汽油机涡轮增压器压气机流场及气动噪声研究

摘要

涡轮增压技术通过增压装置来提高发动机的进气能力,使更多新鲜空气进入燃烧室,从而使更多燃料能得到充分燃烧,增强了内燃机的动力性、经济性以及排放性能,近些年在汽车领域得到大力推广.汽车发动机噪声除机械噪声、燃烧噪声外,空气动力噪声也占相当大比重,对于增压汽车而言,气动噪声有很大一部分来自涡轮增压器的压气机.因此为了降低汽车噪声、改善乘客的乘车舒适性,对增压器压气机气动噪声机理的研究显得尤为重要.　　本文的研究对象为某型汽油机涡轮增压器压气机,介绍了涡轮增压器压气机气动噪声的相关理论知识,在此基础上建立压气机三维几何模型和有限元模型,利用Fluent软件对增压器压气机的内部流场以及气动噪声进行计算分析,具体研究三种转速下的流场及噪声变化情况,并通过改变压气机叶尖间隙,分析研究不同叶尖间隙对压气机流场、涡流和旋转噪声的影响特性.　　本文的主要研究内容如下:　　(1)简述发动机增压器技术、流场和气动声学噪声的研究概况,在压气机噪声理论知识基础上建立了压气机几何模型及有限元模型,研究了流场中静压场、流速、叶轮湍动能及静压分布的相关特性.压气机进气口到叶轮的负压和流速都呈递增趋势;进入无叶扩压器后,流速沿径向方向减小,气体压力逐渐增大;气流进入蜗壳后,速度继续减小压力持续增大,到出口时压力达到最高值.　　(2)采用涡流噪声源模型对叶尖间隙为0.4mm的压气机在100000rpm转速下的涡流噪声进行预测计算,用RNGk-ε模型、大涡模拟模型对旋转噪声进行预测计算,并通过实验来验证.压气机叶轮出口的声功率最大,叶轮部分的噪声为压气机的主要噪声;气流进入涡壳后,速度下降压力升高,声功率级越来越小;大涡模拟可看出随着频率的增加,声压级越来越低,压气机的旋转噪声越来越不明显,且由于分流叶片的影响,偶数阶噪声要强于奇数阶噪声;实验验证噪声误差在5%以内,说明该研究方法可行.　　(3)分析不同转速对增压器压气机流场及气动噪声的影响,改变叶尖间隙,研究不同叶尖间隙对其流场、涡流与旋转噪声的影响.随着转速的增加,压气机气体流速与噪声都增强;转速对吸力面的静压分布影响较大;过大和过小的叶尖间隙都不利于压气机的运行,在进行压气机结构参数设计时,应选择合适叶尖间隙值.

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 发动机增压技术简介

1.2.2 涡轮增压器流场计算研究

1.2.3 发动机增压器气动声学噪声研究

1.3 主要研究内容

第2章 涡轮增压器压气机基本理论

2.1 计算流体力学基本理论

2.1.1 运动流体控制方程

2.1.2 湍流模型

2.1.3 近壁面附近区域的处理

2.1.4 初始条件与边界条件的确定

2.2 气动声学理论基础

2.2.1 气动声源分类

2.2.2 气动声学研究方法

2.3 本章小结

第3章 涡轮增压器压气机流动特性分析

3.1 Fluent软件简介

3.2 压气机几何模型

3.3 压气机有限元模型

3.4 模型选择及边界条件设定

3.5 压气机流场分析

3.6 本章小结

第4章 气动噪声分析模型及其验证

4.1 压气机涡流噪声预测计算

4.2 压气机旋转噪声预测计算

4.2.1 RNG k-ε模型模拟旋转噪声

4.2.2 大涡模型模拟压气机旋转噪声

4.2.3 压气机旋转噪声模型验证

4.3 本章小结

第5章 涡轮增压器压气机气动噪声分析研究

5.1 转速对压气机流场及气动噪声的影响

5.1.1 转速对压气机流速的影响

5.1.2 转速对压气机静压的影响

5.1.3 转速对主流叶片与分流叶片静压影响

5.1.4 转速对涡流噪声的影响

5.2 压气机叶尖间隙对流场及气动噪声的影响

5.2.1 不同叶尖间隙对压气机静压分布的影响

5.2.2 不同叶尖间隙对压气机速度分布的影响

5.2.3 不同叶尖间隙对压气机涡流噪声的影响

5.2.4 不同叶尖间隙对压气机旋转噪声的影响

5.3 本章小结

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