渦輪增壓器葉片擴(kuò)壓器高速流場(chǎng)仿真分析

趙永勝，張松濤，韓國(guó)強(qiáng)，趙文舒，張生亮，趙方威

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大同北方天力增壓技術(shù)有限公司，山西 大同 037036;3.太原鐵路局 太原機(jī)務(wù)段，山西 太原 030000;4.柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣西 柳州545000)*

0 引言

在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)對(duì)壓氣機(jī)性能改善有很大作用，研究表明:離心壓氣機(jī)中擴(kuò)壓器的流動(dòng)損失約占離心壓氣機(jī)級(jí)損失的三分之一左右，壓力恢復(fù)系數(shù)的改變也可以引起整級(jí)效率的變化［1-2］.同時(shí)擴(kuò)壓器的氣動(dòng)性能對(duì)離心壓氣機(jī)的效率、壓比和穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍有著重要影響［3］.因此，優(yōu)化離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器，對(duì)提高離心壓氣機(jī)的效率具有重要意義.

擴(kuò)壓器分為葉片擴(kuò)壓器和無(wú)葉擴(kuò)壓器，無(wú)葉擴(kuò)壓器應(yīng)用的范圍比葉片擴(kuò)壓器要廣，但是葉片擴(kuò)壓器在設(shè)計(jì)工況下比無(wú)葉擴(kuò)壓器效率高［4］.擴(kuò)壓器的作用主要是把流經(jīng)葉輪具有較大動(dòng)能的氣流減速并有效地轉(zhuǎn)化為壓力能，這部分動(dòng)能占?jí)簹鈾C(jī)總耗功的很大比例，擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)的合理與否對(duì)級(jí)效率和壓比有很大影響，在離心壓氣機(jī)中葉片擴(kuò)壓器是與葉輪同樣重要的元件.因此，對(duì)擴(kuò)壓器進(jìn)行流場(chǎng)分析是一項(xiàng)很有必要的工作.

1 幾何模型的建立

為了研究擴(kuò)壓器的性能，設(shè)計(jì)了三種不同葉形的擴(kuò)壓器(圖1)，分別為中心線為直線的機(jī)翼形葉片擴(kuò)壓器，中心線為圓弧形的機(jī)翼形葉片擴(kuò)壓器和三角形葉片擴(kuò)壓器，葉片采用等高設(shè)計(jì)及h=8.0 mm，三種葉片擴(kuò)壓器入口半徑R3/R2以及入口安裝角β3也取相同值，其中R3/R2=1.15;而入口安裝角的選擇是單獨(dú)計(jì)算離心葉輪時(shí)在高速工況點(diǎn)出求得半徑R3處流道截面上絕對(duì)氣流角的積分平均值即為設(shè)計(jì)值為β3=25.30°.由于這些葉片是由一系列不規(guī)則的曲線構(gòu)成的，建模時(shí)通過(guò)輸入點(diǎn)坐標(biāo)，采用樣條曲線擬合的方法［5］.

圖1 三種葉形擴(kuò)壓器

2 CFD計(jì)算

將繪制好的三維模型，保存為IGS格式，然后導(dǎo)入FLUENT前處理器GMBIT中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定，本模型采用的是具有幾何靈活性的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［6］，直翼型、圓翼形、三角形擴(kuò)壓器網(wǎng)格數(shù)分別為59802、71300、66595個(gè)網(wǎng)格，從圖2上看，網(wǎng)格大小稀疏程度都比較合適，且運(yùn)算量不會(huì)特別大，需要檢驗(yàn)的是網(wǎng)格質(zhì)量，只要網(wǎng)格質(zhì)量都都達(dá)標(biāo)，就能正常導(dǎo)入到FLUENT求解器里進(jìn)行求解.經(jīng)GAMBIT檢驗(yàn)，生成的網(wǎng)格符合計(jì)算要求.

圖2 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢查結(jié)果

本文是在壓氣機(jī)高速工況下進(jìn)行擴(kuò)壓器流場(chǎng)分析，本文采用速度入口邊界條件，氣流從葉輪出來(lái)后，無(wú)沖角進(jìn)入擴(kuò)壓器，給定入口速度337m/s、入口溫度288K.出口設(shè)置為壓力出口.計(jì)算介質(zhì)為理想氣體，計(jì)算模型采用粘性可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)的湍流兩方程κ–ε模型［7］，計(jì)算大約需要90次迭代就可以達(dá)到收斂結(jié)果.

N-S方程為:

在標(biāo)準(zhǔn)的κ–ε模型中，κ和ε是兩個(gè)基本未知量，與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方程為:

其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)，YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk和σε分別是湍動(dòng)能κ和耗散率κ對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的原項(xiàng).

本文旨在對(duì)擴(kuò)壓器的內(nèi)部流場(chǎng)作探索，主要考慮以下幾個(gè)方面:①三種葉形擴(kuò)壓器壓力分布，②三種葉形擴(kuò)壓器速度分布.采用FLUENT軟件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如下:從圖2、3、4可以看出，在擴(kuò)壓器無(wú)葉擴(kuò)壓段壓力分布看，圖2壓力分布比其它兩種葉形擴(kuò)壓器壓力分布要均勻.進(jìn)入擴(kuò)壓器葉片擴(kuò)壓段，壓力逐漸增大.從圖3可以看出，圓翼形擴(kuò)壓器壓力最大處出現(xiàn)在葉片前緣處，引起了局部壓力增大，擴(kuò)壓效果不理想，較直翼形和三角形擴(kuò)壓器擴(kuò)壓效果差.由圖2、4看出，在整個(gè)擴(kuò)壓區(qū)，直翼形擴(kuò)壓器壓力分布較三角形擴(kuò)壓器更均勻.因此，直翼形葉片擴(kuò)壓器擴(kuò)壓效果最好.

從圖5、6、7可以看出，直翼形擴(kuò)壓器葉片前緣尾跡處，有少量的尾跡渦流，渦流處對(duì)速度略有影響.圓翼形擴(kuò)壓器在葉片凹面發(fā)生小面積渦流，對(duì)速度有影響，會(huì)造成能量損失.三角形擴(kuò)壓器在葉片前緣出現(xiàn)大面積渦流，對(duì)速度影響較大，會(huì)造成大量能量損失.從三個(gè)速度矢量總體分布比較，在擴(kuò)壓器內(nèi)部隨著速度減小，直翼形擴(kuò)壓器沒(méi)有明顯的渦流區(qū)，速度分布比較均勻.因此，直翼形擴(kuò)壓器效率最高.

圖3 直翼形擴(kuò)壓器壓力分布圖

圖4 圓翼形擴(kuò)壓器壓力分布圖

圖5 三角形擴(kuò)壓器壓力分布圖

圖6 直翼形擴(kuò)壓器速度矢量圖

圖7 圓翼形擴(kuò)壓器速度矢量圖圖

對(duì)比圖8、9、10可以看出，圓翼形擴(kuò)壓器在葉片凹面處有回流，三角形葉片擴(kuò)壓器在葉片前緣處有明顯回流，直翼形擴(kuò)壓器流線分布較光滑、平緩.直翼形擴(kuò)壓器流道內(nèi)摩擦損失，沖擊損失最小.

圖8 三角形擴(kuò)壓器速度矢量圖

圖9 直翼形擴(kuò)壓器流線分布圖

圖10 圓翼形擴(kuò)壓器流線分布圖

圖11 三角形擴(kuò)壓器留流線分布圖

三種葉形擴(kuò)壓器采用相同的入口速度、出口壓力、進(jìn)出口溫度.三種葉形擴(kuò)壓器性能參數(shù)比較，如附表.

附表 三種葉形擴(kuò)壓器性能參數(shù)比較

從附表可以看出，直翼形擴(kuò)壓器壓比最大，出口速度最小，更有效地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了靜壓能.

三種擴(kuò)壓器都能滿足設(shè)計(jì)要求，在壓氣機(jī)高速工況下，通過(guò)上面比較得出直翼型葉片擴(kuò)壓器的整體性能優(yōu)于其它兩種.

3 結(jié)論

本文對(duì)增壓器壓氣機(jī)在高速工況下進(jìn)行了葉片擴(kuò)壓器內(nèi)部三維流場(chǎng)的數(shù)值研究，結(jié)果表明:

(1)壓力數(shù)值仿真結(jié)果說(shuō)明直線機(jī)翼形葉片擴(kuò)壓器壓比最大;

(2)速度矢量數(shù)值仿真結(jié)果說(shuō)明直線機(jī)翼形葉片出口分布均勻且速度最小;

(3)直線機(jī)翼形葉片擴(kuò)壓器擴(kuò)壓效果優(yōu)于其它兩種;

(4)關(guān)于葉片擴(kuò)壓器的性能仿真研究是在壓氣機(jī)高速工況下進(jìn)行的，其它工況性能有待進(jìn)一步探索.

［1］周英慶，劉振俠.級(jí)環(huán)境下斜流壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011(3):23-29.

［2］王志恒，席光.離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(3):391-394.

［3］吳海燕，張朝磊.離心壓氣機(jī)葉片擴(kuò)壓器多點(diǎn)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2001(6):27-31.

［4］冀春俊，劉赫，陳曦.葉片擴(kuò)壓器對(duì)小流量模型機(jī)性能的影響［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(1):8-12.

［5］梁潔，丁彥闖，兆文忠.基于iSIGH平臺(tái)擴(kuò)壓器CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2005，25(5):35-37.

［6］梁曉瑜，畢玉華.渦輪增壓器壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的CFD分析［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2007，36(5):12-34.

［7］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2008.