汽油機渦輪增壓器壓氣機內流場分析和優化措施 Flow Field Analysis and Optimization Measures in Turbocharger Compressor of Gasoline Engine

劉湘玲 LIU Xiang-ling

摘要：本項目研究以1.5L增壓汽油機為研究背景，建立增壓器三維模型與有限元網格模型，對其內部三維流場（包括速度場、壓力場、溫度場）結構強度進行模擬計算分析，對渦輪增壓系統動態特性進行研究，從而對其內部流道和增壓器的結構強度進行優化設計。在CFD、有限元分析等方法應用下，針對汽油機增壓技術應用上的難點，通過進行性能提升和優化匹配方式，達到預計的增壓汽油機性能目標，為增壓器的研發、設計、制造奠定理論基礎。

Abstract： Taking the 1.5L supercharged gasoline engine as the research background， this project establishes the three-dimensional model and finite element mesh model of the supercharger， simulates and analyzes the structural strength of its internal three-dimensional flow field （including velocity field， pressure field and temperature field）， studies the dynamic characteristics of the turbocharger system， and optimizes the structural strength of its internal flow channel and supercharger. Under the application of CFD， finite element analysis and other methods， aiming at the difficulties in the application of gasoline engine supercharging technology， the expected performance objectives of supercharged gasoline engine are achieved by improving the performance and optimizing the matching mode， so as to lay a theoretical foundation for the R & D， design and manufacturing of supercharger.

關鍵詞：汽油機;渦輪增壓器;壓氣機;流場

Key words： gasoline engine;turbocharger;compressor;flow field

中圖分類號：U661.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0056-02

0? 引言

隨著現代科學技術的發展，在交通行駛中，人們不但對汽車動力性、經濟性關注度比較高，也非常注重汽車所致環境問題。渦輪增加技術為發動機燃燒室配排出氣流慣性力的應用下，促進渦輪旋轉，以此推動葉輪對新鮮空氣產生壓縮作用，提高進氣量，進而實現對燃燒情況的改善，進一步提升汽車發動機輸出功率和效率，更有助于實現汽車尾氣對環境污染問題。增壓技術在汽車中為重要技術之一，但在實際應用中由于增壓汽油機還具有空氣動力噪聲，因此加大了汽車運行中的噪聲，就算是安裝進氣消聲器和排氣消聲器，對其噪聲可以起到降低作用，然而并無法徹底解決渦輪增壓器本身噪聲。汽車行駛過程中，渦輪增壓器工作氣流通道流通相對復雜，屬于是非定常流動，無法對其實施準確模擬，在當前人們越來越追求汽車行駛舒適度需求下，需要展開關于汽油機渦輪增壓器壓氣機內流場的分析，并提出優化措施，以確?？梢杂行Ы档推囋肼暬A上，實現對乘客乘車舒適性的改善。本次研究以長安1.5L汽油機相匹配的增壓器為研究對象，結合汽油機增壓技術應用中的實際問題，對其壓氣機內流場實施分析，提出優化措施，以此提升汽車使用性能。

1? 模型建構

1.1 幾何模型建構

整個壓氣機總成內流道不但非常復雜，且呈現出扭曲狀態，想要實現對其內部流程的準確模擬分析，認識到氣流組織情況，也就需要在三維流體控制方程的應用下對其實施模擬，以此建構相應的流動空間三維模型。本次實體建模過程中，基于三維掃描技術以及實體造型軟件，完成了實體模型建構，其中將整個壓氣機內部流道作為是相應的建模區域，因此可以將其分成三部分，分別為壓氣機進氣道、葉輪流道、擴壓器和渦殼部分。

1.2 有限元模型建構

1.2.1 網格選擇及劃分? 本次研究采用的是非結構化網絡，存在有幾何靈活性。因為在壓氣機模型總成整體可以具備有兩個邊界，分別為旋轉動邊界及靜邊界，所以分析過程中計算區域能夠劃分為不同區域，具體為壓氣機進氣道、擴壓器、蝸殼部分為定子區域，葉輪流道部分為轉子區域;基于多重參考系模型實現轉子和靜子區域間耦合。在計算過程中，需要保持轉子區域網格為靜止狀態，在作用哥氏力以及離心力的應用下實現在慣性坐標系中的轉子區域定常計算;另外還需要在慣性坐標系中，實現關于定子區域內的定常計算。如果是針對兩個子區域交界處計算過程中，需要基于交換慣性坐標性實現相關流體參數變換，在此過程中不但可以實現對交界面連續性提供保障，也能夠采用定常計算實現關于非定常的計算。

在網格劃分中采用四面體非結構化網絡，針對壓氣機內部流道中的進氣道劃分為44034個網格，葉輪流道劃分為740488個網格，擴壓器以及蝸殼劃分為1111206個網格，因此本次研究共劃分為1895728個網格。在網格劃分結束后，對其實施GAMBIT檢驗，發現生成網格傾斜度大部分都是在0.2-0.4范圍內，能夠滿足相應的計算要求。

1.2.2 數值計算

數值模擬分析離心壓氣機過程中，本次是建立在三維流體計算軟件NUMECA基礎上。其中可壓縮理想氣體為工作介質，并將RANS方法作為是湍流計算方法。另外在模型建構中，基于單方程模型S-A完成湍流模型建構，不但能夠實現邊界層的良好計算，實現關于復雜流動情況的有效處理，進而模擬分離和邊界層的轉換過程。在仿真研究中，對于不同工況下開心壓氣機數值分析中需要和離心壓氣機工作范圍相結合。其中在設定邊界條件的時候，軸向進氣即為進口條件，基于此可以實現對進口總壓、總溫以及湍流粘性的確定，在數值計算過程中也可以通過質量流量實現對出口邊界條件的確定。固壁計算需要和絕熱、等轉速旋轉邊界條件相關參數相結合，若在計算過程中，發現離心壓氣機最高壓比點附近殘差曲線存在有周期性波動，可以判定壓氣機存在有喘振情況;若計算大量流工況中存在有壓比或效率殘差曲線下降或分散問題，可以判定壓氣機存在有堵塞。

2? 結果分析

2.1 葉輪通道內流場分析

葉輪通道內流場流體速度在沿徑向、沿周向分布均非常不均勻，從上到下流道中的氣體速度也呈現出增加趨勢，觀察也可以發現整個流動過程中不存在超音速區，馬赫數M<1。

2.2 擴壓器和蝸殼流場分析

在葉輪將氣體發出后，逐漸進入到無葉擴壓器中，整個過程速度呈現減小趨勢，和蝸殼小端面及大端面接口處擴壓器之間的距離越小，相應的氣體下降速度也會隨之減小。同時發現蝸殼內速度存在比較大的減小幅度，但是和壓氣機出口越靠近相應的速度也會有所提升，基于此發動機才可以完成進去流程。在對其流場實施分析中發現，若無葉擴壓器內出現嚴重的氣流損失，原因即為沿周向葉輪流道出口速度分布均勻性不足，進而擴壓器中氣體進入后迅速出現了混合情況，導致出現了擴壓器內出現一定的混合氣體損失。

2.3 內部流場分析

為實現關于葉輪內部流場的分析，模擬分析了額定工況下的壓氣機流場情況。分別為周向平均相對速度矢量、氣流角分布云圖及熵值周向云圖。由此可見，氣流流動過程中，從出口到進口渦流較為明顯;沿葉高方向下的進入到擴壓器氣流角分布也呈現出嚴重不均勻分布;另外從出口到進口整個過程中氣流的頂端熵值均較大，進而導致存在比較大的效率下降速度。另外在研究中也發現額定工況下，葉輪和擴壓器運行中，從出口到進口具有明顯渦流區，由此會嚴重影響到前后部件的運行情況，隨著此情況的不斷加劇，嚴重可能會引發通道中發生堵塞，對于整個離心壓氣機工作也會產生不良影響。在熵值圖中也能夠看出，擴壓器前緣葉尖處氣流角非常差，對于氣流在擴壓器中的正常進入也具有不良影響，導致擴壓器中氣流流動不夠均勻，尾緣會有低速區的存在。

3? 優化措施

通過以上關于汽油機渦輪增壓器壓氣機內流場的分析，為能夠將其渦輪增壓器運行噪聲，提高汽車行駛舒適性，本次提出以下優化措施：

3.1 優化擴壓器葉片數

通過以上分析發現在優化過程中，一個重要工作即為實現壓氣機工作效率和壓比的改善。因此針對離心壓氣機設計優化中，即可以實現對擴壓器葉片數以及葉片長度等的改善，由此實現對葉輪和擴壓器耦合關系的改善。其中通過研究發現，減少擴壓器葉片數，有助于提升大流量情況下的整級效率以及壓比，然而也需要注意如果葉片數過少，也會導致出現擴壓器內部流動紊亂，因此需要實現關于擴壓器葉片數的合理選擇。

3.2 優化擴壓器葉片長度

在針對擴壓器葉片數實施優化分析上發現，減少葉片數一方面可以實現對擴壓器內部流場的改善，另一方面也有助于擴大工作范圍。然而在此過程中需要注意到小流量下流動穩定性不足。由此也就能夠在Numeca優化設計模塊Design 3D應用下實現關于擴壓器葉片長度的優化，由此可以改善擴壓器中的氣流回流情況，對于擴壓器來講能夠降低損失，還有一個作用也就是改善尾緣處低速區，進而提升氣流流動均勻性。在針對擴壓器葉片長度選擇中，屬于是一個幾何參數，需要在對擴壓器葉片葉型不會出現扭曲保障基礎上，實現關于其選擇范圍的確定，由此也就可以生成數據庫。最后也就可以在生成數據庫中，選擇相應的優化結果。想要實現關于內部流程優化前后效果的對比，在本次研究以葉高10%位置當地矢量流線圖實施分析，研究發現對擴壓器尾緣長度進行縮短，有助于減少葉片稠度，對于各個通道中的氣流能量分布也具有改善作用，可以提升其分布均勻性。另外減少葉片尾緣長度后，也可以為擴壓器中的氣流流動提供便利。優化后發現，這一方法的應用不但有助于提升整級在小流量中的應用性能，也可以實現對氣流間相互作用的改善，由此進一步改善擴壓器內部流程情況。

4? 結論

通過以上研究，所得結論分別為：第一，在CFD、有限元分析等方法的應用下，實現了關于汽油機渦輪增壓器壓氣機內流場的分析，從出口到進口氣流流通過程中會出現顯著的渦流;沿葉高方向下的進入到擴壓器氣流角也呈現出嚴重不均勻分布;另外從出口到進口整個氣流的頂端熵值均較大，進而導致存在比較大的效率下降速度。第二，結合分析結果，提出了擴壓器結構優化措施，主要集中在鏈各個方面，分別為減少擴壓器葉片數和縮短葉片長度，進而改善內部流場影響作用，且顯著改善擴壓器尾部低速度，提升運行性能。

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