轉(zhuǎn)子型線對機(jī)械增壓器內(nèi)部流場影響的分析

葉帥奇,王 芳,李繼密

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院科研處，貴州畢節(jié) 551700）

轉(zhuǎn)子型線對機(jī)械增壓器內(nèi)部流場影響的分析

葉帥奇,1王 芳,2李繼密1

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院科研處，貴州畢節(jié) 551700）

機(jī)械增壓器的內(nèi)部流場是一個(gè)全封閉的環(huán)境，參數(shù)測量難度很大，通過CFD軟件獲得各種參數(shù)已經(jīng)成為一種重要的研究手段。分析機(jī)械增壓器在不同型線轉(zhuǎn)子下的流場，獲得了轉(zhuǎn)子型線改進(jìn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)械增壓器；轉(zhuǎn)子型線；流場分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.68

0 前言

計(jì)算流體力學(xué)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的簡稱，是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，是利用計(jì)算機(jī)對流體相對于不同固體邊界的內(nèi)外流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科，屬于流體力學(xué)的一個(gè)分支[1]。由于機(jī)械增壓器的內(nèi)部流場是一個(gè)全封閉的環(huán)境，對其流場參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量難度很大，因此，通過專業(yè)的CFD軟件對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬獲得各種參數(shù)，已經(jīng)成為一種重要的研究手段[2]。

1 建立計(jì)算模型與網(wǎng)格的生成

鑒于機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立流體分析模型時(shí)進(jìn)行適當(dāng)簡化。對于直葉轉(zhuǎn)子來說，其三維模型完全可以由二維截面模型拉伸后得到，并且在此種情況下用二維截面模擬計(jì)算求得的結(jié)果也能充分反映三維流場的情況。由于本次分析采用非定常的動(dòng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，計(jì)算量非常大，如果采用三維計(jì)算模型不但對計(jì)算機(jī)配置要求較高，耗時(shí)較多且計(jì)算精度提高不大。圖1為傳統(tǒng)和改進(jìn)型線直葉轉(zhuǎn)子機(jī)械增壓器的二維流體計(jì)算模型[3]。

由圖1可以看出，二維計(jì)算模型都主要包括3個(gè)部分：進(jìn)氣區(qū)域、旋轉(zhuǎn)區(qū)域和排氣區(qū)域。為了方便進(jìn)、排氣口進(jìn)行求解條件的設(shè)定，在不影響求解結(jié)果的前提下將進(jìn)、排氣口進(jìn)行了簡化。中間的轉(zhuǎn)子型線部分就是動(dòng)網(wǎng)格的邊界。由于進(jìn)行流體分析時(shí)關(guān)注的是流體區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)情況，也就是流道區(qū)域是數(shù)值計(jì)算的重點(diǎn)，而轉(zhuǎn)子是固體部分，因此在建立流道計(jì)算模型時(shí)要將其通過布爾減運(yùn)算減去，只保留其邊界部分作為旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界[4]。

圖1 二維計(jì)算模型

流體計(jì)算對網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求較高，對于二維計(jì)算模型采用的是基于尺寸的劃分方法，劃分尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格類型是適合動(dòng)網(wǎng)格要求的三角形網(wǎng)格。最終網(wǎng)格劃分的結(jié)果為：傳統(tǒng)型線計(jì)算模型劃分為173 463個(gè)節(jié)點(diǎn)，341 556個(gè)單元。改進(jìn)型線計(jì)算模型劃分為：137 780個(gè)節(jié)點(diǎn)，270 130個(gè)單元。

2 求解的邊界條件

為了使計(jì)算后的結(jié)果有可比性，因此二者取一樣的計(jì)算條件。湍流求解模型選用 RNG k-ε 模型，RNG k-ε內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)采用默認(rèn)值，將能量方程打開。入口的邊界條件選用壓力入口，入口處的壓力為101.82 kPa，升壓值為50 kPa，入口處溫度為24℃；出口邊界條件為壓力出口，出口處溫度為80℃。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6000 r/min，壓力值采用絕對壓力值。設(shè)定進(jìn)口處的靜壓總值，同時(shí)設(shè)定回流湍流強(qiáng)度和回流口直徑。

求解方法采用的是非定常隱式分離方法求解控制方程，對于質(zhì)量連續(xù)性方程，動(dòng)量方程、能量方程采用的是SIMPLEC算法。壓力項(xiàng)采用PRESTO!離散模型，其余項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散，各亞松弛因子采用默認(rèn)值。

由于工作條件下的增壓器轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的相對位置一直變化，這就造成了機(jī)殼內(nèi)流體的流道的瞬時(shí)變化性，要實(shí)現(xiàn)對機(jī)殼內(nèi)流場的精確模擬就必須采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。在本文中網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化和再生采用的是彈簧光順模型和局部網(wǎng)格再生模型兩種模型結(jié)合使用，并且這對于二維三角形網(wǎng)格來說是適應(yīng)的。

在Fluent中物體運(yùn)動(dòng)的定義有2種途徑。對于一些復(fù)雜的初始條件、邊界條件、物性參數(shù)等需要用戶自定義相關(guān)的程序?qū)隖luent中使用，這類用戶自定義函數(shù)稱為UDF，UDF需要用C語言編程，用Define宏來定義，因此對于使用者要求較高。而對一些相對簡單的運(yùn)動(dòng)則可用動(dòng)邊界文件（profile）來進(jìn)行定義。本項(xiàng)目采用的是第2種。其profile文件如下所示：

（（left 3 piont） （（right 3 point）

（time 0 1 60） （time 0 1 60）

（omega_z-314.16-314.16-314.16））

（omega_z 314.16 314.16 314.16））

轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過profile文件來定義。

圖2 機(jī)械增壓器內(nèi)部流場的壓強(qiáng)等值線

3 流場數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為傳統(tǒng)型線四葉漸開線型轉(zhuǎn)子和改進(jìn)型線四葉漸開線型轉(zhuǎn)子，在流場回流開啟角取不同值時(shí)增壓器內(nèi)部的壓強(qiáng)等值線圖[3]。其中，a）～b）為傳統(tǒng)線型轉(zhuǎn)子增壓器在流場回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時(shí)增壓器內(nèi)部流場的壓強(qiáng)等值線圖；c）～d）為改進(jìn)型線轉(zhuǎn)子增壓器在流場回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時(shí)增壓器內(nèi)部流場的壓強(qiáng)等值線圖?？梢钥闯?，改進(jìn)型線此時(shí)的排氣壓強(qiáng)明顯高于傳統(tǒng)型線，這說明改進(jìn)型線的排氣量大于傳統(tǒng)線型，面積利用系數(shù)比傳統(tǒng)線型高。這是由于改進(jìn)型線的轉(zhuǎn)子葉型比傳統(tǒng)線型的轉(zhuǎn)子葉型更加清瘦，這樣在回流口開啟角相同的情況下，改進(jìn)型線增壓器腔內(nèi)流體的流道比傳統(tǒng)型線寬，這不僅加速了回流均壓的過程，并且每個(gè)排氣過程中的排氣量也有所增大。

圖3為傳統(tǒng)線型和改進(jìn)型線在回流開啟角取不同值時(shí)增壓器內(nèi)部流場的流線圖[5]。其中a）～b）為開啟角分別為未開啟、開啟角22°時(shí)的流場流線圖。從圖中可以看出，當(dāng)回流口未開啟時(shí)由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)左上側(cè)基元容積內(nèi)的氣體形成了巨大的漩渦，幾乎占據(jù)了整個(gè)基元容積。此時(shí)，排氣口的氣流可以分為2個(gè)部分：一部分是前一次排氣過程尾部流向排氣口的氣流，另一部分則是在機(jī)殼圓弧部分與排氣口交接部位的小股回流，這也是回流口打開后形成漩渦的主要原因。c）～d）為改進(jìn)型線在回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時(shí)的流場流線圖。由圖可知，傳統(tǒng)型線與改進(jìn)型線在這一系列過程中的氣流脈動(dòng)規(guī)律大致是一致的，但是由于二者型線不同造成的流體流道的不同使得在此過程中氣流漩渦形成的尺度、數(shù)量、位置有一定的區(qū)別。另外，由于改進(jìn)型線的流道比傳統(tǒng)型線的寬，因此在相同的尺寸下其工作過程中由于排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲也大一些[6]。

4 結(jié)語

分析了傳統(tǒng)和改進(jìn)型的四葉直葉轉(zhuǎn)子機(jī)械增壓器內(nèi)部流場，得到壓強(qiáng)等值線圖和流線等值線圖。通過對比可知，改進(jìn)型線的面積利用系數(shù)大于傳統(tǒng)線型，并且由于二者型線不同造成的流體流道的不同，使得在此過程中氣流漩渦形成的尺度、數(shù)量、位置有一定的區(qū)別。另外，由于改進(jìn)型線的流道比傳統(tǒng)型線的寬，因此在相同尺寸下其工作狀態(tài)下由排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲會大一些。這些均為后續(xù)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖3 機(jī)械增壓器內(nèi)部流場的流線

［1］趙存友.工程流體力學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［2］黃衛(wèi)星，李建明，肖澤儀.工程流體力學(xué)（第二版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］張顧鐘.羅茨鼓風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化和內(nèi)部流場的數(shù)值研究［D］西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

［4］張顧鐘，王發(fā)展，韓剛，王毅峰.羅茨鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值分析方法［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011（5）：15-18.

［5］張顧鐘，王發(fā)展.漸擴(kuò)縫隙羅茨泵風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（4）：84-88.

［6］Bassam Abu-Hijleh，Jiyuan Tu，Aleksander subic，Leigh fostineo.Effect of inlet and outlet fillets on the clearance flow in a rotorcasing assembly［J］.Computational methods in fluid power technology，2003：162-168.6.

TH48

B

*本項(xiàng)目為貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目（OLF NO.2015110028）

〔編輯 吳建卿〕