賴晨光，莊　嚴(yán)，段孟華，曾宏強(qiáng)

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶　400054)

?

不同結(jié)構(gòu)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的數(shù)值分析

賴晨光，莊嚴(yán)，段孟華，曾宏強(qiáng)

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶400054)

摘要：為了研究擴(kuò)壓器出口相對(duì)蝸殼位置對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的影響，采用ANSYS-Fluent軟件對(duì)包含進(jìn)氣道、旋轉(zhuǎn)葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器和非對(duì)稱蝸殼的離心壓氣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)全流道數(shù)值模擬，分析兩種不同結(jié)構(gòu)形式壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特性。計(jì)算結(jié)果表明：擴(kuò)壓器出口相對(duì)蝸殼位置對(duì)壓氣機(jī)性能有明顯影響；在設(shè)計(jì)工況下，非內(nèi)嵌式擴(kuò)壓器與蝸殼組合方式的壓比高于內(nèi)嵌式，整機(jī)氣動(dòng)噪聲要低于內(nèi)嵌式；但隨著流量的增加，內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的性能優(yōu)于非內(nèi)嵌式，且轉(zhuǎn)速對(duì)整機(jī)噪聲的影響甚微。這一結(jié)果將為改善擴(kuò)壓器與蝸殼的組合方式提供參考。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)；數(shù)值模擬；內(nèi)部流動(dòng)特性；氣動(dòng)噪聲

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，廢氣渦輪增壓已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。離心壓氣機(jī)作為廢氣渦輪增壓器的重要組成部分，主要由進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼組成，其性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放有重要影響。

由于壓氣機(jī)受到自身內(nèi)部葉輪旋轉(zhuǎn)以及各部件之間的耦合影響，其內(nèi)部的氣體流動(dòng)情況十分復(fù)雜[1]。因此對(duì)壓氣機(jī)的研究由最初對(duì)單一部件的優(yōu)化過渡到考慮各部件之間的相互耦合作用對(duì)壓氣機(jī)整體性能的影響上，但多集中于壓氣機(jī)與葉輪或者擴(kuò)壓器等的匹配上[2-6]，同時(shí)蝸殼與擴(kuò)壓器對(duì)壓氣機(jī)性能的影響的研究成果還不多見。然而擴(kuò)壓器和蝸殼之間強(qiáng)烈的相互作用表明：二者對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部氣體流場(chǎng)和聲場(chǎng)有顯著的影響，壓氣機(jī)性能的進(jìn)一步提升需要對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)二者的位置關(guān)系提出了2種不同結(jié)構(gòu)，并對(duì)這2種結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬時(shí)充分考慮其他各部件之間的相互作用，以使模擬結(jié)果更加符合真實(shí)的流動(dòng)狀況。本次模擬結(jié)果對(duì)2種壓氣機(jī)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行了分析，為以后壓氣機(jī)蝸殼與擴(kuò)壓器的匹配設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

1計(jì)算模型與控制

1.1計(jì)算模型

本次計(jì)算以車用發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用的JP60渦輪增壓器離心壓氣機(jī)為基本模型[7]，根據(jù)擴(kuò)壓器出口與蝸殼的相對(duì)位置關(guān)系，建立了2種壓氣機(jī)模型：內(nèi)嵌式與非內(nèi)嵌式。模型具體幾何參數(shù)如下：前傾后掠式葉片，長(zhǎng)短交替布置，葉片數(shù)各為6個(gè)；擴(kuò)壓器采用無(wú)葉等寬型；設(shè)計(jì)流量Q=0.115 kg/s，設(shè)計(jì)壓比ε=2.12，葉輪轉(zhuǎn)速n=120 000 r/min。本次計(jì)算模型中忽略了葉輪的葉頂間隙[8]，蝸殼按照等環(huán)量原則設(shè)計(jì)，壓氣機(jī)幾何模型如圖1所示。

圖1　壓氣機(jī)幾何模型簡(jiǎn)圖

1.2網(wǎng)格劃分

本次計(jì)算模型的葉輪部分采用BladeGen軟件建模，其他部分在CATIA軟件中建模，之后在ICEM-CFD中對(duì)壓氣機(jī)的3個(gè)域單獨(dú)劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，然后進(jìn)行合并。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)葉輪部分采用全流道模型，合并之后的全局網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　全局網(wǎng)格

1.3研究方法

本文將計(jì)算域分為進(jìn)氣道、葉輪流道以及擴(kuò)壓器和蝸殼流道。其中進(jìn)氣道、擴(kuò)壓器和蝸殼流道定義為靜止計(jì)算域，葉輪流道定義為旋轉(zhuǎn)計(jì)算域。計(jì)算在ANSYS Fluent軟件中進(jìn)行，邊界條件設(shè)定為流量入口和壓力出口，并選定軸向進(jìn)氣。旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域之間采用interface邊界來(lái)處理域與域之間的耦合連接，流場(chǎng)信息通過共享交界面?zhèn)鬟f并且相互影響。

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1壓比特性分析

通過調(diào)節(jié)流量邊界對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)進(jìn)行了3種不同轉(zhuǎn)速工況下的數(shù)值計(jì)算，得到了2種結(jié)構(gòu)方案的壓比特性曲線，如圖3所示。從圖中可以看出：不同方案下，壓氣機(jī)的壓比都隨著流量的增大而降低，但是在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)偏后工況附近，壓比曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)。在此點(diǎn)之前，非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的壓比高于內(nèi)嵌式；在此點(diǎn)之后，內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的壓比優(yōu)于非內(nèi)嵌式，且隨著流量的增加，這種趨勢(shì)越來(lái)越明顯，并不以轉(zhuǎn)速的改變而改變。顯然，擴(kuò)壓器出口相對(duì)于蝸殼的位置關(guān)系對(duì)壓氣機(jī)的性能有一定的影響。

圖3　壓比特性曲線

2.2流場(chǎng)分析

圖4為設(shè)計(jì)工況下蝸殼與擴(kuò)壓器壁面靜壓分布云圖。從圖中可以看出：從擴(kuò)壓器進(jìn)口到出口靜壓持續(xù)增大；沿著蝸殼旋轉(zhuǎn)方向，靜壓也逐漸增大，這說(shuō)明靜壓在蝸殼內(nèi)逐漸得到了回收；同時(shí)，在蝸殼內(nèi)靜壓沿著旋轉(zhuǎn)軸半徑方向逐漸增大，并在蝸殼外壁面處達(dá)到最大值。但是，對(duì)比蝸殼出口附近的靜壓值可見：該工況下非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的增壓效果比內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的增壓效果好。這是因?yàn)閮?nèi)嵌式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致蝸殼入口處氣流流動(dòng)截面小于非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)，同時(shí)在蝸殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)回來(lái)的二次氣流對(duì)蝸殼進(jìn)口處氣流產(chǎn)生較大的沖擊，相當(dāng)于減小了蝸殼入口處氣流流動(dòng)的截面面積，增加了該區(qū)域氣流流速，再加上氣體在離心力作用下向徑向外壁面處偏移，對(duì)該壁面區(qū)域附近的氣體形成擠壓，以至于在沿著徑向增大的蝸殼壁面區(qū)域形成高速區(qū)，使得沿該處的靜壓減小，進(jìn)而顯示內(nèi)嵌式壓氣機(jī)蝸殼壁面的靜壓整體趨勢(shì)比非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)蝸殼壁面的靜壓小(見圖4)。

圖4　壁面靜壓分布云圖

圖5為設(shè)計(jì)工況下不同蝸殼截面上的速度矢量，可以看出：氣體在蝸殼內(nèi)做螺旋狀向前流動(dòng)，并且隨著蝸殼截面面積的增大，氣體流速逐漸減小。但是由于內(nèi)嵌式蝸殼的結(jié)構(gòu)更加緊湊，二次流沖擊較為明顯，使得漩渦在向前發(fā)展的過程中表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，其產(chǎn)生的影響是氣體在該蝸殼內(nèi)向前流動(dòng)的阻力增大，能量消耗增加，進(jìn)而表現(xiàn)為該結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)的流動(dòng)損失相對(duì)較大，流動(dòng)效率相對(duì)較低，出口處氣流分布不均勻。

圖5　不同截面速度矢量圖

2.3聲場(chǎng)分析

離心壓氣機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是壓氣機(jī)的主要噪聲源，它是由壓氣機(jī)內(nèi)部的高速氣流對(duì)壁面沖擊造成的，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析。本文采用Fluent寬帶噪聲源模型，對(duì)這兩種壓氣機(jī)模型進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲的計(jì)算與分析。

圖6為兩種壓氣機(jī)的整體聲功率級(jí)曲線。由圖可知：隨著流量的增加，兩種結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)整機(jī)噪聲都表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論相吻合。但是在同一流量下，不同結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲表現(xiàn)出明顯的差異：在小流量下，非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的整機(jī)聲功率值明顯小于內(nèi)嵌式，隨著流量的增加，這種趨勢(shì)逐漸減小并呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速對(duì)這種現(xiàn)象的影響甚微。

圖6　聲功率級(jí)曲線

圖7為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)蝸殼與擴(kuò)壓器表面的聲功率分布云圖，觀察可知：從擴(kuò)壓器進(jìn)口到蝸殼出口，聲功率不斷降低，并且下降趨勢(shì)明顯；聲功率在擴(kuò)壓器入口處達(dá)到最大值，這主要是因?yàn)閿U(kuò)壓器接受上游葉輪帶來(lái)的高速氣流，內(nèi)部壓力變化顯著，必然導(dǎo)致一部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為聲能，輻射到壓氣機(jī)外面，進(jìn)而使該處?kù)o壓相對(duì)較低；而出口處的動(dòng)能相對(duì)較低，并且相當(dāng)一部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使得出口處聲能減小，壓力能較大，這也與文獻(xiàn)[1]中的結(jié)果相一致。

圖7　設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)下聲功率分布云圖

值得注意的是：在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下，內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的表面最大聲功率級(jí)比非內(nèi)嵌式的大4.936 dB。這是由于內(nèi)嵌式壓氣機(jī)內(nèi)部二次氣流沖擊更加明顯，氣體流動(dòng)變化更為劇烈，產(chǎn)生的噪聲更大，這從圖5也可以看出。同時(shí)，內(nèi)嵌式壓氣機(jī)在蝸殼出口處的聲功率明顯小于非內(nèi)嵌式，而擴(kuò)壓器內(nèi)的整體噪音卻明顯偏高?？梢?，此種結(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)整機(jī)噪聲亦有顯著的影響。

3結(jié)論

1) 離心壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)非常復(fù)雜，表現(xiàn)為黏性的、非定常的三維運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，應(yīng)充分考慮各部件之間的相互影響。

2) 在設(shè)計(jì)工況下，非內(nèi)嵌式壓氣機(jī)的壓比高于內(nèi)嵌式壓氣機(jī)，同時(shí)整體噪聲低于內(nèi)嵌式壓氣機(jī)。

3) 擴(kuò)壓器出口相對(duì)蝸殼的位置對(duì)壓氣機(jī)的性能有顯著影響，可以通過合理布置擴(kuò)壓器出口與蝸殼的相對(duì)位置來(lái)提高壓氣機(jī)性能。

4) 在考慮減小壓氣機(jī)尺寸的前提下，不能忽略擴(kuò)壓器出口相對(duì)蝸殼位置的變化對(duì)壓氣機(jī)性能帶來(lái)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李惠彬,周江偉.車用渦輪增壓器噪聲與振動(dòng)機(jī)理和控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]聞蘇平,張楚華,李景銀.旋轉(zhuǎn)葉輪和葉片擴(kuò)壓器耦合的非定常流動(dòng)計(jì)算[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,37(7)：754-757.

[3]STEGLICH T,KITZINGER J,SEUME J R.Improved Diffuser/Volute Combinations for Centrifugal Compressors[J].Journal of Turbomachinery,ASME，2008(130):1-14.

[4]李延賓,聞蘇平,汪志遠(yuǎn)，等.單級(jí)跨音速離心壓縮機(jī)葉片擴(kuò)壓器和不同蝸殼形式耦合的內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值研究[J].流體機(jī)械,2009,37(7):13-27.

[5]吳孝勤,倪計(jì)民,任曉棟，等.渦輪增壓器壓氣機(jī)性能分析[C]//上海市汽車工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文集.上海：[出版者不詳]，2010.

[6]BARTON M T,MANSOUR M L,LIU J S,et al.Numerical optimization of a vaned shroud design for increased operability margin in modern centrifugal compressors[J].Journal of Turbomachinery,2010,128:627-631.

[7]馬超,劉云崗,朱智富,等.無(wú)葉擴(kuò)壓器收縮角對(duì)車用離心壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2010,189(4):11-15.

[8]FLUENT 6.3 User’s Guide[Z].Volume,Fluent Inc.

[9]溫華兵,桑晶晶,劉紅丹.船用壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲源頻譜特性數(shù)值研究[J].流體機(jī)械,2014,42(10):21-25.

(責(zé)任編輯楊文青)

Numerical Analysis of Internal Flow Characteristics on Different Structure of Centrifugal Compressor

LAI Chen-guang，ZHUANG Yan，DUAN Meng-hua，ZENG Hong-qiang

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In order to research the influence of the internal flow centrifugal compressor with different position of vaneless diffuser outlet relative to the volute, this paper used the ANSYS-Fluent software to have numerical simulation of the machine which includes the inlet, impeller rotating, vaneless diffuser and asymmetrical volute, and analyzed the internal-flow characteristics of the two different structure forms compressor. Result shows that: the position of vaneless diffuser outlet relative has an obvious effect on the performance of the compressor to the volute, under the design conditions, and the pressure ratio of non-embedded diffuser and volute combinations is higher than the embedded, and the aerodynamic noise is lower than the embedded, but with the increase of mass flow rate, the performance of the embedded type compressor is better than non-embedded, and the speed conditions has little effect on the results. This result will provide a reference for improving the combination of diffuser and volute.

Key words:compressor; numerical simulation; internal-flow characteristic; aerodynamic noise

收稿日期：2015-12-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305477)

作者簡(jiǎn)介：賴晨光(1978—)，男，江西人，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.001

中圖分類號(hào)：U463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0001-05

引用格式：賴晨光，莊嚴(yán)，段孟華，等.不同結(jié)構(gòu)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的數(shù)值分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):1-5.

Citation format：LAI Chen-guang，ZHUANG Yan，DUAN Meng-hua，et a.Numerical Analysis of Internal Flow Characteristics on Different Structure of Centrifugal Compressor[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):1-5.