双流道涡轮非稳态性能的数值研究

摘要

现在对增压器涡轮性能的研究普遍采用稳态方法，而在发动机工作时其排气过程却是一个周期性的非稳态过程，从排气管进入涡轮增压器的废气以脉冲波形式随着曲轴转角周期性地变化，因此，采用稳态研究方法不能真实地反映涡轮实际的工作情况。
　　 本文利用ANSYS CFX商用CFD软件对现在广泛使用的双流道涡轮的性能进行非稳态条件下的数值模拟研究，并辅以柴油机台架试验对涡轮非稳态模拟进行间接验证。
　　 首先从双流道涡轮的稳态模拟研究中找出最佳涡轮结构。在验证了计算模型的可行性后，以原机的全周进气双流道涡轮为基础，设计了0截面面积相等分隔式双流道蜗壳，并对这两种结构进行了稳态的全工况性能分析，结果表明，分隔式涡轮的效率高于全周进气双流道涡轮效率，最大可相对高出10％。针对分隔式双流道涡轮，设计了0截面面积不同的三个方案，进行全工况的性能模拟和分析后表明，0截面面积最小的分隔式蜗壳方案的涡轮效率最高，为相对最佳涡轮结构。
　　 第二，以0截面面积最小的分隔式蜗壳方案为研究对象展开涡轮非稳态特性的研究。提出一种解决非稳态参数时间滞后问题的方法，针对涡轮非稳态效率大于1和小于0的非正常现象，改进了涡轮非稳态效率的计算方法。利用AVLBOOST软件模拟柴油机的实际工况，得到涡轮进口非稳态边界条件。通过数值模拟得到典型的涡轮非稳态特性圈，寻找涡轮非稳态特性与脉冲波的对应关系，分析了涡轮的充盈和排空效应和涡轮内外流道非稳态性能的差别。
　　 第三，探索了涡轮转速和脉冲幅值对涡轮非稳态性能的影响。结果表明，涡轮转速对涡轮脉冲平均性能影响有限;在所研究范围内，脉冲峰值较高时，涡轮的输出功率较大，涡轮效率较高，而流动损失反而较小。随后研究不同发动机外特性工况下的涡轮非稳态性能的变化规律;在所研究的工况范围内，随着柴油机工况的升高，涡轮脉冲循环的平均效率、平均输出功率和平均流量参数不断上升，对废气能量的利用率逐渐升高。随着柴油机工况的升高，而涡轮的整体熵增呈减小趋势。
　　 第四，研究了全周进气涡轮和三个分隔式涡轮的非稳态性能的异同。通过同边界条件下的模拟和分析后得知，0截面面积相等的全周进气蜗壳与分隔式蜗壳的平均效率基本相等，没有明显差别。对于0截面面积不同的分隔式双流道蜗壳，0截面面积最小的蜗壳方案的脉冲平均效率最高，0截面面积最大的方案的平均效率最低，而三个分隔式方案的整体流动损失没有明显差别，熵增最大差值在0.3％以内。
　　 第五，对分别安装上述四种涡轮结构增压器的柴油机进行台架试验。试验表明，在同一柴油机转速工况时，各个方案的增压器转速并不一样。相对于原机方案，0截面面积最大的分隔式蜗壳方案没有明显优势;与原机0截面面积相等的分隔式蜗壳方案的优势在1700r/min以上的工况;0截面面积最小的分隔式蜗壳方案在所有工况下都有优势，其扭矩和功率均高于原机方案，最大高出11.5％，而油耗率均低于原机方案，油耗最大可降低10.2％。柴油机台架试验间接地验证了涡轮非稳态模拟计算的有效性。
　　 最后，根据柴油机的台架试验数据，改进了涡轮非稳态计算的边界条件，从而探索了上述四种涡轮结构实际运行时的非稳态性能。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 涡轮非稳态研究的现状

1．2．1 采用试验方法研究涡轮非稳态性能的现状

1．2．2 采用数值方法研究涡轮非稳态性能的现状

1．2．3 涡轮非稳态研究中存在的问题

1．3 本课题所使用的软件模块

1．4 本文研究的主要内容

1．4．1 本文主要的研究内容

1．4．2 本文的创新点

第二章 双流道蜗壳结构的稳态性能比较

2．1 稳态研究的意义

2．2 研究对象及方法

2．3 计算模型的建立与验证

2．3．1 模型的网格划分

2．3．2 模型的设置和计算

2．3．3 模型有效性的验证

2．4 全周进气和分割式双流道蜗壳性能比较的研究

2．4．1 研究对象和研究方法

2．4．2 两种结构的性能对比

2．4．3 流场分析

2．4．4 结论

2．5 0截面面积对分隔式双流道涡轮性能影响的研究

2．5．1 研究对象和研究方法

2．5．2 涡轮性能的分析

2．5．3 流场分析

2．5．4 结论

2．6 本章小结

第三章 分隔式双流道涡轮非稳态性能的数值研究

3．1 研究对象及研究方法

3．2 分隔式涡轮模型的验证

3．3 涡轮的非稳态边界条件

3．4 涡轮非稳态性能的计算

3．4．1 涡轮非稳态参数时间滞后的解决方法

3．4．2 涡轮非稳态效率计算方法的改进

3．5 涡轮非稳态特性分析

3．5．1 涡轮非稳态结果分析

3．5．3 分隔式涡轮内外流道的非稳态特性差别

3．6 非稳态特性形成机理的流场分析

3．6 本章小结

第四章 不同工况下涡轮非稳态性能的对比研究

4．1 研究对象及研究方法

4．2 不同脉冲幅值和转速对分隔式涡轮非稳态性能影响的研究

4．2．1 涡轮输入的非稳态边界条件及计算设置

4．2．2 结果分析

4．2．3 流场分析

4．2．4 结论

4．3 不同发动机外特性工况下涡轮非稳态性能的研究

4．3．1 涡轮输入的非稳态边界条件及计算设置

4．3．2 结果分析

4．3．3 流场分析

4．3．4 结论

4．4 本章小结

第五章 不同蜗壳结构的非稳态性能研究

5．1 研究对象及研究方法

5．2 全周进气和分隔式双流道涡轮非稳态性能的分析

5．3 不同0截面面积的分隔式涡轮非稳态性能的分析

5．4 流场分析

5．4．1 蜗壳的流场分析

5．4．2 涡轮叶轮流道的流场分析

5．5 本章小结

第六章 柴油机的台架试验和涡轮非稳态计算的改进

6．1 本章研究目的和研究方法

6．2 不同蜗壳结构对柴油机性能影响的试验研究

6．2．1 试验方案和试验装置

6．2．2 试验结果分析

6．2．3 结论

6．3 双流道涡轮非稳态模拟研究的改进

6．3．1 研究对象和研究方法

6．3．2 模拟结果分析

6．3．3 流场分析

6．3．4 结论

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文