二級(jí)增壓系統(tǒng)不同旁通結(jié)構(gòu)流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

二級(jí)增壓系統(tǒng)不同旁通結(jié)構(gòu)流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

建立了Y型和直連型兩種典型的二級(jí)增壓系統(tǒng)旁通結(jié)構(gòu)，利用CFD對(duì)其流阻進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：當(dāng)旁通閥全關(guān)時(shí)，Y型旁通結(jié)構(gòu)流動(dòng)損失較直連型大，而當(dāng)旁通閥開(kāi)啟時(shí)，Y型旁通結(jié)構(gòu)流動(dòng)損失較直連型小；對(duì)于同種旁通結(jié)構(gòu)，旁通閥的開(kāi)度越小，損失越大，但是隨著開(kāi)度的增加，由于流過(guò)旁通結(jié)構(gòu)的氣體質(zhì)量增加，導(dǎo)致?lián)p失相對(duì)較大。

二級(jí)增壓系統(tǒng)； 旁通結(jié)構(gòu)； 流阻特性； 仿真

可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)是近年來(lái)提出的一種新型柴油機(jī)增壓系統(tǒng)。二級(jí)增壓系統(tǒng)將兩個(gè)增壓器串聯(lián)起來(lái)，使空氣相繼受到壓縮以提高壓比[1-3]。該系統(tǒng)具有高低兩級(jí)渦輪增壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣能量在兩級(jí)渦輪中的分配實(shí)現(xiàn)了增壓系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)，解決了高平均有效壓力渦輪增壓柴油機(jī)高低工況無(wú)法兼顧的矛盾[4]。

對(duì)于二級(jí)增壓系統(tǒng)，可以采用不同的旁通結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其調(diào)節(jié)，不同的旁通結(jié)構(gòu)會(huì)使二級(jí)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的不同，使其體積和外形發(fā)生較大變化，同樣由于其流阻的不同也會(huì)使其性能大不相同。本研究分別建立了Y型和直連型兩種典型的旁通結(jié)構(gòu)，并對(duì)其流阻特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 計(jì)算模型及驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型及邊界條件

本研究主要針對(duì)串聯(lián)式二級(jí)增壓系統(tǒng)中兩種典型的旁通結(jié)構(gòu)下的渦輪級(jí)進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)幾何特征的區(qū)別是：在Y型結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫燃?xì)庠谶M(jìn)入高壓級(jí)渦輪前被分成兩路，一路直接進(jìn)入高壓級(jí)，另外一路當(dāng)旁通閥打開(kāi)時(shí)直接進(jìn)入高壓級(jí)渦后的管路中；在直連型結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫燃?xì)庵苯舆M(jìn)入高壓級(jí)渦輪箱通道內(nèi)，在渦輪箱進(jìn)口通道上設(shè)計(jì)了旁通口，當(dāng)旁通閥打開(kāi)時(shí)，氣體進(jìn)入高壓級(jí)渦后管路中。兩種旁通結(jié)構(gòu)的幾何特征見(jiàn)圖1。計(jì)算網(wǎng)格的局部模型見(jiàn)圖2。為了更好地示出圍繞閥的流動(dòng)情況，在閥的周?chē)鷮?duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。為了減少計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域的網(wǎng)格類(lèi)型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算工況點(diǎn)的邊界條件見(jiàn)表1，這些計(jì)算工況點(diǎn)和邊界條件是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取的。

圖1 兩種旁通方式結(jié)構(gòu)特征示意

圖2 兩種旁通結(jié)構(gòu)局部網(wǎng)格模型

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證當(dāng)前的仿真方法，首先對(duì)徑流渦輪的性能進(jìn)行了仿真并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖2和圖3示出了渦輪質(zhì)量流率和效率的仿真與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。由于壓氣機(jī)吸收功率的限制，試驗(yàn)結(jié)果中渦輪的流通和效率范圍比仿真結(jié)果窄。在有效的范圍內(nèi)，仿真的流率與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是仿真的效率要比試驗(yàn)結(jié)果稍高，主要是因?yàn)榉抡婺Ｐ团c試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀胁町悺Ｔ诜抡婺Ｐ椭袥](méi)有考慮渦輪箱流道中的損失，所以仿真結(jié)果要比試驗(yàn)結(jié)果高。可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值相比較，渦輪流通性能誤差小于2%，渦輪效率誤差小于5%，所建立的仿真模型可用于進(jìn)一步的仿真研究。

圖3 渦輪流通性能仿真與試驗(yàn)比較

圖4 渦輪效率仿真與試驗(yàn)比較

2 旁通閥全關(guān)條件下的流阻特性分析

表2示出了在旁通閥全關(guān)條件下渦輪運(yùn)行和性能參數(shù)。在旁通閥全關(guān)的條件下，采用Y型旁通結(jié)構(gòu)的渦輪效率比采用直連型的高。但是要達(dá)到相同的目標(biāo)質(zhì)量流量,采用Y型結(jié)構(gòu)時(shí)渦輪的進(jìn)口壓力較直連型的高,這主要是由于該結(jié)構(gòu)下進(jìn)氣管損失比直連型的大。

表2 旁通閥全關(guān)條件下渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)

圖5和圖6示出了兩種旁通結(jié)構(gòu)下旁通閥進(jìn)口處的流動(dòng)分離對(duì)比。可以看出雖然旁通閥全關(guān)，但是氣體在進(jìn)入旁通閥前管內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的流動(dòng)分離和較大的流動(dòng)損失，而且Y型旁通結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)損失比直連結(jié)構(gòu)下的大很多。

圖5 Y型旁通進(jìn)口管內(nèi)流動(dòng)分離和損失分布

圖6 直連型旁通進(jìn)口流動(dòng)分離和損失分布

3 相同開(kāi)度時(shí)兩種旁通結(jié)構(gòu)的流阻特性分析

表3示出了旁通閥開(kāi)度10%下采用兩種結(jié)構(gòu)的渦輪運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)對(duì)比。在相同開(kāi)度下，Y型結(jié)構(gòu)下的渦輪級(jí)效率比直連型的高出0.8%。主要原因是Y型結(jié)構(gòu)下的高壓級(jí)渦輪效率為56%，而直連結(jié)構(gòu)下的高壓級(jí)渦輪效率為53%。

表3 旁通閥開(kāi)度10%下渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)對(duì)比

圖7、圖8示出了直連旁通結(jié)構(gòu)下旁通流的流動(dòng)情況及絕對(duì)馬赫數(shù)。可以看出，氣體以非常高的流速通過(guò)旁通閥，最大流速約為450 m/s，接近當(dāng)?shù)芈曀佟Ｔ诹鞯狼粌?nèi)，出現(xiàn)較大的分離流使得流動(dòng)損失增多。另外，旁通流與主流混合后形成回流，這也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)損失。

圖9示出直連旁通結(jié)構(gòu)下旁通流的流動(dòng)損失。可以看出，氣體通過(guò)旁通閥之后，由于有回流發(fā)生，所以出現(xiàn)高損失區(qū)域，這與圖8一致。當(dāng)氣流進(jìn)入高壓級(jí)排氣管中并與主流氣流混合后，高損失區(qū)域面積占到管的1/3。

圖7 直連型旁通流流動(dòng)情況

圖8 直連型旁通流的絕對(duì)馬赫數(shù)

圖9 直連型旁通流損失

圖10示出Y型旁通結(jié)構(gòu)下氣體流線和流動(dòng)損失的分布情況。可以看出，當(dāng)氣體流過(guò)旁通閥之后，形成了二次回流。但是與圖7中的回流情況比較，回流所占的區(qū)域已經(jīng)減少。由于氣體流向排氣管，所以回流很快消失。

圖10 Y型旁通流流線和損失

圖11示出了Y型旁通流與主流混合后的流線情況和混合流動(dòng)損失情況。旁通流進(jìn)入排氣管與主流混合后流線比較光順，因此沒(méi)有引起大的分離流。

圖11 Y型旁通結(jié)構(gòu)下的混合流

綜上所述，在相同的開(kāi)度下，與Y型旁通結(jié)構(gòu)相比，直連型旁通結(jié)構(gòu)中旁通管道流動(dòng)損失較大。另外直連型旁通結(jié)構(gòu)下旁通流與主流混合形成的流動(dòng)損失也大。

4 Y型旁通結(jié)構(gòu)不同開(kāi)度下的流阻特性分析

表4示出了采用Y型旁通結(jié)構(gòu)時(shí)不同開(kāi)度下的渦輪運(yùn)行和性能參數(shù)。當(dāng)旁通閥開(kāi)度從5%增加到10%時(shí)，渦輪效率降低大約1.2%，主要原因是高壓級(jí)渦輪性能的惡化及混合流損失的增加。旁通閥開(kāi)度從5%增加到10%時(shí)，高壓級(jí)渦輪效率降低了4%。

表4 渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)

圖12示出了5%和10%開(kāi)度下旁通流流動(dòng)情況比較。可以看出，當(dāng)旁通閥開(kāi)度為5%時(shí)，旁通管內(nèi)的流速比10%開(kāi)度下的高。當(dāng)氣流進(jìn)入旁通閥之前，在流道內(nèi)已經(jīng)形成了強(qiáng)烈的分離流，并且?guī)缀跽紳M了整個(gè)流道。當(dāng)氣流通過(guò)旁通閥之后，能夠看到有強(qiáng)烈的分離流存在。對(duì)比兩種開(kāi)度下的流動(dòng)分離強(qiáng)弱可知，在10%開(kāi)度情況下，氣流進(jìn)入旁通閥前后，分離流已經(jīng)開(kāi)始減少，其主要的原因是流動(dòng)阻力的減少。

圖12 5%和10%開(kāi)度旁通流流動(dòng)比較

圖13示出了5%和10%開(kāi)度下旁通流動(dòng)損失比較。可以看出，當(dāng)旁通流通過(guò)旁通閥之后，在5%開(kāi)度下，高焓區(qū)域比10%開(kāi)度下的要大，這主要是由于在小開(kāi)度下回流比較強(qiáng)烈的緣故。旁通閥開(kāi)度越小，回流情況越嚴(yán)重，回流損失就越大。

圖13 5%和10%開(kāi)度旁通流流動(dòng)損失比較

圖14和圖15示出了旁通氣流與主流混合后的氣體流動(dòng)和損失情況。可以看出，在兩種開(kāi)度下，當(dāng)旁通氣流與主流混合時(shí)幾乎沒(méi)有分離流發(fā)生。然而，在10%開(kāi)度下，由于旁通氣流的流量增加，混合流的流動(dòng)損失也相應(yīng)增加。在5%開(kāi)度下旁通氣流的流量大約為0.11 kg/s，在10%開(kāi)度下旁通氣流的流量大約為0.185 kg/s，即流量增加了大約40%。所以說(shuō)，在大開(kāi)度下混合氣流的流動(dòng)損失要大。混合氣流的流動(dòng)損失增加就會(huì)影響到渦輪級(jí)效率。

圖14 混合后的氣流流動(dòng)情況比較

圖15 混合后的氣流損失比較

5 結(jié)論

a) 當(dāng)旁通閥全關(guān)時(shí)，對(duì)于由流動(dòng)分離引起的流動(dòng)損失，Y型旁通結(jié)構(gòu)比直連型結(jié)構(gòu)的大；

b) 當(dāng)旁通閥開(kāi)度相同時(shí)，對(duì)于由旁通流與主流混合后形成的回流引起的損失，Y型旁通結(jié)構(gòu)比直連型旁通結(jié)構(gòu)的小；

c) 旁通結(jié)構(gòu)相同，旁通閥開(kāi)度不同時(shí)，從質(zhì)變的角度分析，旁通閥的開(kāi)度越小，回流情況越嚴(yán)重，回流損失就越大；從量變的角度分析，旁通閥的開(kāi)度越大，由于所需流量增加，導(dǎo)致混合氣流的流動(dòng)損失越大；混合氣流的流動(dòng)損失增加會(huì)影響到渦輪級(jí)效率。

[1] Chase A,Moulin P,Gautier P,et al.Double Stage Turbocharger Control Strategies Development[C].SAE Paper 2008-01-0988.

[2] Herring P．Sequential Turbocharging of the MTUll63 Engine[J].Trans．I．Mar．E，1988(1)：145-156．

[3] 朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：478-486．

[4] 劉博，錢(qián)躍華，鄧康耀，等. 蝶閥在可調(diào)二級(jí)增壓柴油機(jī)中的調(diào)節(jié)特性計(jì)算研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32(2)：17-22.

[5] 魏名山，張志，何永玲，等. 帶不同類(lèi)型調(diào)節(jié)閥的二級(jí)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(1)：51-54.

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[7] 杜巍，趙永，樊豐，等.二級(jí)可調(diào)增壓器旁通閥與噴油參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律的仿真分析[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2013(1):66-69.

[編輯： 潘麗麗]

Simulation on Flow Resistance Characteristics of Different Bypass Structures for Two-stage Turbocharger

XU Siyou， PAN Lili， YANG Lei， WU Xintao， HU Lifeng， GAO Yingying， ZHAO Zhenwei

(China North Engine Research Institution(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

The Y-type and straight-type bypass structures for two-stage turbocharger were established and their flow resistances were compared by CFD software. The results show that the flow loss of the Y-type structure is larger than that of the straight-type structure when the bypass valve closes fully, but is smaller when the valve opens. For the same bypass structure, smaller opening will lead to greater loss. The flow loss will became relatively larger with the increase of valve opening due to the increase of air mass through bypass valve.

two-stage turbocharging system; bypass structure; flow resistance characteristic; simulation

2016-10-20；

2017-03-23

柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C330410150C33004)

徐思友(1977—)，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)增壓技術(shù)；xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.014

TK423.5

B

1001-2222(2017)04-0068-05