渦輪箱噴嘴環(huán)CFD數(shù)值模擬分析

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

柴油機(jī)增壓技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 李書奇 張繼忠 來源:e-works
關(guān)鍵字:VNT 噴嘴環(huán) CFD ansys  

 可變噴嘴渦輪增壓器(variable nozzle turbocharger ,VNT)通過對(duì)執(zhí)行器的控制來改變渦輪流通截面積大小,從而實(shí)現(xiàn)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)良好匹配的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和低速端,噴嘴葉片關(guān)閉或開度很小,使增壓壓力增高,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩,改善其響應(yīng)性。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),噴嘴葉片全開或開度很大,渦輪流通截面積增大,使增壓壓力比非控制的渦輪箱壓力減小,保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得所需要的空氣和動(dòng)力^[1][2]。

噴嘴環(huán)又稱為葉片導(dǎo)向器;其作用是使具有一定壓力和溫度的氣體在其中膨脹、加速,將來自渦輪箱的燃?xì)獍匆欢ǚ较蛩腿肴~輪并賦予葉輪一定的圓周速度^[3]。噴嘴的結(jié)構(gòu)有多種型式,其中氣動(dòng)葉型的噴嘴對(duì)氣流的流動(dòng)損失影響最小;在整個(gè)渦輪級(jí)的設(shè)計(jì)過程中,噴嘴環(huán)速度系數(shù)比葉輪速度系數(shù)對(duì)效率的收益影響要大的多^[4],因此,降低噴嘴流動(dòng)損失是提高渦輪效率的重要手段之一,通過噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的研究,分析噴嘴葉片在不同調(diào)節(jié)狀態(tài)的氣體流動(dòng)特性,可以了解噴嘴內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理,進(jìn)一步提高氣動(dòng)葉型的設(shè)計(jì)水平。

本文針對(duì)J110VNT徑流渦輪增壓器,利用商業(yè)軟件CFD計(jì)算技術(shù),對(duì)額定點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)(設(shè)計(jì)點(diǎn)本文不作分析)分別進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)噴嘴環(huán)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理以及可變噴嘴在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析總結(jié)。

    本文采用proe進(jìn)行建模, ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分, ANSYS-CFX-5.7.1完成流場(chǎng)求解。

2 計(jì)算模型和計(jì)算網(wǎng)格

本文對(duì)圖1所示二種開度的渦輪箱噴嘴環(huán)進(jìn)行數(shù)值模擬,其中大開度為額定點(diǎn),小開度為最大扭矩點(diǎn)。

計(jì)算采用四面體和三棱柱混和網(wǎng)格,原因如下:單塊網(wǎng)格邊界條件的確定以及網(wǎng)格塊之間各種信息的傳遞增加了快速計(jì)算分析的難度;對(duì)于不同的復(fù)雜外形,需要構(gòu)造不同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),生成網(wǎng)格費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中結(jié)構(gòu)性的限制,節(jié)點(diǎn)和單元分布可控性好,能較好的處理邊界,適用于模擬真實(shí)復(fù)雜外型;并且在生成過程中采用一定的準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化判斷,能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,很容易控制網(wǎng)格的大小和節(jié)點(diǎn)密度,便于實(shí)現(xiàn)其工程化應(yīng)用^[5]。

由于小開度噴嘴環(huán)喉口尺寸很小,小開度網(wǎng)格全局尺寸選取1.0㎜;相應(yīng)大開度網(wǎng)格尺寸選用1.5 ㎜;渦輪箱流體尺寸選用4.0 ㎜。采用三層三棱柱網(wǎng)格捕獲邊界層,初始高度渦輪箱取0.5 ㎜,噴嘴環(huán)取0.2 ㎜,層高比1.2;采用網(wǎng)格光順技術(shù)進(jìn)行光順,網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.4以上。生成網(wǎng)格示意圖見圖2,網(wǎng)格質(zhì)量分布示意見圖1。

3 CFD數(shù)值模擬

為提高計(jì)算精確度,計(jì)算的流體介質(zhì)按照發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的真實(shí)成分進(jìn)行計(jì)算給出,主要由氮?dú)?76%)、氧氣(7%)、水蒸汽(8%)、二氧化碳(7%)組成,忽略其它微量雜質(zhì)氣體。根據(jù)渦輪箱進(jìn)口不同壓力、溫度,查表得出各組份氣體物性參數(shù)值,分別計(jì)算出噴嘴環(huán)兩個(gè)狀態(tài)下排氣定壓比熱、動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等綜合物性參數(shù)。

計(jì)算采用湍流平均流Navier-Stokes方程結(jié)合湍流模型求解,湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型;采用松弛因子迭代獲得穩(wěn)態(tài)解。

采用高階精度格式對(duì)方程進(jìn)行離散求解,平均殘差小于0.0001或最大迭代次數(shù)超過1000次作為收斂判別準(zhǔn)則。

通過設(shè)置交界面進(jìn)行渦輪箱計(jì)算域和噴嘴環(huán)計(jì)算域數(shù)值傳遞。

采用亞音進(jìn)口、亞音出口和絕熱、無滑移壁面邊界,進(jìn)口給定燃?xì)饬髁亢腿細(xì)鉁囟?出口給定燃?xì)鈮毫?采用默認(rèn)初始條件進(jìn)行計(jì)算^[6]。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

    VNT渦輪箱噴嘴環(huán)數(shù)值模擬所得結(jié)果分析如下:

4.1 壓力分布

壓力分布如圖3所示:噴嘴環(huán)通道氣體流動(dòng)完全符合漸縮噴管流動(dòng)規(guī)律。沿氣體流動(dòng)方向,壓力降低,速度增大;噴嘴將氣流的一部分壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,使氣流得到加速。

圖3 不同開度壓力分布

噴嘴環(huán)葉片前緣附近,大開度時(shí),噴嘴環(huán)流通面積較大,具有相當(dāng)厚度的前緣對(duì)氣流阻擋明顯,使氣流在此處滯止,使得相對(duì)壓力較高,即噴嘴環(huán)葉片前緣逆流部分壓力比周圍壓力要高;而小開度時(shí),流通面積較小,氣流在近似平行的兩平板間流通,前緣對(duì)其流動(dòng)幾乎不存在影響。

噴嘴環(huán)尾緣附近,由于葉片出口較薄,雖經(jīng)處理仍為近似尖端,葉背和葉盆氣流在此處交匯,相互干擾形成損失,從而使該處減速增壓。

4.2 溫度分布

溫度分布如圖4所示:自入口至噴嘴環(huán)出口,溫度逐漸降低,溫度降低引起氣體焓的降低,該部分焓降用來轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬骱暧^動(dòng)能,達(dá)到加速目的。

圖4 不同開度溫度分布

與壓力分布相似,大開度時(shí),葉片前緣也存在局部高溫區(qū),這是由于氣流在前緣發(fā)生滯止,氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,引起局部溫度的升高;小開度流道通暢,未有該現(xiàn)象發(fā)生。而在尾緣由于氣流撞擊損失引起減速增溫。

4.3 馬赫數(shù)分布

馬赫數(shù)分布見圖5:沿氣體流動(dòng)方向,馬赫數(shù)呈遞增趨勢(shì),在噴嘴環(huán)葉片出口,馬赫數(shù)最高,速度最大。整個(gè)噴嘴環(huán)流道內(nèi)馬赫數(shù)均小于1,與預(yù)期設(shè)計(jì)亞音流葉片相吻合。

圖5 不同開度馬赫數(shù)分布

由于前緣的滯止,大開度時(shí)前緣點(diǎn)附近速度有明顯降低趨勢(shì),相應(yīng)馬赫數(shù)顯著降低;尾緣部分,由于氣流撞擊引起尾緣流動(dòng)損失,使尾緣點(diǎn)附近速度降低,相應(yīng)馬赫數(shù)降低。

流動(dòng)軌跡線分布見圖6,噴嘴環(huán)通道內(nèi)流動(dòng)軌跡線與葉片型線相吻合,本設(shè)計(jì)所得到葉片通道內(nèi)型線較理想。

圖6 不同開度流線分布

4.4 性能參數(shù)

流量、轉(zhuǎn)速等的變化,噴嘴環(huán)氣動(dòng)性能也會(huì)隨著不同的工作狀態(tài)發(fā)生變化,由于邊界條件和計(jì)算中沒有考慮渦輪葉輪的擾動(dòng)等因素,計(jì)算結(jié)果和實(shí)際存在一定的誤差,但相對(duì)兩個(gè)狀態(tài)的計(jì)算,采用的計(jì)算方法一致,具有可比性,通過相對(duì)比較可知:大開度時(shí)噴嘴性能優(yōu)于小開度,可變噴嘴在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)噴嘴環(huán)效率最大變化為12.49%,具體比較見表1。

表1   大小開度氣動(dòng)性能比較

5 結(jié)論

計(jì)算分析表明,我們?cè)O(shè)計(jì)的AVNT徑流渦輪增壓器噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)較理想;噴嘴環(huán)通道內(nèi)型線與氣體流動(dòng)流線接近;前緣滯止和尾緣氣流交匯均引起相應(yīng)的流動(dòng)損失。為降低噴嘴流動(dòng)損失提高渦輪效率,從氣動(dòng)模擬考慮可進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高性能:

⑴ 針對(duì)前緣點(diǎn)阻擋滯止,可通過調(diào)整安裝角、減小逆流面積進(jìn)行優(yōu)化;

⑵ 針對(duì)噴嘴環(huán)尾部的優(yōu)化,應(yīng)力求尾部曲線段光滑過渡,減弱氣流撞擊損失。

⑶ 針對(duì)噴嘴環(huán)葉片整體形狀而言,從模擬結(jié)果來看,該設(shè)計(jì)葉片通道未有渦流、橫流、氣流脫離等現(xiàn)象,設(shè)計(jì)較合理,若進(jìn)一步提高設(shè)計(jì),可對(duì)不同曲線段的連接處進(jìn)行優(yōu)化,力求型面曲線連續(xù)光滑過渡,以獲得低流損翼形葉型^[4]。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 冀春俊,微型燃?xì)廨啓C(jī)向心透平氣動(dòng)性能的數(shù)值研究,碩士學(xué)位論文,中國(guó)大連:大連理工大學(xué),2005

[3] 朱大鑫,渦輪增壓與渦輪增壓器,中國(guó)大同:兵器工業(yè)第七○研究所,1997

[4] 田永祥,渦輪增壓器噴嘴葉片低流損翼形型線設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究,碩士學(xué)位論文,中國(guó)山東:山東大學(xué),2004

[5] AEA Technology plc.  CFX 參考手冊(cè),AEA Technology  Engineering  Software,1999

[6] 郭鵬程、劉勝柱等,基于多塊網(wǎng)格技術(shù)的離心泵葉輪CFD分析,中國(guó)農(nóng)村水利水電,2004年第1期

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