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涡轮增压器的流动模拟方法综述 摘要：本文分析了目前国际与国内通用的流动模拟一一罗列并大致分析了各方法的原理，有采用实体造型软件建立了涡轮增压器机内部流动模型和流动网络模型；常用的方法：数值计算方法、流畅模拟压力场与速度场，还有通流计算平台（轮通流模型），以及利用Fluent 6.3流体分析软件模拟了增压器压气机总成三维粘性定常流动特性，分析了压气机内部流动情况，并在此基础上队涡轮增压器压气机进行了噪声的分析，为涡轮增压器的流动模拟方法作了总结，使之在设计和应用上有了理论依据。 关键词：涡轮增压器 流动模拟 流场 一、前言 什么是增压器？简单地说，它就相当于一个鼓风机，将更多新鲜空气压入发动机的燃烧室，改善燃烧效率，从而在不改变发动机工作容积的情况下提高动力输出。 叶尖间隙泄漏流动是叶轮机转子流动中最普遍和最具影响的流动过程之一, 由于多种原因, 伴随着旋涡运动的叶尖泄漏流动对叶轮机的性能产生不利的影响, 其中包括: 泄漏流动以及产生的旋涡对通道造成的堵塞、下游流动非定常性( 在相对坐标系内) 、复杂的叶片热传递及产生的二次流造成的气动热力损失等。文献【1】 中指出, 涡轮中三分之一以上的损失由叶尖间隙泄漏流引起, 而降低损失、提高效率一直是涡轮部件必须解决的重要问题。因此研究涡轮叶尖间隙流动结构、涡轮叶尖间隙流动损失机理以及控制减小间隙泄漏流动损失等一直是涡轮叶尖间隙研究的主要课题 。此文所总结的流动模拟方法对包括间隙在内的涡轮三维粘性流场进行了详细的计算分析。 二、 研究对象 针对涡轮平面叶栅叶尖间隙流场和涡轮级转子叶片叶尖间隙流场, 应用数值模拟方法计算分析了不同间隙大小和不同间隙形式下的涡轮流场结构以及涡轮流动损失。其中, 涡轮级转子叶片叶尖间隙形式包括余高间隙、间隙有冷气入射等形式。通过文献【2】中给出了所计算叶片的几何参数, 包括叶片的弦长、叶高、栅距和转折角等。可以综合分析叶型I和叶型II叶型III之间的关系。其中, 叶型I 和叶型II 是两种不同形式的平面直叶片, 而叶型III 则是某型涡轴发动机高压涡轮转子叶片。叶型I 是某型涡轮风扇发动机高压涡轮转子平均半径处叶栅, 它是一种中等负荷具有后加载压力分布形式的叶型, 而叶型II 是一种典型的高负荷后加载叶型。对这两种平面直叶片, 分别计算了3 种间隙大小下的三维流场和叶片性能。叶型III 的工况1 工况5 是平间隙形式下5种不同间隙大小的情况, 工况6 是在间隙机匣处有喷气的情况, 工况7 表示的是在叶片尖部有喷气情况, 工况8 表示的是叶尖间隙为余高间隙的形式, 工况1 工况8 计算均采用标准k- 湍流模型, 工况9、工况10 和工况11 分别对应于平间隙、叶尖喷气和余高间隙情况下采用标准Spalart- Allmaras 一方程湍流模型的情况。 三、数值计算方法和计算网格 叶尖间隙的流动结构很复杂, 它不仅包括复杂的间隙泄漏流动, 而且还包括二次流、漩涡等复杂流动。为了能通过数值模拟的方法来捕捉这些复杂的流动结构, 应用数值计算雷诺平均N - S 方程的方法实现对涡轮叶片叶尖间隙流动的数值模拟。在三维计算程序中, 数值离散格式采用有限体积法, 空间离散采用二阶精度的Roe 迎风格式, 时间离散采用隐式的一阶精度的向前差分格式, 湍流模型采用Spalart- Allmaras 一方程模型或k- epsilon 双方程模型。另外, 考虑到叶片近壁区流体流动的复杂性和提高数值计算的计算效率, 采用壁面函数的方法来对其三维流动进行描述。 在数值计算所采用的计算网格中, 主流区和叶尖间隙区域分别采用二维H 型网格和三角网格沿径向积叠而成,在数值计算中, 每个叶片通道进出口计算域的选取原则为: 进口边界到叶根前缘的距离为一倍叶根处轴向弦长, 尾缘到出口边界距离为两倍叶根处轴向弦长。另外, 在数值计算中主要采用了以下这5 种边界条件: 压力进口、压力出口、质量流量进口( 射流边界) 、周期性和绝热粘性壁面边界条件。为了研究涡轮叶尖间隙流动及其对涡轮叶片性能的影响, 采用上述数值计算方法, 对每种涡轮叶片分别计算了无间隙和不同间隙值情况下涡轮叶片的流场与性能, 涡轮叶片的性能采用压力损失系数或能量损失系数进行描述, 对涡轮转子的性能还应用涡轮效率进行了分析。为了比较不同湍流模型计算结果的差异, 对3 种间隙形式的涡轮转子流场分别采用标准Spalart- Allmaras 一方程湍流模型和kepsilon双方程湍流模型进行了计算。 四、流畅模拟压力场与速度场的计算分析 涡轮的流场模拟紊流模型采用稳态、基于密度的隐式求解模型边界包含旋转的动边界和静止不动的静边界，因此将整个计算区域划分成旋转流体区和非旋转流体区两个子域两者之间的耦合采用移动参考坐标系模型MRF。MRF 模型把风道内流场简化为叶片在某一位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算。 气流进口边界：给定压气机进口的气流速度、压力、密度等相应的条件。质量流量、总温和静压均由实验测量得到的数据给出，据三维模型中的坐标情况设定流动方向。气流出口边界：采用的是压力出口边界条件，定义出口压力为实验所测工况下的压力。 压力场的计算与分析 经过约15000 次叠代后残差收敛，计算时间约为28 小时。叶轮和涡壳部分的压力分布分别如图1 和图2 所示。文献【3】图1 叶轮动压分布图2有叶扩压器及涡壳部分静压分布由图1 可以看出，空气从入口到离开叶轮压力是逐渐增大的，在入口附近形成负压，而形成负压的原因是由于压气机的叶轮高速旋转带动叶片间的空气离心运动。由于负压的存在才使空气不断被吸入、压缩，达到增压的目的。由图2 可以看出，被叶轮甩出的空气，进入到有叶扩压器后压力分布更为复杂，在有叶扩压器叶片压力面和吸力面压力有很大差距，经过扩压器扩压后，空气在涡壳中进一步扩压。由于气体的动能转变成了压力能，所以整个扩压器和涡壳部分静压增长较大，扩压器进口部分气体静压增长趋势较快，压气机出口部分由于内部通道呈渐扩形式，故静压回落。. 速度场的计算与分析 扩压器和涡壳部分的速度分布全貌见图3，可以看出，从叶轮出来的气体进到有叶扩压器内速度减小，在靠近涡壳小端面与大端面接口处扩压器部分气体的下降速度明显低于扩压器其它部位。涡壳内速度减小幅度比较大，但在靠近压气机出口速度略有增加，这有利于发动机进气。图3 有叶扩压器和涡壳表面速度分布云图由图4 叶片表面速度分布可知，气体进入叶轮后，叶轮对气流做功，使得气体流速增加，气体速度变化比较均匀，从叶轮进口至出口，速度梯度变化平缓递增，并且在离开叶轮时速度达到最大。 由于当增压器压气机涡壳采用变截面的椭圆形形状，这种涡壳较其他型式的效率要高，流量大大些。这种最大的优点是压气机外形尺寸得以缩小。此时有叶扩压器部分进一步减小，使得整个压气机涡壳显得既紧凑小巧，充分体现了增压器的小型化。由于环状流道在不同角度截面上是不同的：首先需要利用等环量定理计算得到的流道参数建立草图来确定不同角度截面的流道形状；其次利用上一步的草图建立流道轮廓，通过扫掠命令得到整体模型；最后是在已有流道轮廓特征基础上完成涡壳的进口与出口特征，利用UG 建模得到涡壳的几何模型。对于压气机叶轮，根据表面数字化技术测试方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统的测量方法是以三坐标测量机（简称CMM）为代表的接触式。它可以测量各种复杂形状的零件表面，从而实现零件表面几何形状数字化。 五、通流计算平台（轮通流模型） 理想的涡轮通流模型是能够反映内部流动过程的非定常模型，然而此模型的建立需要大量非定常试验数据的支持和更深入的流动机理研究。此处建立的涡轮定常通流模型弥补了试验MAP图在涡轮增压发动机匹配中的不足：第一，通流模型能在整个工况范围内计算出涡轮的特性，对涡轮增压发动进行全工况匹配及优化；第二，通过对模型中导叶安装角等几何参数进行修改，可以对可变截面涡轮与发动机进行匹配设计与优化；第三通流模型能够应用于涡轮增压发动机开发阶段涡轮增压器的选型，指导涡轮增压器的开发设计工作。文献【4】主要包括：数学模型 涡轮边界条件 涡轮损失模型 (涡壳损失模型 导叶损失模型 攻角损失模型 叶轮通道损失模型 叶尖间隙损失模型 尾缘损失） 建立了发动机增压匹配的涡轮定常通流模型，根据进口条件和几何参数自动计算涡轮特性参数，能够有效地应用于可变截面涡轮与发动机的匹配，并在整个工况范围内得到完整的涡轮特性，对涡轮增压发动机进行全工况匹配及优化，还可以应用于发动机开发阶段的涡轮增压器选型，指导涡轮增压器的开发设计工作。并应用3款不同结构参数的混流涡轮对模型的有效性进行了试验验证，计算值与试验值之间具有良好的一致性，验证了模型的有效性。 六、利用Fluent 63 流体分析软件 （1）利用Fluent 63 流体分析软件可以有效地对涡轮增压器压气机内部复杂流场进行模拟，有助于对涡轮增压器压气机流场的理解和分析。 （2）利用Fluent 63 流体分析软件可以对涡轮增压器压气机的进行较为准确噪声评估，分析结果可为增压器压气机降噪设计提供参考。 （3）本文通过涡轮增压器压气机噪声分析，找到了涡轮增压器压气机噪声产生的主要部位，特别是有叶扩压器部分与无叶扩压器有着明显不同。 七、总结 (1) 内燃机流动热力学主要研究内燃机循环热力过程的流动规律及其对性能的影响，是内燃机涡轮增压技术研究的主要理论基础。 ( 2) 在进行涡轮叶顶间隙流场数值模拟时, 无论是采用Spalart- Allmaras 一方程湍流模型, 还是采用k- epsilon 双方程湍流模型, 对计算结果的规律影响不大。( 3) 叶尖间隙对从大约70%叶高到叶尖位置的叶片损失具有明显的影响, 有叶尖间隙时的压力损失系数或能量损失系数比没有叶尖间隙时的压力损失系数或能量损失系数大, 而且随着间隙的增大, 损失明显增大。( 4) 随着叶尖间隙的增大, 转子叶片的等熵效率显著降低, 针对本研究涡轮转子, 当间隙从零增加到6%展向尺度, 涡轮转子效率从89% 下降到79.5%, 下降了大约10 个百分点。采用余高间隙或间隙喷气可以有效地降低叶尖泄漏损失, 计算表明, 同样间隙大小情况下, 余高间隙叶片等熵效率比平间隙叶片等熵效率约提高了一个百分点; 而叶尖间隙有冷气入射时涡轮的等熵效率要比无冷气入射时的等熵效率约提高两个百分点。( 5) 数值计算结果说明, 由于间隙流的存在, 在叶片的吸力面附近形成一个泄漏涡, 而且该泄漏涡随着叶尖间隙增大而增大。此外, 叶尖间隙小时所产生的泄漏涡比叶尖间隙大时所产生的泄漏涡更靠近叶片的吸力面。(6) 涡轮增压关键技术的突破和创新主要依赖于内燃机流动热力学的研究进展，应积极开展内燃机流动热力学的相关科学问题研究，以推动增压技术的发展，满足我国国民经济发展对内燃机节能减排的重大战略需求。八参考文献 文献【1】 .BOLETIS E, SIEVERDING C H.The development of axial turbine leakage loss for two Prof iled tip geometry using linear cascade data J.Journal of Turbomachinery, 1992.114, 198- 203. 文献【2】涡轮叶尖间隙流动的数值模拟 许开富, 乔渭阳, 罗华玲 ( 西北工业大学动力与能源学院, 陕西西安710072) 文献【3】基于Fluent 的涡轮增压器压气机流场模拟与噪声分析 江国和，李涛涛 （上海海事大学 商船学院，上海 200135） 文献【4】发动机增压匹配的涡轮通流模型研究 李亚卓1，诸葛伟林1，张扬军1，张继忠2 (1清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084；2柴油机高增压技术国防科技重点实验室，山西大同037036) 文献【5】徐建中. 叶轮机械气动热力学的回顾与展望J西安交通大学学报，1999，33(9)：14. 文献【6】1 谷慧芳，顾平道，张曦基于CFD的空调用轴流风机内部流场研究J流体机械，2007，35，（11）：29-33 文献【