高原環(huán)境對離心壓氣機(jī)性能及流動(dòng)特性影響

劉卓學(xué)，董素榮，張眾杰，那曉亮，劉瑞林

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

高原環(huán)境對離心壓氣機(jī)性能及流動(dòng)特性影響

劉卓學(xué)1，董素榮2，張眾杰1，那曉亮1，劉瑞林2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為研究高原環(huán)境對離心壓氣機(jī)性能及流動(dòng)特性影響，基于NUMECA三維計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，針對高原環(huán)境下車用柴油機(jī)離心壓氣機(jī)葉輪性能及流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：同平原相比，海拔5 500 m條件下壓氣機(jī)最大壓比下降2.09%、最高效率下降2.45%、壓氣機(jī)工作裕度減小11.35%；近堵塞工況下葉輪出口處，葉頂附近壓比接近1，幾乎失去增壓能力，90%葉高效率較10%葉高效率降低幅度相比平原多5.75%。

柴油機(jī)；離心壓氣機(jī)；流動(dòng)特性；高海拔

高原地區(qū)具有氣壓低、氣溫低、氧氣稀薄的特點(diǎn)，導(dǎo)致在高原環(huán)境下工作的柴油機(jī)進(jìn)氣量大幅降低，進(jìn)氣量的減小會(huì)造成柴油機(jī)燃燒過程惡化，降低柴油機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，而渦輪增壓技術(shù)則是提高柴油機(jī)高原性能的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。作為渦輪增壓器的主要部件之一，小型離心壓氣機(jī)的性能將直接影響到渦輪增壓器的正常工作，進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能產(chǎn)生影響[2-3]。

有資料表明，海拔4 500 m時(shí)，50%以上工況不滿足雷諾數(shù)處于自模區(qū)假設(shè)[4]，此時(shí)氣流黏性增加，附面層增厚，氣流抗分離能力及抗逆壓能力較差，流阻增加，使得葉輪內(nèi)部流動(dòng)惡化。同時(shí)，轉(zhuǎn)速不變而改變流量時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口氣流沖角變大，這就更容易引起附面層脫離，最終導(dǎo)致壓氣機(jī)特性曲線變陡，喘振提早發(fā)生，壓氣機(jī)工作范圍變小[5-6]。鑒于此，本文基于NUMECA軟件，對平原及海拔5 500 m條件下離心壓氣機(jī)性能及流動(dòng)特性進(jìn)行研究，探究高海拔(低氣壓)對壓氣機(jī)內(nèi)部流場的影響機(jī)理，為高海拔地區(qū)車用柴油機(jī)離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 研究對象及研究方法

1.1 研究對象

本文以匹配某型柴油機(jī)的兩級(jí)可調(diào)增壓器中低壓級(jí)增壓器的壓氣機(jī)(JP100)為研究對象，該葉輪為半開式離心葉輪，共有14個(gè)葉片(主葉片及分流葉片各7個(gè))，葉輪進(jìn)口直徑為75.5 mm，出口葉高為101 mm，前緣及尾緣頂部間隙均為0.5 mm，該葉輪幾何形狀如圖1所示。

圖1 葉輪幾何模型

1.2 研究方法

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對于計(jì)算求解的精度具有至關(guān)重要的作用，本文以NUMECA軟件中的Autogrid模塊作為平臺(tái)，對葉輪單通道模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分的過程中，將多重網(wǎng)格的層數(shù)設(shè)置為4層，近壁面第1層網(wǎng)格的距離為0.001 mm。

設(shè)置計(jì)算網(wǎng)格拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)為HI型網(wǎng)格，葉頂間隙為0.5 mm，共劃分網(wǎng)格數(shù)為1 130 648，其中最小正交性為23.169，最大延展比為2.595 2，最大長寬比為275.98，圖2所示為一個(gè)周期的葉輪網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

本文以Fine/Turbo模塊為計(jì)算平臺(tái)，選取控制方程為三維雷諾平均N-S方程，即分別通過對連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程這3個(gè)方程進(jìn)行時(shí)均運(yùn)算得到。

湍流模型選擇S-A模型，控制方程的空間項(xiàng)結(jié)合有限體積中心離散方法，采用二階精度的中心差分格式進(jìn)行離散，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta顯示時(shí)間推進(jìn)法進(jìn)行離散，其中時(shí)間步長由庫朗特?cái)?shù)(CFL)決定，由于在計(jì)算過程中采用CPUBooster技術(shù)，故將CFL數(shù)定義為1 000，同時(shí)結(jié)合隱式殘差光順法對計(jì)算進(jìn)行加速收斂。

在邊界條件的設(shè)置中，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)面為無滑移固壁邊界，輪蓋面為絕熱無滑移的靜止固壁邊界，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為軸向進(jìn)氣，給定總溫及總壓，出口的邊界條件在大流量下給定平均靜壓值，并逐漸縮小以尋找近堵塞點(diǎn)；在小流量下指定質(zhì)量流量，并不斷縮小流量以尋找近喘振點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 高海拔下離心壓氣機(jī)葉輪特性分析

壓氣機(jī)葉輪特性曲線如圖3所示，近喘振點(diǎn)的選取方式為逐漸減小流量至壓比平緩后出現(xiàn)下降的前一個(gè)工況點(diǎn)，近堵塞點(diǎn)工況選取方式采用文獻(xiàn)[7]中所提到的方式，逐漸減小出口壓力至效率60%附近的工況點(diǎn)。由圖可知，海拔5 500 m時(shí)壓氣機(jī)壓比、效率及壓氣機(jī)工作裕度均較平原有所下降，最高壓比下降了2.09%，最高效率減小了2.45%，壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍縮小了11.35%。

圖4、圖5所示為出口處效率及壓比沿葉高分布曲線，由圖可知葉輪在根部附近效率較高，越接近葉輪頂部效率越低、增壓效果越差，在近堵塞工況下最為明顯，海拔5 500 m條件下，90%葉高效率較10%葉高處的效率下降幅度較平原高5.75%，且在葉頂附近壓比接近1，幾乎失去了增壓能力。由此可見，頂部附近是葉輪損失最為嚴(yán)重的位置，且海拔5 500 m條件下各葉高處效率、壓比均小于平原，高海拔壓氣機(jī)特性受雷諾數(shù)降低的影響較大。

圖3 壓氣機(jī)特性曲線

圖4 各工況點(diǎn)效率沿葉高分布

圖5 各工況點(diǎn)壓比沿葉高分布

2.2 高海拔下離心壓氣機(jī)葉輪流動(dòng)特性分析

2.2.1 流道內(nèi)總體損失分析

圖6所示為壓氣機(jī)最高效率點(diǎn)工況下的子午熵增分布圖。由圖可知，葉輪內(nèi)部損失的主要來源在葉頂附近，并向出口處逐漸發(fā)展擴(kuò)大。海拔5 500 m時(shí)，主葉片前緣后部存在高于平原的損失區(qū)域(如標(biāo)注1處所示)，在葉輪頂部存在較高損失(如標(biāo)注2處所示)，在出口處高損失占據(jù)的流道范圍要高于平原5%左右。由此可見，海拔5 500 m時(shí)由于損失范圍提前、頂部損失加劇，導(dǎo)致隨著流動(dòng)向下游發(fā)展，到達(dá)出口處時(shí)損失范圍增大，進(jìn)而使得葉輪內(nèi)部總體損失高于平原。

圖6 子午面熵增分布

圖7所示為平原及海拔5 500 m條件下壓氣機(jī)相對馬赫數(shù)分布圖。

圖7 相對馬赫數(shù)分布

由圖可知，海拔5 500 m時(shí)葉輪頂部區(qū)域存在更大范圍的低速區(qū)，而這部分區(qū)域正是對應(yīng)上文的高損失區(qū)域。另外，海拔5 500 m氣流經(jīng)葉片前緣時(shí)加速現(xiàn)象更明顯，部分范圍達(dá)到了超音速，最高達(dá)到了1.12馬赫，在葉尖部位形成了激波，導(dǎo)致氣流經(jīng)過激波之后同葉表附面層相互作用，造成流動(dòng)損失，這也是造成主葉片前緣附近損失范圍提前的一個(gè)因素。

2.2.2 流動(dòng)細(xì)節(jié)分析

圖8所示為最高效率工況不同海拔下，15%葉高、50%葉高以及90%葉高截面的相對馬赫數(shù)及熵增分布圖。由圖可知，與平原相比，海拔5 500 m時(shí)流道內(nèi)部所聚集的低速流體從葉片中部開始逐漸增加。其中，50%葉高截面內(nèi)，主葉片吸力面一側(cè)處，低能流體在出口處已占據(jù)了60%的流道寬度，且低能流團(tuán)起始位置逐漸提前，已向上游延伸了約18%的弦長范圍，由此所產(chǎn)生的損失增加，范圍擴(kuò)大(如標(biāo)注3處所示)。另外，觀察90%葉高截面可知，海拔5 500 m條件下主葉片前緣超音速范圍有所擴(kuò)大，最多可占據(jù)約30%弦長的區(qū)域(如標(biāo)注2處所示)。同時(shí)，90%葉高截面分流葉片吸力面一側(cè)，流道內(nèi)聚集的低速流體范圍，要高于分流葉片壓力面與主葉片吸力面之間流道內(nèi)的低速區(qū)，且由此造成的損失更大(如標(biāo)注4處所示)。另外，在該截面下，海拔5 500 m時(shí)，從分流葉片壓力面15%弦長處就已開始聚集大量的低能流體，高損失范圍幾乎覆蓋了整個(gè)分流葉片前緣(如標(biāo)注1處所示)，當(dāng)流動(dòng)發(fā)展至出口時(shí)，所產(chǎn)生的損失明顯高于平原，高損失區(qū)域在分流葉片吸力面一側(cè)可占據(jù)80%的流道寬度，導(dǎo)致高海拔下葉輪流道內(nèi)及出口處流動(dòng)損失的增加。

圖8 S2截面相對馬赫數(shù)及熵增分布

圖9所示為葉輪出口處及各流動(dòng)截面內(nèi)的熵增分布圖。由圖可知，海拔5 500 m時(shí)從50%截面處開始，分流葉片一側(cè)通道內(nèi)損失就已開始高于主葉片一側(cè)。同時(shí)，隨著流動(dòng)方向向下游發(fā)展，各截面內(nèi)高損失范圍逐漸增加，到達(dá)出口處時(shí)，可明顯觀察到葉輪出口損失明顯高于平原。另外，分流葉片吸力面一側(cè)通道內(nèi)海拔5 500 m下高損失范圍在徑向上最多可占據(jù)約75%左右的葉片高度，比平原最多可多出15%左右的葉高范圍，且分流葉片吸力面?zhèn)葥p失要遠(yuǎn)高于主葉片壓力面?zhèn)取?/p>

圖9 各流道截面熵增云圖

圖10所示為流道內(nèi)三維流線分布以及低能流體的形成過程。由圖可知，海拔5 500 m主葉片吸力面低能流體的徑向遷移現(xiàn)象更為顯著，因此在頂部與泄漏渦的摻混現(xiàn)象更為嚴(yán)重，分離渦占據(jù)的流道寬度更大，同時(shí)分流葉片頂部泄漏位置更接近前緣，故分流葉片吸力面一側(cè)低速區(qū)范圍比平原更大。另外，海拔5 500 m條件下主葉片50%流向之后，存在部分泄露流跨過本流道進(jìn)入分流葉片吸力面一側(cè)流道，與其主流相互卷吸流向下游；主葉片80%流向后存在部分泄露流跨過多個(gè)流道的現(xiàn)象，因此分流葉片吸力面一側(cè)通道內(nèi)的損失高于主葉片吸力面一側(cè)通道的損失，同時(shí)也造成了出口附近流動(dòng)更為紊亂，損失更大。

圖10 葉輪三維流線分布

圖11所示為平原及海拔5 500 m時(shí)葉表極限流線圖，以此來分析近壁區(qū)流動(dòng)狀況。由圖可知，海拔5 500 m條件下葉片表面流動(dòng)分離現(xiàn)象加劇，其中主葉片壓力面在前緣根部附近出現(xiàn)了流動(dòng)分離、回流及再附等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象；分流葉片壓力面上延伸至頂部的分離線位置，比平原提前了15%左右的弦長范圍。葉片壓力面流動(dòng)分離現(xiàn)象的加劇以及分離流體過早的向頂部遷移，造成了頂部泄漏的提早發(fā)生以及泄漏渦對主流摻混強(qiáng)度的增加。

圖11 葉表極限流線分布

另外，觀察主葉片吸力面可知，海拔5 500 m條件下由于前緣激波增強(qiáng)，導(dǎo)致了前緣附近流動(dòng)分離的范圍擴(kuò)大，且在葉片中后部的葉頂位置可觀察到比平原更為明顯的流動(dòng)分離。同時(shí)，高海拔下從根部延伸至頂部的分離線到達(dá)頂部的位置同樣向進(jìn)口處發(fā)展，比平原提前了5%左右的弦長范圍，由此導(dǎo)致了圖10中主葉片吸力面一側(cè)存在更多的徑向遷移流體與泄漏渦的摻混，進(jìn)而對主流造成影響，加劇了流動(dòng)損失。

3 結(jié) 論

(1)同平原相比，海拔5 500 m條件下壓比和效率有所下降、工作裕度變窄，其中最大壓比相比下降了2.09%，壓氣機(jī)工作裕度減小11.35%，最高效率相比減小了2.09%，且出口處越接近頂部，效率越低、增壓能力越差。

(2)海拔5 500 m時(shí)主葉片前緣出現(xiàn)部分超音區(qū)域，葉輪頂部低能流體占據(jù)的流道范圍變大，相應(yīng)損失增加，且分流葉片壓力面一側(cè)通道內(nèi)也從15%弦長處開始出現(xiàn)了較高損失，當(dāng)流動(dòng)發(fā)展至出口時(shí)，高損失區(qū)域徑向上占據(jù)的范圍最多比平原高15%左右的葉高范圍。

(3)海拔5 500 m時(shí)近壁區(qū)流動(dòng)較平原更為混亂，葉表分離現(xiàn)象加劇，且由根部延伸至頂部的分離線位置向入口處發(fā)展，由此導(dǎo)致了頂部間隙泄露的提前發(fā)生，并加劇了分離流與泄露流的摻混，增加了流動(dòng)損失。

[1] PEREZ P L, BOEHMAN A L. Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitude condition[J].Aerospace Science and Technology,2010,14(2):83-94.

[2] ETHERIDGE J, BHAVE A, SMALLBONE A, et al. Optimization of injection strategy, combustion characteristics and emissions for IC engines using advanced simulation technologies[C]. SAE Paper 2011-26-0080.

[3] ROUSER K, KING P, SCHAUER F, et al. Parametric study of unsteady turbine performance driven by a pulse detonation combustor[C]//Joint Propulsion Conference & Exhibit，2013.

[4] 李書奇,劉暢,胡力峰,等.高原環(huán)境增壓器離心壓氣機(jī)特性試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(20):151-158.

[5] 董素榮,劉卓學(xué),劉瑞林,等.VGT葉片開度對二級(jí)增壓柴油機(jī)高海拔低速匹配特性的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2016(6):30-35.

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[7] 龔義朝.離心式壓氣機(jī)內(nèi)部流場模擬分析及葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D].大連:大連交通大學(xué),2013.

(編輯： 張峰)

Influence of Plateau Environment on Performance and Flow Characteristic of Centrifugal Compressor

LIU Zhuoxue1, DONG Surong2, ZHANG Zhongjie1，NA Xiaoliang1, LIU Ruilin2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To study the influence of plateau environment on performance and flow characteristic of centrifugal compressor, the paper conducts numerical simulation on impeller performance and flow characteristic of diesel engine centrifugal compressor in plateau environment with NUMECA software. The result shows that: comparing with the plain, the compressor pressure ratio decreased by 2.09%, the efficiency decreased by 2.45%, and the compressor operating margin decreased by 11.35% at altitude of 5 500 m; the pressure ratio was close to 1 at the top of the blade in condition of stoppage and it almost lost boosting capability, and the decreasing amplitude of 90% blade height efficiency was 5.75% bigger than that of 10%blade height in plain.

diesel engine; centrifugal compressor; flow characteristic; high altitude

2017-04-10；

2017-05-18. 作者簡介： 劉卓學(xué)(1992—)，男，碩士研究生； 董素榮(1967—)，女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.011

TK474.8

A

1674-2192(2017)08- 0047- 06

● 車輛工程 Vehicle Engineering