車用渦輪增壓器渦輪級流場特性的仿真研究*

□ 周 敏 □ 王東方 □ 顧倩倩

南京工業大學 機械與動力工程學院 南京 211816

1 研究背景

隨著全球大氣污染問題日益加劇,縮減發動機排量成為減少尾氣排放的有效措施,但此舉必將導致發動機動力性急劇降低[1]。為了兼顧節能減排和高輸出功率,渦輪增壓技術應運而生[2]。渦輪級是渦輪增壓器的關鍵部件,其內部流體運動極為復雜,通常具有三維、黏性、非定常等特點,并且涉及動靜耦合及振動等的影響[3]。因此,研究渦輪增壓器渦輪級流場特性,對優化渦輪增壓器的結構及工作性能而言極為關鍵[4]。數值模擬由于不受渦輪增壓器復雜的內外結構特征限制,能直觀反映內部流場分布及運動特性,因此成為渦輪增壓器渦輪級流場特性研究的重要手段。

針對渦輪增壓器內部流場特性,國內外科研人員進行了大量研究。盧隆輝等[5]對軸向調節式可變噴嘴增壓器的渦輪流場進行了仿真研究,分析了高低速工況條件下高低速葉片對流場特性的影響。夏炳勛等[6]通過數值模擬計算得到渦輪增壓器渦輪級的出口溫度,并與試驗值進行了對比。尹川川等[7]研究了渦輪增壓器渦輪級熱邊界條件對渦輪流體域溫度場、壓力場、速度場分布的影響。李杜等[8]進行了渦輪增壓器用離心壓氣機蝸殼流場的計算研究,通過三維黏性納維-斯托克斯方程分析了蝸殼舌部附近和蝸殼內部的流場,獲得了蝸殼內相關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行計算域離散,分析了渦輪增壓器蝸殼的形狀及氣體流速大小對蝸殼內部氣體運動的影響。Kreuz等[10]開展了渦輪增壓器渦輪流場的三維非穩態數值模擬,并通過試驗對仿真結果進行了驗證。Tamaki等[11]在研究中采用熱線探針測試了可變截面徑流式渦輪增壓器內部氣體流速,并通過數值模擬計算的方法分析了渦輪增壓器的流場分布。

筆者基于流體動力學兩相流技術,應用計算流體動力學軟件對某車用渦輪增壓器渦輪級的流場特性進行仿真研究,通過離散相模型實現氣固兩相耦合求解,重點分析不同渦輪轉速下蝸殼內部廢氣顆粒質量濃度、廢氣流速、壓力、溫度的分布規律,從而明確不同渦輪轉速下蝸殼內部流場特性,進而為渦輪增壓器的結構改進與性能優化提供理論指導。

2 仿真過程

2.1 流場建模

鑒于渦輪增壓器渦輪級特征結構復雜,筆者用三維激光掃描儀對渦輪增壓器實體進行掃描,以獲得點云數據。將點云數據導入Unigraphics三維建模軟件,以獲得渦輪增壓器渦輪級的三維幾何模型,從中抽取出數值模擬所需的渦輪級流場模型,如圖1所示。

▲圖1 渦輪級流場模型

2.2 網格處理

為了在最大程度上獲得快收斂速度與高計算精確性,筆者結合渦輪增壓器渦輪級流場模型的特征,采用四面體非結構化網格進行網格劃分[12],最終網格總數為1 556 457,節點總數為300 382。渦輪級網格劃分如圖2所示。

▲圖2 渦輪級網格劃分

2.3 邊界條件定義

渦輪級進口邊界條件設置為質量入流,給定進口溫度、質量流量。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、絕熱、光滑且無滑移的邊界條件。渦輪增壓器的流通特性參數由臺架試驗實際測得,見表1。

表1 渦輪增壓器流通特性參數

2.4 氣固兩相耦合求解

渦輪增壓器渦輪級在工作過程中,混有大量固體顆粒的高溫廢氣持續高速沖擊渦輪,因此渦輪級內部的流體運動并非單一相流動,而是氣固兩相流動。為真實準確模擬渦輪級內部流體運動,仿真過程中將廢氣顆粒作為離散相,利用離散相模型對蝸殼內部流體運動進行氣固兩相耦合求解。鑒于廢氣顆粒數量多、粒徑各異,在渦輪級入口連續通入十種不同粒徑的固體顆粒,顆粒的粒徑在0.5～10 μm范圍內變化,平均粒徑為2.5 μm。

3 結果分析

3.1 渦輪級廢氣顆粒質量濃度

不同渦輪轉速下渦輪級廢氣顆粒質量濃度云圖如圖3所示。由圖3可以看出,當渦輪轉速為100 000 r/min時,渦輪級廢氣顆粒的質量濃度大部分為3×10-6kg/m3。隨著渦輪轉速的加快,渦輪級廢氣顆粒質量濃度呈現出降低的趨勢,這是由于葉輪中心處的壓力增大,壓力能轉化為動能,推動葉輪高速旋轉,大幅增大了離心力,從而使廢氣顆粒加快排出。當轉速加快至140 000 r/min時,渦輪級廢氣顆粒濃度大部分為1.5×10-6kg/m3,并且渦輪級廢氣顆粒質量濃度最大值的區域面積明顯減小。由于轉速的加快,高速氣體運動增強了對渦輪級內部廢氣顆粒的擾動,渦輪級顆粒質量濃度分布的不均勻性得到了有效改善。

3.2 渦輪級廢氣流速

不同渦輪轉速下渦輪級廢氣流速云圖如圖4所示,清晰呈現了不同渦輪轉速下渦輪級內氣體的運動軌跡。由圖4可以看出,廢氣進入蝸殼后,主體氣流沿蝸殼內壁不斷向渦輪葉片區域匯集,另一部分廢氣經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,因此在蝸殼出口處可以觀察到明顯的湍流旋渦及分離現象。圖4反映出的渦輪級廢氣運動規律與實際工作情況是吻合的。隨著渦輪轉速的加快,從蝸殼進口到繞蝸殼中心旋轉前180°區間內廢氣的流速逐漸加快,而后180°區間內廢氣的流速則不斷減慢。當渦輪轉速由100 000 r/min加快至140 000 r/min,渦輪出口處廢氣流速從171.261 m/s加快至273.169 m/s,增幅約為59.5%。

▲圖3 不同渦輪轉速下渦輪級廢氣顆粒質量濃度云圖

不同渦輪轉速下渦輪級廢氣流速矢量云圖如圖5所示,圖5中所反映出的氣體運動與渦輪級實際工作情況基本一致。氣體進入蝸殼后,流速不斷加快,高速區集中分布在蝸殼內前180°靠近渦輪處,低速區集中分布在靠近蝸殼舌部處。渦輪轉速由100 000 r/min加快至140 000 r/min,蝸殼內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%。通過計算渦輪級入口最大流速與出口最大流速兩者二次方的差值,可以發現當渦輪轉速從100 000 r/min加快至140 000 r/min,蝸殼效率提高27%。由此可見,隨著渦輪轉速的加快,蝸殼效率大幅提高。

▲圖4 不同渦輪轉速下渦輪級廢氣流速云圖

▲圖5 不同渦輪轉速下渦輪級廢氣流速矢量云圖

3.3 渦輪級廢氣壓力

不同渦輪轉速下渦輪級廢氣壓力云圖如圖6所示。渦輪轉速從100 000 r/min加快至140 000 r/min,大量帶有黏性的高速廢氣快速進入蝸殼內部,蝸殼內廢氣最大壓力由159 771.84 Pa增大至253 244.031 Pa,增幅約為58%。隨著渦輪轉速加快,蝸殼入口法向上流體壓力的減幅不斷增大。因為渦輪高速旋轉會產生較大的離心力,所以可以明顯觀察到從蝸殼到渦輪中心方向上壓力梯度隨著渦輪轉速的加快而逐漸增大。

▲圖6 不同渦輪轉速下渦輪級廢氣壓力云圖

3.4 渦輪級廢氣溫度

不同渦輪轉速下渦輪級廢氣溫度云圖如圖7所示。由圖7可以看出,當渦輪轉速為100 000 r/min時,蝸殼入口法向上廢氣的溫度呈現出逐漸降低的趨勢,并且蝸殼內部溫度梯度較小,溫度分布較為均勻。當渦輪轉速逐漸加快至120 000 r/min和140 000 r/min時,由于靠近葉輪附近的廢氣內能轉換為動能做功,沖擊葉輪高速旋轉,能量消耗隨渦輪轉速加快不斷增大,因此蝸殼內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,渦輪葉片迎風面表面溫度高于背風面表面溫度,出口段因為渦流及氣流回流的存在,使中心溫度隨渦輪轉速加快而不斷降低。

▲圖7 不同渦輪轉速下渦輪級廢氣溫度云圖

4 結束語

為了給渦輪增壓器結構優化及性能改善提供理論參考,筆者對某車用渦輪增壓器渦輪級流場特性進行了仿真研究。通過對比100 000 r/min、120 000 r/min、140 000 r/min三種不同渦輪轉速下渦輪級廢氣顆粒質量濃度,確認隨著渦輪轉速的加快,渦輪級廢氣顆粒質量濃度呈現降低趨勢,廢氣顆粒分布的均勻性則有所提高。通過對比三種渦輪轉速下渦輪級廢氣流速,確認渦輪轉速從100 000 r/min加快至140 000 r/min,渦輪級廢氣的最大流速由211.121 m/s加快至306.624 m/s,并且隨著渦輪轉速的加快,蝸殼的效率也在不斷提高,提高幅度約為27%。通過對比三種渦輪轉速下渦輪級廢氣壓力及溫度,確認從蝸殼到渦輪中心方向上的壓力梯度隨渦輪轉速的加快而逐漸增大,渦輪級內溫度分布均勻性降低,溫度梯度明顯增大。