二級增壓系統(tǒng)不同旁通結(jié)構(gòu)流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

二級增壓系統(tǒng)不同旁通結(jié)構(gòu)流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

建立了Y型和直連型兩種典型的二級增壓系統(tǒng)旁通結(jié)構(gòu)，利用CFD對其流阻進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：當(dāng)旁通閥全關(guān)時(shí)，Y型旁通結(jié)構(gòu)流動損失較直連型大，而當(dāng)旁通閥開啟時(shí)，Y型旁通結(jié)構(gòu)流動損失較直連型??；對于同種旁通結(jié)構(gòu)，旁通閥的開度越小，損失越大，但是隨著開度的增加，由于流過旁通結(jié)構(gòu)的氣體質(zhì)量增加，導(dǎo)致?lián)p失相對較大。

二級增壓系統(tǒng)； 旁通結(jié)構(gòu)； 流阻特性； 仿真

可調(diào)二級增壓系統(tǒng)是近年來提出的一種新型柴油機(jī)增壓系統(tǒng)。二級增壓系統(tǒng)將兩個(gè)增壓器串聯(lián)起來，使空氣相繼受到壓縮以提高壓比[1-3]。該系統(tǒng)具有高低兩級渦輪增壓器，通過調(diào)節(jié)排氣能量在兩級渦輪中的分配實(shí)現(xiàn)了增壓系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)，解決了高平均有效壓力渦輪增壓柴油機(jī)高低工況無法兼顧的矛盾[4]。

對于二級增壓系統(tǒng)，可以采用不同的旁通結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其調(diào)節(jié)，不同的旁通結(jié)構(gòu)會使二級增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的不同，使其體積和外形發(fā)生較大變化，同樣由于其流阻的不同也會使其性能大不相同。本研究分別建立了Y型和直連型兩種典型的旁通結(jié)構(gòu)，并對其流阻特性進(jìn)行了對比分析。

1 計(jì)算模型及驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型及邊界條件

本研究主要針對串聯(lián)式二級增壓系統(tǒng)中兩種典型的旁通結(jié)構(gòu)下的渦輪級進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)幾何特征的區(qū)別是：在Y型結(jié)構(gòu)中發(fā)動機(jī)排出的高溫燃?xì)庠谶M(jìn)入高壓級渦輪前被分成兩路，一路直接進(jìn)入高壓級，另外一路當(dāng)旁通閥打開時(shí)直接進(jìn)入高壓級渦后的管路中；在直連型結(jié)構(gòu)中發(fā)動機(jī)排出的高溫燃?xì)庵苯舆M(jìn)入高壓級渦輪箱通道內(nèi)，在渦輪箱進(jìn)口通道上設(shè)計(jì)了旁通口，當(dāng)旁通閥打開時(shí)，氣體進(jìn)入高壓級渦后管路中。兩種旁通結(jié)構(gòu)的幾何特征見圖1。計(jì)算網(wǎng)格的局部模型見圖2。為了更好地示出圍繞閥的流動情況，在閥的周圍對網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。為了減少計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域的網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算工況點(diǎn)的邊界條件見表1，這些計(jì)算工況點(diǎn)和邊界條件是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取的。

圖1 兩種旁通方式結(jié)構(gòu)特征示意

圖2 兩種旁通結(jié)構(gòu)局部網(wǎng)格模型

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證當(dāng)前的仿真方法，首先對徑流渦輪的性能進(jìn)行了仿真并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

圖2和圖3示出了渦輪質(zhì)量流率和效率的仿真與試驗(yàn)的對比結(jié)果。由于壓氣機(jī)吸收功率的限制，試驗(yàn)結(jié)果中渦輪的流通和效率范圍比仿真結(jié)果窄。在有效的范圍內(nèi)，仿真的流率與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是仿真的效率要比試驗(yàn)結(jié)果稍高，主要是因?yàn)榉抡婺Ｐ团c試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀胁町?。在仿真模型中沒有考慮渦輪箱流道中的損失，所以仿真結(jié)果要比試驗(yàn)結(jié)果高。可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值相比較，渦輪流通性能誤差小于2%，渦輪效率誤差小于5%，所建立的仿真模型可用于進(jìn)一步的仿真研究。

圖3 渦輪流通性能仿真與試驗(yàn)比較

圖4 渦輪效率仿真與試驗(yàn)比較

2 旁通閥全關(guān)條件下的流阻特性分析

表2示出了在旁通閥全關(guān)條件下渦輪運(yùn)行和性能參數(shù)。在旁通閥全關(guān)的條件下，采用Y型旁通結(jié)構(gòu)的渦輪效率比采用直連型的高。但是要達(dá)到相同的目標(biāo)質(zhì)量流量,采用Y型結(jié)構(gòu)時(shí)渦輪的進(jìn)口壓力較直連型的高,這主要是由于該結(jié)構(gòu)下進(jìn)氣管損失比直連型的大。

表2 旁通閥全關(guān)條件下渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)

圖5和圖6示出了兩種旁通結(jié)構(gòu)下旁通閥進(jìn)口處的流動分離對比。可以看出雖然旁通閥全關(guān)，但是氣體在進(jìn)入旁通閥前管內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的流動分離和較大的流動損失，而且Y型旁通結(jié)構(gòu)下的流動損失比直連結(jié)構(gòu)下的大很多。

圖5 Y型旁通進(jìn)口管內(nèi)流動分離和損失分布

圖6 直連型旁通進(jìn)口流動分離和損失分布

3 相同開度時(shí)兩種旁通結(jié)構(gòu)的流阻特性分析

表3示出了旁通閥開度10%下采用兩種結(jié)構(gòu)的渦輪運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)對比。在相同開度下，Y型結(jié)構(gòu)下的渦輪級效率比直連型的高出0.8%。主要原因是Y型結(jié)構(gòu)下的高壓級渦輪效率為56%，而直連結(jié)構(gòu)下的高壓級渦輪效率為53%。

表3 旁通閥開度10%下渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)對比

圖7、圖8示出了直連旁通結(jié)構(gòu)下旁通流的流動情況及絕對馬赫數(shù)?？梢钥闯觯瑲怏w以非常高的流速通過旁通閥，最大流速約為450 m/s，接近當(dāng)?shù)芈曀?。在流道腔?nèi)，出現(xiàn)較大的分離流使得流動損失增多。另外，旁通流與主流混合后形成回流，這也會產(chǎn)生流動損失。

圖9示出直連旁通結(jié)構(gòu)下旁通流的流動損失?？梢钥闯?，氣體通過旁通閥之后，由于有回流發(fā)生，所以出現(xiàn)高損失區(qū)域，這與圖8一致。當(dāng)氣流進(jìn)入高壓級排氣管中并與主流氣流混合后，高損失區(qū)域面積占到管的1/3。

圖7 直連型旁通流流動情況

圖8 直連型旁通流的絕對馬赫數(shù)

圖9 直連型旁通流損失

圖10示出Y型旁通結(jié)構(gòu)下氣體流線和流動損失的分布情況?？梢钥闯?，當(dāng)氣體流過旁通閥之后，形成了二次回流。但是與圖7中的回流情況比較，回流所占的區(qū)域已經(jīng)減少。由于氣體流向排氣管，所以回流很快消失。

圖10 Y型旁通流流線和損失

圖11示出了Y型旁通流與主流混合后的流線情況和混合流動損失情況。旁通流進(jìn)入排氣管與主流混合后流線比較光順，因此沒有引起大的分離流。

圖11 Y型旁通結(jié)構(gòu)下的混合流

綜上所述，在相同的開度下，與Y型旁通結(jié)構(gòu)相比，直連型旁通結(jié)構(gòu)中旁通管道流動損失較大。另外直連型旁通結(jié)構(gòu)下旁通流與主流混合形成的流動損失也大。

4 Y型旁通結(jié)構(gòu)不同開度下的流阻特性分析

表4示出了采用Y型旁通結(jié)構(gòu)時(shí)不同開度下的渦輪運(yùn)行和性能參數(shù)。當(dāng)旁通閥開度從5%增加到10%時(shí)，渦輪效率降低大約1.2%，主要原因是高壓級渦輪性能的惡化及混合流損失的增加。旁通閥開度從5%增加到10%時(shí)，高壓級渦輪效率降低了4%。

表4 渦輪運(yùn)行及性能參數(shù)

圖12示出了5%和10%開度下旁通流流動情況比較?？梢钥闯觯?dāng)旁通閥開度為5%時(shí)，旁通管內(nèi)的流速比10%開度下的高。當(dāng)氣流進(jìn)入旁通閥之前，在流道內(nèi)已經(jīng)形成了強(qiáng)烈的分離流，并且?guī)缀跽紳M了整個(gè)流道。當(dāng)氣流通過旁通閥之后，能夠看到有強(qiáng)烈的分離流存在。對比兩種開度下的流動分離強(qiáng)弱可知，在10%開度情況下，氣流進(jìn)入旁通閥前后，分離流已經(jīng)開始減少，其主要的原因是流動阻力的減少。

圖12 5%和10%開度旁通流流動比較

圖13示出了5%和10%開度下旁通流動損失比較?？梢钥闯?，當(dāng)旁通流通過旁通閥之后，在5%開度下，高焓區(qū)域比10%開度下的要大，這主要是由于在小開度下回流比較強(qiáng)烈的緣故。旁通閥開度越小，回流情況越嚴(yán)重，回流損失就越大。

圖13 5%和10%開度旁通流流動損失比較

圖14和圖15示出了旁通氣流與主流混合后的氣體流動和損失情況。可以看出，在兩種開度下，當(dāng)旁通氣流與主流混合時(shí)幾乎沒有分離流發(fā)生。然而，在10%開度下，由于旁通氣流的流量增加，混合流的流動損失也相應(yīng)增加。在5%開度下旁通氣流的流量大約為0.11 kg/s，在10%開度下旁通氣流的流量大約為0.185 kg/s，即流量增加了大約40%。所以說，在大開度下混合氣流的流動損失要大。混合氣流的流動損失增加就會影響到渦輪級效率。

圖14 混合后的氣流流動情況比較

圖15 混合后的氣流損失比較

5 結(jié)論

a) 當(dāng)旁通閥全關(guān)時(shí)，對于由流動分離引起的流動損失，Y型旁通結(jié)構(gòu)比直連型結(jié)構(gòu)的大；

b) 當(dāng)旁通閥開度相同時(shí)，對于由旁通流與主流混合后形成的回流引起的損失，Y型旁通結(jié)構(gòu)比直連型旁通結(jié)構(gòu)的?。?/p>

c) 旁通結(jié)構(gòu)相同，旁通閥開度不同時(shí)，從質(zhì)變的角度分析，旁通閥的開度越小，回流情況越嚴(yán)重，回流損失就越大；從量變的角度分析，旁通閥的開度越大，由于所需流量增加，導(dǎo)致混合氣流的流動損失越大；混合氣流的流動損失增加會影響到渦輪級效率。

[1] Chase A,Moulin P,Gautier P,et al.Double Stage Turbocharger Control Strategies Development[C].SAE Paper 2008-01-0988.

[2] Herring P．Sequential Turbocharging of the MTUll63 Engine[J].Trans．I．Mar．E，1988(1)：145-156．

[3] 朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：478-486．

[4] 劉博，錢躍華，鄧康耀，等. 蝶閥在可調(diào)二級增壓柴油機(jī)中的調(diào)節(jié)特性計(jì)算研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32(2)：17-22.

[5] 魏名山，張志，何永玲，等. 帶不同類型調(diào)節(jié)閥的二級增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能對比[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(1)：51-54.

[6] 魏名山，何永玲，馬朝臣. 可調(diào)二級增壓系統(tǒng)渦輪級熱力學(xué)分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008,29(1)：43-47.

[7] 杜巍，趙永，樊豐，等.二級可調(diào)增壓器旁通閥與噴油參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律的仿真分析[J].車用發(fā)動機(jī),2013(1):66-69.

[編輯： 潘麗麗]

Simulation on Flow Resistance Characteristics of Different Bypass Structures for Two-stage Turbocharger

XU Siyou， PAN Lili， YANG Lei， WU Xintao， HU Lifeng， GAO Yingying， ZHAO Zhenwei

(China North Engine Research Institution(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

The Y-type and straight-type bypass structures for two-stage turbocharger were established and their flow resistances were compared by CFD software. The results show that the flow loss of the Y-type structure is larger than that of the straight-type structure when the bypass valve closes fully, but is smaller when the valve opens. For the same bypass structure, smaller opening will lead to greater loss. The flow loss will became relatively larger with the increase of valve opening due to the increase of air mass through bypass valve.

two-stage turbocharging system; bypass structure; flow resistance characteristic; simulation

2016-10-20；

2017-03-23

柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C330410150C33004)

徐思友(1977—)，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)增壓技術(shù)；xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.014

TK423.5

B

1001-2222(2017)04-0068-05