渦輪增壓器壓氣機模型流體域的建立和網格的生成

雷汝婧

摘要：本文介紹了車用渦輪增壓器壓氣機模擬3D模型的建立與網格劃分方法。首先運用CATIA軟件對渦輪增壓器壓氣機渦管和壓氣機的實際3D模型以及模擬用的流體域模型進行建模，并運用ANSYS MESH模塊對渦管以及壓氣機進行網格劃分，網格結構主要為四面體結構。在壓氣機葉片部分，采用ANSYS BLADEGEN模塊，在輸入設計參數后，其模塊自動生成葉片部分的流體域模型。再將該葉片模型導入到ANSYS Turbo grid模塊中進行網格生成，其網格形式為六面體，為后續的優化設計打下基礎。

Abstract： This article introduces the establishment and meshing method of the simulation 3D model of the compressor for the vehicle. First， use CATIA software to model the actual 3D model of the turbocharger compressor scroll and compressor and the fluid domain model for simulation， and use the ANSYS MESH module to mesh the scroll and compressor， and the grid structure Mainly tetrahedral structure. In the compressor blade part， the ANSYS BLADEGEN module is used. After inputting the design parameters， the module automatically generates the fluid domain model of the blade part. Then import the blade model into the ANSYS Turbo grid module for grid generation. The grid form is a hexahedron， which lays the foundation for the subsequent optimization design.

關鍵詞：車用渦輪增壓器;壓氣機;流體域

Key words： turbocharger;compressor;fluid domain

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0011-02

0? 引言

現在汽車制造廠商都在保證發動機原有功率的同時，減少發動機排量以降低尾氣污染，從而滿足越來越苛刻的尾氣排放標準。加裝增壓器就是實現這個目標的一個重要途徑。渦輪是通過發動機排出的廢氣進行驅動，從而降低了發動機功率的直接損失。因此越來越多的汽車制造廠商選擇通過加裝渦輪增壓器來提升發動機的功率和減少發動機的排量。渦輪增壓器一般由渦輪和壓氣機兩大部分組成。渦輪通過發動機排出的氣體獲得旋轉的動力，并且將這個動力動過軸傳動給壓氣機，從而使壓氣機旋轉工作壓縮發動機進氣空氣，提高進氣密度從而增加發動機功率。

隨著渦輪增壓器發動機的普及，如何提高渦輪增壓器的使用效率變得尤為重要。通過數值模擬分析可以大大縮短渦輪增壓器的研發時間，降低渦輪增壓器的生產成本，提高公司生產線上的生產效率。特別是對渦輪增壓器壓氣機渦管的研究現在已經逐漸成為提升渦輪增壓器效率的另一重要領域。渦輪增壓器已經成為當今最為經濟綠色的環保科技，其可以在不影響車輛性能和駕駛員駕駛樂趣的前提下縮小發動機尺寸，降低燃油消耗和汽車尾氣的污染排放。武漢各大汽車制造企業，比如神龍汽車有限公司等，都在將渦輪增壓器技術作為自己提升燃油效率，降低汽車尾氣污染排放量的技術首選。

壓氣機作為渦輪增壓器的主要部件，其設計顯得尤為重要。壓氣機的出口進口壓力比和工作效率直接影響發動機的進氣效率和燃燒效率。在調研中發現，現在市面上所常見的各類車型上所應用的渦輪增壓器壓氣機設計還是主要以壓氣機葉輪葉片設計為主，而對壓氣機渦管截面的優化設計的設計比例還不夠高。原因是原有的設計方式主要是以實驗為主，而現在隨著計算流體動力學技術（Computational Fluid Dynamics）的發展，使得對壓氣機渦管的設計效率可以得到相應的提升。各大渦輪增壓器制造廠商現在也越來越多的運用計算機模擬設計來縮短研發周期，降低設計成本，提高研發效率。本文通過介紹渦輪增壓器壓氣機模擬3D模型的建立與網格劃分方法。運用CATIA軟件對渦輪增壓器壓氣機渦管和壓氣機的實際3D模型以及模擬用的流體域模型進行建模，并運用ANSYS MESH模塊對渦管以及壓氣機進行網格劃分，網格結構主要為四面體結構。在壓氣機葉片部分，采用ANSYS BLADEGEN模塊，在輸入設計參數后，其模塊自動生成葉片部分的流體域模型。再將該葉片模型導入到ANSYS Turbo grid模塊中進行網格生成，其網格形式為六面體，為后續的優化設計打下基礎。

1? 壓氣機渦管和壓氣機流體域的建立

在進行網格生成前要把壓氣機蝸殼的3D模型轉化為流體域模型。流體域模型是將流體流經的區域模擬實體化。渦管的流體域模型也是由CATIA建立。如圖1所示，先將渦管的各個截面的基本圓形形狀按照360度的逆時針順序建立好。然后再運用多截面指令進行連接，圖2所示。最后如圖3使用封閉曲面指令，同時再加入擴壓器部分完成渦管流體域的建立。

由ANSYS BLADEGEN生成的葉片可以直接用于數值模擬，其流體域以及自動生成。

2? 壓氣機渦管和壓氣機模擬模型網格生成

整個模擬過程中，需要建立網格的部分包括渦管、擴壓器和具有一個單組葉片結構的葉片。網格內報告渦管，無葉片擴壓器，和一個單片結構的葉片這個流體域網格是運用ANSYS MESH 以及 Turbo grid工具包完成的。渦管和無葉片擴壓器的網格形式主要為四面體結構。葉片的網格形式為六面體。不同的機構運用不同的網格形式，可以在保證模擬精度的同時大大的減少模擬的時間。圖4所示為 ANSYS MESH生成的渦管和擴壓器網格圖。圖5所示為 Turbo Grid所生成的葉片網格圖。兩個部分合起來的模擬模型網格如圖6所示。渦管和擴壓器的總網格數為504300，葉片的網格數為324000。

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