車(chē)用渦輪增壓器渦輪級(jí)流場(chǎng)特性的仿真研究*

□ 周 敏 □ 王東方 □ 顧倩倩

南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 211816

1 研究背景

隨著全球大氣污染問(wèn)題日益加劇,縮減發(fā)動(dòng)機(jī)排量成為減少尾氣排放的有效措施,但此舉必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性急劇降低[1]。為了兼顧節(jié)能減排和高輸出功率,渦輪增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。渦輪級(jí)是渦輪增壓器的關(guān)鍵部件,其內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜,通常具有三維、黏性、非定常等特點(diǎn),并且涉及動(dòng)靜耦合及振動(dòng)等的影響[3]。因此,研究渦輪增壓器渦輪級(jí)流場(chǎng)特性,對(duì)優(yōu)化渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作性能而言極為關(guān)鍵[4]。數(shù)值模擬由于不受渦輪增壓器復(fù)雜的內(nèi)外結(jié)構(gòu)特征限制,能直觀(guān)反映內(nèi)部流場(chǎng)分布及運(yùn)動(dòng)特性,因此成為渦輪增壓器渦輪級(jí)流場(chǎng)特性研究的重要手段。

針對(duì)渦輪增壓器內(nèi)部流場(chǎng)特性,國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量研究。盧隆輝等[5]對(duì)軸向調(diào)節(jié)式可變噴嘴增壓器的渦輪流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究,分析了高低速工況條件下高低速葉片對(duì)流場(chǎng)特性的影響。夏炳勛等[6]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到渦輪增壓器渦輪級(jí)的出口溫度,并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。尹川川等[7]研究了渦輪增壓器渦輪級(jí)熱邊界條件對(duì)渦輪流體域溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布的影響。李杜等[8]進(jìn)行了渦輪增壓器用離心壓氣機(jī)蝸殼流場(chǎng)的計(jì)算研究,通過(guò)三維黏性納維-斯托克斯方程分析了蝸殼舌部附近和蝸殼內(nèi)部的流場(chǎng),獲得了蝸殼內(nèi)相關(guān)特征截面和流向上的速度及壓力分布。Hamed[9]利用有限元差分法進(jìn)行計(jì)算域離散,分析了渦輪增壓器蝸殼的形狀及氣體流速大小對(duì)蝸殼內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)的影響。Kreuz等[10]開(kāi)展了渦輪增壓器渦輪流場(chǎng)的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Tamaki等[11]在研究中采用熱線(xiàn)探針測(cè)試了可變截面徑流式渦輪增壓器內(nèi)部氣體流速,并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法分析了渦輪增壓器的流場(chǎng)分布。

筆者基于流體動(dòng)力學(xué)兩相流技術(shù),應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某車(chē)用渦輪增壓器渦輪級(jí)的流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真研究,通過(guò)離散相模型實(shí)現(xiàn)氣固兩相耦合求解,重點(diǎn)分析不同渦輪轉(zhuǎn)速下蝸殼內(nèi)部廢氣顆粒質(zhì)量濃度、廢氣流速、壓力、溫度的分布規(guī)律,從而明確不同渦輪轉(zhuǎn)速下蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)特性,進(jìn)而為渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

2 仿真過(guò)程

2.1 流場(chǎng)建模

鑒于渦輪增壓器渦輪級(jí)特征結(jié)構(gòu)復(fù)雜,筆者用三維激光掃描儀對(duì)渦輪增壓器實(shí)體進(jìn)行掃描,以獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics三維建模軟件,以獲得渦輪增壓器渦輪級(jí)的三維幾何模型,從中抽取出數(shù)值模擬所需的渦輪級(jí)流場(chǎng)模型,如圖1所示。

▲圖1 渦輪級(jí)流場(chǎng)模型

2.2 網(wǎng)格處理

為了在最大程度上獲得快收斂速度與高計(jì)算精確性,筆者結(jié)合渦輪增壓器渦輪級(jí)流場(chǎng)模型的特征,采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12],最終網(wǎng)格總數(shù)為1 556 457,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為300 382。渦輪級(jí)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

▲圖2 渦輪級(jí)網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件定義

渦輪級(jí)進(jìn)口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量入流,給定進(jìn)口溫度、質(zhì)量流量。出口采用壓力出口邊界,給定出口靜壓力。固體壁面采用旋轉(zhuǎn)、絕熱、光滑且無(wú)滑移的邊界條件。渦輪增壓器的流通特性參數(shù)由臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得,見(jiàn)表1。

表1 渦輪增壓器流通特性參數(shù)

2.4 氣固兩相耦合求解

渦輪增壓器渦輪級(jí)在工作過(guò)程中,混有大量固體顆粒的高溫廢氣持續(xù)高速?zèng)_擊渦輪,因此渦輪級(jí)內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)并非單一相流動(dòng),而是氣固兩相流動(dòng)。為真實(shí)準(zhǔn)確模擬渦輪級(jí)內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng),仿真過(guò)程中將廢氣顆粒作為離散相,利用離散相模型對(duì)蝸殼內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行氣固兩相耦合求解。鑒于廢氣顆粒數(shù)量多、粒徑各異,在渦輪級(jí)入口連續(xù)通入十種不同粒徑的固體顆粒,顆粒的粒徑在0.5～10 μm范圍內(nèi)變化,平均粒徑為2.5 μm。

3 結(jié)果分析

3.1 渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度

不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度云圖如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速為100 000 r/min時(shí),渦輪級(jí)廢氣顆粒的質(zhì)量濃度大部分為3×10-6kg/m3。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快,渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),這是由于葉輪中心處的壓力增大,壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,推動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn),大幅增大了離心力,從而使廢氣顆粒加快排出。當(dāng)轉(zhuǎn)速加快至140 000 r/min時(shí),渦輪級(jí)廢氣顆粒濃度大部分為1.5×10-6kg/m3,并且渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度最大值的區(qū)域面積明顯減小。由于轉(zhuǎn)速的加快,高速氣體運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了對(duì)渦輪級(jí)內(nèi)部廢氣顆粒的擾動(dòng),渦輪級(jí)顆粒質(zhì)量濃度分布的不均勻性得到了有效改善。

3.2 渦輪級(jí)廢氣流速

不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣流速云圖如圖4所示,清晰呈現(xiàn)了不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖4可以看出,廢氣進(jìn)入蝸殼后,主體氣流沿蝸殼內(nèi)壁不斷向渦輪葉片區(qū)域匯集,另一部分廢氣經(jīng)蝸殼舌部與主氣流相匯,最終在渦輪高速離心力作用下,廢氣從蝸殼出口端快速排出。由于渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn),因此在蝸殼出口處可以觀(guān)察到明顯的湍流旋渦及分離現(xiàn)象。圖4反映出的渦輪級(jí)廢氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際工作情況是吻合的。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快,從蝸殼進(jìn)口到繞蝸殼中心旋轉(zhuǎn)前180°區(qū)間內(nèi)廢氣的流速逐漸加快,而后180°區(qū)間內(nèi)廢氣的流速則不斷減慢。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速由100 000 r/min加快至140 000 r/min,渦輪出口處廢氣流速?gòu)?71.261 m/s加快至273.169 m/s,增幅約為59.5%。

▲圖3 不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度云圖

不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣流速矢量云圖如圖5所示,圖5中所反映出的氣體運(yùn)動(dòng)與渦輪級(jí)實(shí)際工作情況基本一致。氣體進(jìn)入蝸殼后,流速不斷加快,高速區(qū)集中分布在蝸殼內(nèi)前180°靠近渦輪處,低速區(qū)集中分布在靠近蝸殼舌部處。渦輪轉(zhuǎn)速由100 000 r/min加快至140 000 r/min,蝸殼內(nèi)部廢氣的最大流速由211.121 m/s加快至306.624 m/s,增幅約為45%。通過(guò)計(jì)算渦輪級(jí)入口最大流速與出口最大流速兩者二次方的差值,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)?00 000 r/min加快至140 000 r/min,蝸殼效率提高27%。由此可見(jiàn),隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快,蝸殼效率大幅提高。

▲圖4 不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣流速云圖

▲圖5 不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣流速矢量云圖

3.3 渦輪級(jí)廢氣壓力

不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣壓力云圖如圖6所示。渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)?00 000 r/min加快至140 000 r/min,大量帶有黏性的高速?gòu)U氣快速進(jìn)入蝸殼內(nèi)部,蝸殼內(nèi)廢氣最大壓力由159 771.84 Pa增大至253 244.031 Pa,增幅約為58%。隨著渦輪轉(zhuǎn)速加快,蝸殼入口法向上流體壓力的減幅不斷增大。因?yàn)闇u輪高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的離心力,所以可以明顯觀(guān)察到從蝸殼到渦輪中心方向上壓力梯度隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快而逐漸增大。

▲圖6 不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣壓力云圖

3.4 渦輪級(jí)廢氣溫度

不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣溫度云圖如圖7所示。由圖7可以看出,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速為100 000 r/min時(shí),蝸殼入口法向上廢氣的溫度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì),并且蝸殼內(nèi)部溫度梯度較小,溫度分布較為均勻。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速逐漸加快至120 000 r/min和140 000 r/min時(shí),由于靠近葉輪附近的廢氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能做功,沖擊葉輪高速旋轉(zhuǎn),能量消耗隨渦輪轉(zhuǎn)速加快不斷增大,因此蝸殼內(nèi)部溫度分布均勻性降低,溫度梯度明顯增大。由圖7還可以看出,渦輪葉片迎風(fēng)面表面溫度高于背風(fēng)面表面溫度,出口段因?yàn)闇u流及氣流回流的存在,使中心溫度隨渦輪轉(zhuǎn)速加快而不斷降低。

▲圖7 不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣溫度云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了給渦輪增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能改善提供理論參考,筆者對(duì)某車(chē)用渦輪增壓器渦輪級(jí)流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真研究。通過(guò)對(duì)比100 000 r/min、120 000 r/min、140 000 r/min三種不同渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度,確認(rèn)隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快,渦輪級(jí)廢氣顆粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì),廢氣顆粒分布的均勻性則有所提高。通過(guò)對(duì)比三種渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣流速,確認(rèn)渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)?00 000 r/min加快至140 000 r/min,渦輪級(jí)廢氣的最大流速由211.121 m/s加快至306.624 m/s,并且隨著渦輪轉(zhuǎn)速的加快,蝸殼的效率也在不斷提高,提高幅度約為27%。通過(guò)對(duì)比三種渦輪轉(zhuǎn)速下渦輪級(jí)廢氣壓力及溫度,確認(rèn)從蝸殼到渦輪中心方向上的壓力梯度隨渦輪轉(zhuǎn)速的加快而逐漸增大,渦輪級(jí)內(nèi)溫度分布均勻性降低,溫度梯度明顯增大。