增压论文_涡轮增压论文

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涡轮增压器的流动模拟方法综述

引言：

内燃机的增压源于内燃机的出现，由于增压技术的发展，高效、价廉的废气涡轮增压器的出现，对内燃机低油耗、高功率的需求以及日益严格的排放发挥限制，20世纪80年代以来内燃机广泛地采用了增压和增压技术，成为内燃机的一个重要“模块”。

废气涡轮增压器由压气机（压气机叶轮、压气机蜗壳）、涡轮（涡轮叶轮、涡轮蜗壳）和中间体（轴承、压气机叶轮、涡轮叶轮和轴、密封、润滑油路和冷却腔等）组成。由于涡轮增压器的工作原理是依靠高速气流来推动涡轮旋转，因此，研究涡轮内气体流动之意义重大。在计算流体动力学领域，CFD不是单纯的理论分析，而是更接近于试验的研究，且极大的依靠一些较简单的、线性的、与原问题有关的严格数学分析，以及依靠启发性推理、边试边改的方法和试验所得的经验公式。它来源于实践，服务于工程，是发动机现代化设计所必需的有力工具之一。

在废气涡轮增压器内的气体流动为三元流动，气体可压缩，并且不是理想的无粘性气体，流动过程为非绝热、非均匀及非定常流动，因此气体的流动是极其复杂的。故在实际应用中，为简化流动现象而作假设：忽略气体粘性引起的摩擦力，气体作等熵、绝热、无粘性的定常流动[1]。

气体状态的数学描述：连续性方程、动量守恒方程、能量方程及标准κ-ε湍流模型等

[2]控制方程。

参数主要有：压力P、密度ρ、温度T等基本热力学参数以及速度ν等运动学参数，还可以求出比熵S、声速a、马赫数Ma等参数的变化规律。

[3]涡轮边界条件：黎曼不变量

P1V=()P2

P1V=()P2*in1*

out1(k1)/2k(1k1Ma1)2k1Ma1)2(k1)/2k(1

计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是一种计算机模拟技术，集流体力学、数值计算方法和计算机图像学于一体。应用CFD技术能对发动机工作过程进行数值模拟，提供相关变量，如浓度场、温度场、压力场、流场等的变化情况。数值模拟可以加深对内燃机内气液流动及燃烧过程中复杂的物理、化学过程的理解，揭示相关参数的影响，使用CFD仿真计算的方法研究，仿真计算数值与试验结果吻合较好，误差在一定范围之内，[4~5]基本符合要求。

对于类似的相关实验，利用CFD软件模拟已得到验证。

① CFD技术在进排气道的流动模拟

用CFD软件进行柴油机螺旋进气道流动特性的三维数值模拟，利用气道稳流试验台验证了模拟计算的准确性，分析了螺旋段的结构参数对流场特性的影响。

利用GT-Power和Concepts NREC软件进行柴油机的通流匹配计算，选用变截面可调增压器，通过涡轮喷嘴开度调节涡轮端进气来减少因海拔变化引起的进气量变化，从而改善发动机的高原性能。通过改变涡轮的流通截面，能极大地拓宽增压器的高效流量范围。

数值计算所需要方程主要有流动控制方程和湍流方程，计算采用任意拉格朗日-欧拉法（ALE）对流动控制方程进行迭代求解，连续方程、动量守恒方程及湍流κ-ε双方程采用中心差分格式进行差分，能量守恒方程采用上分法，收敛次数设为2000～3000次。

通过计算结果分析，验证了CFD三维数值模拟结果与试验值吻合良好，因此根据CFD

[6~7]软件分析评价螺旋进气道性能是可行的。

② CFD技术在叶轮内的流动模拟

为了说明空气在叶轮通道中的流动过程，假定空气在进入叶轮之前的状态和流速是均匀的。这样，当空气进入叶轮通道后，被叶轮带着作旋转运动，在离心作用下被跑向叶轮的边缘；由于叶片间的通道作扇形扩张，空气在其中的相对速度逐渐减少而压力逐渐增大。空气在叶轮中的运动，是由叶轮的牵连旋转运动以及沿着叶轮通道内的相对速度合成。实际上，空气在旋转通道内的运动是很复杂的，以致于在任一通道的横街面上，空气的运动都是不均匀的。

空气在叶轮中的流动时，其损失可分为六项：空气在通道内的扩压损失、转弯损失、摩擦损失，空气在叶轮与壳体间的漏气损失，空气与叶轮背面之间的摩擦损失，空气进入叶轮时的撞击损失。

喘振不仅影响离心压气机的流量范围和工作效率，还直接影响压缩系统的安全性、可靠性。以普遍适用的JP60车用涡轮增压器离心压气机为研究对象：

JP60压气机几何参数：

参数名称/单位参数值

入口轮毂半径／mm7.5

入口轮缘半径／mm21.4

叶轮出口半径／mm30

长叶片数6

短叶片数6

叶尖间隙／mm0.5

模拟计算使用叶轮机械领域普遍认可的CFD软件NUMECA进行分析研究，稳态计算时选取理想气体Red Gas与Turbulent Navier-Stokes数学模型，非稳态计算时采用全周非稳态计算模拟方法，全周计算模拟的叶轮部分网格采用单通道稳态计算时网格，将单通道网格复制成全周网格，蜗壳网格也仍然采用稳态计算时所使用的网格。

试验在120000r／min工况下进行，选择4个工况点（62％、54％、43％、32％）分析压气机从稳态到失速再到喘振的全过程中的非定常流动情况。发现在相对流量54％工况时

[8]检测到明显失速频率。

通过此次实验可以得出结论：（1）随流量减小，导风轮上游从稳定流动发展到旋转失速，最后发展为全周失速，倒流区域在周向方向上不断扩展，流动逐渐恶化；（2）不同叶高相对速度分析发现尾缘倒流越弱，则正向流动改善，叶轮尾缘回流是流道发生堵塞的主要原因；

（3）叶轮尾缘回流是诱导扩压器回流的主要原因，叶轮出口区域的回流首先发生在叶轮尾缘与扩压管入口交界处[9]。

而通过以上模拟，以及与三元流动的理论计算相结合，可对压气机流场进行分析及对喘振原理进行研究，通过修改叶轮的形状，使得气流在叶轮通道内的压力分布和速度变化，对提高压气机效率有较大的影响。

③ CFD技术在涡轮增压器轴承上的应用

涡轮增压器轴承是决定其工作可靠性的关键零件，它不仅直接影响增压器的结构可靠性与使用寿命，还会影响增压器的机械效率。

针对JP60涡轮增压器进行模拟，运用NUMECA的三维粘性流动数值计算软件FINE／TURBO进行涡轮级与压气级内部流场计算，计算中采用S-A模型模拟其三维紊流流场；使用FLUENT软件模拟叶轮背部泄漏气体的流场。计算模型采用二维轴对称旋转模型，应用带双层近壁处理的标准κ-ε紊流模型模拟其流场，对数值计算出的压气机和涡轮叶轮的表面及

背面压力进行积分，最终得到轴向力。

增压器转子轴上的轴向力是压气机叶轮和涡轮叶轮两侧的气体压力的代数和，车辆用涡轮增压器的压气机与涡轮叶轮是相互背向布置的，叶轮两侧的作用力，可以相互抵消一部分。通过轴向力的理论计算与实验模拟出来的结果相结合，可以计算出相关变量，进而改善涡轮增压器的相关参数。

④ CFD技术在蜗壳上的模拟

由扩压器出来的空气进入到蜗形壳或等截面的集气器内，经由集气器出口输至其它地方，蜗壳的截面形状有梯形、梨形、扇形、圆形、矩形等形式。

使用CFD模型设计和模型测试两种手段，利用相对流量Q可进行理论研究“蜗壳压差试验”，以此来检测两机运行状况[11]。

涡轮级CFD计算所需几何模型包括涡轮蜗壳流道模型和叶轮通道模型，蜗壳流道三维几何模型是根据H1F增压器混流涡轮蜗壳的二维CAD图纸，利用三维建模软件Pro／E建立的，利用NUMECA的Fine／turbo软件包中的手动生成望各模块igg进行蜗壳流道的网格

[12]生成。

⑤ CFD技术在未来涡轮增压器上的应用

在尾气排放、燃油耗的相关法规被日趋强化的今天，涡轮增压器的新技术的电动增压器进行了试制样机的相关试验，确认了该技术的可行性。通过有限元法（FEM）磁场解析和电路模拟结果计算能量损失放热值，通过计算流体动力学（CFD）解析计算冷却流路内的流速

[13]分析值，对流路进行改进。

[14]利用CFD软件Fluent软件进行流场和温度场的仿真，可改善其声学性能。由于CFD

可以准确地给出流体流动的细节，因而可以从对流场的定量分析中发现产品设计中存在的问

[15]题。据此优化设计方案，达到改善传统产品设计过程的目的。

废气涡轮增压作为现代内燃机的一项关键技术，在提高发动机的动力性、经济型和改善排放方面发挥着重要作用，对改善起动、加速性能差，瞬间响应迟缓和冒烟严重等问题，两

[16]级涡轮增压系统是一个重要发展方向，而对两级增压的模拟技术CFD也面临着新的挑战。

有限容积法FVM（Finite Volume Method）在多维流动中占据着重要地位，其基本思路是：将计算区域划分为有限个容积，将控制方程在每个控制容积上逐一积分，导出偏微分守恒型的离散方法，物理意义明确，理论上可以避免流量计算的误差。

从国外研究成果看，不仅在理论上采用各种先进的数值方法和网格划分技术对排气管系的流动作了二维及三维的数值模拟，而且还出现了很多应用广泛的商业软件，如美国Los Almos国家实验室采用ALE法开发的KIVA（Ⅱ，Ⅲ）、英国帝国理工学院采用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Preure-Linked Equations）法开发的PHOENICS程序。这些软件的核心技术是多维流动数值模拟模块，可以对二维或三维的对流扩散粘性可压缩流体

[17]流动问题进行数值求解。[10]

结论：

（1）CFD辅助发动机工程逐渐发展成为一门独立的学科，其实质是如何基于计算机技

[18]术，利用CFD理论来解决具体发动机内流系统中的流动计算及数值模拟问题；

（2）CFD理论发展需结合具体工程问题来不断充实、完善，实践-理论-再实践-再理论，这也是人类认识世界的规律；

（3）建立在CFD基础上的多维数值模拟与实验的有机结合，正成为发动机现代化设计与研究方法发展的主流。

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