復雜進口邊界對高壓級壓氣機性能影響分析

肖祥煜，馬朝臣，施新，張航

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

隨著對內燃機動力性、經濟性和排放要求的不斷提高，兩級增壓系統在車用內燃機上得到越來越多的應用。在兩級增壓系統中，受整體結構、空間以及質量等因素的影響，兩級壓氣機之間需采用復雜的管道進行連接，該級間管道中特殊的幾何特征會造成高壓級壓氣機進口段產生畸變氣流；同時，低壓級壓氣機出口流場也存在氣動參數不均勻分布的特點，這種特征與級間彎扭管路導致的流動畸變耦合在一起，將使高壓級壓氣機進口流動條件更加復雜，由此導致壓氣機內部的流場發生變化，從而對高壓級壓氣機的性能和穩定工作范圍產生顯著影響。

近年來關于離心壓氣機畸變進氣的相關研究成為了學者們的研究重點之一。Ariga等[1]通過畸變網形成畸變進氣，發現畸變進氣對葉輪進氣當中的攻角產生了影響，從而令葉輪效率大幅減少。Engeda等[2]分析了離心壓氣機進口配備直管以及不同類型彎管的情況，發現離心壓氣機進口采用90°彎管連接能夠造成壓氣機進口出現畸變氣流，大幅降低壓氣機性能。Dickmann等[3-4]對離心壓氣機當中存在的葉片激振進行分析，發現葉片振幅會受到流量的影響；此外通過分布不對稱的周向靜壓對擴壓器出口位置的蝸殼進行了模擬研究，表明非軸對稱形式的壓氣機蝸殼構造會影響壓氣機葉輪葉片的振動。張軍等[5]通過對離心壓氣機進口部分采用不同形式進氣管道的方式，發現在進氣管道存在差異的情況下，離心壓氣機實際的性能會受到較大的影響。此外，畸變會導致蝸殼舌部噪聲以及葉片振動問題的進一步加重，而在蝸舌堵塞效應和畸變核心區域的相互作用下，會造成擴壓器內部以及主葉片表面存在的脈動強度和壓力分布出現變化[6-9]。

上述關于離心壓氣機進氣畸變的研究均針對的是單級離心壓氣機，而針對兩級增壓系統內離心壓氣機進口復雜耦合畸變的研究很少。本研究針對某兩級增壓系統，基于NUMECA Fine/Turbo軟件包，建立帶有級間彎扭管路的高壓級壓氣機模型，結合上游低壓級壓氣機出口流場，研究復雜進口邊界條件對高壓級壓氣機性能的影響，探求耦合畸變效應導致高壓級壓氣機性能變化的內部流動機理。

1 研究對象和計算模型

本研究的對象為某V6發動機兩級增壓系統中的高低壓級壓氣機，包括蝸殼、壓氣機葉輪和進口管道等部分，高低壓級壓氣機主要幾何參數見表1和表2。

采用Numeca軟件進行模型的網格劃分，其中葉輪部分采用Autogrid 5模塊自動生成網格，蝸殼以及進口管道的網格手動生成。網格采用的湍流模型為S-A湍流模型，它具有效率高、魯棒性好等優點。為確保計算的精準性，進行網格的劃分之后需要完成對網格數量的無關聯性確認，并對網格的邊緣層進行了加密處理，并保證網格y+值合理。帶級間管路的高壓級壓氣機模型計算網格見圖1。

表1 高壓級壓氣機幾何參數

表2 低壓級壓氣機幾何參數

圖1 帶級間管路高壓級壓氣機網格

計算過程中，首先對低壓級壓氣機進行數值模擬，然后提取低壓級壓氣機出口處的壓力場、溫度場和速度場參數，將其直接加載到級間管路的入口，以此作為邊界條件進行高壓級壓氣機的計算。除此以外，計算中還采用了第二種邊界條件，即對低壓級壓氣機出口的總溫、總壓等數值進行平均后，加載到級間管路入口進行高壓級壓氣機的計算。本研究在高低壓級壓氣機設計轉速下進行了多個工況點的計算，并針對高壓級壓氣機轉速100 000 r/min、流量為0.269 kg/s的工況，比較兩種進口邊界條件下壓氣機內部流動，探究復雜邊界條件對高壓級壓氣機性能的影響。

2 結果與分析

2.1 進口管道流場變化分析

進口管路的非對稱幾何形狀對高壓級壓氣機性能具有一定的影響，所以有必要對管路內部的流場分布進行分析。如圖2所示，選取了4個截面進行分析，并標記了管道的內側和外側，尺寸最小的一側為內側，尺寸最大的一側為外側。

圖2 分析截面的選取

圖3示出進口管道截面1位置的靜壓分布。由圖3可以看出，不論是均勻進口還是不均勻進口，在截面1位置的壓力呈現內側低、外側高的情況，所以兩者的分布規律沒有發生明顯的變化。相比于均勻進口，不均勻進口的低壓區域小，高壓區域大。

圖3 進口管道截面1位置的靜壓分布

通過圖4截面2位置的靜壓分布可以看出，在管道的內側壓力較低，外側的壓力較高，高低靜壓區域的面積有所變化。

圖5示出了截面3位置的靜壓分布?？梢钥闯觯啾扔诮孛?的靜壓分布特點，截面3位置的靜壓總體是內側靜壓較低，而外側的靜壓較高，但是高低靜壓的位置有所偏移，這可能是因為截面3所處位置是彎管和直管交界的位置，所以流動有所偏轉。但是靜壓的分布情況總體規律還是內側較低、外側較高的模式。

圖4 進口管道截面2位置的靜壓分布

圖5 進口管道截面3位置的靜壓分布

圖6示出了截面4位置的靜壓分布情況?？梢钥闯?，在截面4位置，仍然是外側的壓力較高，而內側的壓力較低，但是壓力最低的位置變為整個截面的中心位置，說明靠近葉輪進口時，壓力的分布有所變化。對于均勻進口條件和不均勻進口條件，高靜壓的位置在靠近輪緣的區域，發生了一定的周向偏轉。兩者存在輕微的差異，但是總體分布形式一樣。

圖6 進口管道截面4位置的靜壓分布

除了研究高壓級進口管路的壓力分布之外，研究進口管路各個截面的流線分布有助于更細致地理解高壓級進口管路的流動情況。圖7示出了截面1的流線分布?？梢钥闯?，圖3的低壓區域對應于圖7中速度較高的區域，圖3的高壓區域對應于圖7中的速度較低的區域，這是因為氣體的流動滿足伯努利方程，壓能和動能之間相互轉化造成。

圖8示出了截面2的流線分布?？梢钥闯觯俣容^高的區域對應于圖4中的低壓區域，從流線的分布可以看出在截面2出現了漩渦流動。圖9示出了截面3的流線分布，這個截面出現了較大的漩渦，漩渦中心的速度很低，但是這個位置并非圖5中的高壓區域，由于截面3處于進口管道直管和彎管轉換的位置，所以復雜的幾何形狀導致此處的流動發生了大的變化，出現了漩渦流動，對于均勻進口和非均勻進口，漩渦的范圍和漩渦流動的速度差異不大。圖10示出了截面4的流動情況，可以看出截面4的速度分布呈現內高外低的分布形式，這是因為圖6中截面的中心壓力較低，此處速度升高，在截面4不再有明顯的漩渦流動。

圖7 截面1流線分布

圖8 截面2流線分布

圖9 截面3流線分布

圖10 截面4流線分布

通過以上分析可知，入口管道內存在漩渦流動的現象，但是只在管道幾何直管彎管突變的位置存在較強的漩渦流動，在進口管道進出口沒有明顯的漩渦流動。由于在截面4仍然存在一定的不均勻流動，所以進口管路的彎扭形狀會對壓氣機葉輪內部流動產生影響。對于均勻進口和非均勻進口，兩者的流動形式很接近，流動速度存在較小的差異。

2.2 壓氣機葉間流場分析

為了更加詳細地分析高壓級壓氣機的流場分布情況，圖11示出了50%展向位置的葉間靜壓分布云圖。在0°～60°位置存在一個高靜壓區域，在180°～220°周向位置，也存在一個高靜壓區域。0°～60°周向位置和蝸舌的位置十分接近，而且不論是均勻進氣還是非均勻進氣，這個區域都存在高靜壓，而離心壓氣機內造成周向不均勻流場的一個主要因素是蝸殼蝸舌的作用，說明區域A的高靜壓是蝸舌誘導形成的。180°～220°周向位置存在的高靜壓區域是靜壓凸起區域B，已經有相關的文獻報道了這種靜壓凸起現象?？梢钥闯?，對于均勻進口和非均勻進口，兩者在50%槽道展向高度位置靜壓分布的形式和強度差距都很小，說明采用均勻的進口邊界條件和低壓級出口的邊界條件，對壓氣機內部的流場影響很微弱，對壓氣機內的靜壓分布形式和范圍沒有明顯的影響，也說明低壓級出口的流動對50%展向高度位置的靜壓流場影響很小。

圖11 50%展向位置靜壓云圖對比

由于需要全面地分析高壓級壓氣機內部流場分布情況，圖12示出了90%展向位置的葉間靜壓分布云圖?？梢钥闯?，在0°～60°周向位置同樣存在高靜壓區域A，在180°周向位置附近存在靜壓凸起區域B。和50%槽道展向高度位置不相同的是，在90%槽道展向高度位置處，兩個高靜壓區域的右側都存在一定的低靜壓區域(約120 kPa)，說明在90%槽道展向高度位置的壓力分布更為不均勻。同樣，對于均勻進氣條件和實際的不均勻進氣條件，兩者的流場分布情況差異很微弱，高靜壓區域所占據的范圍和靜壓的數值范圍差距很小。

圖12 90%展向位置靜壓云圖對比

葉片槽道內的流動損失是壓氣機流動損失的重要組成部分，流動損失會影響壓氣機的效率，所以有必要深入研究高壓級壓氣機內葉間流動損失的變化情況。圖13示出了兩種進口條件下，壓氣機內50%展向高度位置的熵增分布情況。可以看出，對于均勻進口和非均勻進口條件，兩者的分布形式很相似，在葉輪上游，分流葉片以上的流向位置，熵增接近于0，說明這些位置流動損失很小，但是分流葉片以下的位置都存在明顯的熵增，說明葉片槽道下游的流動損失增加。對照圖11和圖13可以看出：蝸舌上游都存在高熵區域，而蝸舌下游的熵增相對較小，對于180°周向位置的靜壓凸起區域，它的上游也存在一個高熵區域，而它的下游熵值相對較低，說明流動損失和靜壓分布密切相關。在高靜壓區域的上游存在高熵區域，說明受到高靜壓區域的影響，上游的流動受到阻礙，從而流動分離加劇，導致損失增加。對比均勻進口和非均勻進口條件下的熵增分布情況可以看出，兩者的分布形式、強度以及面積差異很小，說明在50%槽道高度的流動損失差異很小，表明低壓級出口氣流的分布情況對高壓級壓氣機50%槽道展向位置的熵增分布影響很小。

圖13 50%葉片槽道展向位置熵增云圖對比

為了更加詳細地看出葉片槽道內的流動損失，圖14示出了90%葉片槽道展向位置的熵增分布情況?？梢钥闯觯?0%展向位置的高熵區范圍相比50%展向位置的高熵區有所偏移，熵值最大的區域移動到了葉片槽道偏上游的位置，由于90%葉高接近葉頂間隙，所以這種差異變化是由葉頂間隙泄漏流動引起的，說明在90%葉高泄漏流動損失很大，從而超過了蝸殼誘導的高靜壓區域對流動損失的影響。對比均勻進口和非均勻進口條件下的熵增分布情況可以看出，高熵區域的范圍和強度十分接近，說明兩者損失差異很小。但是對于不均勻進口條件，高熵區域整體向右偏移了半個葉片槽道的距離，說明不均勻進口條件能夠影響葉片槽道上游的高熵區域的分布位置，但是不會對槽道的流動損失產生大的影響。對比圖12發現，因為葉片槽道下游的流動損失主要受到蝸舌誘導的高靜壓區域的影響，所以不均勻進口條件對葉片槽道下游的流動損失影響更小。

圖14 90%葉片槽道展向位置熵增云圖對比

2.3 典型葉片的葉尖載荷差異分析

從2.2節的流動損失分析可以知道，靠近葉頂的損失變化更為明顯，葉頂的流動損失增加主要是由葉頂間隙泄漏流動引起的，而間隙泄漏流動的變化是由葉尖載荷差異變化引起的，所以有必要分析葉尖載荷的差異。圖15示出了圖14中葉片B1和葉片B5的載荷差異變化?？梢钥闯觯瑢τ诰鶆蜻M氣條件，由于葉片B1靠近蝸舌，所以受到蝸舌誘導的高靜壓區域的影響，在葉片B1的吸力面靜壓更高，而壓力面在蝸舌的下游，壓力有明顯的下降；葉片B5吸力面至壓力面處于蝸殼誘導的靜壓分布上升的階段，所以葉片B5的載荷大于葉片B1的載荷，葉片B1載荷下降，會導致葉片B1泄漏流動速度更小，從而更加容易出現泄漏渦破碎。對于不均勻進口條件，葉片B1受到的載荷更小，而葉片B5吸力面和壓力面的載荷變化都不明顯。說明不均勻的進口條件下，葉片B1的載荷受到了更明顯的影響。

圖15 均勻進口和非均勻進口葉尖載荷分布情況

2.4 葉輪進口相對氣流角分布分析

圖16示出了葉輪進口周向平均后的相對氣流角的分布差異。相對氣流角的分布能夠影響葉輪前緣的攻角損失，所以相對氣流角接近于葉片的安裝角，會有利于葉輪前緣的流動。由于本研究的葉輪安裝角接近于60°，所以相對氣流角接近于60°會有利于減少前緣的攻角損失。從圖16可以看出，對于均勻進氣和非均勻進氣，相對氣流角在大部分葉高位置接近于最優的氣流角，所以葉輪前緣的流動基本符合要求。對均勻進氣和非均勻進氣進行對比可以發現，兩者在大部分葉高的氣流角是相同的，所以低壓級出口對高壓級的氣流角的影響較小，通過放大視圖可以看出，僅僅在葉根位置，均勻進氣的氣流角更加接近最優角，但是兩者的差距很小。

圖16 均勻進口和非均勻進口葉輪進口相對氣流角分布

3 結論

a) 在均勻進氣條件和非均勻進氣條件下，高壓級進口彎扭管路內的靜壓分布是相似的，總體分布呈現外高內低的分布趨勢；在彎扭管結束位置，即葉輪進口位置，均勻進氣條件和非均勻進氣條件下的靜壓分布仍然存在細微的差異，高靜壓區域的位置在靠近輪緣的區域，發生了一定的周向偏轉；

b) 通過高壓級壓氣機葉間流場分析可知，壓氣機50%和90%槽道展向高度位置的靜壓呈現出高低靜壓交替分布的現象，在靠近蝸舌的附近存在一個高靜壓區域，在180°周向位置也存在一個高靜壓區域；

c) 在均勻進氣條件和非均勻進氣條件50%槽道展向高度位置的熵增分布差異很小，主要是蝸舌誘導的高靜壓區域作用產生的高熵區域以及靜壓凸起區域產生的高熵區域；在90%槽道展向高度位置，兩者的熵增分布位置差異較為明顯，這可能是非均勻進氣造成靠近輪緣的高靜壓周向偏轉造成的。