汽車渦輪增壓器壓氣機(jī)噪聲的定常流動研究

0 前言

為了應(yīng)對日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)和油耗法規(guī)，發(fā)動機(jī)小型化已經(jīng)成為一種趨勢。隨著發(fā)動機(jī)的小型化，增壓技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，其不僅可以提高發(fā)動機(jī)性能，還可以提高發(fā)動機(jī)效率。事實上，增壓發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷時產(chǎn)生的平均有效壓力(指與排量無關(guān)衡量扭矩輸出能力的一種方法，反映了發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出扭矩的大小)比自然吸氣發(fā)動機(jī)高50%，同時在低負(fù)荷時還可以降低燃油消耗[1-2]。

增壓技術(shù)的缺點是渦輪增壓系統(tǒng)會成為1種新的空氣動力噪聲源，加劇了噪聲污染[3-4]。為解決增壓器噪聲，發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)采取了有效的消聲措施，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)也同樣需要采用消聲措施，但進(jìn)氣系統(tǒng)可用空間有限。為此，需要進(jìn)一步研究氣體流動和噪聲形成之間的關(guān)系，尤其是嘯叫聲[5]，同時需要研究噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，這是一項非常有挑戰(zhàn)性的工作[6]。

為了從噪聲源上解決噪聲問題，對空氣動力噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究已變得迫在眉睫。在研究降低噪聲技術(shù)的過程中，計算流體力學(xué)(CFD)和計算氣動聲學(xué)(CAA)分析是研究噪聲產(chǎn)生機(jī)理的重要方法，這為降噪技術(shù)的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

基于大渦流模擬(LES)的可壓縮流體仿真可以準(zhǔn)確獲得流動特性和聲學(xué)特性[6-8]，結(jié)合快速定常雷諾平均法/雷諾平均數(shù)值模擬(RANS)方程可以初步對噪聲進(jìn)行定性研究。結(jié)合非定常仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，后續(xù)可以識別產(chǎn)生噪聲的運(yùn)行工況點，而這些工況點在RANS方程仿真中已經(jīng)得以識別。

1 計算域和仿真方法

使用定常流動RANS方程對某款增壓器壓氣機(jī)幾何模型進(jìn)行研究。構(gòu)想的壓氣機(jī)及其相關(guān)零部件的CFD計算域如圖1所示。圖中標(biāo)注了進(jìn)口和出口管路，以及無葉擴(kuò)壓器、葉輪和壓氣機(jī)蝸殼的位置。

圖1 構(gòu)想的壓氣機(jī)及其相關(guān)零部件計算域

進(jìn)口和出口管路在氣流方向進(jìn)行了延伸，從而保證了管路內(nèi)六面體網(wǎng)格緩慢延伸，分別從壓氣機(jī)指向進(jìn)口和出口。采用這種方案可以減小壓力波動的影響，壓力波動是在計算域進(jìn)口和出口邊界外產(chǎn)生的[9]。如此可以確保氣流盡可能在管路內(nèi)有規(guī)律地流動。這種排列有致的網(wǎng)格有利于進(jìn)行數(shù)值分析。

將計算域劃分為450萬個左右的網(wǎng)格，以多面體網(wǎng)格為主。這可以縮短自動劃分網(wǎng)格程序生成多面體網(wǎng)格的時間，同時生成了邊界層。另外，對于葉輪前緣和后緣等曲率變化明顯、形狀復(fù)雜的關(guān)鍵區(qū)域，選擇多面體方式劃分網(wǎng)格效果更好。

圖2示出了詳細(xì)的壓氣機(jī)葉輪多面體網(wǎng)格，葉輪包含6個主葉片和6個分流葉片。

圖2 壓氣機(jī)葉輪俯視圖和側(cè)視圖

基于非滑移絕熱壁模型，生成了6層棱柱邊界層，層增長率為1.5，總層厚度為0.14 mm。這種網(wǎng)格加密可以讓葉輪處數(shù)值<6，計算域內(nèi)其他大部分區(qū)域數(shù)值<8，但無葉擴(kuò)壓器的小部分區(qū)域數(shù)值達(dá)到了13左右。

進(jìn)口和出口邊界條件分別為質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口。在恒定轉(zhuǎn)速和靜態(tài)網(wǎng)格下，RANS仿真時葉輪旋轉(zhuǎn)用運(yùn)動參考系(MRF)建模，這種方法最大的好處是網(wǎng)格只生成1次[10]。葉輪和擴(kuò)壓器交界面采用周向平均算法。流動仿真采用有限體積法可壓縮求解器(基于密度的耦合求解器)。采用Sutherland法則計算動力粘度，進(jìn)氣流動假定為理想氣體流動。采用二階迎風(fēng)格式。質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口作為邊界條件，分別代表進(jìn)口總溫度、質(zhì)量流量和出口靜壓。

本研究使用剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型(k-ωSST)湍流模型，原因是這種模型在不利的壓力梯度下可以很好地預(yù)測氣流的能力。另外，此模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測滯止區(qū)產(chǎn)生的湍動能，精確地代表邊界層的整體值。網(wǎng)格的所有區(qū)域較閾值更小和更大意味著邊界層要用壁面函數(shù)法解決或建模，這取決于所選區(qū)域。選用這種混合方法劃分網(wǎng)格，可以減少總網(wǎng)格數(shù)，網(wǎng)格數(shù)越少，計算時間越短。對于本文研究的大部分運(yùn)行工況點，這樣可以計算出相當(dāng)精確的結(jié)果。當(dāng)氣流沒有發(fā)生分離時，壁面函數(shù)法可以很好地替代固體壁面進(jìn)行求解，這種方法可以用在壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況(涵蓋了所分析的壓氣機(jī)特性曲線中的大部分運(yùn)行工況點)，但不能用在發(fā)生局部分離的工況。壓氣機(jī)工作在喘振線附近時會出現(xiàn)這種局部分離情況[9]。

1.1 聲學(xué)模型

在選用的商業(yè)軟件求解器中，定常流動寬帶噪聲源模型用于計算近聲場噪聲，即確定主要噪聲源的位置和強(qiáng)度。此噪聲是湍流產(chǎn)生的氣動噪聲，會影響到總聲功率。

通過求解定常流動RANS方程來預(yù)測流場物理量，寬帶噪聲源模型利用此結(jié)果進(jìn)行計算，從而縮短了計算時間。本文中偶極子和四極子寬帶噪聲源分別采用Curle和Proudman模型建模。

Curle模型用于計算偶極子噪聲源的表面分布，這是固壁邊界引起的脈動應(yīng)力產(chǎn)生的噪聲。此模型評估了低馬赫數(shù)下氣流通過固體時在湍流邊界層產(chǎn)生的遠(yuǎn)聲場噪聲。基于微小擾動和絕熱假設(shè)，通過計算表面聲功率(W/m2)可以評估局部區(qū)域?qū)吔鐚颖砻鎲挝幻娣e總聲功率的貢獻(xiàn)。

Key Memory Protection Based on Dynamic Binary Translation……………QIN Huanqing， LIU Min， MA Liujie(3·80)

Proudman模型用于計算四極子噪聲源的體積分布，這是一種無平均氣流的各向同性湍流產(chǎn)生的噪聲。通過計算體積聲功率可以評估局部區(qū)域?qū)τ嬎阌騼?nèi)所選區(qū)域單位體積上總聲功率的貢獻(xiàn)。

本文采用的寬帶噪聲源模型可以識別出氣動噪聲源的位置，近似計算出相關(guān)聲功率或聲功率級，用于不同設(shè)計方案的對比。但是，這些模型不能捕捉旋渦脫落等大尺度流動產(chǎn)生的噪聲，同時不能提供頻率特性數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果和討論

根據(jù)提供的試驗數(shù)據(jù)，對所有運(yùn)行工況點進(jìn)行仿真，生成了壓氣機(jī)增壓比和效率特性曲線(均為滯止參數(shù))，分別如圖3和圖4所示。其中轉(zhuǎn)速線以各轉(zhuǎn)速線對應(yīng)的折算尖端轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速線折算尖端轉(zhuǎn)速的比值圓整后命名。

圖3 壓氣機(jī)增壓比特性曲線

圖4 壓氣機(jī)效率特性曲線

在整個壓氣機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，增壓比試驗和仿真數(shù)據(jù)之間有很好的匹配性。差異主要出現(xiàn)在最高轉(zhuǎn)速線的中等流量區(qū)域，這可能是葉輪采用剛性體建模所致，而葉輪葉片實際上會發(fā)生變形，從而導(dǎo)致葉片攻角和葉頂間隙發(fā)生改變。導(dǎo)致兩者出現(xiàn)差異的另一個因素是將非滑移壁處理為絕熱壁。

壓氣機(jī)效率特性曲線仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的差異比增壓比特性曲線明顯，這與缺少捕捉擴(kuò)散的能力有關(guān)，從而導(dǎo)致仿真預(yù)測的出口總溫度比試驗數(shù)據(jù)低。導(dǎo)致兩者出現(xiàn)差異的另一個因素是仿真模型采用了絕熱壁，而實際試驗時熱端渦輪會不可避免地向壓氣機(jī)傳熱。

圖5示出了特定計算域內(nèi)各截面的定常流動云圖，展示轉(zhuǎn)速線1.6上的2個運(yùn)行工況點，近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點(轉(zhuǎn)速線最左邊)和設(shè)計工況點(轉(zhuǎn)速線中間)。圖6和圖7示出了2個運(yùn)行工況點下正視圖和側(cè)視圖截面上的馬赫數(shù)和壓力系數(shù)云圖。

圖5 側(cè)視圖和正視圖截面

圖6 轉(zhuǎn)速線1.6上近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點(a)和設(shè)計工況點(b)的馬赫數(shù)云圖

圖7 轉(zhuǎn)速線1.6上近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點(a)和設(shè)計工況點(b)的壓力系數(shù)云圖

從正視圖中看葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，從進(jìn)氣管路開始?xì)饬骷铀倭飨蜻M(jìn)口。氣流通過葉片通道時獲得動能，通過擴(kuò)壓器時速度降低，在總壓較高處部分動能轉(zhuǎn)化為熱能。另外，可以看到氣流在蝸殼內(nèi)流向出口的圓周方向上壓力升高。

圖8 近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點

確切地說，從半長葉片弦長下游開始，主葉片和分流葉片的吸力面開始出現(xiàn)氣流分離。此流動特性加劇了湍流噪聲。氣流隨后加速流向擴(kuò)壓器并進(jìn)入蝸殼，氣流在蝸殼內(nèi)沿周向流動后流向出口。Proudman和Curle定常流動聲學(xué)分析結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點(a)和設(shè)計工況點(b)的Proudman體積聲功率級分布

圖10 近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點(a)和設(shè)計工況點(b)的Curle表面聲功率級分布

Proudman聲功率盡管大到湍動能水平，對于2個物理量來說最高值區(qū)域相同。云圖上顯示四極子噪聲源在近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點產(chǎn)生的聲功率較大且范圍較廣。正如所預(yù)料的，有回流的區(qū)域，以及進(jìn)口上游有回流的區(qū)域，氣流被剪切，聲功率較大。在中等馬赫數(shù)的氣流中，偶極子噪聲源對總聲功率貢獻(xiàn)最大，在Curle模型中對此噪聲源進(jìn)行了建模。

Curle模型仿真結(jié)果表明，對兩個運(yùn)行點總聲功率貢獻(xiàn)最大的是葉片前緣。在近喘振線穩(wěn)定運(yùn)行工況點，噪聲明顯的區(qū)域為擴(kuò)壓器蝸舌下部(順時針)。另外，圖中也對總聲功率貢獻(xiàn)較小的葉片頂部區(qū)域進(jìn)行了高亮顯示。

通過Curle和Proudman模型仿真計算出的單位面積/體積總聲功率，分別在計算域內(nèi)進(jìn)行面積分和體積分，從而生成了總聲功率分布圖，如圖11所示。這與Dehner和Figurella對進(jìn)口管道的研究觀點一致，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高，聲功率也隨之增大。在所研究的大部分轉(zhuǎn)速線上，越靠近喘振線和阻塞線，聲功率越大。

圖11 總聲功率級分布

綜合考慮Proudman和Curle模型仿真結(jié)果，從圖11中可以看出，在大部分轉(zhuǎn)速線上，越靠近喘振線和阻塞線，聲功率越大。

3 結(jié)論

對某款渦輪增壓器壓氣機(jī)幾何模型進(jìn)行了離散化處理，其中幾何模型包括葉輪、無葉擴(kuò)壓器、壓氣機(jī)蝸殼和進(jìn)口/出口管路等。通過定常流動CFD仿真，求解了壓氣機(jī)特性曲線中所有運(yùn)行工況點的流場，并用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

對包含所有壓氣機(jī)運(yùn)行工況點的壓氣機(jī)特性曲線進(jìn)行仿真，結(jié)果表明其總體上與試驗數(shù)據(jù)有很好的吻合性，尤其是增壓比特性曲線。在效率特性曲線中，出現(xiàn)了明顯差異，主要是由于仿真時對擴(kuò)散深度的估計不足，以及忽略了渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間的熱傳遞。

基于定常流動RANS方程的2種聲學(xué)模型可以識別計算域內(nèi)的主要氣動聲學(xué)噪聲源。通過研究發(fā)現(xiàn)，噪聲源主要為存在回流現(xiàn)象的區(qū)域、葉片前緣和蝸舌下部的順時針區(qū)域。偶極子和四極子噪聲源是主要的湍流噪音源，分別通過表面和體積模型對這兩個噪聲源進(jìn)行聲功率計算。在整個壓氣機(jī)特性曲線運(yùn)行工況點上，偶極子噪聲源比四極子噪音源更普遍。對所有轉(zhuǎn)速線的聲功率分布圖趨勢都進(jìn)行了研究。最后，生成了聲功率噪聲分布圖，從中可以看出轉(zhuǎn)速越高，聲功率越大，在接近喘振線和阻塞線時噪聲最大。

需要說明的是，本文沒有考慮聲傳播，這意味著研究忽略了氣動聲學(xué)帶來的影響。考慮到聲學(xué)的非定常特性，需要進(jìn)行非定常流動仿真，以便充分捕捉流動的時域特性和相關(guān)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理。本研究為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)，研究內(nèi)容包含了所有的壓氣機(jī)運(yùn)行范圍，后續(xù)非定常研究可以聚焦于部分運(yùn)行工況點。

下一步工作要基于2個目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格加密和非定常流動仿真：(1)評估特定工況下定常流動分析的準(zhǔn)確性，包含流動特性和聲學(xué)模型；(2)最終通過采用LES方法對重要特定工況進(jìn)行分析，將噪聲源和噪聲傳播聯(lián)系起來。通過研究進(jìn)氣系統(tǒng)上游、下游零部件聲學(xué)包裝對噪聲的改善效果，為汽車行業(yè)降噪新技術(shù)的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。