（动力机械及工程专业论文）涡轮在脉冲进气条件下非稳态特性的数值模拟.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 【保密论文在解密后应遵守此规定) 一：镪名：壮 目录 目录 摘要i a b s t i 认c t i i i 主要符号说明v 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 涡轮在脉冲进气条件下非稳态特性研究进展2 1 3 研究主要内容及方法5 1 3 1 研究对象5 1 3 2 研究主要内容6 1 3 3 采用的研究方法和技术路线6 1 3 4 研究的创新点7 第二章数值模拟建模9 2 1 数学模型一9 2 1 1 连续方程9 2 1 2 动量方程9 2 1 3 能量方程1 0 2 2 湍流模型1 0 2 3 控制方程的离散求解1 l 2 4 网格划分1 1 2 4 1 近壁面第一层网格尺度的确定1 2 2 4 2 蜗壳、叶轮网格的划分1 2 2 5 本章小结1 4 第三章涡轮非稳态计算进口边界条件的确定1 5 3 1 发动机与增压器的匹配计算1 5 3 1 1 发动机基本参数1 5 3 1 2b 0 0 s t 计算模型1 5 3 2 计算结果及实验验证1 6 3 3 本章小结2 0 i 第四章涡轮稳态特性数值模拟计算2 1 4 1 计算建模及设置2 1 4 2 总体性能2 2 4 3 流场分析2 3 4 4 本章小结2 7 第五章涡轮脉冲进气条件下非稳态特性数值模拟计算2 9 5 1 计算建模及设置2 9 5 2 计算结果分析2 9 5 2 1 涡轮脉冲进气条件下非稳态特性2 9 5 2 2 涡轮非稳态瞬时效率计算方法的探讨3 1 5 2 3 涡轮非稳态循环平均效率的计算方法3 5 5 2 4 流场分析3 6 5 3 本章小结4 2 第六章总结与展望4 4 6 1 全文工作总结4 4 6 2 本文工作展望4 5 参考文献4 7 致谢5 1 攻读硕士学位期间发表的论文及专利5 3 摘要 摘要 随着排放法规的日益严格及能源危机的加剧，涡轮增压成为车用发动机节能 减排的关键技术。目前脉冲增压系统应用比较广泛。涡轮的设计、计算及与发动 机的匹配都是基于稳定流动条件下进行的，实际上在脉冲进气条件下的涡轮中气 体的流动是极不稳定的脉动非稳态流动。涡轮非稳态流动下的性能与稳态流动下 的性能有很大偏离，为了更好地设计涡轮实现增压器与发动机更准确地匹配，进 行涡轮在脉冲进气条件下的非稳态特性研究很有必要。 本文运用n u m e c a 软件通过数值模拟的方法研究了涡轮脉冲进气条件下的非 稳态特性。通过a v lb 0 0 s t 软件对研究所用发动机的工作过程进行了数值模拟计 算，获取涡轮前和涡轮后的动态参数作为涡轮非稳态特性数值模拟计算的边界条 件，并把计算结果与实验结果作比对证明此种方法的可行性。 先对研究工况进行稳态计算以了解涡轮的稳态特性，并把稳态计算结果作为 非稳态特性计算的初始解。确定了计算所用到的湍流模型之后进行了涡轮非稳态 特性计算得到了在一个脉冲周期内涡轮的流量、等熵效率相对于膨胀比的变化都 成“圈状 的典型的涡轮的非稳态特性。提出了一种以单位质量流体微团为研究 对象的新的计算涡轮瞬态效率的方法，为了保证取得涡轮进出口的参数是同一流 体微团的把计算得到的涡轮出口流体微团参数进行相位平移后重新计算了涡轮 瞬态效率。从循环平均的角度分析涡轮的流通和做功能力，提出了一种新的通过 流量加权平均求涡轮的循环平均效率的方法，与稳态计算相比，在一个脉冲周期 内涡轮的瞬态循环平均流量、循环平均效率都比稳态的低，但是涡轮循环平均单 位质量功比稳态的高。选取一个脉冲周期内的6 个特征时刻对涡轮进行流场分 析，得到的瞬态循环平均单位质量功高但瞬态循环平均流量、瞬态循环平均效率 比稳态低的原因。 关键词：涡轮增压器；涡轮；脉冲进气；非稳态特性；数值模拟 a b s t r a c t a b s 瞰c t a st 1 1 ei n c r e 嬲i i 玛l y 鼬r i n g e n te i i l i s s i o nr e g u l a t i o i l sa n dm eg r o w i i l ge i l e f g yc r i s i s ， t u r b o c l l a 唱e rh 鹤b e c o m e l ek e yt e c l l l l o l o g yt 0 姐v ee n e r g ya r l dr c d u c ee m i s s i o nf o r m ev e l l i c l ee n 西n e r e c e n t l y ，p u l t u r b o c h a r g i n gs y s t e mi s 诹d e l yu s e d 1 kd e s i 盟， c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft u r b i i l ea r ec 硎e do u tu l l d e rs t e a d yn o wc o n d i t i o n h l f 砒也en o w o f m eg 弱i n 此t u r b i n eu i l d c rp u l s en o wc o n d i t i o ni s 王i i 鲥yu i l s 劬l e t h ep e r f i o 加旧i l c eo f l et u r b i i l el l i l d e rp u l s en o wc o n d i t i o nd e v i a t e sg r e a t l y 丘。o mt h a t o fs t e a d yc o n d i t i o n 1 1 1o r d e rt 0r e a l i z e 也eb e t t e rd e s i 弘o fm et u 】r b i n ea n dt h ea c c u r a t e m a t c t l i n g 而t t li c e ，i ti sn e c e s s a 巧t 0s m d y t h eu i l s t e a d yc h 锄c t 耐s t i c so f t u r b 血e u n d e rp u l s en o wc o n d i t i o n s i kl l i l 疵a d yc h a r a c t e r i s t i c so f t u r b i i l eu n d e r p u l s en o w c o n d i t i o i l si ss t u d i e db y t l l em m l e r i c ms i m u l a t i o ns o 仔w a r en 锄e dn 啪e c ai i lt ：i l i sp a p e r t h ew o 幽n g p r o c e s s o ft t l e 咖d i e de n 西鹋i sc a l c l l l a t 沮u s i i l gt 1 1 em 髓e r i c a ls i i i l u l a t i o ns o r w 乏嘴n a m e d a v lb 0 0 s t t 呐i i l ei l l l e tp 踟n e t e r sa r eg o 他n 髂b o u i l d a 巧c o n d i t i o no ft l l e m h n c 时c a ls i i i m l a t i o no fn o n - s t e a d y - 僦ec b a r a c t e r i s t i c sf o rt u r b i n e t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sa i l dt l l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dt 0p r o v et l l ef e a s i b i l 时o f t l l i s m e l o d 。 s t e a d y - s t a t ec a l c u l a t i o ni si 1 1 v e s t i g a t e d 丘r s t l yi 1 1o r d e rt 0u n d e r s t 砒l dt l l es t e a d y p e d 0 m 觚c eo ft u r b i n ea n dw l l i c hr e s u l t sa r el l s e d 勰t l l ei n i t i a ls o l m i o no fn l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn 0 i 卜s t e a d yc h 撇r i s t i c so fn 曲i n e 知1 d 也et u l b u l e n c e m o d e li sd e t e l m m e dt h e nm en o n s t e a d yc h 娥l c t i m s t i c so ft u | b i n ea r ec a l c u l a t e d t h e r e s u l t ss h o w 岫i j lap l l l s e dc y c l et u 】r b i n en o wm a s s 锄di s e n 仃c i p i ce 届c i e n c yr e l a t i v e t 0t l l ee x p a l l s i o nr a t i oc h a n g ei n t 0 ”r i n 分l i k e ”w m c hi s 咖i c a l n l i sp a p e rp r o p 0 s e sa n c 、c 甜c u l a t i o nm e m o dt 0c a l c u l a t e 廿l e 吣i e n te 街c i e n c yo f t u r b i n ew b j c hu s e sn l e u l l i tq 城d i 锣f l u i dm i c e l l ea s 也es t l l d i e do 巧e c t i l lo r d e rt oe n s u r et l l ei l l l p o r ta n d e x p o r tp 跏e t e r so f t u r b i n ei sb e l o n g i n gt 0t l l es a m en u i dp a n i c l e s ，m ee x p o r t p a r a m e t e r sc a l c u l a t e da r ec o r r e c t e db yp h a s es b i r ，也e nm et u r b i l l et r a n s i e n te 伍c i e r l c y a r ec a l c u l a t i e dr 即e w e d l y t m i n e sf l o wa 1 1 dw o r kc a p a c 毋a r ea n 面y z e d 由r o mn l e 山东大学硕士学位论文 c i r c l ea v e r a g ev i e w 1 k sp a p e rp r o p o s e san e wc a l c u l a t i o nm e t l l o do ff l o wm 丛s w e i g b t e da v e r a g et oc a l c u l a _ t et h et u r b i n ec i r c l ea v e r a g ee 伍c i e n c y c o m p a r e d 诵t l lm e s t e a d yc a l c u l a t i o 玛t l l et u r b i n e 仃 m s i e n tc y c l ea v e r a g en o w m 硒s 觚de m c i e n c yi s l o w b u tm e 们i l s i c n tc y c l ea v e r a g eu 1 1 i tq u a l i 锣w o r ki sh i g h e r t l l i sp 印e rs e l e c t s s i xc h a r a c t e r i s t i ct i m eo fap u l s e dc y c l ea n d 龇t u r b i mf l o wf i e l d s 撇a i l a l y z e dt 0 k e yw o r d s ：t i 曲o c h a 玛e r t i b i n e ；p u l s eh l f l o w ，u 璐t e a d yc 嘶s t i c s ，n u m e r i c a l s i i i l u l a t i o n i v 主要符号说明 主要符号说明 第一层网格尺度，衄 涡轮进口线速度，州s 特征长度，l 姗 运动粘度 m 2 s 涡轮绝热效率 涡轮进口总温，k 涡轮出口静温，k 涡轮进口总压， p a 涡轮出口静压， p a 绝热指数 涡轮切向速度，毗 涡轮径向速度，n 以 涡轮流量， k g s 马赫数 v my 枷巧乃一乃七巧巧g坳 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 1 9 0 5 年瑞士工程师a l 删b u c h i 首次提出了“涡轮增压 的概念，自7 0 年 代涡轮增压技术在车用发动机上得到推广应用，增压技术成为提高内燃机动力 性、经济性、降低排放的有效手段，因此被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑 【i j 。随着排放法规要求的日益严格和能源危机的加剧，增压成为内燃机节能减排 的关键技术。高效、宽流量范围、适应发动机全工况要求成为涡轮部件设计的发 展方向【2 】。 为了更好地利用发动机排气能量，车用涡轮增压一般采用脉冲增压方式。车 用发动机工况变化比较频繁，常规固定截面涡轮增压器已不能满足发动机全工况 的排放要求。可变截面涡轮、可变流道涡轮、电辅助涡轮增压器、二级增压、相 继增压等将得到越来越广泛的应用。脉冲增压涡轮中的气体流动为脉动非稳态流 动，且流动状态极不稳定。以上技术的应用使脉冲涡轮非稳态流动特性变得更 为复杂，使得增压器和发动机的匹配也变得更困删3 1 。 目前增压器涡轮的设计是基于涡轮内气体流动为稳定流动的条件下进行的， 并没有考虑到增压器在实际运行过程中存在的各种不稳定的流动状况，这样采 用假设涡轮内气体流动为稳态流动为前提进行涡轮的设计和增压器与发动机的 匹配在某种意义上说是不准确的，无法适应涡轮内部气体复杂的流动特性，因此 很有必要进行脉冲进气条件下涡轮非稳态特性研究。 以往对脉冲进气条件下涡轮非稳态特性研究都是基于实验进行的，这种方法 周期长，投资大，并且在研究涡轮非稳态特性所需参数压力、温度、流量等特别 是涡轮输出功率的测量上目前国内外尚不能很准确的测量。近来随着计算流体力 学及计算机技术的发展，采用商业c f d 软件对涡轮流场进行数值模拟计算成为 一种新技术，目前已经基本达到工程应用的要求，特别是计算机性能的提高及利 用工作站并行计算技术的发展已经可以对蜗壳内流场进行三维瞬态模拟计算。进 行脉冲进气条件下涡轮非稳态流动特性研究，揭示脉冲进气条件对涡轮流动特 性的影响，对于车用增压器涡轮的设计以及增压器与发动机匹配都具有重要的 山东大学硕士学位论文 作用。 1 2 涡轮在脉冲进气条件下非稳态特性研究进展 早期最先对涡轮脉冲进气条件下涡轮非稳态特性研究是基于实验进行的，受 实验条件所限，涡轮非稳态性能试验只能测量涡轮进出口压力的瞬态值，无法测 量涡轮内气体流量和涡轮功率随时间变化的瞬时值，早期的对涡轮脉冲性能的 理解都是基于“准稳态 假设睁1 1 】，即涡轮工作的每一瞬时都与相同进气条件下 的涡轮的稳态工作一致，但从实验结果看，涡轮速度比、流量和效率随涡轮进口 压力脉冲的变化很大，准稳态流量和功率与实验结果之间存在很大差距，这表 明采用简单的“准稳态”假设来研究涡轮非稳态特性存在很大的不足。 随着动态数据采集系统、热线风速仪、瞬态温度和压力传感器、高性能涡轮 测功机等先进实验手段的应用，为进行涡轮瞬态性能试验研究涡轮非稳态特性 提供了良好的条件。1 9 8 6 年d a l e 【1 2 】等对一直径7 5 衄的径流式双通道车用增 压器涡轮在脉冲进气条件下的非稳态特性进行实验研究，实验测量了不同转速、 不同脉冲频率和不同脉冲幅度下涡轮的瞬时静压、瞬时质量流量、瞬时转速和扭 矩等参数，结果表明涡轮在脉冲进气条件下流量和效率在一个脉冲周期内变化非 常大，而且与准稳态假设所得的相应流量和效率值有很大的差距，根据测得的实 验数据得到的涡轮流量和效率曲线都呈环状如图1 1 所示，结果表明涡轮的在脉 冲进气条件下的非稳态特性与稳态特性有很大的偏离，“准稳态的假设存在着 一定的不足之处。d a l e 等研究的是涡轮双进口脉冲波同相的情况，b a i n e s 【1 3 4 】 对一双通道无叶涡轮与发动机实际的工况更加的接近的异相迸气的情况进行了 研究，除了观察到在脉冲进气条件下涡轮的特性与稳态特性有很大的不同之外， 还提出了两个通道的“串气 现象会降低涡轮的效率的观点。y e o 和b a i n e s 【1 5 】 利用激光测速设备对一双通道1 8 0 0 异相进气无叶涡轮入口的流场进行了测量， 从图1 2 可以看出在一个脉冲周期内气体的流速、气流角尤其是冲角变化非常大， 冲角变化约士6 0 。北京理工大学的于立国【1 6 】对在脉冲进气条件下由于测量位置 不同而引起各测量参数时间不同步现象进行了分析，提出了一种基于涡轮进出口 压力波动的时间修正方法；从循环平均的角度分别分析了这些参数对涡轮流量特 性和效率特性的影响并应用灰关联理论分析和评价了这些参数对涡轮特性影响； 对“环状 特性圈形成的机理进一步进行了分析，提出涡轮在脉冲进气条件下非 2 第一章绪论 稳态特性与稳态特性的偏离主要是由于涡轮内的“容积效应引起的；还对典型 六缸机脉冲增压系统中“双通道异相进气”的现象进行了试验研究，分析了两个 通道之间的相互“串气 对涡轮特性的影响。 膨 胀 比 藏 章 朦冲须车 一箍态结果 o ，一o ：腿 图1 1 脉冲进气条件下涡轮非稳态特性( d a l e ) 援 凳 图1 2 脉冲进气条件下涡轮入口和叶轮入口流动情况的变化( y 的和b a i l l e s ) 随着计算机技术以及计算流体力学( c f d ) 的发展，采用商业c f d 软件对 涡轮流场进行数值模拟计算成为一种新技术。c f d 的基本思想可以归结为：把 3 增哪啪娜m啪 山东大学硕士学位论文 原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值 的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系 的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【1 7 1 。已经被推出的商业 c f d 软件主要有p h o e n i c s 、c f x 肛a r s f l o w 、s t a r c d 、f i d i p 、f l 切抖t 、 a v l f i r e 、n u m e c a 等等。c f d 总体计算流程如图h 所示。文献 1 8 2 2 采用 图1 3c f d 计算流程 各种吵软件对涡轮进行了非稳态流场分析，证明了通过数值模拟计算方法研究 涡轮内部流动的可行性。p a l 舶肿觚等人【2 3 ，冽利用商业c f d 计算软件s 胁c d 对一单通道无叶混流涡轮进行了在脉冲进气条件下的非稳态计算，从计算结果中 选取了一个脉冲周期的流动情况并与结果试验作对比，对比结果如图1 - 4 所示， 可以看出，c f d 的计算结果已经基本可以反映出在脉冲进气条件下的涡轮的流 动特点，虽然在数值上存在一定的差异，但是已经表明了采用c f d 计算软件研 究涡轮在脉冲进气条件下的非稳态特性有很大的发展空间。文献 2 5 ，2 6 】也通过 c f d 计算软件进行数值模拟计算研究了涡轮在脉冲进气条件下的非稳态特性， 除了得到了典型的涡轮非稳态特性之外还对涡轮内部流场进行了分析。 4 第一章绪论 2 效1 聿 ， 2 - 1 4 l j l j i 矗l 蠹 t 7 l 奠胀比 图l _ 4c f d 计算结果与试验结果的对比( 蹦脚锄) 1 3 研究主要内容及方法 1 3 1 研究对象 图1 5 非全周进气涡轮外观示意图 图l - 6 非全周进气涡轮内流道剖面图 为进一步提升某柴油机在全工况范围的动力性、经济性和排放性能，为其匹 配了某公司研发的可变流道涡轮增压器，该增压器的涡轮采用四流道非全周进气， 5 山东大学硕士学位论文 图1 5 、1 6 分别是涡轮的外观示意图和内流道剖面图，涡轮采用脉冲增压的方 式，蜗壳有两个流道，每个流道又分为内外两个流道。内、外流道之间均安装有 一进气阀门，在发动机低速工况时，进气阀门关闭，所有发动机排气进入内流道， 外流道不工作，充分利用排气能量，提高发动机低速工况时的增压压力；发动机 中高速工况时，阀门根据发动机的不同工况实时调节开度控制各流道进气流量， 四个流道同时工作，这样既提高了低速增压压力，又避免了高速增压过量，以满 足发动机全部工况范围增压要求。本文以此涡轮为研究对象，通过数值模拟的方 法研究涡轮在脉冲进气条件下的非稳态特性。 1 3 2 研究主要内容 本论文对与某柴油机匹配的非全周进气涡轮采用商业c f d 软件n u m e c a 对其 在脉冲进气条件下的非稳态特性进行了数值模拟计算，对计算结果进行分析得到 了涡轮在脉冲进气条件下非稳态特性，并对对涡轮流场进行了详细地分析以了解 涡轮在脉冲进气条件下的内部流动特点。具体内容包括： l 、建立柴油机b 0 0 s t 计算模型，对发动机的工作过程进行了数值模拟计算， 得到涡轮入口处进气的压力、温度、质量流量随发动机曲轴转角变化曲线作为涡 轮三维非稳态特性数值模拟计算的边界条件，并通过试验验证此种方法的可行 性。 2 、建立涡轮包括蜗壳叶轮的三维c f d 模型。 3 、采用商业c f d 软件进行涡轮稳态特性计算作为涡轮非稳态特性数值模拟 计算的初始条件。 4 、采用商业c f d 软件进行涡轮非稳态特性数值模拟计算，并对非稳态计算 结果进行详细分析，通过与稳态计算结果作对比得到了涡轮在脉冲进气条件下的 工作特性，通过对涡轮流场分析得到了涡轮在脉冲进气条件下非稳态工作特性的 成因。 1 3 3 采用的研究方法和技术路线 本文主要采用c f d 软件进行数值模拟计算的方法进行研究，具体的技术路 线如图1 7 所示： 6 第一章绪论 图l - 7 研究技术路线流程图 1 3 4 研究的创新点 1 对研究用到的发动机建立b o o s t 模型对发动机工作过程进行模拟计算得到 涡轮入口处进气的压力、温度、质量流量随发动机曲轴转角变化曲线作为涡轮三 维非稳态特性数值模拟计算的边界条件，并通过试验验证此种方法的可行性； 2 提出了一种以单位质量流体微团为研究对象的新的涡轮瞬态效率的计算 方法； 3 提出了一种通过流量加权的方法求涡轮瞬态循环平均效率的新的计算方 法。 7 山东大学硕士学位论文 8 第二章数值模拟建模 第二章数值模拟建模 利用c f d 方法对流体的流动进行研究，在数值模拟计算之前首先要建立反 映工程或物理工程问题本质的数学模型，给出反映问题的各个变量之间的微分方 程及相应的定解条件。流体流动过程中都要受质量守恒定律、动量守恒定律、能 量守恒定律的控制，这些守恒定律可以通过控制方程的形式进行数学描述【2 7 】。 2 1 数学模型 2 1 1 连续方程 流体在流动中必须满足质量守恒定律，连续方程是流体在流动中满足质量守 恒定律的数学表达式，方程为： 罢+ 掣+ 掣+ 掣= d ( 2 1 ) a t a ) c两貌 、。j 引入符号v 表示散度，即v 俐：咖俐：冬+ 誓+ 冬，则上式写成： 呶0 vo z 害+ v 俐：d ( 2 - 2 ) a 其中，p 一密度；t 一时间；u - 速度矢量u 在x 方向分量；r 速度矢量j 在y 方 向分量；r 速度矢量u 在z 方向分量： 该公式可以表述为；质量通过边界出入微元体的净增率等于质量在微元体内 的增加率。 2 1 2 动量方程 动量守恒定律可由牛顿第二定律推出，用在微元体上可表述为：在惯性系 中微元体动量对时间的变化率等于作用于该微元体上的合外力。流体受的外力分 为两类：一是作用在微元体内所有质量上的彻体力，另一类是作用在微元体界面 上的表面力。用f 表示作用在单位质量上的彻体力，p 表示作用在单位体积上的 表面力，动量方程可写为： p 粤：矿+ p ( 2 - 3 ) p 瓦2 + r ( 2 。3 ) 9 山东大学硕士学位论文 其中要是微团的速度“随时间的变化率，即加速度， d t p 罢= 罢咖v ，u c 2 4 ， p 面2 百+ 婵v ) u 2 - 4 上式可写为： p 罢兰+ p ( u v ) u ：矿+ p ( 2 5 ) p 百+ p ( u v ) u 2 矿+ p 2 5 p 用公式表示并引入表面应力张量最终整理得到的动量方程为： p 詈+ p ( u 门) u = 矿一v p + 胛2 u + 等v ( 饥u ) ( 2 6 ) 其中v 2 是拉普拉斯算子，是动力粘度。这是粘性流体的运动方程，即纳维一斯 托克斯方程。 2 1 3 能量方程 流体在流动过程要满足能量守恒定律，此定律在数学上用能量方程表示，根 据热力学第一定律推得，可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净 热流量加上彻体力与表面力对微元做的功。根据傅里叶导热定律得到的以温度t 为变量的能量守恒方程为： 警m ( 加_ v f ，毒艄+ 辞 ( 2 刁) 式卵d o ：票+ 罢+ 粤中，c p 是比热容；丁是温度；，c 是流体的传热系数；曲 织咖化 是粘性耗散项。 连续方程、动量方程、能量方程有甜、1 ，、w 、n 八p 这6 个未知量，动量 方程可分解为x 、y 、z 三个方向上的三个方程，这样六6 未知量5 个方程，还需 补充一个方程方程组才能封闭，对理想气体则用状态方程：州冗只是摩尔气 体常数。 2 2 湍流模型 利用微分方程直接求解纳维一斯托克斯方程组还难以实现，n 啪e c a 软件主要 是要求解雷诺时均纳维一斯托克斯方程，将计算参数的瞬时值用用平均值与脉动 值之和表示： 咖= + 咖 1 0 ( 2 8 ) 第二章数值模拟建模 式中妒是瞬时值，孑是平均值，妒是脉动值。这样方程组就多了由脉动量组成的 关联项方程组不再封闭，因此就要选择湍流模型来建立这些脉动关联量与平均量 之间的关系，使方程组能够封闭。 雷诺时均方程组在湍流模型的建立上有主要有雷诺应力方程法和湍流粘性 系数法两种方法，雷诺应力方程法是对在时均过程中引入的脉动值的时均值再建 立偏微分方程：湍流粘性系数法是把湍流应力表示为湍流粘性系数的函数，整个 计算的关键就是在于确定湍流粘性系数。，这是目前工程应用和数值计算应用最 广的方法。根据把终与湍流时均参数联系起来的关系式中的微分方程个数，把湍 流模型分为零方程模型( 代数模型) 、一方程模型、二方程这三种模型。在n 啪e c a 提供的几类模型中，s p a l a r 触l 删一方程湍流模型( s a 模型) 比 b a l d w i l l l o m a x 代数模型数值精度高，湍流涡旋粘性场总是连续的能够处理复杂 的流动，求解过程中有较好的鲁棒性，又比二方程占用内存少求解速度快，因此 运用比较广泛，本文数值模拟计算时也选用s - a 模型。 2 3 控制方程的离散求解 n u m e c a 数值模拟计算是基于网格中心的有限体积法( 控制容积法) ，在空间 上采用j 锄e s o n 的中心差分格式进行离散，时间上采用四阶显式r u n g e - k u t t a 进 行离散，并且采用了当地时间步长与隐式残差光顺技术以及多重网格技术加速收 敛，提高计算效率。 2 4 网格划分 n u m e c a 自身带有网格生成模块。i g g 模块采用吸附及自匹配技术根据线及 面可生成任何几何形状的多块结构网格，在生成近圆形截面结构网格时，蝶形网 格技术可把几何结构自动分成内部和外部结构分别划分网格以提高网格质量； i g g 的a u t o 鲥d 模块可自动生成比较合适的叶轮机械叶片流道初步网格，还可 通过控制输入节点的数目随时调整总体网格，这样生成网格时间比较短，生成的 网格质量也比较高。网格的划分在数值模拟计算中比较关键，直接影响计算的收 敛情况及计算结果的精确程度。所以要选择合理的网格划分方法，尽量提高网格 的质量。i g g 对网格质量有三个评定标准： 山东大学硕士学位论文 1 ) 正交性( o m l o g o n a l 时) ：表示生成的网格单元中网格的夹角 2 ) 长宽比( a s p e c t 胁i o ) ：表示生成的网格单元中长与宽的比值 3 ) 延展比( e x p a l l s i o n 血o ) ：表示生成的网格单元中两相邻网格单元的长 与宽和的比值( 用于评定两相邻单元网格的变化情况) 网格划分时不允许出现负网格，网格质量要满足正交性不低于1 0 ，长宽比不大 于1 0 0 0 ，延展比小于5 。 2 4 1 近壁面第一层网格尺度的确定 除满足网格划分的基本要求之外，近壁面第一层网格尺度也非常重要，因为 它决定计算结果是否能够准确捕捉湍流边界层内的流动情况。湍流边界内层分为 线性底层、过渡层和对数律层。在划分网格时，把第一个内节点要布置在对数律 成立的范围内，即对数律层。这就要确定壁面网格的无量纲网格尺度y + 和边界层 内布置的网格数目。y + 的选择与湍流模型里采用的近壁面函数有关，模拟计算选 择的湍流模型为s a 模型，n 啪e c a 软件给出的，建议值为1 1 0 ，近壁面第一 层网格尺度可根据以下公式确定： ：6 盘) 一；辛) 丢y + ( 2 - 9 ) = 6 ( 卫) 8 ( _ 孚) 8 y + ( 2 9 ) 式中，为第一层网格尺度，为特征速度可取为叶轮尾缘线速度，为 特征长度可取为叶轮尾缘半径，v 为工质动力粘性系数。本文的非稳态模拟计算 涡轮的计算转速为7 0 0 00 r ：m i i l ，叶轮尾缘线速度经计算得2 7 6 5 8 州s ，厶订取为 o 0 3 8 m ，计算得第一层网格尺度为0 0 0 8 o 0 8 蛐之间。为了能够准确捕捉湍流 边界层内的流动情况，应选择较小值，考虑到整体网格的划分第一层网格尺度 统一定为0 0 5 i l u i l 。 2 4 2 蜗壳、叶轮网格的划分 蜗壳的网格采用i g g 手动划分，用三维绘图软件p f 0 e 提取由线、面组成的 蜗壳流道几何模型，在i g g 模块中根据流体的流动将流道分成块，块与块之间 连接面上网格分布完全一致且连接面形状完全一致通过匹配( c o n ) 连接的形式 连接为一体，相邻两块连接面形状不一致网格分布也不一致则采用完全非匹配 ( n j ) 的形式连接，这样不仅减少网格设置调整的工作量，还有利于几何结 第二章数值模拟建模构复杂的流道高质量的网格的生成。最后由于各网格块网格数目的不同网格过渡不均匀、靠近固壁的地方及气流流动剧烈的部分需要很好的模拟，还需要对局部网格进行加密。为了消除出口均匀压力的影响抑制因不正确背压引起的回流在蜗壳网格划分时加了出口延伸段，生成的蜗壳的网格如图2 1 所示：蜗壳总体网格数目为1 2 5 万，没有负网格，最小正交性1 0 5 4 、最大长宽比6 0 6 6 、最大延展比2 6 3 ，满足计算对网格的质量要求。图2 - 1 蜗壳网格叶轮网格采用i g g 的子模块a u t o 嘶d 自动划分，a u t 0 伽d 可以从总体上控制叶轮流道网格分布及网格加密形式形成初步网格，在此基础上对网格进行细调，大大提高了网格的生成效率。生成的单通道叶轮网格如图2 2 所示，单通道网格总数目为2 0 万，没有负网格，网格最小正交性2 2 9 7 ，最大长宽比7 6 8 4 ，最大延展比2 0 3 ，满足计算对网格的要求。图2 2 单通道叶轮网格 山东大学硕士学位论文 2 5 本章小结 1 对数值模拟计算所采用的计算流体软件n u m e c a 数值建模的数学模型、控 制方程的离散求解进行了简单的描述，介绍了n 啪e c a 网格生成模块蜗壳网格和 涡轮叶轮网格的生成方法及质量判定标准。 2 确定了s a 一方程模型作为研究分析的湍流模型，根据近壁面第一层网格 尺度的经验公式确定了第一层网格尺度， 对计算用到的蜗壳、叶轮进行了网格 划分，得到的计算网格模型均符合计算要求。 第三章涡轮非稳态计算进口边界条件的确定 第三章涡轮非稳态计算进口边界条件的确定 a v l b 0 0 s t 、g t p o w e r 等软件在增压器与发动机匹配计算上的运用还是比较 成熟的，本文用a v lb 0 0 s t 对选用的涡轮增压器与发动机进行了匹配计算，并与 实验进行了比对。 3 。1 发动机与增压器的匹配计算 3 1 1 发动机基本参数 研究选用发动机的基本参数如下表3 1 所示： 表3 1 ：发动机基本参数 吸气型式 增压中冷 缸数 6 缸径行程( 哪咖) 1 0 8 1 3 0 活塞总排量( l ) 7 1 4 压缩比1 8 ：1 发火顺序( 自由端为第1 缸) 卜5 3 - 6 2 - 4 标定功率( k w ) 标定转速( r m i n )2 2 0 2 3 0 0 最大扭矩( n m ) 最大扭矩转速( r m i n ) 1 1 0 0 1 2 0 0 1 7 0 0 怠速( r m i n ) 6 0 0 5 0 曲轴旋转方向( 从自由端看)顺时针 最低燃油消耗率( g k w h ) 1 9 5 标定工况增压比 2 6 配气相位进气门开( b t d c ) 1 7 。c a 进气门关( a b d c ) 2 6 9c a 排气门开( b b d c ) 5 5 。c a 排气门关( a t d c ) 1 4 。c a 3 1 2b o o s t 计算模型 用a v lb o o s t 建立的发动机与增压器匹配计算的模型如图3 1 所示。 山东大学硕士学位论文 图3 1b o o s t 计算模型 匹配计算在设置时增压器采用全模型，燃油燃烧放热规律采用单b e 函数 模拟，其它参数根据实验及经验设置。计算步长选取o 5 0 c a ，每次计算的循环 次数设置为6 0 次，以保证计算结果的收敛。 模型分别在两涡轮入口处布置了测点l o 、测点l l ，涡轮出口布置了测点1 2 ， 压气机、中冷器出口布置了测点3 、测点4 ，这样可以从计算结果中获得涡轮入 口气体随曲轴转角的变化情况，为研究涡轮在脉冲进气条件的非稳态特性提供瞬 态边界条件，也可以将计算得到的各测点参数与实验所测值进行比对，对计算模 型进行校核。 3 2 计算结果及实验验证 采用b o o s t 软件对发动机的外特性进行了模拟计算，并将计算结果与实验结 果进行对比，对比结果如图3 2 所示。 1 6 第三章涡轮非稳态计算进口边界条件的确定 一计算扭矩 一实验功率 l l o o o z l o o o o 皿 嫩 瑁 9 0 0 o 一实验姐矩 一计算油耗 一计算功率 一实验油耗 一计算涡蓊 一计算冷药 7 0 0 s 0 0 p 4 0 0 瑙 赠3 0 0 2 0 0 l o o 0 1 2 1 4 2 2 0 0 2 0 0 o 1 8 0 o 1 6 0 o 1 4 0 o 1 2 0 o 1 0 0 o 1 咖1 8 2 0 2 2 0 0 2 4 0 0 转速i 以曲1 图3 2 外特性曲线对比图 一实验- 涡前 一实验- 冷前 计算一涡后 一计算冷后 实验涡后 一实验冷后 1 2 1 t 0 0 1 6 c 1 01 日d 02 伽d2 2 2 哇 转速r i l l i i l 图3 3 各测点温度对比曲线 全 ； 邑 硫 一 1 6 0 1 4 0 一 1 2 0 l 一 8 0 一6 0 2 0 o 2 6 1 7 饕磐誊岜碍蚤v 避赠 山东大学硕士学位论文 从图中可以看出计算得到的发动机的扭矩、油耗率、功率曲线都与实验值吻 合得很好，扭矩、油耗率、功率的最大相对误差分别为0 3 、0 5 、o 3 ，说 明b o o s t 的计算结果还是可信的。在b o o s t 建模中布置的3 、4 、1 1 、1 2 测点在实 验中也在相同位置布置了传感器测量了相关参数。计算得到的压气机中冷前后、 涡轮进出口气体温度与实验的对比情况如图3 3 所示。从对比结果看，计算得到 的中冷前后、涡轮进出口气体温度与实验测得的温度变化趋势基本一致，但从各 点的值看计算得到的温度比实验测得的温度高存在误差。这是因为计算得到的值 是对瞬态值取的平均值，与实测值存在差距，另外计算时假定发动机进排气管道 是绝热的，而实际管道有散热，这也是存在误差的原因。其中中冷前温度最大差 值是5 7 ，相对误差为4 3 ，中冷后温度最大差值是1 6 ，相对误差为4 5 ， 涡轮进口温度最大差值是1 4 9 ，相对误差为2 6 ，涡轮出口温度最大差值是 9 0 ，相对误差为3 5 ，误差在接受范围之内。通过与实验对比可知通过用b o o s t 对发动机与增压器进行匹配计算来取得涡轮入口瞬态的温度压力作为涡轮脉冲 进气条件下非稳态特性数值模拟计算的边界条件是可行的。 ，、 芷 宝 器 罡 r e s s u r ei 、胞a s u r i n g 印i 兀t10 ( f 嘞 r e s s u r e a s u r i n g 印眦11 ( f 砷 图3 4 涡轮入口压力变化曲线 第三章涡轮非稳态计算进口边界条件的确定 呈 巴 霍 & 毛 卜 j 、 曼 薹 备 墨 图3 5 涡轮入口温度变化曲线 图3 6 涡轮入口流量变化曲线 涡轮非稳态特性数值模拟计算选取计算工况为发动机转速1 1 0 0 r i i l i i l ，增压 器转速为7 0 0 0 0 砒【l i l l ，此时涡轮外流道阀门关闭。图3 - 4 、3 5 、3 6 分别是通过 b 0 0 s t 模拟计算得到的脉冲涡轮两入口气体压力、温度、流量随发动机曲轴变化 曲线。w p 7 是六缸四冲程发动机，各缸发火顺序为1 5 3 6 2 - 4 ，采用脉冲涡轮增 压系统排气管分成两组，分别与1 、2 、3 缸及4 、5 、6 缸连接，从图中可以看出 同一根排气管的两个气缸的排气间隔角大约为2 4 0 。c a ，在每根排气管内形成 了三个连续又互不干扰的三个排气脉冲波，符合四冲程六缸采用脉冲增压系统的 发动机的实际工作情况。 山东大学硕士学位论文 3 3 本章小结 1 建立研究所用发动机的b o o s t 模型，对发动机的工作工程进行了模拟计 算得到发动机的外特性曲线，并与实验结果做比对说明b o o s t 的计算结果可信。 2 选取用b o o s t 计算得到的在涡轮非稳态特性数值模拟计算中用到的发动 机工况涡轮进出口温度与试验侧得的数据做比对，结果证明通过用b o o s t 对发动 机与增压器进行匹配计算来取得涡轮入口瞬态的温度压力作为涡轮脉冲进气条