二級增壓系統不同旁通結構流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

二級增壓系統不同旁通結構流阻特性仿真分析

徐思友， 潘麗麗， 楊磊， 吳新濤， 胡力峰， 高英英， 趙振威

(中國北方發動機研究所(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旁通結構，利用CFD對其流阻進行了對比。結果表明：當旁通閥全關時，Y型旁通結構流動損失較直連型大，而當旁通閥開啟時，Y型旁通結構流動損失較直連型小；對于同種旁通結構，旁通閥的開度越小，損失越大，但是隨著開度的增加，由于流過旁通結構的氣體質量增加，導致損失相對較大。

二級增壓系統； 旁通結構； 流阻特性； 仿真

可調二級增壓系統是近年來提出的一種新型柴油機增壓系統。二級增壓系統將兩個增壓器串聯起來，使空氣相繼受到壓縮以提高壓比[1-3]。該系統具有高低兩級渦輪增壓器，通過調節排氣能量在兩級渦輪中的分配實現了增壓系統的可調節，解決了高平均有效壓力渦輪增壓柴油機高低工況無法兼顧的矛盾[4]。

對于二級增壓系統，可以采用不同的旁通結構來實現其調節，不同的旁通結構會使二級增壓系統結構產生很大的不同，使其體積和外形發生較大變化，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構，并對其流阻特性進行了對比分析。

1 計算模型及驗證

1.1 計算模型及邊界條件

本研究主要針對串聯式二級增壓系統中兩種典型的旁通結構下的渦輪級進行，其結構幾何特征的區別是：在Y型結構中發動機排出的高溫燃氣在進入高壓級渦輪前被分成兩路，一路直接進入高壓級，另外一路當旁通閥打開時直接進入高壓級渦后的管路中；在直連型結構中發動機排出的高溫燃氣直接進入高壓級渦輪箱通道內，在渦輪箱進口通道上設計了旁通口，當旁通閥打開時，氣體進入高壓級渦后管路中。兩種旁通結構的幾何特征見圖1。計算網格的局部模型見圖2。為了更好地示出圍繞閥的流動情況，在閥的周圍對網格進行了加密處理。為了減少計算時間，計算域的網格類型為結構化網格。計算工況點的邊界條件見表1，這些計算工況點和邊界條件是從試驗數據中提取的。

圖1 兩種旁通方式結構特征示意

圖2 兩種旁通結構局部網格模型

1.2 模型驗證

為了驗證當前的仿真方法，首先對徑流渦輪的性能進行了仿真并與試驗結果進行了對比。

圖2和圖3示出了渦輪質量流率和效率的仿真與試驗的對比結果。由于壓氣機吸收功率的限制，試驗結果中渦輪的流通和效率范圍比仿真結果窄。在有效的范圍內，仿真的流率與試驗結果吻合較好，但是仿真的效率要比試驗結果稍高，主要是因為仿真模型與試驗模型有差異。在仿真模型中沒有考慮渦輪箱流道中的損失，所以仿真結果要比試驗結果高。可以看出，計算值與試驗值相比較，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一步的仿真研究。

圖3 渦輪流通性能仿真與試驗比較

圖4 渦輪效率仿真與試驗比較

2 旁通閥全關條件下的流阻特性分析

表2示出了在旁通閥全關條件下渦輪運行和性能參數。在旁通閥全關的條件下，采用Y型旁通結構的渦輪效率比采用直連型的高。但是要達到相同的目標質量流量,采用Y型結構時渦輪的進口壓力較直連型的高,這主要是由于該結構下進氣管損失比直連型的大。

表2 旁通閥全關條件下渦輪運行及性能參數

圖5和圖6示出了兩種旁通結構下旁通閥進口處的流動分離對比。可以看出雖然旁通閥全關，但是氣體在進入旁通閥前管內出現強烈的流動分離和較大的流動損失，而且Y型旁通結構下的流動損失比直連結構下的大很多。

圖5 Y型旁通進口管內流動分離和損失分布

圖6 直連型旁通進口流動分離和損失分布

3 相同開度時兩種旁通結構的流阻特性分析

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

表3 旁通閥開度10%下渦輪運行及性能參數對比

圖7、圖8示出了直連旁通結構下旁通流的流動情況及絕對馬赫數。可以看出，氣體以非常高的流速通過旁通閥，最大流速約為450 m/s，接近當地聲速。在流道腔內，出現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，這也會產生流動損失。

圖9示出直連旁通結構下旁通流的流動損失。可以看出，氣體通過旁通閥之后，由于有回流發生，所以出現高損失區域，這與圖8一致。當氣流進入高壓級排氣管中并與主流氣流混合后，高損失區域面積占到管的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

圖9 直連型旁通流損失

圖10示出Y型旁通結構下氣體流線和流動損失的分布情況。可以看出，當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，回流所占的區域已經減少。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型旁通結構下的混合流

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

4 Y型旁通結構不同開度下的流阻特性分析

表4示出了采用Y型旁通結構時不同開度下的渦輪運行和性能參數。當旁通閥開度從5%增加到10%時，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，高壓級渦輪效率降低了4%。

表4 渦輪運行及性能參數

圖12示出了5%和10%開度下旁通流流動情況比較。可以看出，當旁通閥開度為5%時，旁通管內的流速比10%開度下的高。當氣流進入旁通閥之前，在流道內已經形成了強烈的分離流，并且幾乎占滿了整個流道。當氣流通過旁通閥之后，能夠看到有強烈的分離流存在。對比兩種開度下的流動分離強弱可知，在10%開度情況下，氣流進入旁通閥前后，分離流已經開始減少，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。可以看出，當旁通流通過旁通閥之后，在5%開度下，高焓區域比10%開度下的要大，這主要是由于在小開度下回流比較強烈的緣故。旁通閥開度越小，回流情況越嚴重，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，當旁通氣流與主流混合時幾乎沒有分離流發生。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 結論

a) 當旁通閥全關時，對于由流動分離引起的流動損失，Y型旁通結構比直連型結構的大；

b) 當旁通閥開度相同時，對于由旁通流與主流混合后形成的回流引起的損失，Y型旁通結構比直連型旁通結構的小；

c) 旁通結構相同，旁通閥開度不同時，從質變的角度分析，旁通閥的開度越小，回流情況越嚴重，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：機械工業出版社，1992：478-486．

[4] 劉博，錢躍華，鄧康耀，等. 蝶閥在可調二級增壓柴油機中的調節特性計算研究[J].內燃機工程，2011，32(2)：17-22.

[5] 魏名山，張志，何永玲，等. 帶不同類型調節閥的二級增壓系統結構與性能對比[J].內燃機工程，2009，30(1)：51-54.

[6] 魏名山，何永玲，馬朝臣. 可調二級增壓系統渦輪級熱力學分析[J].內燃機工程，2008,29(1)：43-47.

[7] 杜巍，趙永，樊豐，等.二級可調增壓器旁通閥與噴油參數調節規律的仿真分析[J].車用發動機,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

柴油機增壓技術重點實驗室基金項目(9140C330410150C33004)

徐思友(1977—)，男，研究員，主要研究方向為柴油機增壓技術；xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.014

TK423.5

B

1001-2222(2017)04-0068-05