轉(zhuǎn)子型線對(duì)機(jī)械增壓器內(nèi)部流場(chǎng)影響的分析

葉帥奇,王 芳,李繼密

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院科研處，貴州畢節(jié) 551700）

轉(zhuǎn)子型線對(duì)機(jī)械增壓器內(nèi)部流場(chǎng)影響的分析

葉帥奇,1王 芳,2李繼密1

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院科研處，貴州畢節(jié) 551700）

機(jī)械增壓器的內(nèi)部流場(chǎng)是一個(gè)全封閉的環(huán)境，參數(shù)測(cè)量難度很大，通過(guò)CFD軟件獲得各種參數(shù)已經(jīng)成為一種重要的研究手段。分析機(jī)械增壓器在不同型線轉(zhuǎn)子下的流場(chǎng)，獲得了轉(zhuǎn)子型線改進(jìn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)械增壓器；轉(zhuǎn)子型線；流場(chǎng)分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.68

0 前言

計(jì)算流體力學(xué)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的簡(jiǎn)稱，是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)流體相對(duì)于不同固體邊界的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科，屬于流體力學(xué)的一個(gè)分支[1]。由于機(jī)械增壓器的內(nèi)部流場(chǎng)是一個(gè)全封閉的環(huán)境，對(duì)其流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量難度很大，因此，通過(guò)專業(yè)的CFD軟件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬獲得各種參數(shù)，已經(jīng)成為一種重要的研究手段[2]。

1 建立計(jì)算模型與網(wǎng)格的生成

鑒于機(jī)械增壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立流體分析模型時(shí)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。對(duì)于直葉轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，其三維模型完全可以由二維截面模型拉伸后得到，并且在此種情況下用二維截面模擬計(jì)算求得的結(jié)果也能充分反映三維流場(chǎng)的情況。由于本次分析采用非定常的動(dòng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，計(jì)算量非常大，如果采用三維計(jì)算模型不但對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，耗時(shí)較多且計(jì)算精度提高不大。圖1為傳統(tǒng)和改進(jìn)型線直葉轉(zhuǎn)子機(jī)械增壓器的二維流體計(jì)算模型[3]。

由圖1可以看出，二維計(jì)算模型都主要包括3個(gè)部分：進(jìn)氣區(qū)域、旋轉(zhuǎn)區(qū)域和排氣區(qū)域。為了方便進(jìn)、排氣口進(jìn)行求解條件的設(shè)定，在不影響求解結(jié)果的前提下將進(jìn)、排氣口進(jìn)行了簡(jiǎn)化。中間的轉(zhuǎn)子型線部分就是動(dòng)網(wǎng)格的邊界。由于進(jìn)行流體分析時(shí)關(guān)注的是流體區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)情況，也就是流道區(qū)域是數(shù)值計(jì)算的重點(diǎn)，而轉(zhuǎn)子是固體部分，因此在建立流道計(jì)算模型時(shí)要將其通過(guò)布爾減運(yùn)算減去，只保留其邊界部分作為旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界[4]。

圖1 二維計(jì)算模型

流體計(jì)算對(duì)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求較高，對(duì)于二維計(jì)算模型采用的是基于尺寸的劃分方法，劃分尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格類型是適合動(dòng)網(wǎng)格要求的三角形網(wǎng)格。最終網(wǎng)格劃分的結(jié)果為：傳統(tǒng)型線計(jì)算模型劃分為173 463個(gè)節(jié)點(diǎn)，341 556個(gè)單元。改進(jìn)型線計(jì)算模型劃分為：137 780個(gè)節(jié)點(diǎn)，270 130個(gè)單元。

2 求解的邊界條件

為了使計(jì)算后的結(jié)果有可比性，因此二者取一樣的計(jì)算條件。湍流求解模型選用 RNG k-ε 模型，RNG k-ε內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)采用默認(rèn)值，將能量方程打開(kāi)。入口的邊界條件選用壓力入口，入口處的壓力為101.82 kPa，升壓值為50 kPa，入口處溫度為24℃；出口邊界條件為壓力出口，出口處溫度為80℃。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6000 r/min，壓力值采用絕對(duì)壓力值。設(shè)定進(jìn)口處的靜壓總值，同時(shí)設(shè)定回流湍流強(qiáng)度和回流口直徑。

求解方法采用的是非定常隱式分離方法求解控制方程，對(duì)于質(zhì)量連續(xù)性方程，動(dòng)量方程、能量方程采用的是SIMPLEC算法。壓力項(xiàng)采用PRESTO!離散模型，其余項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散，各亞松弛因子采用默認(rèn)值。

由于工作條件下的增壓器轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置一直變化，這就造成了機(jī)殼內(nèi)流體的流道的瞬時(shí)變化性，要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)殼內(nèi)流場(chǎng)的精確模擬就必須采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。在本文中網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化和再生采用的是彈簧光順模型和局部網(wǎng)格再生模型兩種模型結(jié)合使用，并且這對(duì)于二維三角形網(wǎng)格來(lái)說(shuō)是適應(yīng)的。

在Fluent中物體運(yùn)動(dòng)的定義有2種途徑。對(duì)于一些復(fù)雜的初始條件、邊界條件、物性參數(shù)等需要用戶自定義相關(guān)的程序?qū)隖luent中使用，這類用戶自定義函數(shù)稱為UDF，UDF需要用C語(yǔ)言編程，用Define宏來(lái)定義，因此對(duì)于使用者要求較高。而對(duì)一些相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)則可用動(dòng)邊界文件（profile）來(lái)進(jìn)行定義。本項(xiàng)目采用的是第2種。其profile文件如下所示：

（（left 3 piont） （（right 3 point）

（time 0 1 60） （time 0 1 60）

（omega_z-314.16-314.16-314.16））

（omega_z 314.16 314.16 314.16））

轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)profile文件來(lái)定義。

圖2 機(jī)械增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的壓強(qiáng)等值線

3 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為傳統(tǒng)型線四葉漸開(kāi)線型轉(zhuǎn)子和改進(jìn)型線四葉漸開(kāi)線型轉(zhuǎn)子，在流場(chǎng)回流開(kāi)啟角取不同值時(shí)增壓器內(nèi)部的壓強(qiáng)等值線圖[3]。其中，a）～b）為傳統(tǒng)線型轉(zhuǎn)子增壓器在流場(chǎng)回流開(kāi)啟角分別為未開(kāi)啟、開(kāi)啟角22°時(shí)增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的壓強(qiáng)等值線圖；c）～d）為改進(jìn)型線轉(zhuǎn)子增壓器在流場(chǎng)回流開(kāi)啟角分別為未開(kāi)啟、開(kāi)啟角22°時(shí)增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的壓強(qiáng)等值線圖?？梢钥闯?，改進(jìn)型線此時(shí)的排氣壓強(qiáng)明顯高于傳統(tǒng)型線，這說(shuō)明改進(jìn)型線的排氣量大于傳統(tǒng)線型，面積利用系數(shù)比傳統(tǒng)線型高。這是由于改進(jìn)型線的轉(zhuǎn)子葉型比傳統(tǒng)線型的轉(zhuǎn)子葉型更加清瘦，這樣在回流口開(kāi)啟角相同的情況下，改進(jìn)型線增壓器腔內(nèi)流體的流道比傳統(tǒng)型線寬，這不僅加速了回流均壓的過(guò)程，并且每個(gè)排氣過(guò)程中的排氣量也有所增大。

圖3為傳統(tǒng)線型和改進(jìn)型線在回流開(kāi)啟角取不同值時(shí)增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的流線圖[5]。其中a）～b）為開(kāi)啟角分別為未開(kāi)啟、開(kāi)啟角22°時(shí)的流場(chǎng)流線圖。從圖中可以看出，當(dāng)回流口未開(kāi)啟時(shí)由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)左上側(cè)基元容積內(nèi)的氣體形成了巨大的漩渦，幾乎占據(jù)了整個(gè)基元容積。此時(shí)，排氣口的氣流可以分為2個(gè)部分：一部分是前一次排氣過(guò)程尾部流向排氣口的氣流，另一部分則是在機(jī)殼圓弧部分與排氣口交接部位的小股回流，這也是回流口打開(kāi)后形成漩渦的主要原因。c）～d）為改進(jìn)型線在回流開(kāi)啟角分別為未開(kāi)啟、開(kāi)啟角22°時(shí)的流場(chǎng)流線圖。由圖可知，傳統(tǒng)型線與改進(jìn)型線在這一系列過(guò)程中的氣流脈動(dòng)規(guī)律大致是一致的，但是由于二者型線不同造成的流體流道的不同使得在此過(guò)程中氣流漩渦形成的尺度、數(shù)量、位置有一定的區(qū)別。另外，由于改進(jìn)型線的流道比傳統(tǒng)型線的寬，因此在相同的尺寸下其工作過(guò)程中由于排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲也大一些[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了傳統(tǒng)和改進(jìn)型的四葉直葉轉(zhuǎn)子機(jī)械增壓器內(nèi)部流場(chǎng)，得到壓強(qiáng)等值線圖和流線等值線圖。通過(guò)對(duì)比可知，改進(jìn)型線的面積利用系數(shù)大于傳統(tǒng)線型，并且由于二者型線不同造成的流體流道的不同，使得在此過(guò)程中氣流漩渦形成的尺度、數(shù)量、位置有一定的區(qū)別。另外，由于改進(jìn)型線的流道比傳統(tǒng)型線的寬，因此在相同尺寸下其工作狀態(tài)下由排氣氣流與回流的沖擊形成的渦流噪聲會(huì)大一些。這些均為后續(xù)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖3 機(jī)械增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的流線

［1］趙存友.工程流體力學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［2］黃衛(wèi)星，李建明，肖澤儀.工程流體力學(xué)（第二版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］張顧鐘.羅茨鼓風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化和內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值研究［D］西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

［4］張顧鐘，王發(fā)展，韓剛，王毅峰.羅茨鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值分析方法［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011（5）：15-18.

［5］張顧鐘，王發(fā)展.漸擴(kuò)縫隙羅茨泵風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（4）：84-88.

［6］Bassam Abu-Hijleh，Jiyuan Tu，Aleksander subic，Leigh fostineo.Effect of inlet and outlet fillets on the clearance flow in a rotorcasing assembly［J］.Computational methods in fluid power technology，2003：162-168.6.

TH48

B

*本項(xiàng)目為貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金重點(diǎn)項(xiàng)目（OLF NO.2015110028）

〔編輯 吳建卿〕