渦輪增壓器渦輪殼流固耦合計(jì)算分析

方海龍,李其朋,宋德玉,譚雅仙,周素華

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023;2.杭叉集團(tuán)股份有限公司,杭州 311305)

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.05.010

2017-04-17

國家國際科技合作項(xiàng)目(2015DFR71160)

李其朋(1977— ),男,山東省臨邑人,教授,博士,主要從事工程車輛振動(dòng)與噪聲方面的研究。E-mail:liqipeng@zust.edu.cn。

渦輪增壓器渦輪殼流固耦合計(jì)算分析

方海龍1,李其朋1,宋德玉1,譚雅仙2,周素華2

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023;2.杭叉集團(tuán)股份有限公司,杭州 311305)

以某型號(hào)渦輪增壓器渦輪殼為研究對(duì)象,利用三維solidworks軟件建立了幾何模型。利用ICEM-CFD軟件對(duì)模型劃分網(wǎng)格,并運(yùn)用FLUENT軟件模擬渦輪殼的傳熱和流體流動(dòng),以及流體與渦輪殼之間的耦合傳熱,得到內(nèi)部流體壓力、速度及殼體表面溫度分布情況。結(jié)果表明,流體速度、壓力在靠近壁面處較高,而在靠近螺旋段中心區(qū)域處明顯降低,殼體表面溫度分布較為均勻。研究結(jié)果可為渦輪增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

渦輪增壓器;渦輪殼;流固耦合;FLUENT

渦輪增壓器主要由廢氣渦輪、中間殼體和壓氣機(jī)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有高溫和相當(dāng)壓力的廢氣經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪殼,廢氣氣流沖擊渦輪推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn),渦輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn),將新鮮的空氣吸入到壓氣機(jī)殼中,再經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸，從而使空氣的壓力和密度增大,讓燃料更加充分地燃燒,進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩。綜觀國內(nèi)外對(duì)渦輪增壓器的相關(guān)研究，多為渦輪增壓器匹配、蝸殼、葉輪[1-5]等,而對(duì)渦輪增壓器渦輪殼體的流固耦合分析較少。Hamed研究了蝸殼形狀、蝸殼內(nèi)氣體的通流速度及速度分布對(duì)蝸殼內(nèi)氣體流動(dòng)的影響[6];對(duì)防爆渦輪增壓器的研究主要對(duì)象為礦用機(jī)械[7-8];對(duì)耦合傳熱的研究多采用數(shù)值仿真研究方法[9-11];近年來,對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行瞬態(tài)分析的研究增多[12-15]。一般而言,安裝渦輪增壓器后,能使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率提高10%～40%,但是渦輪增壓器在高速、高溫下工作,對(duì)渦輪增壓器是一個(gè)很大的考驗(yàn),渦輪殼體是增壓器中的高熱負(fù)荷零件。想要對(duì)渦輪殼體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究和對(duì)渦輪增壓器作改進(jìn),必須了解渦輪殼體內(nèi)部流場的分布情況。鑒于此,本研究通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對(duì)渦輪殼體內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算出內(nèi)部流體壓力、速度及殼體表面溫度分布情況,使研究結(jié)果可為渦輪增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 幾何模型的建立

利用三維建模軟件Solidworks建立了如圖1所示的渦輪增壓器渦輪殼結(jié)構(gòu)體模型和如圖2所示的渦輪廢氣模型。為簡化起見,在流固耦合計(jì)算中未包含葉輪,僅通過模擬恒定廢氣溫度下渦輪殼體內(nèi)部氣體流場分布。

圖1 渦輪殼結(jié)構(gòu)體模型Fig.1 Structural model of turbine shell

圖2 渦輪廢氣模型Fig.2 Exhaust gas model of turbine

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

在計(jì)算三維流體時(shí),蝸殼內(nèi)部流體流動(dòng)要滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[16]。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式(1)中:ρ為流體的密度;t為時(shí)間;V為控制體的體積;A為控制體的表面積;v為流體的速度。

動(dòng)量守恒方程:

(2)

式(2)中:f為作用在控制體內(nèi)流體上的外力;FN為法向力;Fτ為切向力。

能量守恒方程:

(3)

式(3)中：u為流體的內(nèi)能;z為流體的相對(duì)高度;Q為傳熱率;Ws為軸功率;Wn為法向力的流動(dòng)功率;Wτ為切向力的流動(dòng)功率。

2.2 邊界條件

數(shù)值模擬必須按給定的幾何尺寸,由問題的物理特征出發(fā)確定計(jì)算區(qū)域,并給定該計(jì)算區(qū)域進(jìn)出口及各壁面或自由面處的邊界條件。邊界條件是否合理,往往是數(shù)值計(jì)算成敗的關(guān)鍵之一[17]。

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下所產(chǎn)生的邊界條件不同,本研究以發(fā)動(dòng)機(jī)最滿負(fù)荷狀態(tài)為研究對(duì)象,對(duì)渦輪增壓器渦輪殼進(jìn)行流固耦合計(jì)算分析。進(jìn)口邊界條件:依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),渦輪殼廢氣進(jìn)氣溫度858 K,渦輪殼廢氣進(jìn)氣壓力表壓為10.5 kPa,設(shè)氣流方向垂直于入口截面流入。出口邊界條件:依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),渦輪殼廢氣排氣溫度692 K,渦輪殼廢氣排氣壓力表壓為7.2 kPa,設(shè)氣流方向垂直于出口截面流出。渦輪殼材料選取高硅鉬球鐵,其計(jì)算所需要的各參數(shù)通過FLUENT直接創(chuàng)建該材料,周圍溫度為42 ℃。設(shè)置廢氣和渦輪殼體內(nèi)壁耦合壁面,設(shè)置為壁面類型wall,環(huán)境溫度315 K,渦輪殼體外表面與外界環(huán)境換熱主要是對(duì)流換熱,設(shè)定換熱系數(shù)為6 W/(m2·K)。

3 網(wǎng)格的劃分

利用ICEM-CFD軟件對(duì)計(jì)算模型劃分適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)模型中渦輪結(jié)構(gòu)體和廢氣分別劃分網(wǎng)格,并在關(guān)鍵流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)進(jìn)行了加密。渦輪殼體模型網(wǎng)格如圖3所示,內(nèi)部廢氣模型網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 渦輪殼體模型網(wǎng)格Fig.3 Mesh of turbine shell model

圖4 廢氣模型網(wǎng)格Fig.4 Mesh of exhaust gas model

4 計(jì)算結(jié)果與分析

假設(shè)渦輪殼內(nèi)廢氣為不可壓縮黏性湍流流動(dòng),其動(dòng)力學(xué)模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,收斂精度10-4。利用FLUENT軟件自帶的后處理器生成渦輪殼表面溫度云圖,還可得到渦輪殼內(nèi)部流體的溫度、速度及壓力云圖。

4.1 溫度場分布

圖5 渦輪殼溫度分布云圖Fig.5 Distribution nephogram of turbine shell temperature

渦輪增壓器渦輪殼溫度分布如圖5所示。從圖5(a)可以看出,殼體表面溫度大多分布在780～830 K之間。渦輪殼表面最高溫度分布在渦輪殼螺旋段靠近廢氣出口一側(cè),而最低溫度分布在渦輪殼靠近與中間殼體連接的區(qū)域。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是從渦輪殼螺旋段到渦輪殼廢氣出口渦輪殼體局部散換熱面積逐漸增大。

從圖5(b)可以看出,渦輪結(jié)構(gòu)體上溫度分布差異不明顯,溫度分布梯度較小,從渦輪殼螺旋段到廢氣出口,溫度分布呈逐漸下降的趨勢(shì)。從圖5(b)還可以看出,流體域溫度分布差異較為明顯,溫度分布梯度較大,從渦輪螺旋段到廢氣出口,溫度呈逐漸下降的趨勢(shì),且溫度從最高的858 K變到了最低的719 K。同時(shí),從流體域溫度分布還可以看出,從渦輪螺旋段到廢氣出口,中間的溫度低而兩側(cè)的溫度高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是渦輪殼體由于傳熱系數(shù)較大,因而溫度分布較為一致;而流體區(qū)域受流體傳熱能量及出口位置布置的影響,到渦輪出口段溫度降低才比較明顯。

4.2 壓力場分布

渦輪增壓器渦輪殼內(nèi)流體壓力分布如圖6所示。從圖6可以看出,流體域靜壓分布差異較為明顯,渦輪進(jìn)口段流體靜壓分布梯度較小,從渦輪螺旋段流固耦合面到螺旋段中心區(qū)域流體靜壓梯度呈逐漸增大的趨勢(shì),且流體靜壓逐漸變小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是螺旋段中心區(qū)域和渦輪出口連通,受到來自周圍流體的壓力影響。

圖6 渦輪殼內(nèi)流體壓力分布云圖Fig.6 Distribution nephogram of internal fluid pressure of turbine shell

4.3 速度場分布

渦輪增壓器渦輪殼內(nèi)流體速度分布如圖7所示。從圖7(a)可以看出,流體域速度分布差異較為明顯,從渦輪進(jìn)口段到渦輪螺旋段,流體速度呈增大的趨勢(shì)。從渦輪螺旋段流固耦合面到螺旋段中心區(qū)域,流體速度先增大后減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是廢氣在渦輪殼螺旋段受到進(jìn)口壓力的作用是個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的過程,另外廢氣運(yùn)動(dòng)從在螺旋段的徑向運(yùn)動(dòng)變到軸向運(yùn)動(dòng)伴隨著能量的損失,因而從渦輪螺旋段流固耦合面到螺旋段中心區(qū)域,流體速度先增大后減小。

圖7 渦輪殼內(nèi)流體速度分布云圖Fig.7 Distribution nephogram of internal fluid speed of turbine shell

從圖7(b)可以看出,流體域速度分布差異較為明顯,從渦輪螺旋段到渦輪出口,靠近壁面處流體速度較高而中間速度較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是廢氣運(yùn)動(dòng)從螺旋段的徑向運(yùn)動(dòng)變到軸向運(yùn)動(dòng)伴隨著能量的損失,越到中間區(qū)域能量的損失越大,因而表現(xiàn)出渦輪出口的速度中間低而兩邊高的分布趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

本研究利用FLUENT軟件對(duì)渦輪增壓器渦輪殼進(jìn)行流固耦合計(jì)算分析,得到渦輪殼表面溫度云圖及渦輪殼內(nèi)部流體的溫度、速度及壓力云圖，得出以下結(jié)論:

1)殼體表面溫度大多分布在780～830 K之間。渦輪殼表面最高溫度分布在渦輪殼螺旋段靠近廢氣出口一側(cè),而最低溫度分布在渦輪殼靠近與中間殼體連接的區(qū)域。渦輪殼體表面的溫度基本上保持在800 K左右,殼體表面溫度變化的梯度較小。

2)流體域靜壓分布差異較為明顯,渦輪進(jìn)口段流體靜壓分布梯度較小,渦輪螺旋段從流固耦合面到螺旋段中心區(qū)域流體靜壓梯度呈逐漸增大的趨勢(shì),且流體靜壓逐漸變小。

3)流體域速度分布差異較為明顯,從渦輪螺旋段到渦輪出口,靠近壁面處流體速度較高而中間速度較小。

渦輪殼體內(nèi)部流場較為復(fù)雜,為簡化起見,本研究未考慮增壓器內(nèi)的葉片模型的建立及其對(duì)增壓器內(nèi)部流體的影響;下一步要進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架的搭建,以便對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果提供分析正確性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。

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Calculationanalysisonturbineshellofturbochargerwithliquid-solidcouplingmethod

FANG Hailong1, LI Qipeng1, SONG Deyu1, TAN Yaxian2, ZHOU Suhua2

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China;2.Hangcha Group Co. Ltd, Hangzhou 311305, Zhejiang, China)

This paper generated a geometric model with the use of solidworks 3D software by targeting the turbine shell of a certain turbocharger. To begin with, this paper meshed the model by utilizing the ICEM-CFD software, and then simulated heat transfer and fluid flow inside the turbine shell as well as the coupled heat transfer between the fluid and the turbine shell, by applying the FLUENT software, as a result of which the internal fluid pressure and speed distribution, and shell surface temperature distribution were obtained. The results show that fluid speed and pressure are relatively high near the wall and significantly reduced near the spiral central area, while the temperature is quite evenly distributed on the shell surface. The results provide a reference for optimization of the turbocharger structure.

turbocharger; turbine shell; liquid-solid coupling method; FLUENT

U464.135.2

A

1671-8798(2017)05-0376-05