轉子型線對機械增壓器內部流場影響的分析

葉帥奇,王 芳,李繼密

（1.貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州畢節 551700；2.貴州工程應用技術學院科研處，貴州畢節 551700）

轉子型線對機械增壓器內部流場影響的分析

葉帥奇,1王 芳,2李繼密1

（1.貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州畢節 551700；2.貴州工程應用技術學院科研處，貴州畢節 551700）

機械增壓器的內部流場是一個全封閉的環境，參數測量難度很大，通過CFD軟件獲得各種參數已經成為一種重要的研究手段。分析機械增壓器在不同型線轉子下的流場，獲得了轉子型線改進的相關經驗。

機械增壓器；轉子型線；流場分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.68

0 前言

計算流體力學是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的簡稱，是基于離散化的數值計算方法，是利用計算機對流體相對于不同固體邊界的內外流場進行數值模擬和分析的學科，屬于流體力學的一個分支[1]。由于機械增壓器的內部流場是一個全封閉的環境，對其流場參數進行實驗測量難度很大，因此，通過專業的CFD軟件對其內部流場進行數值模擬獲得各種參數，已經成為一種重要的研究手段[2]。

1 建立計算模型與網格的生成

鑒于機械增壓器結構的復雜性，在建立流體分析模型時進行適當簡化。對于直葉轉子來說，其三維模型完全可以由二維截面模型拉伸后得到，并且在此種情況下用二維截面模擬計算求得的結果也能充分反映三維流場的情況。由于本次分析采用非定常的動網格結構，計算量非常大，如果采用三維計算模型不但對計算機配置要求較高，耗時較多且計算精度提高不大。圖1為傳統和改進型線直葉轉子機械增壓器的二維流體計算模型[3]。

由圖1可以看出，二維計算模型都主要包括3個部分：進氣區域、旋轉區域和排氣區域。為了方便進、排氣口進行求解條件的設定，在不影響求解結果的前提下將進、排氣口進行了簡化。中間的轉子型線部分就是動網格的邊界。由于進行流體分析時關注的是流體區域內的流動情況，也就是流道區域是數值計算的重點，而轉子是固體部分，因此在建立流道計算模型時要將其通過布爾減運算減去，只保留其邊界部分作為旋轉區域的邊界[4]。

圖1 二維計算模型

流體計算對網格劃分的質量要求較高，對于二維計算模型采用的是基于尺寸的劃分方法，劃分尺寸為0.05 mm，網格類型是適合動網格要求的三角形網格。最終網格劃分的結果為：傳統型線計算模型劃分為173 463個節點，341 556個單元。改進型線計算模型劃分為：137 780個節點，270 130個單元。

2 求解的邊界條件

為了使計算后的結果有可比性，因此二者取一樣的計算條件。湍流求解模型選用 RNG k-ε 模型，RNG k-ε內的各項參數采用默認值，將能量方程打開。入口的邊界條件選用壓力入口，入口處的壓力為101.82 kPa，升壓值為50 kPa，入口處溫度為24℃；出口邊界條件為壓力出口，出口處溫度為80℃。轉子轉速為6000 r/min，壓力值采用絕對壓力值。設定進口處的靜壓總值，同時設定回流湍流強度和回流口直徑。

求解方法采用的是非定常隱式分離方法求解控制方程，對于質量連續性方程，動量方程、能量方程采用的是SIMPLEC算法。壓力項采用PRESTO!離散模型，其余項均采用二階迎風格式離散，各亞松弛因子采用默認值。

由于工作條件下的增壓器轉子在機殼內作高速旋轉運動，主、從動轉子之間的相對位置一直變化，這就造成了機殼內流體的流道的瞬時變化性，要實現對機殼內流場的精確模擬就必須采用動網格設置。在本文中網格的動態變化和再生采用的是彈簧光順模型和局部網格再生模型兩種模型結合使用，并且這對于二維三角形網格來說是適應的。

在Fluent中物體運動的定義有2種途徑。對于一些復雜的初始條件、邊界條件、物性參數等需要用戶自定義相關的程序導入Fluent中使用，這類用戶自定義函數稱為UDF，UDF需要用C語言編程，用Define宏來定義，因此對于使用者要求較高。而對一些相對簡單的運動則可用動邊界文件（profile）來進行定義。本項目采用的是第2種。其profile文件如下所示：

（（left 3 piont） （（right 3 point）

（time 0 1 60） （time 0 1 60）

（omega_z-314.16-314.16-314.16））

（omega_z 314.16 314.16 314.16））

轉子的旋轉運動通過profile文件來定義。

圖2 機械增壓器內部流場的壓強等值線

3 流場數值模擬結果分析

圖2為傳統型線四葉漸開線型轉子和改進型線四葉漸開線型轉子，在流場回流開啟角取不同值時增壓器內部的壓強等值線圖[3]。其中，a）～b）為傳統線型轉子增壓器在流場回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時增壓器內部流場的壓強等值線圖；c）～d）為改進型線轉子增壓器在流場回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時增壓器內部流場的壓強等值線圖。可以看出，改進型線此時的排氣壓強明顯高于傳統型線，這說明改進型線的排氣量大于傳統線型，面積利用系數比傳統線型高。這是由于改進型線的轉子葉型比傳統線型的轉子葉型更加清瘦，這樣在回流口開啟角相同的情況下，改進型線增壓器腔內流體的流道比傳統型線寬，這不僅加速了回流均壓的過程，并且每個排氣過程中的排氣量也有所增大。

圖3為傳統線型和改進型線在回流開啟角取不同值時增壓器內部流場的流線圖[5]。其中a）～b）為開啟角分別為未開啟、開啟角22°時的流場流線圖。從圖中可以看出，當回流口未開啟時由于轉子的高速旋轉左上側基元容積內的氣體形成了巨大的漩渦，幾乎占據了整個基元容積。此時，排氣口的氣流可以分為2個部分：一部分是前一次排氣過程尾部流向排氣口的氣流，另一部分則是在機殼圓弧部分與排氣口交接部位的小股回流，這也是回流口打開后形成漩渦的主要原因。c）～d）為改進型線在回流開啟角分別為未開啟、開啟角22°時的流場流線圖。由圖可知，傳統型線與改進型線在這一系列過程中的氣流脈動規律大致是一致的，但是由于二者型線不同造成的流體流道的不同使得在此過程中氣流漩渦形成的尺度、數量、位置有一定的區別。另外，由于改進型線的流道比傳統型線的寬，因此在相同的尺寸下其工作過程中由于排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲也大一些[6]。

4 結語

分析了傳統和改進型的四葉直葉轉子機械增壓器內部流場，得到壓強等值線圖和流線等值線圖。通過對比可知，改進型線的面積利用系數大于傳統線型，并且由于二者型線不同造成的流體流道的不同，使得在此過程中氣流漩渦形成的尺度、數量、位置有一定的區別。另外，由于改進型線的流道比傳統型線的寬，因此在相同尺寸下其工作狀態下由排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲會大一些。這些均為后續轉子設計的進一步改進工作積累了經驗。

圖3 機械增壓器內部流場的流線

［1］趙存友.工程流體力學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2010.

［2］黃衛星，李建明，肖澤儀.工程流體力學（第二版）［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［3］張顧鐘.羅茨鼓風機性能優化和內部流場的數值研究［D］西安：西安建筑科技大學，2011.

［4］張顧鐘，王發展，韓剛，王毅峰.羅茨鼓風機內部流場的數值分析方法［J］.風機技術，2011（5）：15-18.

［5］張顧鐘，王發展.漸擴縫隙羅茨泵風機內部流場的數值分析［J］.機械設計，2011，28（4）：84-88.

［6］Bassam Abu-Hijleh，Jiyuan Tu，Aleksander subic，Leigh fostineo.Effect of inlet and outlet fillets on the clearance flow in a rotorcasing assembly［J］.Computational methods in fluid power technology，2003：162-168.6.

TH48

B

*本項目為貴州工程應用技術學院實驗室開放基金重點項目（OLF NO.2015110028）

〔編輯 吳建卿〕