基于流固耦合理论的涡轮增压器涡轮箱有限元分析

摘要

随着涡轮增压技术的发展，涡轮增压器各零部件的工作环境越来越恶劣，涡轮箱等零部件的热负荷也逐渐增大，而涡轮箱的热应力很大程度上决定了涡轮增压器的可靠性。长期以来，国内外涡轮增压器的研究多集中在涡轮叶片以及轴承体上，对涡轮箱温度场和热疲劳的研究不够深入。本文基于涡轮增压器涡轮箱传热机理，提出了应用流固耦合方法对涡轮箱进行数值模拟，并进行试验验证，论文的研究工作及创新之处如下:
　　(1)基于涡轮箱内高温废气的流动与传热、涡轮箱机体热传导及流固耦合边界面的共轭传热的原理，首次提出对涡轮箱建立流固耦合数学模型，并通过采用顺序耦合法的求解策略、串行耦合的方法进行数值计算;
　　(2)运用流体软件STAR-CCM+及有限元软件ABAQUS，对涡轮增压器涡轮箱进行耦合计算，得出稳态工况下涡轮箱温度场分布的仿真结果，并进一步分析得到热应力场分布;
　　(3)根据涡轮增压器试验原理，确定了试验台架的总体布置和涡轮箱温度试验方案，通过试验验证涡轮箱流固耦合数值模拟计算结果的正确性，并为涡轮箱数值模拟提供更准确的边界条件;同时分析了废气温度及流量等不同进口条件对涡轮箱的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 涡轮增压器研究背景及意义

1．2 涡轮增压器研究现状

1．2．1 试验研究

1．2．2 数值模拟

1．3 涡轮增压器研究重点

1．3．1 涡轮增压器研究进展

1．3．2 涡轮增压器研究难点

1．4 本文主要研究内容

第2章 数值模拟基础理论

2．1 流体动力学控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 控制方程的通用形式

2．1．5 湍流模型和壁面函数

2．2 控制方程的离散和求解

2．3 涡轮增压器涡轮箱箱体热传导

2．3．1 热传导方程

2．3．2 初始条件及边界条件

2．3．3 热传导求解方法

2．3．4 流固耦合边界的共轭传热

2．4 流固耦合传热的求解策略

2．5 本章小结

第3章 涡轮增压器涡轮箱数值模拟分析

3．1 流固耦合数值模拟

3．1．1 几何模型

3．1．2 网格划分

3．1．3 初始条件与边界条件

3．1．4 耦合计算

3．2 计算结果分析

3．2．1 迭代耦合收敛性分析

3．2．2 涡轮箱内部流场分析

3．2．3 涡轮箱内壁面换热系数与温度分布

3．2．4 涡轮增压器涡轮箱温度分布

3．2．5 涡轮增压器涡轮箱热应力

3．3 本章小结

第4章 试验验证

4．1 试验原理及方案

4．1．1 涡轮增压器涡轮箱试验的基本原理

4．1．2 涡轮增压器涡轮箱试验数据采集及处理

4．2 流固耦合传热边界试验

4．2．1 流固耦合传热边界试验测温点布置

4．2．2 试验结果分析

4．3 不同进口条件对涡轮箱温度的影响分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的论文

致谢