汽車渦輪增壓器壓氣機噪聲的計算氣動聲學模擬

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汽車渦輪增壓器壓氣機噪聲的計算氣動聲學模擬

【美】A.KarimK.MiazgowiczB.LizotteA. Zouani

摘要：汽油機領域增壓技術(Eco-Boost)的問世為技術人員帶來新的挑戰。挑戰之一是在非設計工況下，進入渦輪增壓器的氣流會產生氣流噪聲。在某些運行工況下，當進氣質量流量和壓比達到某一數值時，壓氣機葉輪表面氣體分流會產生寬頻噪聲，被稱為“嘯叫”噪聲。可以用增壓器吹風試驗和發動機臺架試驗來檢測這種氣體流動噪聲。為了開發一種有效的設計，有必要了解這種噪聲產生的基本機理。介紹為研究進氣條件對嘯叫噪聲的影響而進行的計算氣動聲學分析，包括整個壓氣機葉輪和渦殼在內的三維計算流體動力學模擬。該增壓器葉輪由6個主要葉片和6個分流葉片組成。基于計算機輔助工程的結果，提出一種壓氣機引導邊緣入口臺階與進口導向葉片(或旋轉葉片)組合的方案，以降低嘯叫噪聲，并通過試驗證實這種創新設計的有效性。

關鍵詞：渦輪增壓器壓氣機計算流體動力學計算氣動聲學模擬

0前言

汽油機領域增壓技術(Eco-Boost)的問世對渦輪增壓器的噪聲-振動-平順性(NVH)帶來了新的挑戰。增壓器產生的各種噪聲和振動覆蓋了16000Hz的可聞噪聲，主要從進氣系統、排氣系統，和/或壓氣機出口向外輻射。這些噪聲在車輛中都是不能被接受的。

增壓器的NVH問題首先與設計和制造能力相關，例如，不平衡旋轉力、渦輪軸承的共振，以及壓氣機葉輪的尺寸偏差均會使增壓器產生無法接受的噪聲[1]。另外，還與增壓器的運轉工況相關，例如，在收油門工況下，由于喘振，壓氣機出口會產生嘯叫噪聲[2]；當增壓器在低流量和低轉速工況下運轉時，壓氣機進口也會產生嘯叫噪聲[3,4]；當增壓器在高流量和低轉速工況下運轉時，壓氣機進口會產生所謂“吹氣噪聲”[5]。嘯叫噪聲和吹氣噪聲是壓氣機進口或出口處產生空氣動力學湍流的結果。

為了滿足用戶需求，不得不采用昂貴的裝置來減少上述增壓器噪聲。例如，在排氣系統中設置緩沖器和去耦合裝置，在壓氣機進口導管中設置高頻諧振腔和渦流導向葉片，在壓氣機出口導管中設置聲學共振腔和擴張室。

本文的重點是了解在不同轉速和流量情況下壓氣機葉輪進口處的氣流動力學特性。在特定的轉速和低流量情況下，進入壓氣機氣體的有效流入角度與壓氣機的葉片是不相切的。在這種情況下，氣體的流量波動較大，會導致氣流較早從葉片吸氣面發生分離。根據氣流分離的嚴重程度，湍流產生的動能會增大，從而在壓氣機進口上游產生嘯叫噪聲。本文采用三維計算流體動力學(CFD)模型來了解氣體流動的動力學特性。根據分析結果，在壓氣機進口處設計1個引導邊緣臺階，以降低嘯叫噪聲的量級。試驗證明，這種低成本的創新技術是有效的。

1背景

研究人員已經通過飛機著陸前的噪聲圖像，對低流速和較大迎角情況下機翼的聲學特性進行研究，并對此有了很好的了解。飛機翼面的噪聲是由機翼葉片與其自身的臨界層和尾流區域的湍流相互作用產生的。在機翼氣流分離時形成湍流臨界層，機翼后緣噪聲會比小迎角情況下產生的噪聲大10dB以上。

在渦輪增壓器非設計工況下，壓氣機進口也會產生類似上述機翼氣流的現象。在發動機低轉速和高扭矩，以及恒定的增壓器轉速下，壓氣機轉子葉片的氣流迎角增大，會使增壓器壓氣機進口的氣流量減少。當氣流量減少時，增壓器非設計工況下的聲學特性使壓氣機產生一種輕柔的喘振氣流噪聲。在這種工況下，壓氣機會出現氣流分離，從而導致具有嘯叫噪聲特征的氣流噪聲增大。進入壓氣機的氣流量進一步減少，產生極端的逆流現象，即壓氣機喘振。

研究的重點是壓氣機轉子進口氣流的軸向速度和切向速度。當葉片氣流開始分離、壓氣機接近喘振狀態，靠近葉片頂部的逆流增大，從而使壓氣機進口的有效流動面積減少。在壓氣機氣流分離區域之外的氣流會加快，從而在壓氣機進口速度流場中增加1個預渦流分量[8]。在壓氣機的上游增加進口引導葉片，使氣流分離區內保持1個渦流速度分量，能降低由氣體分流產生的噪聲強度。

2三維CFD

將計算氣動聲學(CAA)作為CFD求解方案的一部分，解析聲壓的波動情況。在本文的CAA分析中，采用大渦流模擬法和用于子網格應力張量的渦流-黏性模型來模擬湍流。計算所用數據是在壓氣機進口和出口采集的。為保存壓氣機輻射的聲學信息，數據采集系統安置在靠近噪聲源壓氣機葉輪的地方。為了將數值彌散和噪聲信號分散減到最小，采用特定的網格密度、時間步長和適當的邊界條件，以減少邊界反射。

采用一種基于Navier-Stokes方程求解器的通用有限元CFD計算軟件。利用耦合隱式方法求解控制方程。采用SIMPLE算法計算壓力速度耦合。采用序列二次規劃法進行多次迭代，將每個時間步長的殘留值降低到可接受的數值，從而保持較高的柯郎數，且不會降低求解精度。

采用整個壓氣機葉輪和渦殼進行三維CFD模擬，葉輪由6個主葉片和6個分葉片組成。

3CFD模型和測量

CFD模型包括壓氣機進口導管、轉子、擴壓器和渦殼(圖1)。

計算范圍由3個區域組成，并通過任意接口連接。由壓氣機進口與壓氣機葉輪之間的表面，以及擴壓器與渦殼之間的表面確定壓氣機葉輪相對運動所需的網格接口。圍繞壓氣機葉輪接口之間的可調網格允許這樣的相對運動，而對于葉輪，則將其作為剛性旋轉物進行模擬。各區域網格的參數是不同的。采用多面體網格來處理3個區域的幾何離散化。

設定壓氣機進口停滯的壓力邊界條件，同時設定壓氣機出口的氣體質量流量。在進口處，壓力邊界條件必然會影響最終的流體計算結果。如圖1所示，為了盡可能避免壓力反射影響，在壓氣機進口幾何結構上增加一段合理的長度。在不同壓氣機進口條件(有進口導向葉片、導流槽或有引導臺階)下進行CFD模擬。在本文插圖中，不同進口條件會采用以下簡稱： 無導流槽無導向葉片(NGNS)；只有導流槽(WGNS)；只有旋轉葉片(NGWS)；有導流槽有葉片(WGWS)；有引導邊緣入口臺階有導向葉片(ISWS)。在CFD模型中，壓氣機進口處采用的導向葉片、導流槽和引導邊緣入口臺階如圖2所示。

CFD模擬的壓力信號是在壓氣機的進口和出口采集的，及時采集并記錄不同工況下的壓力和表面平均壓力信號。來自測點的實測壓力信號經快速傅里葉變換(FFT)處理后用于頻譜分布和聲壓級(SPL)計算。本文關注的聲壓級頻率范圍是6~12kHz，這是典型的嘯叫噪聲頻率范圍。在2種壓氣機轉速，以及2種不同的氣體質量流量下進行CFD模擬，壓氣機特性曲線圖上標記的相應測點如圖3所示。

4CFD計算結果和討論

對不同進氣條件下壓氣機進口處的氣流嘯叫噪聲與原始情況(NGNS)下的壓氣機噪聲進行比較。

在只有導向葉片的情況下，氣體流動噪聲與壓氣機進口的氣體質量流量相關： 在較低的質量流量(較小雷諾數)和較低轉速時(測點1)，有導向葉片的壓氣機噪聲比原始情況下的改善約1.5dB(圖4)。

在較高的質量流量(較大的雷諾數)和轉速(測點2)狀態下，只有導向葉片的壓氣機聲壓級比原始情況(NGNS)的略有增加(圖5)。為了解在有導向葉片情況下的壓氣機進氣狀態，圖6和圖7給出了導向葉片下游氣流速度場的切向速度分量。

在較高的質量流量(較大雷諾數)時，氣流由慣性力占主導地位(雷諾數Re=慣性力/黏滯力)。因此，在氣流進入壓氣機時，經過導向葉片的氣流沒有在葉片下游產生連貫的渦流。相反，導向葉片會使每個葉片后產生離散尾流(圖7)。這些離散尾流進入壓氣機后就相當于一種干擾，這種干擾會增大嘯叫噪聲的量級。

在較低的質量流量(較小雷諾數)下，氣流由黏滯力占主導地位。當氣流進入壓氣機時，通過黏滯力的相互作用，經過導向葉片的氣流在壓氣機旋轉方向會產生連貫的渦流。這個在壓氣機旋轉方向的渦流會改變氣流與壓氣機葉片的相對氣流角，并有助于降低嘯叫噪聲。

另一方面，在有進口導流槽的情況下，氣流引起的噪聲水平與回流量有關。在固定的葉輪轉速下，當質量流量降低時，回流區域會在葉輪周邊擴大。隨著進氣質量流量的降低，壓比上升。壓氣機上游壓力較低，在某種程度上，壓氣機就無法維持這種逆向的壓力梯度。因此，回流區域會在葉輪周邊擴大，并且回流量會隨著質量流量的降低而變大。

在較高的壓氣機進口質量流量處(測點2)，由于回流量較少，如只采用導流槽，則聲壓級有所降低。在較低的壓氣機進口質量流量處(測點1)，因為增加的回流量累積在導流槽中，如只采用導流槽，則聲壓級有所上升。這是由于在較低的壓氣機進口質量流量下，會在容積有限的導流槽內積累大量的回流，迫使一些氣體從槽內橫向流出，對進來的氣流產生強烈的干擾，因此增加氣流噪聲。圖8為有導流槽和無導流槽時葉輪進口周邊的壓力信號。無進口導流槽時的壓力信號顯示，有6個與主葉片相關的截然不同的峰值。有進口導流槽的壓力信號顯示，有較多的壓力峰值，而不是只有6個，這些壓力峰值可能與因導流槽容積小而溢出槽外的橫向氣流有關。

圖9顯示了在有導流槽和無導流槽情況下，通過導流槽平面中部的流場。在無導流槽情況下，橫截面上沒有看到橫向氣流。

在有導流槽的情況下，氣體會累積在導流槽內，由于導流槽本身容積有限，氣體會橫向流出槽外。區別于氣流橫向流動區域的垂直截面氣流情況如圖10所示，圖中清楚地顯示出氣流從導流槽向外流動的現象。

還有一個值得注意的要點是，在0°測點位置，可以觀察到每轉出現的大片壓力峰值。測點2在180°位置，與測點1相隔180°，這時也可觀察到大片壓力峰值，這表明該壓力峰值與導流槽外的橫向氣流有關。

了解了葉片引導邊緣處這一有限容積導流槽的特性后，取消導流槽的引導邊緣壁，形成被稱為“入口臺階”的無邊導流槽。

對壓氣機進口入口臺階與導向葉片相組合的結構進行試驗，以分析其減輕壓氣機嘯叫噪聲的效果。入口臺階位于壓氣機主葉片的引導前緣。圖11的速度場顯示出入口臺階改變壓氣機進口氣流狀態的機理。來自壓氣機引導前緣的泄漏氣流在壓氣機旋轉方向有1個強烈的旋轉速度分量。

泄漏氣流會在壓氣機進口主輸入氣流的周圍形成沿壓氣機旋轉方向的渦流，并且，泄漏氣流軸向分量引起的渦流會在進氣流周圍延伸一段長度。這個在壓氣機旋轉方向的渦流能改變壓氣機葉片的相對氣流角，改善嘯叫噪聲和壓氣機性能。采用入口臺階與導向葉片的組合后，降低嘯叫噪聲的效果與原始情況(NGNS)的比較在前文中已介紹過(圖4和圖5)。

分析表明，在壓氣機進口采用入口臺階與導向葉片組合的結構后，在測點1和測點2的嘯叫噪聲分別比原始情況降低約10dB和5dB。

圖12為不同進口條件下的壓氣機出口表面平均壓力。在有進口導流槽的情況下(有導流葉片或無導流葉片)，壓氣機出口的時間平均壓力比其他進口條件的低，而其峰值間壓力波動則比其他進口條件的高。入口臺階與導向葉片組合時，壓氣機平均出口壓力與原始情況(NGNS)的最為接近，其壓力波動最小。

5試驗結果

為了證實入口臺階的性能優于導流槽，選取1套適合該結構的壓氣機殼體，將其安裝在1臺V6發動機的左右渦輪增壓器上。在符合SAE J1074標準的動力總成半消聲室內進行渦輪增壓器的嘯叫噪聲測量，單獨進行吸入孔噪聲的測量試驗。

通過測試，獲得發動機全負荷運轉時距右邊增壓器1.0m處的輻射噪聲圖譜。圖13為有進口導流槽時的數據；圖14為有入口臺階時的數據。

根據主觀評估結果，在發動機轉速1500～3000r/min時，嘯叫噪聲在4.0～12.7kHz最為突出。圖15顯示了4.0～12.7kHz頻率范圍內的嘯叫噪聲，結果表明，采用入口臺階能使總噪聲級降低2.0～3.5dB。入口臺階不僅能降低嘯叫噪聲的峰值，還能消除采用導流槽時出現的第2峰值。

吸入孔的噪聲測試結果也表明，進氣系統進口處的嘯叫噪聲有所降低。圖16的數據表明，嘯叫噪聲降低2dB以上。

6結語

作為CFD方案的一部分，采用CAA方法了解聲壓波動情況。基于壓氣機葉輪前瞬態壓力信號的FFT處理，計算出不同進口條件下6～12kHz之間的嘯叫噪聲聲壓級。

(1) 只有導向葉片時，壓氣機進口聲壓級與壓氣機進氣質量流量(雷諾數)相關。在較高的壓氣機質量流量下，導向葉片不能在葉片后產生有序的渦流，因而會增加嘯叫噪聲。在較低的壓氣機質量流量下，導向葉片能夠在壓氣機進氣流中產生連貫的渦流。這一連貫的渦流在進氣流中能改變旋轉葉片與進氣流之間的有效流動角，因而能使氣流噪聲比原始情況的低。

(2) 進口導流槽能降低嘯叫噪聲，但會導致出口壓力較低，并且壓力波動較大。另外，進口導流槽不能在壓氣機特性曲線圖的所有流量范圍內發揮有效作用。采用進口導流槽時，氣流噪聲顯示出一定的回流。在較高的壓氣機進氣質量流量下，如只采用導流槽，聲壓級降低，回流量較少；在較低的壓氣機進氣質量流量下，如只采用導流槽，會因回流累積在導流槽內而使聲壓級上升。

(3) 入口臺階與導向葉片相結合能充分利用泄漏氣流的渦流分量，因而在減輕嘯叫噪聲方面更為有效。采用有導向葉片的引導邊緣入口臺階時，與原始情況(NGNS)相比，出口壓力沒有損失，并且在壓氣機低質量流量和中等質量流量下的壓力波動明顯減少，此時存在一定程度的回流。在高質量流量時不存在回流，可能會有一些出口壓力損失。在中低質量流量范圍內，回流氣體會在葉輪引導邊緣處泄漏，而入口臺階與導向葉片組合能加大壓氣機葉片的相對流動角，因而能降低氣流噪聲。

參考文獻

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袁自遙譯自SAE Paper 2013-01-1880

朱炳全校對

虞展編輯

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簡訊

上汽大通V80節油挑戰賽刷新輕客百公里燃油耗5.5L新記錄

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何丹妮虞展供稿

收稿日期：( 2014-10-21)