汽油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)內(nèi)流場分析和優(yōu)化措施 Flow Field Analysis and Optimization Measures in Turbocharger Compressor of Gasoline Engine

劉湘玲 LIU Xiang-ling

摘要：本項目研究以1.5L增壓汽油機(jī)為研究背景，建立增壓器三維模型與有限元網(wǎng)格模型，對其內(nèi)部三維流場（包括速度場、壓力場、溫度場）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行模擬計算分析，對渦輪增壓系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行研究，從而對其內(nèi)部流道和增壓器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在CFD、有限元分析等方法應(yīng)用下，針對汽油機(jī)增壓技術(shù)應(yīng)用上的難點，通過進(jìn)行性能提升和優(yōu)化匹配方式，達(dá)到預(yù)計的增壓汽油機(jī)性能目標(biāo)，為增壓器的研發(fā)、設(shè)計、制造奠定理論基礎(chǔ)。

Abstract： Taking the 1.5L supercharged gasoline engine as the research background， this project establishes the three-dimensional model and finite element mesh model of the supercharger， simulates and analyzes the structural strength of its internal three-dimensional flow field （including velocity field， pressure field and temperature field）， studies the dynamic characteristics of the turbocharger system， and optimizes the structural strength of its internal flow channel and supercharger. Under the application of CFD， finite element analysis and other methods， aiming at the difficulties in the application of gasoline engine supercharging technology， the expected performance objectives of supercharged gasoline engine are achieved by improving the performance and optimizing the matching mode， so as to lay a theoretical foundation for the R & D， design and manufacturing of supercharger.

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);渦輪增壓器;壓氣機(jī);流場

Key words： gasoline engine;turbocharger;compressor;flow field

中圖分類號：U661.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0056-02

0? 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在交通行駛中，人們不但對汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性關(guān)注度比較高，也非常注重汽車所致環(huán)境問題。渦輪增加技術(shù)為發(fā)動機(jī)燃燒室配排出氣流慣性力的應(yīng)用下，促進(jìn)渦輪旋轉(zhuǎn)，以此推動葉輪對新鮮空氣產(chǎn)生壓縮作用，提高進(jìn)氣量，進(jìn)而實現(xiàn)對燃燒情況的改善，進(jìn)一步提升汽車發(fā)動機(jī)輸出功率和效率，更有助于實現(xiàn)汽車尾氣對環(huán)境污染問題。增壓技術(shù)在汽車中為重要技術(shù)之一，但在實際應(yīng)用中由于增壓汽油機(jī)還具有空氣動力噪聲，因此加大了汽車運行中的噪聲，就算是安裝進(jìn)氣消聲器和排氣消聲器，對其噪聲可以起到降低作用，然而并無法徹底解決渦輪增壓器本身噪聲。汽車行駛過程中，渦輪增壓器工作氣流通道流通相對復(fù)雜，屬于是非定常流動，無法對其實施準(zhǔn)確模擬，在當(dāng)前人們越來越追求汽車行駛舒適度需求下，需要展開關(guān)于汽油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)內(nèi)流場的分析，并提出優(yōu)化措施，以確保可以有效降低汽車噪聲基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對乘客乘車舒適性的改善。本次研究以長安1.5L汽油機(jī)相匹配的增壓器為研究對象，結(jié)合汽油機(jī)增壓技術(shù)應(yīng)用中的實際問題，對其壓氣機(jī)內(nèi)流場實施分析，提出優(yōu)化措施，以此提升汽車使用性能。

1? 模型建構(gòu)

1.1 幾何模型建構(gòu)

整個壓氣機(jī)總成內(nèi)流道不但非常復(fù)雜，且呈現(xiàn)出扭曲狀態(tài)，想要實現(xiàn)對其內(nèi)部流程的準(zhǔn)確模擬分析，認(rèn)識到氣流組織情況，也就需要在三維流體控制方程的應(yīng)用下對其實施模擬，以此建構(gòu)相應(yīng)的流動空間三維模型。本次實體建模過程中，基于三維掃描技術(shù)以及實體造型軟件，完成了實體模型建構(gòu)，其中將整個壓氣機(jī)內(nèi)部流道作為是相應(yīng)的建模區(qū)域，因此可以將其分成三部分，分別為壓氣機(jī)進(jìn)氣道、葉輪流道、擴(kuò)壓器和渦殼部分。

1.2 有限元模型建構(gòu)

1.2.1 網(wǎng)格選擇及劃分? 本次研究采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，存在有幾何靈活性。因為在壓氣機(jī)模型總成整體可以具備有兩個邊界，分別為旋轉(zhuǎn)動邊界及靜邊界，所以分析過程中計算區(qū)域能夠劃分為不同區(qū)域，具體為壓氣機(jī)進(jìn)氣道、擴(kuò)壓器、蝸殼部分為定子區(qū)域，葉輪流道部分為轉(zhuǎn)子區(qū)域;基于多重參考系模型實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和靜子區(qū)域間耦合。在計算過程中，需要保持轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格為靜止?fàn)顟B(tài)，在作用哥氏力以及離心力的應(yīng)用下實現(xiàn)在慣性坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子區(qū)域定常計算;另外還需要在慣性坐標(biāo)系中，實現(xiàn)關(guān)于定子區(qū)域內(nèi)的定常計算。如果是針對兩個子區(qū)域交界處計算過程中，需要基于交換慣性坐標(biāo)性實現(xiàn)相關(guān)流體參數(shù)變換，在此過程中不但可以實現(xiàn)對交界面連續(xù)性提供保障，也能夠采用定常計算實現(xiàn)關(guān)于非定常的計算。

在網(wǎng)格劃分中采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，針對壓氣機(jī)內(nèi)部流道中的進(jìn)氣道劃分為44034個網(wǎng)格，葉輪流道劃分為740488個網(wǎng)格，擴(kuò)壓器以及蝸殼劃分為1111206個網(wǎng)格，因此本次研究共劃分為1895728個網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分結(jié)束后，對其實施GAMBIT檢驗，發(fā)現(xiàn)生成網(wǎng)格傾斜度大部分都是在0.2-0.4范圍內(nèi)，能夠滿足相應(yīng)的計算要求。

1.2.2 數(shù)值計算

數(shù)值模擬分析離心壓氣機(jī)過程中，本次是建立在三維流體計算軟件NUMECA基礎(chǔ)上。其中可壓縮理想氣體為工作介質(zhì)，并將RANS方法作為是湍流計算方法。另外在模型建構(gòu)中，基于單方程模型S-A完成湍流模型建構(gòu)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)邊界層的良好計算，實現(xiàn)關(guān)于復(fù)雜流動情況的有效處理，進(jìn)而模擬分離和邊界層的轉(zhuǎn)換過程。在仿真研究中，對于不同工況下開心壓氣機(jī)數(shù)值分析中需要和離心壓氣機(jī)工作范圍相結(jié)合。其中在設(shè)定邊界條件的時候，軸向進(jìn)氣即為進(jìn)口條件，基于此可以實現(xiàn)對進(jìn)口總壓、總溫以及湍流粘性的確定，在數(shù)值計算過程中也可以通過質(zhì)量流量實現(xiàn)對出口邊界條件的確定。固壁計算需要和絕熱、等轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)邊界條件相關(guān)參數(shù)相結(jié)合，若在計算過程中，發(fā)現(xiàn)離心壓氣機(jī)最高壓比點附近殘差曲線存在有周期性波動，可以判定壓氣機(jī)存在有喘振情況;若計算大量流工況中存在有壓比或效率殘差曲線下降或分散問題，可以判定壓氣機(jī)存在有堵塞。

2? 結(jié)果分析

2.1 葉輪通道內(nèi)流場分析

葉輪通道內(nèi)流場流體速度在沿徑向、沿周向分布均非常不均勻，從上到下流道中的氣體速度也呈現(xiàn)出增加趨勢，觀察也可以發(fā)現(xiàn)整個流動過程中不存在超音速區(qū)，馬赫數(shù)M<1。

2.2 擴(kuò)壓器和蝸殼流場分析

在葉輪將氣體發(fā)出后，逐漸進(jìn)入到無葉擴(kuò)壓器中，整個過程速度呈現(xiàn)減小趨勢，和蝸殼小端面及大端面接口處擴(kuò)壓器之間的距離越小，相應(yīng)的氣體下降速度也會隨之減小。同時發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)速度存在比較大的減小幅度，但是和壓氣機(jī)出口越靠近相應(yīng)的速度也會有所提升，基于此發(fā)動機(jī)才可以完成進(jìn)去流程。在對其流場實施分析中發(fā)現(xiàn)，若無葉擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流損失，原因即為沿周向葉輪流道出口速度分布均勻性不足，進(jìn)而擴(kuò)壓器中氣體進(jìn)入后迅速出現(xiàn)了混合情況，導(dǎo)致出現(xiàn)了擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)一定的混合氣體損失。

2.3 內(nèi)部流場分析

為實現(xiàn)關(guān)于葉輪內(nèi)部流場的分析，模擬分析了額定工況下的壓氣機(jī)流場情況。分別為周向平均相對速度矢量、氣流角分布云圖及熵值周向云圖。由此可見，氣流流動過程中，從出口到進(jìn)口渦流較為明顯;沿葉高方向下的進(jìn)入到擴(kuò)壓器氣流角分布也呈現(xiàn)出嚴(yán)重不均勻分布;另外從出口到進(jìn)口整個過程中氣流的頂端熵值均較大，進(jìn)而導(dǎo)致存在比較大的效率下降速度。另外在研究中也發(fā)現(xiàn)額定工況下，葉輪和擴(kuò)壓器運行中，從出口到進(jìn)口具有明顯渦流區(qū)，由此會嚴(yán)重影響到前后部件的運行情況，隨著此情況的不斷加劇，嚴(yán)重可能會引發(fā)通道中發(fā)生堵塞，對于整個離心壓氣機(jī)工作也會產(chǎn)生不良影響。在熵值圖中也能夠看出，擴(kuò)壓器前緣葉尖處氣流角非常差，對于氣流在擴(kuò)壓器中的正常進(jìn)入也具有不良影響，導(dǎo)致擴(kuò)壓器中氣流流動不夠均勻，尾緣會有低速區(qū)的存在。

3? 優(yōu)化措施

通過以上關(guān)于汽油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)內(nèi)流場的分析，為能夠?qū)⑵錅u輪增壓器運行噪聲，提高汽車行駛舒適性，本次提出以下優(yōu)化措施：

3.1 優(yōu)化擴(kuò)壓器葉片數(shù)

通過以上分析發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化過程中，一個重要工作即為實現(xiàn)壓氣機(jī)工作效率和壓比的改善。因此針對離心壓氣機(jī)設(shè)計優(yōu)化中，即可以實現(xiàn)對擴(kuò)壓器葉片數(shù)以及葉片長度等的改善，由此實現(xiàn)對葉輪和擴(kuò)壓器耦合關(guān)系的改善。其中通過研究發(fā)現(xiàn)，減少擴(kuò)壓器葉片數(shù)，有助于提升大流量情況下的整級效率以及壓比，然而也需要注意如果葉片數(shù)過少，也會導(dǎo)致出現(xiàn)擴(kuò)壓器內(nèi)部流動紊亂，因此需要實現(xiàn)關(guān)于擴(kuò)壓器葉片數(shù)的合理選擇。

3.2 優(yōu)化擴(kuò)壓器葉片長度

在針對擴(kuò)壓器葉片數(shù)實施優(yōu)化分析上發(fā)現(xiàn)，減少葉片數(shù)一方面可以實現(xiàn)對擴(kuò)壓器內(nèi)部流場的改善，另一方面也有助于擴(kuò)大工作范圍。然而在此過程中需要注意到小流量下流動穩(wěn)定性不足。由此也就能夠在Numeca優(yōu)化設(shè)計模塊Design 3D應(yīng)用下實現(xiàn)關(guān)于擴(kuò)壓器葉片長度的優(yōu)化，由此可以改善擴(kuò)壓器中的氣流回流情況，對于擴(kuò)壓器來講能夠降低損失，還有一個作用也就是改善尾緣處低速區(qū)，進(jìn)而提升氣流流動均勻性。在針對擴(kuò)壓器葉片長度選擇中，屬于是一個幾何參數(shù)，需要在對擴(kuò)壓器葉片葉型不會出現(xiàn)扭曲保障基礎(chǔ)上，實現(xiàn)關(guān)于其選擇范圍的確定，由此也就可以生成數(shù)據(jù)庫。最后也就可以在生成數(shù)據(jù)庫中，選擇相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果。想要實現(xiàn)關(guān)于內(nèi)部流程優(yōu)化前后效果的對比，在本次研究以葉高10%位置當(dāng)?shù)厥噶苛骶€圖實施分析，研究發(fā)現(xiàn)對擴(kuò)壓器尾緣長度進(jìn)行縮短，有助于減少葉片稠度，對于各個通道中的氣流能量分布也具有改善作用，可以提升其分布均勻性。另外減少葉片尾緣長度后，也可以為擴(kuò)壓器中的氣流流動提供便利。優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，這一方法的應(yīng)用不但有助于提升整級在小流量中的應(yīng)用性能，也可以實現(xiàn)對氣流間相互作用的改善，由此進(jìn)一步改善擴(kuò)壓器內(nèi)部流程情況。

4? 結(jié)論

通過以上研究，所得結(jié)論分別為：第一，在CFD、有限元分析等方法的應(yīng)用下，實現(xiàn)了關(guān)于汽油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)內(nèi)流場的分析，從出口到進(jìn)口氣流流通過程中會出現(xiàn)顯著的渦流;沿葉高方向下的進(jìn)入到擴(kuò)壓器氣流角也呈現(xiàn)出嚴(yán)重不均勻分布;另外從出口到進(jìn)口整個氣流的頂端熵值均較大，進(jìn)而導(dǎo)致存在比較大的效率下降速度。第二，結(jié)合分析結(jié)果，提出了擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，主要集中在鏈各個方面，分別為減少擴(kuò)壓器葉片數(shù)和縮短葉片長度，進(jìn)而改善內(nèi)部流場影響作用，且顯著改善擴(kuò)壓器尾部低速度，提升運行性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王雅萌.汽油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)流場及氣動噪聲研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2018.

[2]謝正海，王應(yīng)紅，陳如彬.增壓器渦輪蝸殼開裂問題研究[J]. 車用發(fā)動機(jī)，2018（5）：26-32，42.

[3]彭誠.廢氣渦輪增壓器渦輪葉片流—固耦合強(qiáng)度分析[D]. 遼寧：沈陽理工大學(xué)，2014.

[4]T.SHINAGAWA，M.KUDO，W.MATSUBARA，等.豐田新型1.2 L ESTEC渦輪增壓直噴汽油機(jī)[J].國外內(nèi)燃機(jī)，2017，49（1）：29-38.

[5]束衛(wèi)兵，李慶斌，楊迪，等.增壓器壓氣機(jī)密封性能模擬與試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2013（4）：66-70.

[6]郭志杰，周婷婷，管奇賢，等.增壓汽油機(jī)雙層排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2016（3）：24-28，37.

[7]陳東.基于FLUENT的車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場分析[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[8]賈延林.基于多場耦合的增壓器渦輪溫度場的研究[D].山西：中北大學(xué)，2011.