離心式壓氣機(jī)CFD仿真分析

郭斌，文雪峰，蘇曉春

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

離心式壓氣機(jī)CFD仿真分析

郭斌，文雪峰，蘇曉春

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

利用AVL FIRE軟件以某車用渦輪增壓器為研究對象，對其離心式壓氣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，獲取壓氣機(jī)的特性曲線，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果大致吻合；分析了壓氣機(jī)的內(nèi)部流場，找出了流動損失的關(guān)鍵部位，為壓氣機(jī)的優(yōu)化提供重要參考。

壓氣機(jī)；CFD；數(shù)值模擬

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-11-03

引言

近年來，能源問題的加劇和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)促使渦輪增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。渦輪增壓能使內(nèi)燃機(jī)在動力性、經(jīng)濟(jì)性、比質(zhì)量和排放等性能指標(biāo)上有很大的提高和改善，它是實現(xiàn)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)高效率、低污染的重要技術(shù)措施之一。目前，渦輪增壓器正向高增壓、高轉(zhuǎn)速、高效率以及更寬廣的運(yùn)行范圍發(fā)展，這對渦輪增壓器的性能提出了更高的要求，而渦輪增壓器性能提高的關(guān)鍵是提高壓氣機(jī)和渦輪的氣動效率。壓氣機(jī)和渦輪葉片的內(nèi)部流動很復(fù)雜，理論難以精確分析其流場，CFD仿真為研究其內(nèi)部流場分布和各種損失的原因提供了重要的手段。渦輪和壓氣機(jī)的仿真計算和內(nèi)部流場有一定的相似性，本文以某壓氣機(jī)為例，利用FIRE仿真軟件計算壓氣機(jī)的效率和流量，并分析其內(nèi)部流場。這能極大的縮短壓氣機(jī)的設(shè)計周期，對于改善壓氣機(jī)性能以及設(shè)計新壓氣機(jī)具有重要意義。

1、計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 建立幾何模型

采用逆向工程，利用三維激光掃描技術(shù)測量得到了葉輪表面和壓氣機(jī)內(nèi)表面的點云數(shù)據(jù)， 并使用CAD 軟件Solidworks 建立了葉輪和蝸殼內(nèi)部流動區(qū)域幾何模型（圖1、圖2）。其中，壓氣機(jī)內(nèi)部流動區(qū)域的入口和出口段進(jìn)行了加長，這樣的邊界流動比較均勻，有助于邊界條件的設(shè)定和計算收斂。

1.2 網(wǎng)格劃分

壓氣機(jī)和渦輪均分成三部分建模：入口部分，轉(zhuǎn)子部分和出口部分。轉(zhuǎn)子部分與入口部分和出口部分之間的耦合采用的是FIRE中的多重參考系模型MultiReferenceFrame，MRF）。轉(zhuǎn)子部分的網(wǎng)格在計算時保持靜止， 在慣性坐標(biāo)系中以作用的哥氏力和離心力進(jìn)行定常計算，而入口和出口區(qū)域則是在慣性坐標(biāo)系里進(jìn)行定常計算。在3個部分的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù)，保證了交界面的連續(xù)性，達(dá)到了用定常計算來研究非定常計算的目的。計算區(qū)域的網(wǎng)格使用FIRE 軟件中的Fame Advanced Hybrid 模塊生成， 包括六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格。入口部分最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 mm，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 mm。轉(zhuǎn)子部分最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.8 mm，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1 mm，從而使得葉輪的葉尖間隙處至少有4 層網(wǎng)格，保證了計算精度。出口部分最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 mm， 最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5 mm。最后，入口部分生成55548個網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子部分生成594777個網(wǎng)格，出口部分生成92383個網(wǎng)格。計算區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)為742708個，如圖3 所示。

1.3 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣的條件。取總壓為101000 Pa，溫度為30℃，該條件跟試驗很接近，計算結(jié)果可以和試驗數(shù)據(jù)直接對比，比較方便。出口設(shè)置靜壓，計算不同的壓比只改變出口的靜壓。計算時從低壓比不斷向高壓比推進(jìn)，高壓比的計算利用低壓比的結(jié)果，這樣不僅提高了計算的穩(wěn)定性，還大大加快了計算速率。

2、計算結(jié)果與分析

流量和效率是壓氣機(jī)最重要的參數(shù)。計算時設(shè)定一定的轉(zhuǎn)速，固定進(jìn)口邊界條件，不斷改變出口靜壓，得到不同壓比下的壓氣機(jī)的流量、效率。然后改變轉(zhuǎn)速，最終得到壓氣機(jī)的脈譜圖。由于計算的點較多，而且不同轉(zhuǎn)速下，流動有一定的相似。在低壓比時，壓氣機(jī)易堵塞，效率偏低；在中等壓比時效率較高；在高壓比時容易喘振。本文選擇葉片轉(zhuǎn)速為9萬轉(zhuǎn)時的流場進(jìn)行分析，分別取低壓比（壓比1.1）、中壓比(壓比1.24)和高壓比（壓比1.33）三個點與實驗結(jié)果對比，如表1所示。該壓氣機(jī)的葉輪半徑較小，9萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是壓氣機(jī)工作時較低的轉(zhuǎn)速，所以壓比偏低，壓比1.33就接近喘振邊界了。

由上表1看出，仿真得到的效率偏高，而在中低壓比時流量偏小，接近喘振時流量偏大。初步分析有幾點原因：

1.網(wǎng)格數(shù)不夠，受設(shè)備和計算時間的限制，網(wǎng)格數(shù)不能過多；網(wǎng)格質(zhì)量缺陷，蝸殼有一部分和壓氣機(jī)葉輪形狀都比較復(fù)雜，局部網(wǎng)格質(zhì)量不高，導(dǎo)致計算精度下降。2.在幾何模型的建模過程中，由于經(jīng)過了三維激光掃描和CAD 軟件的處理，最終得到的幾何模型在形狀上不可能與真實的計算區(qū)域完全一致。3.邊界條件的差異，實際中壁面不絕熱；更重要的是壁面摩擦的狀況跟實際是有差距的。4.實驗數(shù)據(jù)本身也存在誤差。

三個狀態(tài)下的壁面附近的壓力場分布如圖4所示。（下文為敘述方便，壓比為1.11狀態(tài)稱為A，壓比為1.25的狀態(tài)稱為B，壓比為1.33的狀態(tài)稱為C。）

從三個狀態(tài)下的靜壓分布可以看出，壓氣機(jī)進(jìn)氣由于彎折，進(jìn)入葉輪前壓力不均勻。剛要進(jìn)入葉片區(qū)域前有一個壓力降低的過程，這是由于該段的流通截面有一定的漸縮，壓力能向動能轉(zhuǎn)化造成的。這段加速過程有利于減小進(jìn)氣的不均勻。在葉片區(qū)域氣流壓力增壓較多，進(jìn)入無葉擴(kuò)壓器區(qū)域后，壓力接近最大值，對于B、C，在蝸殼內(nèi)也有一定的壓力增加。但是對于A，壓力場似乎比較反常。最大壓力出現(xiàn)在蝸殼的較小的流通截面處，說明在該處氣流不通暢，流速低，動能較多的轉(zhuǎn)為壓力能。這說明該點過于偏離設(shè)計流量，蝸殼的流通效果很不好。

進(jìn)一步分析A效率不高的原因。整個計算域的馬赫數(shù)沒有超過1，說明沒有產(chǎn)生激波而造成壓氣機(jī)堵塞。圖5、圖6為分別為某長葉片吸力面和壓力面的靜壓分布。吸力面入口葉尖有一高壓區(qū)，而壓力面則相反有一低壓區(qū)，說明氣流在進(jìn)口的葉尖處有強(qiáng)烈的撞擊并造成了較強(qiáng)的氣流分離，這里會有較大能量損失。從圖7過壓氣機(jī)軸線的切面看出，該處有一塊高壓區(qū)，迫使氣流向外壁流動，而外壁急劇轉(zhuǎn)彎，氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈分離，這樣有效的流通截面就減小了，流動阻力大大增加。該擴(kuò)壓器的寬度僅為2.5 mm，不太適合大流量，但是較窄的擴(kuò)壓器適應(yīng)更高的壓比。

對于A和B，它們的流量都要比實驗值低，主要原因是葉尖漏氣，如圖8所示，葉片頂端聚壓氣機(jī)外罩的間隙雖然只有0.4 mm，但是由于本壓氣機(jī)很小，到葉片出口處葉高僅有2.5 mm，會有相當(dāng)一部分氣體從間隙流過。

對于C，比較反常的是它的流量比實驗值偏大。從圖9看出，在高壓比下，流體的回流明顯，而且回流首先在從葉輪出的壁面開始向進(jìn)口擴(kuò)展，在渦輪葉片進(jìn)口處卷起大團(tuán)漩渦。該狀態(tài)即將達(dá)到壓氣機(jī)的喘振邊界，氣流的分離以及入流與回流的摻混都很厲害。此時，湍流模型的精度會大大降低，計算精度受到挑戰(zhàn)。再者，仿真的進(jìn)氣是很穩(wěn)定的，與實驗有些波動的進(jìn)氣有差距，也會導(dǎo)致接近喘振時流量偏高。

仿真得到的效率都偏高，也意味著能量損失小，出口溫度偏低。整個流動過程，葉輪中的損失應(yīng)該占大部分，在葉輪處溫升的應(yīng)該很可觀的，但是以狀態(tài)A為例，從葉片進(jìn)口到葉片出口，平均溫升僅6℃左右，說明在這一區(qū)域仿真的精度還不夠高。從圖10看出，高溫區(qū)主要在葉尖吸力面一側(cè)，由于該處存在較強(qiáng)的流量分離和能量損失。而沿葉片軸線方向上，溫升較小，說明摩擦損失不多。還有選擇旋轉(zhuǎn)區(qū)域時，沒有對靜止的外壁作特殊處理。如果外壁跟著葉片一起旋轉(zhuǎn)，雖然外壁對氣流擾動不大，但是氣流與外壁的相對速度減小了，從而減小了摩擦損失。

3、結(jié)論

離心式壓氣機(jī)基于AVL FIRE 的三維流動CFD 分析可以得到壓氣機(jī)內(nèi)部的流場信息，并可以從中找出模型內(nèi)存在較大流動損失區(qū)域和造成損失的原因，從而進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。同時也可以得到壓氣機(jī)的流量特性圖，這對壓氣機(jī)的前期評估和與發(fā)動機(jī)的匹配預(yù)測起到非常重要的指導(dǎo)作用。

壓氣機(jī)在低壓比時效率較低，但對于本文來說，并不是超音速導(dǎo)致的堵塞，因為計算轉(zhuǎn)速較低，流場還沒達(dá)到音速。而是在較高流量時壓氣機(jī)的局部損失較大。在高壓比時，壓氣機(jī)的倒流很厲害，計算精度難保證。中壓比時由于碰撞損失和氣流分離減少，效率和計算的精度都較高。

壓氣機(jī)的內(nèi)部流動比較復(fù)雜，網(wǎng)格要求很高，加上逆壓梯度，對計算的精度帶來巨大的挑戰(zhàn)。下一步將繼續(xù)提高計算精度，將嘗試不同的湍流模型，更加細(xì)密的網(wǎng)格和更加合理的邊界條件。

[1] 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 肖昕,李云清. 車用渦輪增壓器蝸殼內(nèi)三維流場模擬分析[J]. 汽車技術(shù), 2011.

[3] 車用小型離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及流量特性的仿真計算[D].西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2010.

[4] 最新增壓器設(shè)計、生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與故障診斷排除及質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實用手冊[M]. 北方工業(yè)出版社，2007.

CFD Simulation Analysis of Centrifugal Compressor

Guo Bin, Wen Xuefeng, Su Xiaochun
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

Applying FIRE, the centrifugal compressor of a vehicle turbo charger was simulated under steady state, obtaining the characteristic curve of the compressor. The results of the simulation and experiment are in good agreement. The key parts of the flow loss were found by the internal flow field analysis of the compressor. The results provide important references for the optimization of compressor.

Compressor; CFD; Numerical simulation

U467.4

A

1671-7988(2015)06-11-03

郭斌，就職于陜西重型汽車有限公司。