不同結構離心壓氣機內部流動特性的數值分析

賴晨光，莊　嚴，段孟華，曾宏強

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶　400054)

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不同結構離心壓氣機內部流動特性的數值分析

賴晨光，莊嚴，段孟華，曾宏強

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶400054)

摘要：為了研究擴壓器出口相對蝸殼位置對離心壓氣機內部流動特性的影響，采用ANSYS-Fluent軟件對包含進氣道、旋轉葉輪、無葉擴壓器和非對稱蝸殼的離心壓氣機進行了整機全流道數值模擬，分析兩種不同結構形式壓氣機的內部流動特性。計算結果表明：擴壓器出口相對蝸殼位置對壓氣機性能有明顯影響；在設計工況下，非內嵌式擴壓器與蝸殼組合方式的壓比高于內嵌式，整機氣動噪聲要低于內嵌式；但隨著流量的增加，內嵌式壓氣機的性能優于非內嵌式，且轉速對整機噪聲的影響甚微。這一結果將為改善擴壓器與蝸殼的組合方式提供參考。

關鍵詞：壓氣機；數值模擬；內部流動特性；氣動噪聲

隨著汽車工業的不斷發展，廢氣渦輪增壓已經成為現代汽車的標準配置。離心壓氣機作為廢氣渦輪增壓器的重要組成部分，主要由進氣道、葉輪、擴壓器和蝸殼組成，其性能的優劣對發動機的燃油經濟性和排放有重要影響。

由于壓氣機受到自身內部葉輪旋轉以及各部件之間的耦合影響，其內部的氣體流動情況十分復雜[1]。因此對壓氣機的研究由最初對單一部件的優化過渡到考慮各部件之間的相互耦合作用對壓氣機整體性能的影響上，但多集中于壓氣機與葉輪或者擴壓器等的匹配上[2-6]，同時蝸殼與擴壓器對壓氣機性能的影響的研究成果還不多見。然而擴壓器和蝸殼之間強烈的相互作用表明：二者對壓氣機內部氣體流場和聲場有顯著的影響，壓氣機性能的進一步提升需要對兩者同時進行優化。本文針對二者的位置關系提出了2種不同結構，并對這2種結構的壓氣機進行了數值模擬分析，模擬時充分考慮其他各部件之間的相互作用，以使模擬結果更加符合真實的流動狀況。本次模擬結果對2種壓氣機的流場和聲場進行了分析，為以后壓氣機蝸殼與擴壓器的匹配設計提供了參考和依據。

1計算模型與控制

1.1計算模型

本次計算以車用發動機廣泛使用的JP60渦輪增壓器離心壓氣機為基本模型[7]，根據擴壓器出口與蝸殼的相對位置關系，建立了2種壓氣機模型：內嵌式與非內嵌式。模型具體幾何參數如下：前傾后掠式葉片，長短交替布置，葉片數各為6個；擴壓器采用無葉等寬型；設計流量Q=0.115 kg/s，設計壓比ε=2.12，葉輪轉速n=120 000 r/min。本次計算模型中忽略了葉輪的葉頂間隙[8]，蝸殼按照等環量原則設計，壓氣機幾何模型如圖1所示。

圖1　壓氣機幾何模型簡圖

1.2網格劃分

本次計算模型的葉輪部分采用BladeGen軟件建模，其他部分在CATIA軟件中建模，之后在ICEM-CFD中對壓氣機的3個域單獨劃分四面體非結構網格，然后進行合并。為保證結果的準確性，對葉輪部分采用全流道模型，合并之后的全局網格如圖2所示。

圖2　全局網格

1.3研究方法

本文將計算域分為進氣道、葉輪流道以及擴壓器和蝸殼流道。其中進氣道、擴壓器和蝸殼流道定義為靜止計算域，葉輪流道定義為旋轉計算域。計算在ANSYS Fluent軟件中進行，邊界條件設定為流量入口和壓力出口，并選定軸向進氣。旋轉區域與靜止區域之間采用interface邊界來處理域與域之間的耦合連接，流場信息通過共享交界面傳遞并且相互影響。

2計算結果與分析

2.1壓比特性分析

通過調節流量邊界對兩種結構的壓氣機進行了3種不同轉速工況下的數值計算，得到了2種結構方案的壓比特性曲線，如圖3所示。從圖中可以看出：不同方案下，壓氣機的壓比都隨著流量的增大而降低，但是在設計流量點偏后工況附近，壓比曲線出現交叉點。在此點之前，非內嵌式壓氣機的壓比高于內嵌式；在此點之后，內嵌式壓氣機的壓比優于非內嵌式，且隨著流量的增加，這種趨勢越來越明顯，并不以轉速的改變而改變。顯然，擴壓器出口相對于蝸殼的位置關系對壓氣機的性能有一定的影響。

圖3　壓比特性曲線

2.2流場分析

圖4為設計工況下蝸殼與擴壓器壁面靜壓分布云圖。從圖中可以看出：從擴壓器進口到出口靜壓持續增大；沿著蝸殼旋轉方向，靜壓也逐漸增大，這說明靜壓在蝸殼內逐漸得到了回收；同時，在蝸殼內靜壓沿著旋轉軸半徑方向逐漸增大，并在蝸殼外壁面處達到最大值。但是，對比蝸殼出口附近的靜壓值可見：該工況下非內嵌式壓氣機的增壓效果比內嵌式壓氣機的增壓效果好。這是因為內嵌式壓氣機的結構形式導致蝸殼入口處氣流流動截面小于非內嵌式壓氣機，同時在蝸殼內旋轉回來的二次氣流對蝸殼進口處氣流產生較大的沖擊，相當于減小了蝸殼入口處氣流流動的截面面積，增加了該區域氣流流速，再加上氣體在離心力作用下向徑向外壁面處偏移，對該壁面區域附近的氣體形成擠壓，以至于在沿著徑向增大的蝸殼壁面區域形成高速區，使得沿該處的靜壓減小，進而顯示內嵌式壓氣機蝸殼壁面的靜壓整體趨勢比非內嵌式壓氣機蝸殼壁面的靜壓小(見圖4)。

圖4　壁面靜壓分布云圖

圖5為設計工況下不同蝸殼截面上的速度矢量，可以看出：氣體在蝸殼內做螺旋狀向前流動，并且隨著蝸殼截面面積的增大，氣體流速逐漸減小。但是由于內嵌式蝸殼的結構更加緊湊，二次流沖擊較為明顯，使得漩渦在向前發展的過程中表現出較大的波動，其產生的影響是氣體在該蝸殼內向前流動的阻力增大，能量消耗增加，進而表現為該結構壓氣機的流動損失相對較大，流動效率相對較低，出口處氣流分布不均勻。

圖5　不同截面速度矢量圖

2.3聲場分析

離心壓氣機在運行過程中產生的氣動噪聲是壓氣機的主要噪聲源，它是由壓氣機內部的高速氣流對壁面沖擊造成的，因此有必要對結構變化帶來的氣動噪聲進行分析。本文采用Fluent寬帶噪聲源模型，對這兩種壓氣機模型進行了氣動噪聲的計算與分析。

圖6為兩種壓氣機的整體聲功率級曲線。由圖可知：隨著流量的增加，兩種結構的壓氣機整機噪聲都表現為先減小后增大的趨勢，這與文獻[9]的結論相吻合。但是在同一流量下，不同結構的壓氣機氣動噪聲表現出明顯的差異：在小流量下，非內嵌式壓氣機的整機聲功率值明顯小于內嵌式，隨著流量的增加，這種趨勢逐漸減小并呈現反轉，而且轉速對這種現象的影響甚微。

圖6　聲功率級曲線

圖7為設計轉速工況點蝸殼與擴壓器表面的聲功率分布云圖，觀察可知：從擴壓器進口到蝸殼出口，聲功率不斷降低，并且下降趨勢明顯；聲功率在擴壓器入口處達到最大值，這主要是因為擴壓器接受上游葉輪帶來的高速氣流，內部壓力變化顯著，必然導致一部分的動能轉化為聲能，輻射到壓氣機外面，進而使該處靜壓相對較低；而出口處的動能相對較低，并且相當一部分的動能轉化為壓力能，使得出口處聲能減小，壓力能較大，這也與文獻[1]中的結果相一致。

圖7　設計轉速工況點下聲功率分布云圖

值得注意的是：在設計轉速工況下，內嵌式壓氣機的表面最大聲功率級比非內嵌式的大4.936 dB。這是由于內嵌式壓氣機內部二次氣流沖擊更加明顯，氣體流動變化更為劇烈，產生的噪聲更大，這從圖5也可以看出。同時，內嵌式壓氣機在蝸殼出口處的聲功率明顯小于非內嵌式，而擴壓器內的整體噪音卻明顯偏高?？梢?，此種結構對壓氣機整機噪聲亦有顯著的影響。

3結論

1) 離心壓氣機內部的流動非常復雜，表現為黏性的、非定常的三維運動，在進行相關研究時，應充分考慮各部件之間的相互影響。

2) 在設計工況下，非內嵌式壓氣機的壓比高于內嵌式壓氣機，同時整體噪聲低于內嵌式壓氣機。

3) 擴壓器出口相對蝸殼的位置對壓氣機的性能有顯著影響，可以通過合理布置擴壓器出口與蝸殼的相對位置來提高壓氣機性能。

4) 在考慮減小壓氣機尺寸的前提下，不能忽略擴壓器出口相對蝸殼位置的變化對壓氣機性能帶來的影響。

參考文獻：

[1]李惠彬,周江偉.車用渦輪增壓器噪聲與振動機理和控制[M].北京:機械工業出版社,2012.

[2]聞蘇平,張楚華,李景銀.旋轉葉輪和葉片擴壓器耦合的非定常流動計算[J].西安交通大學學報,2004,37(7)：754-757.

[3]STEGLICH T,KITZINGER J,SEUME J R.Improved Diffuser/Volute Combinations for Centrifugal Compressors[J].Journal of Turbomachinery,ASME，2008(130):1-14.

[4]李延賓,聞蘇平,汪志遠，等.單級跨音速離心壓縮機葉片擴壓器和不同蝸殼形式耦合的內部流動數值研究[J].流體機械,2009,37(7):13-27.

[5]吳孝勤,倪計民,任曉棟，等.渦輪增壓器壓氣機性能分析[C]//上海市汽車工程學會優秀論文集.上海：[出版者不詳]，2010.

[6]BARTON M T,MANSOUR M L,LIU J S,et al.Numerical optimization of a vaned shroud design for increased operability margin in modern centrifugal compressors[J].Journal of Turbomachinery,2010,128:627-631.

[7]馬超,劉云崗,朱智富,等.無葉擴壓器收縮角對車用離心壓氣機性能影響的數值研究[J].車用發動機,2010,189(4):11-15.

[8]FLUENT 6.3 User’s Guide[Z].Volume,Fluent Inc.

[9]溫華兵,桑晶晶,劉紅丹.船用壓氣機氣動噪聲源頻譜特性數值研究[J].流體機械,2014,42(10):21-25.

(責任編輯楊文青)

Numerical Analysis of Internal Flow Characteristics on Different Structure of Centrifugal Compressor

LAI Chen-guang，ZHUANG Yan，DUAN Meng-hua，ZENG Hong-qiang

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In order to research the influence of the internal flow centrifugal compressor with different position of vaneless diffuser outlet relative to the volute, this paper used the ANSYS-Fluent software to have numerical simulation of the machine which includes the inlet, impeller rotating, vaneless diffuser and asymmetrical volute, and analyzed the internal-flow characteristics of the two different structure forms compressor. Result shows that: the position of vaneless diffuser outlet relative has an obvious effect on the performance of the compressor to the volute, under the design conditions, and the pressure ratio of non-embedded diffuser and volute combinations is higher than the embedded, and the aerodynamic noise is lower than the embedded, but with the increase of mass flow rate, the performance of the embedded type compressor is better than non-embedded, and the speed conditions has little effect on the results. This result will provide a reference for improving the combination of diffuser and volute.

Key words:compressor; numerical simulation; internal-flow characteristic; aerodynamic noise

收稿日期：2015-12-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305477)

作者簡介：賴晨光(1978—)，男，江西人，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動力學研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.001

中圖分類號：U463

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0001-05

引用格式：賴晨光，莊嚴，段孟華，等.不同結構離心壓氣機內部流動特性的數值分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):1-5.

Citation format：LAI Chen-guang，ZHUANG Yan，DUAN Meng-hua，et a.Numerical Analysis of Internal Flow Characteristics on Different Structure of Centrifugal Compressor[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):1-5.