船用废气涡轮增压器压气机流场及气动噪声数值仿真研究

摘要

离心压气机广泛应用于交通运输、发电等行业，是车辆、船舶发动机配套涡轮增压器的重要组件。已被公认为是提高内燃机性能，减少排放的有效设备。由于排放法规日益严格，内燃机尺寸不断减小，加上废气再循环的需要，导致压气机运转效率低下，提高压气机工作性能势在必行。同时，伴随着柴油机输出功率的增加，压气机转速的上升，增压器的气动噪声问题已成为不可忽视、亟需解决的重要课题。为了能够研究改进压气机气动效率，降低由其产生的气动噪声，提高船员居住的舒适性，压气机气动性能的分析及优化对研究增压器噪声产生机理和控制方法具有极为重要的意义。本课题在分析国内外对涡轮增压器压气机流场及噪声场研究的基础上，以某型号船用压气机为研究对象，对其进行了三维全流场数值研究分析以及气动噪声的仿真预测。最后结合已有数据，有针对性的进行结构优化设计，提高气动性能降低噪声。
　　首先，本文借助CFD分析软件FLUENT并结合增压器实验台实测数据，在已建立的有限元模型基础上，对压气机内部气体进行三维稳态、粘性可压缩的数值研究，分析了不同工况下(24300r/min,25800 r/min,26880 r/min,28200 r/min,29100 r/min)内部流场特征，压气机的压比和效率随流量的变化关系，深入研究了转子区域、扩压区域和蜗壳内的气体流动速度与压力的分布、形成过程及相互影响。
　　其次，压气机气动声场的分析则是采用不同的声场分析法——声类比法(AAA)及宽带噪声法，系统研究整个压气机的噪声产生机理及分布特征。宽带噪声法则是在稳态流场分析基础上对多个工况的宽带噪声源进行数值化模拟，研究宽带噪声源的分布特征及形成机理。声类比法主要基于非稳态流场分析，深入研究了不同转速、流量对压气机内设置的不同观测点处离散噪声频谱的影响，并将数值模拟结果与经验公式的计算值进行比较分析。
　　再次，压气机的气动性能及噪声特性的优化设计则是在前述研究结果的基础上有针对的进行的。主要以有叶扩压器的结构改进为主，自主设计了不同的研究分析方案。分析了扩压器叶片前缘半径与入口角度对扩压器气动性能及流噪声源特性的影响。
　　通过本文的研究工作，加深了对流动数值模拟方法及气动噪声计算方法的适用性的认识。研究了压气机内流动特征及噪声特性和产生机理，设计方案改进扩压器结构参数，对提升压气机性能、控制离心压气机气动噪声源具有借鉴作用。

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第1章 绪论

1.1本文研究的背景及意义

1.2 本课题国内、外研究现状与发展趋势

1.3 本文研究内容与方法

1.4 本章小结

第2章 压气机内部流场数值分析模型

2.1 概述

2.2基本控制方程

2.3湍流控制方程

2.4 本章小结

第3章 涡轮增压器压气机气体流动特性数值分析

3.1 概述

3.2 压气机的模型建立

3.3 FLUENT软件包简介

3.4 计算域划分及模型离散

3.5 压气机流场数值仿真

3.6 本章小结

第4章 压气机气动噪声分析方法

4.1 概述

4.2计算气动声学法(CAA)

4.3声类比法(AAA)

4.4混合计算方法

4.5宽带噪声法

4.6本章小结

第5章 压气机气动噪声数值计算

5.1 概述

5.2基于宽带噪声模型的气动噪声分析

5.3基于声类比模型的气动噪声分析

5.4 本章小结

第6章 压气机气动与噪声源特性分析及优化

6.1 概述

6.2 研究方案及数值方法

6.3流场及声场分析

6.4 本章小结

全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢