脈沖進氣參數對非對稱渦輪非穩態特性的影響

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2025.04.005 中圖分類號：TK421.8 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0029-07

渦輪增壓技術與廢氣再循環（EGR）技術結合使用的過程中，高EGR率可以更好地抑制 NO_x 排放，但同時要求渦輪端提供更高的背壓。一方面，更高的排氣壓力可以驅動更高的EGR率；另一方面，內燃機換氣條件惡化，泵氣功增加，導致燃油消耗率上升。非對稱雙通道渦輪（ATST）應運而生，ATST有2個喉口面積不同的蝸殼通道，較小的蝸殼面積可以增加背壓，以支持高EGR率，較大的蝸殼面積可以減小背壓，降低發動機排氣阻力和油耗[]。毫無疑問，非對稱渦輪可以有效平衡EGR率和內燃機燃油消耗[。戴姆勒公司率先將其專有的ATST技術應用于新一代重型卡車柴油發動機中[3-4]。此外，D.ZHU等[5研究了ATST渦輪增壓系統，發現其可以提高內燃機效率和排放性能。目前，許多研究都集中在ATST發動機的建模和ATST增壓器與發動機的匹配上[6-8]。C.F.FREDRIKSSON等[9在沒有完整的非對稱渦輪幾何結構的情況下，開發了一種非對稱渦輪平均線模型，該模型指定了每個進氣道的總進氣溫度，以獲得一組真實的建模系數。H.J.XU等[1o]比較了發動機循環仿真中ATST復雜建模和簡單建模兩種策略的效果，結果表明復雜模型可以獲得較高的仿真精度。T.PALENSCHAT等1針對ATST的流場進行了研究。W.OLIN等[12]通過三維數值模擬研究了渦輪在穩定和脈動入流條件下的效率特性。結果表明，在穩定進口條件下，葉冠側加大渦旋的ATST效率提高 1.6% 左右。然而，在脈沖進氣條件下，輪轂側帶大蝸殼的ATST的效率則高出約1.1% 。這種差異是由于在脈動進氣條件下，兩個蝸殼的質量流儲存能力不同。M.CERDOUN等[13]基于ANSYSCFX模擬，研究了類發動機工況下ATST的氣動特性，更好地了解了雙入口蝸殼/轉子相互作用現象以及雙入口蝸殼兩側氣體脈沖期間的能量交換機制。由于發動機的排氣是脈動的，因此，ATST的實際進口條件是脈沖進氣，且脈沖進氣的頻率和幅值隨發動機工況變化發生變化。因此，研究脈沖進氣參數（頻率，幅值等）對ATST性能的影響，對于理解ATST的內部流動機理具有重要意義，同時可以為渦輪優化設計以及增壓器與發動機的匹配提供有力參考。鑒于此，本研究利用數值模擬方法研究了ATST在不同脈沖頻率和幅值條件下的渦輪性能及內部流動特性。

1數值分析

1.1 數值模型

以安裝在六缸柴油機上的非對稱徑向渦輪作為研究對象，不對稱度（asymmetric，ASY）定義為兩個蝸殼的喉部面積之比，本研究中該值為0.83。渦輪結構包括蝸殼和轉子葉輪兩部分，其主要結構參數如表1所示。

表1渦輪主要結構參數

利用ANSYSCFX進行仿真模型的建立。本次模擬采用了全通道模型，為了清晰起見，圖1僅示出了轉子單通道網格模型。轉子和蝸殼計算域分別采用了結構化網格和非結構化網格，網格數量分別為5733376和1306695。另外，對靠近壁面的網格進行細化，以獲取邊界層內參數的梯度。 Y+ 值控制在5以內。

圖1渦輪網格模型

渦輪進口邊界條件采用總溫和總壓；出口邊界條件采用平均壓力；對于壁面條件設置，忽略流體與固體之間的共軛換熱，將壁面設置為絕熱壁面，并按照實際的渦輪運轉情況設定對應的轉速以及旋轉方向。渦輪轉速設置為 140000r/min ，轉子/蝸殼接口采用“frozenrotor”方法進行穩態計算，采用“transientrotor stator”方法進行非穩態計算[14]。本研究渦輪進口的脈動壓力簡化為正弦曲線[15]，shr進口處的平均壓力設置為 120kPa ，hub進口處的平均壓力設置為 100kPa ，脈沖幅值為 35kPa ，大小流道的壓力比例關系參考相關文獻[16]給出。研究脈沖頻率對ATST性能的影響時，選取20Hz，40Hz 和 80Hz 脈沖頻率，分別對應于四沖程六缸發動機轉速 800r/min ， 1600r/min 和3200r/min 的工況[17]。渦輪進口的總壓和總溫邊界條件如圖2所示，由于渦輪出口壓力低于進口壓力，出口邊界采用平均靜壓來表示[15]。

圖2不同脈沖頻率下渦輪進口總壓、總溫條件

為了探究脈沖幅值對非對稱渦輪的影響，選擇脈沖頻率 40Hz ，脈沖幅值分別為 35kPa 和 50kPa ，shr進口處的平均壓力仍然為 120kPa ，hub進口處的平均壓力為 100kPa ，此時渦輪進口總壓和總溫條件如圖3所示。圖中（40，35）表示頻率 40Hz ，幅值 35kPa 。后面圖中類似表達不再贅述。

圖3不同脈沖幅值下渦輪進口總壓、總溫條件

1.2 模型驗證

本研究利用渦輪特性試驗數據對數值模型進行驗證，渦輪兩進氣道采用相同的進氣條件。渦輪機入口處氣體溫度設置為 873K 。測試轉速在80000～180000r/min 之間，轉速間隔為20 000r/min ，對比結果見圖4。可以看出，流量特性的仿真結果與試驗結果吻合較好；由于渦輪與外部環境之間存在傳熱損失，而仿真模擬沒有考慮這些不可預測的損失，因此仿真計算效率高于試驗值，但兩者差異小于 5% ，表明該計算模型是可靠的。

圖4試驗與仿真渦輪特性對比

2 結果分析

2.1脈沖頻率對渦輪非穩態性能的影響

在ATST非穩態數值計算中，渦輪質量流量參數（MFP）和總-靜瞬態效率的計算如下：

1）質量流量參數（ MFP_equi 為

式中： T_t 為總溫； m 為質量流量； P 為總壓；下標equi、shr和hub分別表示等效系數、 shr 分支和hub分支。

2）總-靜瞬態效率 （η_ts） 為

式中： ω 為轉速； τ 為等熵膨脹速度； W_sT 為渦輪中的

等熵膨脹功。

3）等熵膨脹功為

W_sT=

式中：γ為絕熱指數， γ=1.33;C_p 為比定壓熱容，C_?P=1 006J/（kg?K）;PR 為膨脹比。

圖5示出了不同頻率脈沖條件下ATST性能對比。可以看出，脈沖條件下，渦輪的流量和效率都呈現遲滯環特性。對于單通道渦輪和等面積雙通道渦輪來說，渦輪進氣脈沖頻率越高，渦輪的非穩態效應越強，渦輪的非穩態特性的遲滯環面積也會越大[18-19]。從圖5可以看出，對于效率特性，這一點是吻合的，但對于流量特性，遲滯環的面積隨脈沖頻率升高而減小。這是由于流量特性相對于效率特性受蝸殼的充排效應影響更大，而此ATST的小面積蝸殼通道的進氣平均壓力高于大面積蝸殼通道的進氣平均壓力，因此，大通道蝸殼的充排效應對非穩態特性的影響被削弱。可見，對于ATST，脈沖頻率對渦輪流量特性的影響與傳統的單通道渦輪和等面積雙通道渦輪不同，其還會受到不對稱蝸殼通道壓力不平衡的影響。

圖5不同脈沖頻率進氣條件下ATST性能對比

圖6示出了不同頻率脈沖條件下渦輪輸出轉矩對比。波峰對應全進氣狀態，波谷對應部分進氣狀態。不同脈沖頻率進氣條件下，轉矩曲線波形相似，但相位出現差異， 40Hz 的轉矩波形相對于 20Hz 的波形向左移動 7^°，80Hz 的轉矩波形較 40Hz 的波形向左移動 14^° ，說明隨著脈沖頻率的升高，脈沖波非定常效應加強，因而脈沖遲滯效應加強，相位前移。

圖6不同脈沖頻率條件下ATST輸出轉矩對比

研究表明，徑向渦輪受轉子進口入射角的影響較大，導致渦輪只在部分工況下運行于較高效率點，轉子進口最佳入射角范圍為 -20^°～-40^° 。人射損失是渦輪工作在非設計工況點時損失的主要來源[20]。因此，計算了不同脈沖頻率下渦輪轉子進口入射角，如圖7所示。可以發現，脈沖頻率對轉子進□入射角的影響主要體現在相位上，其影響規律與對轉矩的影響規律相似。另外，需要注意的是脈沖頻率對非對稱渦輪在一個脈沖周期內的平均性能參數影響較小，只對瞬時狀態參數影響較大。

圖7不同脈沖頻率進氣條件下的轉子進口入射角

2.2脈沖幅值對渦輪非穩態性能的影響

圖8示出了不同脈沖幅值進氣條件下ATST性能對比。可以看出，無論是流量特性還是效率特性，隨著脈沖幅值的增大，特性曲線的遲滯環面積增大，說明脈沖幅值增大使得渦輪的非穩態效應增強。還可以看出，脈沖幅值不同，特性曲線的遲滯環形狀差別較大，尤其是 50kPa 脈沖幅值對應的效率特性曲線，形成了2個遲滯環，且流量和效率特性曲線的低值區域更大。

圖8不同脈沖幅值進氣條件下ATST性能對比

表2示出了不同脈沖幅值進氣條件下一個脈沖周期內渦輪的平均性能。由表2可以看出，相較于脈沖幅值為 35kPa ，脈沖幅值為 50kPa 時，ATST一個脈沖周期內的平均MFP下降了 5.69% ，平均等熵效率下降了 0.48% ，膨脹比變化值提高了83.78% 。可見，脈沖進氣幅值除了對ATST的瞬態性能影響較大，對平均性能影響也較大。

表2不同脈沖幅值進氣條件下一個脈沖周期內渦輪平均性能

圖9示出了不同脈沖幅值進氣條件下轉子進口入射角在一個脈沖周期內的變化規律。可以看出，相比于幅值 35kPa 對應的轉子進口入射角，幅值50kPa 進氣條件下對應的轉子進口入射角只在A區域更接近最佳入射區，而大部分脈沖周期內，其對應的入射角都更遠離最佳入射區。因此，幅值50kPa 脈沖條件下渦輪人射損失更大。

圖9不同脈沖幅值進氣條件下轉子進口入射角

通過引入氣體總壓損失系數 來評估ATST蝸殼內的流動損失，氣體總壓損失系數的定義為

式中： p₀^* 為導葉進口總壓； p_x^* 為任意位置的總壓。

圖10示出了不同脈沖幅值進氣條件下蝸殼出口總壓損失系數。可以看出，在整個脈沖周期內，50kPa 幅值對應的蝸殼出口總壓損失系數都高于35kPa 幅值，也就是說脈沖幅值越大，蝸殼內部流動損失越大。

圖10不同脈沖幅值進氣條件下蝸殼出口總壓損失系數

為了更直觀地觀察脈沖幅值對ATST內部流場的影響，選擇工況點B作為分析工況點。如圖9和圖10所示，B點對應的轉子進口入射角為最大值，對應的蝸殼出口總壓損失系數亦為最大值。圖11示出了B工況點不同脈沖幅值條件下渦輪轉子前緣流線分布及轉子出口熵值分布。可以看出，由于轉子進口入射角偏離最佳入射區，轉子前緣流場出現流動分離現象（圖中A和 A^′ 區域），該分離渦團在向轉子通道下游傳播的過程中，造成了葉尖部分的高熵區（圖中B和 $＼mathrm { ^ B ^ { ＼prime } }$ 區域），并且脈沖幅值越大，轉子出口的熵值越高，即流動損失越大。

圖11不同脈沖幅值條件下轉子前緣流線分布及轉子出口熵值分布

圖12示出了不同脈沖幅值條件下轉子進口熵值分布。從圖中可以看出， 50kPa 幅值對應的轉子進口熵值更高，這是因為其轉子進口入射角偏離最佳入射區更遠，轉子前緣的流動分離現象更明顯，入射損失更大，這與圖9和圖11的分析結果是一致的。

圖12不同脈沖幅值條件下轉子進口熵值分布

圖13示出了不同脈沖幅值條件下蝸殼不同截面位置壓力及流線分布。對比可知，脈沖幅值為50kPa 時蝸殼二次流現象更為突出，且都發生在hub通道內，當氣流進入雙入口渦輪的螺旋部分時，在周向上氣流受到慣性力的作用，在徑向上氣流受到向心力的作用，在蝸殼周向 15^° 橫截面處蝸殼出口附近形成第一個渦，在蝸殼周向 105^° 截面位置主氣流占據橫截面的中心，受力不平衡和速度梯度影響，在 150^° 截面位置形成2個反向旋渦[13]。而當脈沖幅值為 35kPa 時，蝸殼內部沒有形成明顯的旋渦，由此可見，當脈沖幅值為 50kPa 時，蝸殼的流動損失更大，這與圖10的分析結果一致。

圖13不同脈沖幅值條件下蝸殼不同截面位置壓力及流線分布

3結論

a）脈沖進氣頻率對ATST的瞬態性能影響較大，隨著頻率的提高，流量特性遲滯環面積逐漸減小，效率特性遲滯環面積逐漸增大，并且導致渦輪輸出轉矩和轉子進口入射角發生了相移，但脈沖頻率對ATST一個脈沖周期內的平均性能影響較小；

b）脈沖進氣幅值對ATST的瞬態性能和平均性能都有較大影響，隨著脈沖幅值增大，渦輪的非穩態效應增強，流量特性、效率特性、轉子進口氣流角和蝸殼出口總壓損失系數波動范圍增大，較大脈沖幅值對應的平均流量參數和效率分別下降了 5.69% 和 0.48% ，膨脹比變化幅值提高了 83.78% ，且轉子進口入射角和蝸殼出口總壓損失系數都更高；

c）在轉子進口入射角最大值工況點，較大脈沖幅值進氣時，更大的轉子進口入射角導致了轉子進□的熵值更高、轉子前緣流動分離現象更明顯，最終導致渦輪出口輪緣附近形成高熵區，造成了轉子內部更大的流動損失；而蝸殼內部更明顯的二次流造成了其內部出現較大的旋渦，導致蝸殼內部流動損失增加。

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Abstract：Tobeterunderstandtheinfluenceof pulseintakeparametersontheperformanceof asymmetrictwin-scrollturbine （ATST），ANSYSCFXsoftware wasappliedtoperformunsteadynumericalcalculationof ATSTunderdiferent pulsefrequencyandamplitude intakeconditions.TheinfluenceofintakepulsefrequencyandamplitudeonATSTperformancewas explored， andtheinfluencesof pulsefrequencyandamplitudeonvoluteoutletparameters，rotor inletparametersandinternalflow field werefurtheranalyzed.Theresearch resultsshowthatdiferent pulsefrequenciescausecertain diferences in turbine performanceparameters，buthavelitleimpactontheaverageperformanceduring thecycle.Thepulseamplitudehasgreatinfluenceon thetransientandaverageperformanceofATST.Theaverageflowparameterandeficiencycorespondingtothelarger pulse amplitude decrease by 5.69% and 0.48% respectively，and the incidence angle at the rotor inlet and the total pressure loss coefficient at the volute outlet obviously increase.

KeyWords：pulsefrequency;pulseamplitude;asymmetrictwin-scrollturbine;incidenceangle;total presurelosscoeficient

[編輯：潘麗麗]