基于FLUENT的車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場(chǎng)研究

劉湘玲 劉政伍

摘要：為適應(yīng)節(jié)能減排趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排性能近年來(lái)受到業(yè)界高度重視，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用也開始受到廣泛關(guān)注?；诖耍疚膶?yīng)用FLUENT軟件研究車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場(chǎng)，研究證明FLUENT軟件在計(jì)算三維流場(chǎng)數(shù)值方面具備較高實(shí)用性，且研究中單缸機(jī)上設(shè)置的渦輪增壓器工作狀況良好。

Abstract： In order to adapt to the trend of energy saving and emission reduction， the energy saving and emission reduction performance of engines has been highly valued by the industry in recent years， and the application of turbocharging technology has also begun to receive extensive attention. Based on this， this paper will use FLUENT software to study the three-dimensional flow field in the volute of a turbocharger for vehicles. The research proves that the FLUENT software has high practicality in calculating the three-dimensional flow field value， and the turbocharger set on the single-cylinder engine in the research The device is in good working condition.

關(guān)鍵詞：車用渦輪增壓器;蝸殼;三維流場(chǎng);FLUENT

Key words： turbocharger for vehicle;volute;three-dimensional flow field;FLUENT

中圖分類號(hào)：U464.135+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0029-03

0? 引言

廢氣渦輪增壓技術(shù)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的主流途徑之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能夠在該技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足提升。作為廢氣渦輪增壓技術(shù)的核心部件，渦輪增壓器由渦輪和壓氣機(jī)組成，為保證廢氣渦輪增壓技術(shù)能夠更好提升發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排性能，本文將圍繞具備質(zhì)量輕、尺寸小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性的無(wú)葉蝸殼開展三維流場(chǎng)研究。

1? 模型選擇

本文研究的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)屬于改裝Ricardo E6單缸機(jī)的產(chǎn)物，渦輪增壓器選擇Honeywell GT2052，發(fā)動(dòng)機(jī)性能在渦輪增壓器應(yīng)用后提升顯著，結(jié)合計(jì)算獲取的渦輪入口處的相關(guān)參數(shù)，即可為車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場(chǎng)研究提供依據(jù)。由于渦輪增壓器內(nèi)部存在遵循能量守恒、動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒定律的氣體流動(dòng)過程，為深入了解蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)，需結(jié)合FLUENT軟件和CFD進(jìn)行研究，通過對(duì)物理法則、流動(dòng)模型的優(yōu)選，并基于法則選取數(shù)值計(jì)算方法，因此具體研究圍繞可壓縮粘性流體的控制方程進(jìn)行。假定流場(chǎng)某一有限區(qū)域內(nèi)存在封閉體積，如空間中該體積不會(huì)因流體流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，可將其視作熱力學(xué)開口系統(tǒng)，如其因流體流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)且其體積內(nèi)部存在始終包含的內(nèi)部流體單元，可將其視作熱力學(xué)閉口系統(tǒng)。通過在兩種系統(tǒng)中應(yīng)用物理法則于體積上，積分形式控制方程可針對(duì)性獲取。如假設(shè)某一流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)存在的流體單元無(wú)限小，且能夠滿足微分計(jì)算條件，如其內(nèi)部存在大量分子，這類流體單元可以被視作連續(xù)體，隨著流體流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的連續(xù)體也能夠保持不動(dòng)。需將物理法則用于各類微元體，以此得到微元體控制方程[1]。

2? 控制方程

2.1 連續(xù)性方程

為保證控制體流入和流出的流體質(zhì)量相等，式（1）所示的連續(xù)性控制方程需要設(shè)法滿足。

（1）

式中的？籽、t、v分別為氣體密度、時(shí)間、氣缸容積。

2.2 動(dòng)量守恒方程

為保證微元體上作用的各力之和與微元體中流體動(dòng)量增加率相等，需保證存在滿足動(dòng)量守恒方程的流經(jīng)微元體流體，由于本文圍繞牛頓流體開展研究，因此選擇粘性切應(yīng)力公式，可由此得到三個(gè)速度分量的動(dòng)量守恒方程。

上述三個(gè)方程適用于湍流和層流，但求解計(jì)算在湍流形式下開展會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度及內(nèi)存提出較高要求。在具體操作中，求解計(jì)算多圍繞方程組中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)進(jìn)行，并應(yīng)用時(shí)均法，為滿足湍流的特性并保證方程的封閉性，求解計(jì)算還需要補(bǔ)充其他方程[2]。

2.3 能量守恒方程

引入傅里葉定律、溫度T、比焓h，可得到能量守恒方程為：

（5）

機(jī)械功在粘性作用下轉(zhuǎn)化為熱能部分表示為？椎，流體內(nèi)熱源表示為Sh，可基于式（6）確定？椎值。

（6）

式中的代表表面力對(duì)微元體做的功，一般可以忽略。

2.4 通用控制方程

選擇服從通用守恒準(zhǔn)則的因變量，包括w、v、u等，可由此得到通用控制方程：

（7）

式中S？準(zhǔn)的代表通用因變量。研究?jī)H關(guān)注方程的解，基于通用方程特殊情況對(duì)待所有微分方程，計(jì)算時(shí)間因此縮短，通用方程基于編制程序求解也順利實(shí)現(xiàn)。

2.5 湍流模型

對(duì)于存在三維不規(guī)則流動(dòng)的湍流，其本質(zhì)上屬于涉及旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)，時(shí)間與空間變化會(huì)導(dǎo)致其壓力、速度等物理參數(shù)改變，在近年來(lái)的相關(guān)研究中，多種湍流模型被提出，如k-？棕模型、k-？著模型等，本文研究采用k-？著模型作為研究用湍流模型。通過引入湍流動(dòng)能和耗散率方程，k-？著模型可實(shí)現(xiàn)方程組封閉，該模型涉及的假設(shè)包括存在正比關(guān)系的湍流平均應(yīng)變速率和應(yīng)力、湍流的特征長(zhǎng)度可完美表示、渦流粘度可通過兩個(gè)參數(shù)表示、存在線性相關(guān)的湍流應(yīng)變速度和應(yīng)力，本文研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-？著模型[3]。

3? 車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場(chǎng)分析

3.1 數(shù)值差分格式

假定單元中心變量在計(jì)算需要一階精度時(shí)屬于所有單元內(nèi)變量的值，且內(nèi)部的量與表面的量相等，因此計(jì)算在選用一階迎風(fēng)格式時(shí)，設(shè)定迎風(fēng)單元中心值為表面值。對(duì)于需要達(dá)到二階精度要求的計(jì)算，表面值計(jì)算一般選擇表面值，單元表面的二階精度實(shí)現(xiàn)需得到中心解的泰勒展開式支持，具體計(jì)算為：

（8）

式中的？準(zhǔn)、準(zhǔn)分別為單元中心值、迎風(fēng)單元的中心至表面的位移矢量、迎風(fēng)單元梯度值。

3.2 蝸殼內(nèi)流場(chǎng)幾何模型

為建立蝸殼流道三維模型，研究采用的軟件為Pro/Engineer，作為典型的自動(dòng)化建模軟件，該軟件以參數(shù)化設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ)，主要的模型創(chuàng)建依據(jù)為尺寸數(shù)值，所需模型可依托智能特性功能生成，如葉片、蝸殼、葉輪等。由于軟件在統(tǒng)一基層上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，因此修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤僅需要圍繞對(duì)應(yīng)模塊開展即可，無(wú)需修改整個(gè)模型。

蝸殼內(nèi)的流道屬于研究的計(jì)算區(qū)域，因此可通過幾何實(shí)體對(duì)該流道模型進(jìn)行表示，對(duì)于存在不規(guī)則特點(diǎn)的蝸殼內(nèi)流道，建模的難度較高，因此處理需基于渦輪增壓器開展，將蝸殼內(nèi)流道部分從原模型中取出，用于研究的三維模型可順利獲得。通過抽取原始模型獲取蝸殼流道模型，可得到更加精確的幾何參數(shù)，蝸殼流道形狀的更真實(shí)還原也能夠?qū)崿F(xiàn)，按照stp格式轉(zhuǎn)化蝸殼內(nèi)的流道模型，即可向GAMBIT軟件中導(dǎo)入，該前處理軟件負(fù)責(zé)網(wǎng)格處理。作為CFD計(jì)算的國(guó)內(nèi)外主流軟件，F(xiàn)LUENT由兩部分組成，包括FLUENT、GAMBIT，即核心求解器、網(wǎng)格處理模塊。網(wǎng)格處理模塊中的固有的模塊可用于實(shí)體模型生成，同時(shí)支持導(dǎo)入其他軟件建立的模型，通過結(jié)構(gòu)化、混合等多種網(wǎng)格的生成，網(wǎng)格處理模塊能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供依據(jù)。計(jì)算區(qū)域的數(shù)值計(jì)算在軟件中采用有限容積法，該方法存在廣泛應(yīng)用范圍，能夠用于解決傳熱介質(zhì)、跨音速流、超音速流、非定常流、攪拌混合、剪切分離流動(dòng)等問題，軟件提供的多種算法及物理模型在其中發(fā)揮著重要作用。

3.3 網(wǎng)格處理

對(duì)于CFD模型來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格屬于其幾何表達(dá)形式，同時(shí)屬于分析和模擬的載體，計(jì)算的效率和精度會(huì)直接受到網(wǎng)格質(zhì)量影響。結(jié)合研究可以發(fā)現(xiàn)，收斂的速度受到的網(wǎng)格劃分質(zhì)量影響也較為顯著，如存在較差劃分質(zhì)量，殘差不收斂或收斂緩慢情況很容易在計(jì)算過程中出現(xiàn)。如CFD問題較為復(fù)雜，網(wǎng)格的生成很容易出錯(cuò)且需要耗費(fèi)大量時(shí)間。

在本文研究劃分網(wǎng)格的過程中，主要遵循三方面原則：

第一，網(wǎng)格數(shù)量。

計(jì)算規(guī)模和計(jì)算精度會(huì)受到網(wǎng)格數(shù)量影響，因此必須設(shè)法權(quán)衡網(wǎng)格數(shù)量增多帶來(lái)的計(jì)算精度提升和計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)，設(shè)法確定最佳結(jié)合點(diǎn);

第二，網(wǎng)格疏密。

幾何模型上數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)需要設(shè)法適應(yīng)，因此網(wǎng)格劃分需選擇大小不同網(wǎng)格用于不同結(jié)構(gòu)部位處理，對(duì)于數(shù)據(jù)密集、參數(shù)變化大的部位，需保證網(wǎng)格較為密集，更好實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)變化規(guī)律的反映，反之則需要保證網(wǎng)格較為稀疏;

第三，貼體邊界。

與邊界線正交的網(wǎng)格線也需要設(shè)法實(shí)現(xiàn)，也可以保證二者接近正交，離散誤差減少、計(jì)算精度提升可順利實(shí)現(xiàn)。還應(yīng)保證存在與流動(dòng)方向盡量一致的網(wǎng)格線，以此減少假擴(kuò)散誤差，具體需要基于實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格更新，更好滿足計(jì)算需要。

3.4 蝸殼邊界條件設(shè)置

研究選擇質(zhì)量入流作為氣流進(jìn)口處邊界條件，以此給定渦輪機(jī)入口處相應(yīng)條件，如密度、壓力、溫度等，給定屬于循環(huán)平均值的質(zhì)量流量及總壓，以沿入口法線方向進(jìn)入為速度方向定義。壓力出口邊界用于蝸殼出口處，對(duì)于無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的噴嘴環(huán)出口數(shù)據(jù)，基于0.5的渦輪反力度進(jìn)行估算，估算結(jié)果為124987Pa，將其作為邊界條件，絕熱邊界條件用于壁面溫度，無(wú)滑移邊界用于壁面速度。忽略重力對(duì)流場(chǎng)帶來(lái)的影響，同時(shí)將能量方程引入計(jì)算過程。

3.5 仿真結(jié)果及分析

湍流流場(chǎng)基于微分方程的直接求解難度過高，因此研究對(duì)平穩(wěn)湍流流動(dòng)的求解選擇時(shí)均法。受脈動(dòng)值影響，存在大于方程個(gè)數(shù)的方程中未知數(shù)個(gè)數(shù)，對(duì)于無(wú)法封閉的方程，需組成k-？著雙方程模型。選擇隱式格式求解，穩(wěn)態(tài)解可通過耦合求解獲取，結(jié)合上述邊界條件，開展502次迭代，結(jié)果收斂，蝸殼出、入口處質(zhì)量流量存在1/1000內(nèi)的相差，質(zhì)量守恒定律得以滿足。圍繞1400rpm轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)開展數(shù)值計(jì)算，可得到渦輪內(nèi)部速度矢量場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、湍流強(qiáng)度、湍流動(dòng)能，以及避免切應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。開展針對(duì)性分析可以發(fā)現(xiàn)，單缸機(jī)上渦輪增壓器的工作情況得到直觀展示。蝸殼內(nèi)部存在較為均勻的壓力場(chǎng)、壓力場(chǎng)溫度場(chǎng)分布，這說(shuō)明單缸機(jī)上渦輪增壓器能夠穩(wěn)定工作，可持續(xù)利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，受氣體粘性影響，蝸殼近壁面處產(chǎn)生的附面層對(duì)速度和壓力存在一定影響，較低流速和較高壓力在近壁面處產(chǎn)生。通流截面收縮在靠近噴嘴區(qū)域處較快，氣體的宏觀動(dòng)能由一定壓力轉(zhuǎn)化，提升較快的噴嘴環(huán)處速度使得壓力出現(xiàn)一定下降。受交匯碰撞的出、入口氣流影響，渦舌處存在不穩(wěn)定流動(dòng)的少量氣體，異常流場(chǎng)會(huì)隨之形成，導(dǎo)致速度和壓力下降、溫度過高。開展湍流運(yùn)動(dòng)分析能夠確定，蝸殼內(nèi)存在整體層面較為穩(wěn)定的氣體流動(dòng)，一定湍流僅產(chǎn)生于渦舌處，但這對(duì)渦輪增壓器穩(wěn)定工作帶來(lái)一定制約，具體設(shè)計(jì)必須設(shè)法改進(jìn)。分析壁面切應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，相較于其他部分，噴嘴處的壁面存在明顯較高的切應(yīng)力，這源于流道漸窄、氣體流速較高影響，靠近噴嘴處存在大于其他部分的垂直于流動(dòng)方向速度。

4? 結(jié)論

綜上所述，車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場(chǎng)研究存在較高現(xiàn)實(shí)意義。為更好開展渦輪增壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，實(shí)際改裝探索、非穩(wěn)態(tài)計(jì)算開展、葉輪內(nèi)流場(chǎng)影響研究同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士重視。

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