增大；而有分流叶片时，在分流叶片进口处静压有一定波动1 2 4 。 华中理工大学的蔡兆麟等人研究了变叶片数和长短叶片结构对离心叶轮内三维黏 性流场的影响，得出了叶片数的适当增加缓解了流道内的二次流和叶轮出口的射流、 尾迹现象，而叶片的减少则加剧了二次流的射流、尾迹现象【2 5 1 。 华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室的康顺等人，采用 n u m e c a 的f i n e t u r b o 软件包数值分析了个高压比离心叶轮的三维定常黏性流场， 通过与现实有关的实验结果比较对计算结果进行了详细的确认，同时还讨论了网格的 密度和间隙尺寸，以及不同的数据处理方法对计算结果的影响【2 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 上海理工大学的戴韧等对一台单级压比为4 的离心压气机叶轮内部流动进行了数 值模拟计算研究，计算结果为分析叶轮流道内二次流的形成与发展，提供了详细的流 场结构。通过对不同通流截面速度分布的比较，发现长短分流叶片可以延缓横向二次 流的发展，降低叶片吸力面扩压程度，减小叶轮出口尾迹的强度与范围，对提高叶轮 效率起到决定性的作用1 2 7 】。 西安交通大学的雷向前等人利用流线曲率法，采用与压气机内部真实流动接近的 准三元流动模型，进行流场模拟和流场分析，得出较精确的定量结果，可提高离心压 缩机设计的可靠性。并且流线曲率法物理概念清晰易懂，设计过程有较好的经济性， 可谓是一种高效的透平压缩机设计方法【2 8 1 。 上海交通大学的缪骏，谷传纲等人研究了激光相位多普勒测速技术( p d a ) 在离 心压气机叶轮内部流场中的应用，他们对试验用离心压气机在小流量工况下叶轮内部 的流动进行了测量，对如何在原有适合粒子图像速度仪( p i v ) 测量的试验台上进行 p d a 测量，提出了改进意见，分析了小流量工况下流道内气流速度矢量的变化趋势等 流动特性【2 9 1 。但这种实验设备比较昂贵，实验成本比较高，测点有限，可以得到的内 部流场细节比较少。 上述的研究者们基于试验和数值模拟两种方法在离心式压气机的研究中做了大量 的工作，但大部分是专门针对压气机中的重要组成部件叶轮、扩压器和蜗壳的单个结 构展开，没有考虑压气机各组成结构之问在空气动力学上的互相作用，虽然也有人对 压气机的整机做研究，但也都是对压气机个别特殊工况进行验证性的计算或实验测量。 相比前人的工作，本文主要是基于数值模拟的方法对离心压气机的整机进行研究，并 通过对压气机在不同转速、不同压比工况下的计算，得到压气机的整体流量特性。 1 3 计算流体力学在压气机研究中的应用 所谓计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) ，是根据流体的运动可 以用有限数目的非线性偏微分方程描述，从理论上讲，只要在适当边界条件下得到这 些方程的解析解，就可以得到流体内部的流动细节。但是在实际情况中，只有在极简 单的情况下才能找到其解析解，对于工程中感兴趣的问题，经典的流体力学就无能为 力了，只能求助于数值方法。这种流体运动的描述方程以及对方程的数值解法相结合 就形成了计算流体力学这门学科。 c f d 的发展背景有：( 1 ) 流体数值模拟是基于微观分析的，需对非线性方程联立 求解，物理现象越复杂，计算量越大。普遍存在的问题是收敛性难于保证，精度不高。 但是随着近几年计算机技术的飞速发展和数值算法的提高，c f d 软件的实用性和精度 都有了很大提高。( 2 ) 通常工程中的问题较复杂，受影响的因素较多，对问题建立的 数学模型求解析解很困难，而数值求解则较容易做到，诈是基于这一点，c f d 才能比 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 其它手段更易描述问题的现象和本质。( 3 ) c f d 能够较快速的给出“虚拟”实验结果， 一旦结果不理想，科研人员可在较短的时间内调整设计的参数，再进行模拟，直到得 出最好的优化结果，从而避免了昂贵的实验费用、缩短了开发周期【3 0 3 1 3 2 1 。 离心式压气机作为一种典型的离心叶轮机械，随着实验研究的深入，离心压气机 与其他离心叶轮机械的数值模拟工作也逐步展开。1 9 5 2 年，吴仲华教授发表了叶轮机 械的s 1 、s 2 两类流面通用理论，对离心叶轮内部流动的数值模拟产生了深远的影响， 人们开始普遍使用s 1 、s 2 相对流面法来计算离心叶轮的内部流动，出现了准三维和 全三维势流计算。此后，一些新的数值计算方法先后运用到离心叶轮内流的数值模拟 中来，如流线曲率法和准正交面法等。2 0 世纪7 0 年代中期以前，离心叶轮机械内部流 场的数值模拟大都基于无粘流体流动模型，虽然该模型在叶轮机械内部的流动分析研 究方面取得了很大的成功，但无粘的假设改变了流体的物理属性，有很大的局限性。 2 0 世纪9 0 年代开始，随着大容量、高速度计算机的出现以及并行计算的发展，极大地 推动了计算流体力学的发展。通过直接求解雷诺时均方程，结合湍流模型来计算叶轮 内的三维黏性流动成为了离心叶轮机械叶轮内部流动数值模拟的主流。此外，压力修 正法、时间相关法、拟可压法在计算流体中的应用，也大大加速了计算流体力学在叶 轮机械中的使用【7 1 。 c f d 通用软件的出现，对离心式压气机等叶轮机械的研究起了巨大的促进作用。 上世纪八十年代初c h a m 公司推出计算流体力学与传热学的商业化软件一一 p h o e n i c s ，是c f d 通用软件的雏形。随着其版本不断更新的同时，新的如f l u e n t 、 s t a r c d 、c f x 和n u m e c a 等大型专业c f d 软件也相继问世，这些软件致力于工程 实际，并都为叶轮机械数值计算开辟的专门前后处理模块，为c f d 技术在离心压气机 的研究应用打开了广阔的应用前剥醒j 。 1 4 研究内容、方法及主要工作 本文主要根据c f d 方法参与流体机械设计研究的过程，结合现代压气机的发展需 求，在深入学习三维建模软件p r o e ，前处理软件g a m b i t 和c f d 软件f l u e n t 的基 础上，针对离心式压气机建立一个三维数值计算模拟平台，实现模型设计、优化到确 定的方案，压气机流量特性曲线图计算，压气机内部损失分析的过程。 本文的主要的工作如下： ( 1 ) 建立一个离心式压气机数值计算模拟方案，可以实现压气机的三维实体建模， 网格划分，边界条件和初始条件的设置，内部流场的分析。 ( 2 3 通过数值模拟计算平台初步计算一款1 6 个全长叶片叶轮、无叶扩压器的压 气机，并计算出流量特性，验证通过c f d 的方法计算压气机流量特性的可行性。 ( 3 ) 在全长叶片叶轮的基础t - ，修改压气机叶轮，采用长短叶片叶轮的压气机， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 并以实现高效率、高流量为目标，通过改变叶轮的叶片数、扩压器外径、蜗壳的截面 尺寸的结构参数对压气机进行优化，并计算出优化后压气机的流量特性。 ( 4 ) 以优化压气机的流量特性为基础，分析压气机的各组成结构在不同转速下最 高效率线、喘振线和堵塞线工况下的损失状况，以及各组成结构在固定转速下的损失 状况。 ( 5 ) 设计等厚直壁、等厚圆弧、楔形直壁和弯翼型四种叶片形式的有叶扩压器， 通过对扩压器内的流场分布情况分析不同叶型扩压器对压气机性能的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章数值模拟方法理论基础 车用增压器中离心压气机模型由进气道、增压叶轮、扩压器和集气蜗壳四部分组 成，其几何结构复杂，并且内部流动由于受到旋转、曲率、粘性等因素的影响和相互 作用，又具有明显的三元流动、粘性流动、非定常流动特性，流动分析异常的复杂。 近年来，叶轮机械内部全三维黏性流动计算取得了很大的发展，在工程得到了广泛的 应用。随着流体计算理论的完善，计算机技术、计算数学和信息产业的发展，计算流 体力学已经逐渐形成了一个独立的学科，已经能够很准确地模拟真实的流场，以此为 基础发展起来的大型c f d 商业软件在叶轮机械设计中也被大量采用。c f d 商业软件包 采用一些比较成熟的标准的计算方法，可以进行二维和三维的复杂流面的计算，使设 计更加方便、快捷、成本更低。 本文的研究工作使用通用计算流体力学软件f l u e n t ，对所研究的离心压气机进 行数值模拟计算。本章将对本文涉及到的理论知识进行简要的介绍，为以后章节的工 作提供必要的理论基础与分析依据。 2 1 控制方程 流体流动方程是物理学中守恒定律的数学描述，流体运动遵循着物理学三大守恒 定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这三大定律对流体力学的数学 描述就构成了流体力学基本控制方程组，它包括连续性方程、动量方程和能量方程。 无论流体运动多么复杂，这一方程组总是适用【3 3 1 。 2 1 1 质量守恒方程， 质量守恒方程又称连续性方程，它的构建思想是流体微元的质量守恒，用文字表 述为：流体单元内的质量增加率等于流入流体单元的净质量流量率。 具体的数学表达形式如下： 望+ 煎型+ a ( p v ) + a ( p w ) ；0( 2 1 ) a t瓠 却 a z 式中 f 一时间；p 一流体密度；“，w 一流速在戈，y ，2 坐标方向的分量。 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒方程的构建思想基于流体力学的牛顿第二定律，用文字表述为：流体微 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 元的动量变化率等于作用于流体微元上所有作用力的和。 在连续介质的假设下，流体的动量方程又称为n a v i e r - s t o k e s 方程。三维非稳态的 n s 方程的数学表达式如下： 了a ( p u ) + d i v ( p u u ) ：一鲁竺+ 讲1 ，( g r a d “) + s 胁 ( 2 2 a ) o 了( p v ) + d 1 ，( 舢) = 一e 蜀p + d 1 ，( g m d ，) + s 协 ( 2 2 b ) 了a ( p w ) + d i v ( p w u ) = 一笔+ 疣v ( g r a d w ) + ( 2 2 c ) 式中 u = u i + v j + w k 5 一流体的动力粘度系数( 也称第一黏度系数) 5 名一容积黏度系数( 也称第二黏度系数) 。 ，为动量方程的原项，其表达式如下： = l 去( 罢) + 昙一罢) + 昙( 罢) i + 苏o - - - ( 、2 d i v u ，、+ = 昙( 孝) + 号( 砖) + 鲁( 考) + 导c 旯咖u ，+ = l 昙( 老) + 昙( 磋) + 鲁( 老) i + 昙( 旯机u ) + 心 式中，h o a x 原项中的体积力，假如流体的体积力只有重力，则 r 垤x = 0 ，r 蜘= 0 ，r 垤z = 一p g o 尽管n s 方程的导出时间( 1 8 4 5 年) 早于r e y n o l d s 发现紊流现象的时间( 1 8 8 3 年) ，但目前仍然认为n s 方程既可以描述黏性层流流动，也可以描述黏性紊流流动。 但是对于紊流，直接求解三维非稳态n s 方程需要采用对计算机内存和运算速度要求 很高的直接模拟法，目前仍无法应用于工程实践中。工程中广为采用的是雷诺时均方 程，并加入能够反映紊流特性的紊动能方程和紊动耗散率方程对实际问题求解。 2 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程是由能量守恒定律导出，能量守恒定律的表述为：流体微团的能量 变化率等于外界对流体微团的加热率加上外界作用力对流体微团所做的功。其数学表 达式如下： - o ( p f e ) + d i v ( p e u ) = 一讲1 ，( p u ) + d i l ，( 砖g r a dt ) + + s e ( 2 3 ) 式中 e = i + e = c r + ：1 似2 + 1 ，2 + 矿) ；勺一流体导热系数。 巾为耗散函数，它表示了所有黏性应力的影响，具体的表达式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 = 卢 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 警) 2 + ( 考+ 象 2 + ( 暑善+ 芸) 2 + ( 謇+ 茅 2 + 旯c 击v u ，2 ； s ，为原项，表示流体内部的内热源。 2 1 4 流体状态方程 三维流体流动可以由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 中五个偏微分方程所描述，方程中 除了流动参数u 、，、w 和物性参数、a 、k 等外，还有4 个热力学变量是未知的p 、 p 、i 和r 。它们随流体流动状态的改变而改变。这几个变量通常由流体状态方程描述， 如下： p = p ( p ，7 ) 和i = i ( p ，r ) ( 2 - 4 ) 离心式压气机的工作介质为空气，其热力学性质接近于理想气体，所以在数值计 算过程中可以将其按照理想气体来处理。 理想气体状态方程为： p = p r t ，f = c v t ( 2 - 5 ) 式中尺一气体常数，月= r m ，r 为通用气体常数； m 一理想气体的摩尔质量； e ，一气体定容比热值。 流体状态方程、连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程构成的6 个方程实现 了封闭，即未知数的个数与独立方程的个数相等，在数学上是可解的。 2 2 旋转坐标系下的n s 方程 由于离心压气机的工作过程中，叶轮一直处于旋转状态，对叶轮区域的流场计算 宜采用旋转坐标系下的控制方程，计算流体内部区域在旋转坐标系下的相对速度和在 静止坐标系下的绝对速度。而对于其它静止部件，仍采用前述的静止坐标系下的控制 方程州。 计算区域在静止坐标系与旋转坐标系下的示意如图2 1 所示。在图中，假设旋转 坐标系相对于静止坐标系绕一旋转轴以一个固定的角速度( 2 9 旋转，旋转坐标系的原点 在静止坐标系中为r o ，流体区域的速度由静止坐标系转换到旋转坐标系采用公式如下： 咋= ，一蚱 ( 2 6 ) 式中，一流体区域相对与旋转坐标系的相对速度； ，一流体区域相对与静止坐标系的绝对速度； u ，一计算区域的旋转速度，u ，= c o x ，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 z 图2 - 1 静止与旋转坐标系示意图 2 2 1 旋转坐标系下的控制方程 连续性方程： 譬+ d i v ( p 7 , ) = o a t ( 2 7 ) 动量守恒方程： 曼掣+ 疣v ( p 巧巧) + p ( 2 鬲i + 历一c o ；) ：一西v ( p ) + 疣v ( g r a d v 一, ) + s m ( 2 8 ) o t 相对于式( 2 2 ) ，此式中多了两个加速度项，一个是哥氏加速度( 2 0 ) 一x v , ) ，一个 是向心加速度历历；。 能量守恒方程： 掣+ d i v ( p v r h , ) ：d i l ，( 屯g r a d t ) + + s ， ( 2 9 ) d f 式中 巨为相对内能，巨= 一万p + 互1 l v ，2 一坼2 ) ； h r 为枢对息谂hr = er + 堡o p 2 2 2 静止坐标系下的控制方程 连续性方程： 冬+ d i v ( p 虿) = 0 d f ( 2 1 0 ) 动量守恒方程： 了o ( p v ) t - d i v ( p 虿；) + p ( 磊；) = - d i l ，( p ) + d i v ( g r 口d 虿) + s m ( 2 1 1 ) o t 能量守恒方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 亟尝型+ 历1 ，( p 瓦日) ：一统1 ，( p u r ) + d i v ( k t g r a d t ) + 。+ & ， ( 2 1 2 )