車用渦輪增壓器徑流式渦輪內部流場數值模擬

陳 瑛

（江西生物科技職業技術學院機電工程系， 江西 南昌 330200）

引言

在增壓器的設計與定型過程中，考慮增壓器內部的流動特性至關重要[1-2]。為了能夠提供真實流場作為理論參考，關鍵在于選擇轉靜交界面的處理方法[3]。利用混合平面法進行的定常計算，具有計算速度快、計算精度低的特點。而在非定常計算中非線性諧波法具有較好優勢性，綜合利用了定常計算速度快和非定常計算精度高的優點，并避免計算對模型限制條件多的問題。

1 研究對象

以某型車用渦輪增壓器為研究對象，該增壓器的渦輪級主要由環形的蝸殼、渦輪葉輪及可變噴嘴環組成，如圖1所示。

圖1 渦輪級三維實體模型剖視圖

渦輪葉輪和噴嘴環分別包含12個渦輪葉片和16個噴嘴環葉片。其中，整體加工制造的噴嘴環葉片由高速葉片和低速葉片組成。主要結構參數見下表1。

2 計算模型的建立

計算模型的網格質量不僅影響計算精度，甚至會影響計算收斂性。本文采用結構化網格劃分技術，并結合分塊化網格處理方法，選擇最優的網格類型，建立高質量的計算模型。計算模型的網格質量通常用網格正交性、長寬比、延展比數值來進行綜合衡量。網格劃分結果的局部圖如圖2所示。

表1 幾何模型主要結構參數

圖2 渦輪網格局部圖

3 渦輪效率特性定常與非定常計算

采用葉輪機械領域商用軟件NUMECA計算平臺，該CFD軟件包括前處理模塊AutoGrid5模塊、計算模塊FINE/Turbo模塊，后處理模塊CFview模塊。在求解流場的過程中，計算方程主要采用時間相關法求解三維雷諾平均Navier-Stocks方程，并綜合對計算速度和求解精度的考慮，選擇Spalart-Allmaras模型作為湍流模型。在選擇處理轉靜交界面的方法時，綜合考慮計算時間和計算精度的優勢，在流場計算中的轉靜交界面采用混合面法及非線性諧波法，并設定計算模型的入、出邊界條件。其中，固體壁面設定無滲透、無滑移的物面邊界條件。在求解定常和非定常計算時，綜合權衡數值計算時間與精度的影響，將定常流動計算中的轉靜交界面設置為混合面法，非定常流動計算中轉靜交界面的處理方法設定為非線性諧波法，保持其它計算參數相同，對渦輪效率特性進行計算，其計算結果如圖3所示。

圖3 渦輪效率特性

計算表明定常與非定常條件下各工況點呈現的趨勢相同。非定常與定常計算渦輪效率特所得到的計算值與實驗值進行比對，試驗值與非定常計算的結果吻合度較高，最大誤差約為1.7%，定常計算最大誤差約為2.8%。因此，通過定常與非定常計算值與試驗值進行對比，表明非定常計算在徑流式渦輪的計算更具有適用性。

4 結論

通過混合平面法、非線性諧波法對渦輪效率特性進行定常、非定常計算，與實驗值進行比對，表明非線性諧波法在徑流式渦輪內流場計算中具有較好的適用性。