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、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

柴油機增壓技術(shù)國家級重點實驗室 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)通過對執(zhí)行器的控制來改變渦輪流通截面積大小,從而實現(xiàn)增壓器與發(fā)動機良好匹配的目的。發(fā)動機怠速和低速端,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)動機的低速扭矩,改善其響應(yīng)性。發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時,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)動機獲得所需要的空氣和動力^[1][2]。

噴嘴環(huán)又稱為葉片導向器;其作用是使具有一定壓力和溫度的氣體在其中膨脹、加速,將來自渦輪箱的燃氣按一定方向送入葉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,其中氣動葉型的噴嘴對氣流的流動損失影響最小;在整個渦輪級的設(shè)計過程中,噴嘴環(huán)速度系數(shù)比葉輪速度系數(shù)對效率的收益影響要大的多^[4],因此,降低噴嘴流動損失是提高渦輪效率的重要手段之一,通過噴嘴內(nèi)部流動的研究,分析噴嘴葉片在不同調(diào)節(jié)狀態(tài)的氣體流動特性,可以了解噴嘴內(nèi)部流動機理,進一步提高氣動葉型的設(shè)計水平。

本文針對J110VNT徑流渦輪增壓器,利用商業(yè)軟件CFD計算技術(shù),對額定點和最大扭矩點(設(shè)計點本文不作分析)分別進行數(shù)值模擬,并對噴嘴環(huán)內(nèi)部流動機理以及可變噴嘴在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的氣動性能進行分析總結(jié)。

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

2 計算模型和計算網(wǎng)格

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

計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算分析的難度;對于不同的復(fù)雜外形,需要構(gòu)造不同的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu),生成網(wǎng)格費時費力。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)點和單元分布可控性好,能較好的處理邊界,適用于模擬真實復(fù)雜外型;并且在生成過程中采用一定的準則進行優(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)點密度,便于實現(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

為提高計算精確度,計算的流體介質(zhì)按照發(fā)動機排氣的真實成分進行計算給出,主要由氮氣(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,分別計算出噴嘴環(huán)兩個狀態(tài)下排氣定壓比熱、動力粘度、導熱系數(shù)、密度等綜合物性參數(shù)。

計算采用湍流平均流Navier-Stokes方程結(jié)合湍流模型求解,湍流模型選用標準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方程進行離散求解,平均殘差小于0.0001或最大迭代次數(shù)超過1000次作為收斂判別準則。

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

采用亞音進口、亞音出口和絕熱、無滑移壁面邊界,進口給定燃氣流量和燃氣溫度,出口給定燃氣壓力;采用默認初始條件進行計算^[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)通道氣體流動完全符合漸縮噴管流動規(guī)律。沿氣體流動方向,壓力降低,速度增大;噴嘴將氣流的一部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能,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,噴嘴環(huán)流通面積較大,具有相當厚度的前緣對氣流阻擋明顯,使氣流在此處滯止,使得相對壓力較高,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,流通面積較小,氣流在近似平行的兩平板間流通,前緣對其流動幾乎不存在影響。

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^動能,達到加速目的。

圖4 不同開度溫度分布

與壓力分布相似,大開度時,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:沿氣體流動方向,馬赫數(shù)呈遞增趨勢,在噴嘴環(huán)葉片出口,馬赫數(shù)最高,速度最大。整個噴嘴環(huán)流道內(nèi)馬赫數(shù)均小于1,與預(yù)期設(shè)計亞音流葉片相吻合。

圖5 不同開度馬赫數(shù)分布

由于前緣的滯止,大開度時前緣點附近速度有明顯降低趨勢,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損失,使尾緣點附近速度降低,相應(yīng)馬赫數(shù)降低。

流動軌跡線分布見圖6,噴嘴環(huán)通道內(nèi)流動軌跡線與葉片型線相吻合,本設(shè)計所得到葉片通道內(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)氣動性能也會隨著不同的工作狀態(tài)發(fā)生變化,由于邊界條件和計算中沒有考慮渦輪葉輪的擾動等因素,計算結(jié)果和實際存在一定的誤差,但相對兩個狀態(tài)的計算,采用的計算方法一致,具有可比性,通過相對比較可知:大開度時噴嘴性能優(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   大小開度氣動性能比較

5 結(jié)論

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

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

⑵ 針對噴嘴環(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 針對噴嘴環(huán)葉片整體形狀而言,從模擬結(jié)果來看,該設(shè)計葉片通道未有渦流、橫流、氣流脫離等現(xiàn)象,設(shè)計較合理,若進一步提高設(shè)計,可對不同曲線段的連接處進行優(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]

[1]王航、黃若等,JK80VNT增壓器開發(fā)研究,內(nèi)燃機工程,2004年第3期

[2] 冀春俊,微型燃氣輪機向心透平氣動性能的數(shù)值研究,碩士學位論文,中國大連:大連理工大學,2005

[3] 朱大鑫,渦輪增壓與渦輪增壓器,中國大同: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)計計算方法研究,碩士學位論文,中國山東:山東大學,2004

[5] AEA Technology plc.  CFX 參考手冊,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,中國農(nóng)村水利水電,2004年第1期

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