无叶扩压器宽度对压气机多工况性能影响数值研究.doc

无叶扩压器宽度对压气机多工况性能影响数值研究 　　摘 要：通过对压气机试验测量值与Numeca软件模拟计算值进行了对比，发现模拟计算结果与试验结果相差较小，从而验证了模拟计算压气机性能数据的可行性。而后对四种带不同宽度无叶扩压器压气机进行了数值模拟对比，并就扩压器对压气机多工况性能影响进行了详细分析，并结合流场分析得出了扩压器宽度对压气机稳定工作范围的影响关系，为进一步优化压气机性能及增压器离心压气机无叶扩压器的设计提供参考。 　　关键词：Numeca；压气机；扩压器；多工况；数值模拟 　　引言 　　车用涡轮增压器离心压气机主要由叶轮、扩压器及压气机蜗壳三大件组成，扩压器作为压气机的关键部件之一，它可使自叶轮出口流入扩压器的流体动能降低，将动能转化为压力能，从而达到增压的效果。一般叶轮出口气流的动能占叶轮对气体所作功的20%～50%[1]，扩压器内部结构形状对于动能转化的影响较大，因此对扩压器内部气体流动及其对压气机性能影响的研究至关重要。莫子高等研究了无叶扩压器宽度对压气机性能的影响，结果表明，减小扩压器宽度可以使扩压器内部气流切向速度分布均匀，缩短了气流路程，减小了摩擦损失[1]。 　　汤华等对某有叶扩压器离心压气机无叶扩压段型线对压气机性能影响进行了数值研究，研究表明，合理调整无叶扩压段的收缩程度对减小扩压器叶片入口损失有显著影响[2]。马超等研究了无叶扩压器收缩角对压气机性能影响，研究表明采用较大的收缩角可以提高压气机性能，但过大的收缩角会牺牲压气机效率，在离心压气机扩压器设计中要综合考虑压比和效率性能[3]。文献[4]采用实验手段研究了离心压气机7种不同无叶扩压器设计，得出压壳收敛角提高了压气机级性能以及叶轮性能但恶化了扩压器的性能，过大的压壳收敛角会恶化压气机性能。文献[5-8]也对扩压器的设计及优化做了大量研究工作。 　　由于以往的研究基本只对设计转速下的性能进行了分析，车用发动机大部分时间运行在非设计工况，因此很有必要对增压器多工况性能进行分析研究，文章主要对不同扩压器宽度值对压气机的全工况性能进行了数值分析，探索出扩压器宽度对压气机全工况性能的影响。 　　1 研究对象 　　文章以某增压器压气机为研究对象，该压气机采用无叶扩压器结构，压气机叶轮采用前倾后弯结构，其子午面形状如图1所示，相关几何尺寸见表1。文章系统地研究了扩压器在2mm、2.6mm、3.21mm及3.85mm时对压气机的性能影响，如表2所示，尝试探索出扩压器宽度对压气机性能的非线性影响规律。 　　图1 压气机基本尺寸 　　2 数值模拟及试验验证 　　计算采用FINE/Turbo软件包，求解三维雷诺平均N-S方程组。FINE/Turbo 软件包EURANUS求解器数值计算应用格子中心有限体积法，空间采用添加人工粘性项的二阶中心差分格式；计算采用三层多重网格结合变时间步长及残差光顺方法进行收敛加速，叶轮进口为全湍流，使用Spalart-All-maras。 　　一方程湍流模型进行紊流封闭，取压气机叶轮单通道进行模拟，通道边界设置为周期性边界条件，结构网格的使用保证了整个网格的质量，对近壁处的网格进行加密，叶轮及蜗壳拓扑第一层网格高度均为0.001mm，叶轮间隙处设置13个网格节点，为使网格满足Spalart-Allmaras湍流模型计算要求，y+值控制在1～7之间。最终，蜗壳网格数目为1207069，如图2；叶轮网格数目为1276608，如图3。各压气机方案中叶轮及蜗壳的网格拓扑结构均保持一致，保证了分析结果的可信度。 　　图2 压气机网格模型 图3 叶轮网格模型 　　对压气机进口施加标况下绝对总压、绝对总温以及速度向量方向等边界条件，压气机出口施加质量流量边界条件。固体壁面取不渗透、无滑移、绝热的边界条件，使通过固体壁面的质量通量、动量通量及能量通量为零。判断计算是否收敛，通常以下述几个标准作为参考：全局残差下降三个量级以上；收敛准则最重要的一个参数是进出口质量流量，其相对误差应小于0.02%，且流量不再发生变化；对于定常计算，总体性能参数（效率，压比，扭矩等）都应当恒定，而不再随迭代步数增加而变化。 　　压气机性能曲线的测取是在压气机特性试验台上完成的，试验台架增压器转速测量采用非接触式磁电传感器加二次仪表显示，系统精度为0.2%；压力测量采用电容式压力传感器；温度测量采用铂热电阻，精度为0.2%；压气机进口流量采用双纽线流量计进行测量，试验台各种温度、压力及转速测量仪器仪表均在使用有效期内，由于对试验测试数据精度要求较高，对测试台架开展了测量系统分析（MSA），文中MSA分析对象是针对1台增压器设计转速下低、中、高三个流量点进行，相当于3个虚拟的对象，然后让3位操作者针对每个虚拟对象重复测量3次，测量系统评估指标