脈沖進(jìn)氣參數(shù)對非對稱渦輪非穩(wěn)態(tài)特性的影響

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2025.04.005 中圖分類號：TK421.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0029-07

渦輪增壓技術(shù)與廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)結(jié)合使用的過程中，高EGR率可以更好地抑制 NO_x 排放，但同時要求渦輪端提供更高的背壓。一方面，更高的排氣壓力可以驅(qū)動更高的EGR率；另一方面，內(nèi)燃機(jī)換氣條件惡化，泵氣功增加，導(dǎo)致燃油消耗率上升。非對稱雙通道渦輪（ATST）應(yīng)運而生，ATST有2個喉口面積不同的蝸殼通道，較小的蝸殼面積可以增加背壓，以支持高EGR率，較大的蝸殼面積可以減小背壓，降低發(fā)動機(jī)排氣阻力和油耗[]。毫無疑問，非對稱渦輪可以有效平衡EGR率和內(nèi)燃機(jī)燃油消耗[。戴姆勒公司率先將其專有的ATST技術(shù)應(yīng)用于新一代重型卡車柴油發(fā)動機(jī)中[3-4]。此外，D.ZHU等[5研究了ATST渦輪增壓系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其可以提高內(nèi)燃機(jī)效率和排放性能。目前，許多研究都集中在ATST發(fā)動機(jī)的建模和ATST增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配上[6-8]。C.F.FREDRIKSSON等[9在沒有完整的非對稱渦輪幾何結(jié)構(gòu)的情況下，開發(fā)了一種非對稱渦輪平均線模型，該模型指定了每個進(jìn)氣道的總進(jìn)氣溫度，以獲得一組真實的建模系數(shù)。H.J.XU等[1o]比較了發(fā)動機(jī)循環(huán)仿真中ATST復(fù)雜建模和簡單建模兩種策略的效果，結(jié)果表明復(fù)雜模型可以獲得較高的仿真精度。T.PALENSCHAT等1針對ATST的流場進(jìn)行了研究。W.OLIN等[12]通過三維數(shù)值模擬研究了渦輪在穩(wěn)定和脈動入流條件下的效率特性。結(jié)果表明，在穩(wěn)定進(jìn)口條件下，葉冠側(cè)加大渦旋的ATST效率提高 1.6% 左右。然而，在脈沖進(jìn)氣條件下，輪轂側(cè)帶大蝸殼的ATST的效率則高出約1.1% 。這種差異是由于在脈動進(jìn)氣條件下，兩個蝸殼的質(zhì)量流儲存能力不同。M.CERDOUN等[13]基于ANSYSCFX模擬，研究了類發(fā)動機(jī)工況下ATST的氣動特性，更好地了解了雙入口蝸殼/轉(zhuǎn)子相互作用現(xiàn)象以及雙入口蝸殼兩側(cè)氣體脈沖期間的能量交換機(jī)制。由于發(fā)動機(jī)的排氣是脈動的，因此，ATST的實際進(jìn)口條件是脈沖進(jìn)氣，且脈沖進(jìn)氣的頻率和幅值隨發(fā)動機(jī)工況變化發(fā)生變化。因此，研究脈沖進(jìn)氣參數(shù)（頻率，幅值等）對ATST性能的影響，對于理解ATST的內(nèi)部流動機(jī)理具有重要意義，同時可以為渦輪優(yōu)化設(shè)計以及增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配提供有力參考。鑒于此，本研究利用數(shù)值模擬方法研究了ATST在不同脈沖頻率和幅值條件下的渦輪性能及內(nèi)部流動特性。

1數(shù)值分析

1.1 數(shù)值模型

以安裝在六缸柴油機(jī)上的非對稱徑向渦輪作為研究對象，不對稱度（asymmetric，ASY）定義為兩個蝸殼的喉部面積之比，本研究中該值為0.83。渦輪結(jié)構(gòu)包括蝸殼和轉(zhuǎn)子葉輪兩部分，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1渦輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用ANSYSCFX進(jìn)行仿真模型的建立。本次模擬采用了全通道模型，為了清晰起見，圖1僅示出了轉(zhuǎn)子單通道網(wǎng)格模型。轉(zhuǎn)子和蝸殼計算域分別采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為5733376和1306695。另外，對靠近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以獲取邊界層內(nèi)參數(shù)的梯度。 Y+ 值控制在5以內(nèi)。

圖1渦輪網(wǎng)格模型

渦輪進(jìn)口邊界條件采用總溫和總壓；出口邊界條件采用平均壓力；對于壁面條件設(shè)置，忽略流體與固體之間的共軛換熱，將壁面設(shè)置為絕熱壁面，并按照實際的渦輪運轉(zhuǎn)情況設(shè)定對應(yīng)的轉(zhuǎn)速以及旋轉(zhuǎn)方向。渦輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為 140000r/min ，轉(zhuǎn)子/蝸殼接口采用“frozenrotor”方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，采用“transientrotor stator”方法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算[14]。本研究渦輪進(jìn)口的脈動壓力簡化為正弦曲線[15]，shr進(jìn)口處的平均壓力設(shè)置為 120kPa ，hub進(jìn)口處的平均壓力設(shè)置為 100kPa ，脈沖幅值為 35kPa ，大小流道的壓力比例關(guān)系參考相關(guān)文獻(xiàn)[16]給出。研究脈沖頻率對ATST性能的影響時，選取20Hz，40Hz 和 80Hz 脈沖頻率，分別對應(yīng)于四沖程六缸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 800r/min ， 1600r/min 和3200r/min 的工況[17]。渦輪進(jìn)口的總壓和總溫邊界條件如圖2所示，由于渦輪出口壓力低于進(jìn)口壓力，出口邊界采用平均靜壓來表示[15]。

圖2不同脈沖頻率下渦輪進(jìn)口總壓、總溫條件

為了探究脈沖幅值對非對稱渦輪的影響，選擇脈沖頻率 40Hz ，脈沖幅值分別為 35kPa 和 50kPa ，shr進(jìn)口處的平均壓力仍然為 120kPa ，hub進(jìn)口處的平均壓力為 100kPa ，此時渦輪進(jìn)口總壓和總溫條件如圖3所示。圖中（40，35）表示頻率 40Hz ，幅值 35kPa 。后面圖中類似表達(dá)不再贅述。

圖3不同脈沖幅值下渦輪進(jìn)口總壓、總溫條件

1.2 模型驗證

本研究利用渦輪特性試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進(jìn)行驗證，渦輪兩進(jìn)氣道采用相同的進(jìn)氣條件。渦輪機(jī)入口處氣體溫度設(shè)置為 873K 。測試轉(zhuǎn)速在80000～180000r/min 之間，轉(zhuǎn)速間隔為20 000r/min ，對比結(jié)果見圖4。可以看出，流量特性的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；由于渦輪與外部環(huán)境之間存在傳熱損失，而仿真模擬沒有考慮這些不可預(yù)測的損失，因此仿真計算效率高于試驗值，但兩者差異小于 5% ，表明該計算模型是可靠的。

圖4試驗與仿真渦輪特性對比

2 結(jié)果分析

2.1脈沖頻率對渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的影響

在ATST非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算中，渦輪質(zhì)量流量參數(shù)（MFP）和總-靜瞬態(tài)效率的計算如下：

1）質(zhì)量流量參數(shù)（ MFP_equi 為

式中： T_t 為總溫； m 為質(zhì)量流量； P 為總壓；下標(biāo)equi、shr和hub分別表示等效系數(shù)、 shr 分支和hub分支。

2）總-靜瞬態(tài)效率 （η_ts） 為

式中： ω 為轉(zhuǎn)速； τ 為等熵膨脹速度； W_sT 為渦輪中的

等熵膨脹功。

3）等熵膨脹功為

W_sT=

式中：γ為絕熱指數(shù)， γ=1.33;C_p 為比定壓熱容，C_?P=1 006J/（kg?K）;PR 為膨脹比。

圖5示出了不同頻率脈沖條件下ATST性能對比。可以看出，脈沖條件下，渦輪的流量和效率都呈現(xiàn)遲滯環(huán)特性。對于單通道渦輪和等面積雙通道渦輪來說，渦輪進(jìn)氣脈沖頻率越高，渦輪的非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)越強(qiáng)，渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性的遲滯環(huán)面積也會越大[18-19]。從圖5可以看出，對于效率特性，這一點是吻合的，但對于流量特性，遲滯環(huán)的面積隨脈沖頻率升高而減小。這是由于流量特性相對于效率特性受蝸殼的充排效應(yīng)影響更大，而此ATST的小面積蝸殼通道的進(jìn)氣平均壓力高于大面積蝸殼通道的進(jìn)氣平均壓力，因此，大通道蝸殼的充排效應(yīng)對非穩(wěn)態(tài)特性的影響被削弱。可見，對于ATST，脈沖頻率對渦輪流量特性的影響與傳統(tǒng)的單通道渦輪和等面積雙通道渦輪不同，其還會受到不對稱蝸殼通道壓力不平衡的影響。

圖5不同脈沖頻率進(jìn)氣條件下ATST性能對比

圖6示出了不同頻率脈沖條件下渦輪輸出轉(zhuǎn)矩對比。波峰對應(yīng)全進(jìn)氣狀態(tài)，波谷對應(yīng)部分進(jìn)氣狀態(tài)。不同脈沖頻率進(jìn)氣條件下，轉(zhuǎn)矩曲線波形相似，但相位出現(xiàn)差異， 40Hz 的轉(zhuǎn)矩波形相對于 20Hz 的波形向左移動 7^°，80Hz 的轉(zhuǎn)矩波形較 40Hz 的波形向左移動 14^° ，說明隨著脈沖頻率的升高，脈沖波非定常效應(yīng)加強(qiáng)，因而脈沖遲滯效應(yīng)加強(qiáng)，相位前移。

圖6不同脈沖頻率條件下ATST輸出轉(zhuǎn)矩對比

研究表明，徑向渦輪受轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角的影響較大，導(dǎo)致渦輪只在部分工況下運行于較高效率點，轉(zhuǎn)子進(jìn)口最佳入射角范圍為 -20^°～-40^° 。人射損失是渦輪工作在非設(shè)計工況點時損失的主要來源[20]。因此，計算了不同脈沖頻率下渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率對轉(zhuǎn)子進(jìn)□入射角的影響主要體現(xiàn)在相位上，其影響規(guī)律與對轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律相似。另外，需要注意的是脈沖頻率對非對稱渦輪在一個脈沖周期內(nèi)的平均性能參數(shù)影響較小，只對瞬時狀態(tài)參數(shù)影響較大。

圖7不同脈沖頻率進(jìn)氣條件下的轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角

2.2脈沖幅值對渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的影響

圖8示出了不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下ATST性能對比。可以看出，無論是流量特性還是效率特性，隨著脈沖幅值的增大，特性曲線的遲滯環(huán)面積增大，說明脈沖幅值增大使得渦輪的非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)增強(qiáng)。還可以看出，脈沖幅值不同，特性曲線的遲滯環(huán)形狀差別較大，尤其是 50kPa 脈沖幅值對應(yīng)的效率特性曲線，形成了2個遲滯環(huán)，且流量和效率特性曲線的低值區(qū)域更大。

圖8不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下ATST性能對比

表2示出了不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下一個脈沖周期內(nèi)渦輪的平均性能。由表2可以看出，相較于脈沖幅值為 35kPa ，脈沖幅值為 50kPa 時，ATST一個脈沖周期內(nèi)的平均MFP下降了 5.69% ，平均等熵效率下降了 0.48% ，膨脹比變化值提高了83.78% 。可見，脈沖進(jìn)氣幅值除了對ATST的瞬態(tài)性能影響較大，對平均性能影響也較大。

表2不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下一個脈沖周期內(nèi)渦輪平均性能

圖9示出了不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角在一個脈沖周期內(nèi)的變化規(guī)律。可以看出，相比于幅值 35kPa 對應(yīng)的轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角，幅值50kPa 進(jìn)氣條件下對應(yīng)的轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角只在A區(qū)域更接近最佳入射區(qū)，而大部分脈沖周期內(nèi)，其對應(yīng)的入射角都更遠(yuǎn)離最佳入射區(qū)。因此，幅值50kPa 脈沖條件下渦輪人射損失更大。

圖9不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角

通過引入氣體總壓損失系數(shù) 來評估ATST蝸殼內(nèi)的流動損失，氣體總壓損失系數(shù)的定義為

式中： p₀^* 為導(dǎo)葉進(jìn)口總壓； p_x^* 為任意位置的總壓。

圖10示出了不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下蝸殼出口總壓損失系數(shù)。可以看出，在整個脈沖周期內(nèi)，50kPa 幅值對應(yīng)的蝸殼出口總壓損失系數(shù)都高于35kPa 幅值，也就是說脈沖幅值越大，蝸殼內(nèi)部流動損失越大。

圖10不同脈沖幅值進(jìn)氣條件下蝸殼出口總壓損失系數(shù)

為了更直觀地觀察脈沖幅值對ATST內(nèi)部流場的影響，選擇工況點B作為分析工況點。如圖9和圖10所示，B點對應(yīng)的轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角為最大值，對應(yīng)的蝸殼出口總壓損失系數(shù)亦為最大值。圖11示出了B工況點不同脈沖幅值條件下渦輪轉(zhuǎn)子前緣流線分布及轉(zhuǎn)子出口熵值分布。可以看出，由于轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角偏離最佳入射區(qū)，轉(zhuǎn)子前緣流場出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象（圖中A和 A^′ 區(qū)域），該分離渦團(tuán)在向轉(zhuǎn)子通道下游傳播的過程中，造成了葉尖部分的高熵區(qū)（圖中B和 $＼mathrm { ^ B ^ { ＼prime } }$ 區(qū)域），并且脈沖幅值越大，轉(zhuǎn)子出口的熵值越高，即流動損失越大。

圖11不同脈沖幅值條件下轉(zhuǎn)子前緣流線分布及轉(zhuǎn)子出口熵值分布

圖12示出了不同脈沖幅值條件下轉(zhuǎn)子進(jìn)口熵值分布。從圖中可以看出， 50kPa 幅值對應(yīng)的轉(zhuǎn)子進(jìn)口熵值更高，這是因為其轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角偏離最佳入射區(qū)更遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子前緣的流動分離現(xiàn)象更明顯，入射損失更大，這與圖9和圖11的分析結(jié)果是一致的。

圖12不同脈沖幅值條件下轉(zhuǎn)子進(jìn)口熵值分布

圖13示出了不同脈沖幅值條件下蝸殼不同截面位置壓力及流線分布。對比可知，脈沖幅值為50kPa 時蝸殼二次流現(xiàn)象更為突出，且都發(fā)生在hub通道內(nèi)，當(dāng)氣流進(jìn)入雙入口渦輪的螺旋部分時，在周向上氣流受到慣性力的作用，在徑向上氣流受到向心力的作用，在蝸殼周向 15^° 橫截面處蝸殼出口附近形成第一個渦，在蝸殼周向 105^° 截面位置主氣流占據(jù)橫截面的中心，受力不平衡和速度梯度影響，在 150^° 截面位置形成2個反向旋渦[13]。而當(dāng)脈沖幅值為 35kPa 時，蝸殼內(nèi)部沒有形成明顯的旋渦，由此可見，當(dāng)脈沖幅值為 50kPa 時，蝸殼的流動損失更大，這與圖10的分析結(jié)果一致。

圖13不同脈沖幅值條件下蝸殼不同截面位置壓力及流線分布

3結(jié)論

a）脈沖進(jìn)氣頻率對ATST的瞬態(tài)性能影響較大，隨著頻率的提高，流量特性遲滯環(huán)面積逐漸減小，效率特性遲滯環(huán)面積逐漸增大，并且導(dǎo)致渦輪輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角發(fā)生了相移，但脈沖頻率對ATST一個脈沖周期內(nèi)的平均性能影響較小；

b）脈沖進(jìn)氣幅值對ATST的瞬態(tài)性能和平均性能都有較大影響，隨著脈沖幅值增大，渦輪的非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)增強(qiáng)，流量特性、效率特性、轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角和蝸殼出口總壓損失系數(shù)波動范圍增大，較大脈沖幅值對應(yīng)的平均流量參數(shù)和效率分別下降了 5.69% 和 0.48% ，膨脹比變化幅值提高了 83.78% ，且轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角和蝸殼出口總壓損失系數(shù)都更高；

c）在轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角最大值工況點，較大脈沖幅值進(jìn)氣時，更大的轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子進(jìn)□的熵值更高、轉(zhuǎn)子前緣流動分離現(xiàn)象更明顯，最終導(dǎo)致渦輪出口輪緣附近形成高熵區(qū)，造成了轉(zhuǎn)子內(nèi)部更大的流動損失；而蝸殼內(nèi)部更明顯的二次流造成了其內(nèi)部出現(xiàn)較大的旋渦，導(dǎo)致蝸殼內(nèi)部流動損失增加。

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Abstract：Tobeterunderstandtheinfluenceof pulseintakeparametersontheperformanceof asymmetrictwin-scrollturbine （ATST），ANSYSCFXsoftware wasappliedtoperformunsteadynumericalcalculationof ATSTunderdiferent pulsefrequencyandamplitude intakeconditions.TheinfluenceofintakepulsefrequencyandamplitudeonATSTperformancewas explored， andtheinfluencesof pulsefrequencyandamplitudeonvoluteoutletparameters，rotor inletparametersandinternalflow field werefurtheranalyzed.Theresearch resultsshowthatdiferent pulsefrequenciescausecertain diferences in turbine performanceparameters，buthavelitleimpactontheaverageperformanceduring thecycle.Thepulseamplitudehasgreatinfluenceon thetransientandaverageperformanceofATST.Theaverageflowparameterandeficiencycorespondingtothelarger pulse amplitude decrease by 5.69% and 0.48% respectively，and the incidence angle at the rotor inlet and the total pressure loss coefficient at the volute outlet obviously increase.

KeyWords：pulsefrequency;pulseamplitude;asymmetrictwin-scrollturbine;incidenceangle;total presurelosscoeficient

[編輯：潘麗麗]