渦輪箱噴嘴環CFD數值模擬分析

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

柴油機增壓技術國家級重點實驗室 李書奇 張繼忠 來源:e-works
關鍵字:VNT 噴嘴環 CFD ansys  

 可變噴嘴渦輪增壓器(variable nozzle turbocharger ,VNT)通過對執行器的控制來改變渦輪流通截面積大小,從而實現增壓器與發動機良好匹配的目的。發動機怠速和低速端,噴嘴葉片關閉或開度很小,使增壓壓力增高,從而提高發動機的低速扭矩,改善其響應性。發動機高速運轉時,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,保證發動機獲得所需要的空氣和動力^[1][2]。

噴嘴環又稱為葉片導向器;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]。噴嘴的結構有多種型式,其中氣動葉型的噴嘴對氣流的流動損失影響最小;在整個渦輪級的設計過程中,噴嘴環速度系數比葉輪速度系數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,通過噴嘴內部流動的研究,分析噴嘴葉片在不同調節狀態的氣體流動特性,可以了解噴嘴內部流動機理,進一步提高氣動葉型的設計水平。

本文針對J110VNT徑流渦輪增壓器,利用商業軟件CFD計算技術,對額定點和最大扭矩點(設計點本文不作分析)分別進行數值模擬,并對噴嘴環內部流動機理以及可變噴嘴在調節范圍內的氣動性能進行分析總結。

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

2 計算模型和計算網格

本文對圖1所示二種開度的渦輪箱噴嘴環進行數值模擬,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格,原因如下:單塊網格邊界條件的確定以及網格塊之間各種信息的傳遞增加了快速計算分析的難度;對于不同的復雜外形,需要構造不同的網格拓撲結構,生成網格費時費力。而非結構網格可消除結構網格中結構性的限制,節點和單元分布可控性好,能較好的處理邊界,適用于模擬真實復雜外型;并且在生成過程中采用一定的準則進行優化判斷,能夠生成高質量的網格,很容易控制網格的大小和節點密度,便于實現其工程化應用^[5]。

由于小開度噴嘴環喉口尺寸很小,小開度網格全局尺寸選取1.0㎜;相應大開度網格尺寸選用1.5 ㎜;渦輪箱流體尺寸選用4.0 ㎜。采用三層三棱柱網格捕獲邊界層,初始高度渦輪箱取0.5 ㎜,噴嘴環取0.2 ㎜,層高比1.2;采用網格光順技術進行光順,網格質量控制在0.4以上。生成網格示意圖見圖2,網格質量分布示意見圖1。

3 CFD數值模擬

為提高計算精確度,計算的流體介質按照發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,忽略其它微量雜質氣體。根據渦輪箱進口不同壓力、溫度,查表得出各組份氣體物性參數值,分別計算出噴嘴環兩個狀態下排氣定壓比熱、動力粘度、導熱系數、密度等綜合物性參數。

計算采用湍流平均流Navier-Stokes方程結合湍流模型求解,湍流模型選用標準k-e模型;采用松弛因子迭代獲得穩態解。

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或最大迭代次數超過1000次作為收斂判別準則。

通過設置交界面進行渦輪箱計算域和噴嘴環計算域數值傳遞。

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 數值模擬結果分析

    VNT渦輪箱噴嘴環數值模擬所得結果分析如下:

4.1 壓力分布

壓力分布如圖3所示:噴嘴環通道氣體流動完全符合漸縮噴管流動規律。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化為動能,使氣流得到加速。

圖3 不同開度壓力分布

噴嘴環葉片前緣附近,大開度時,噴嘴環流通面積較大,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。

噴嘴環尾緣附近,由于葉片出口較薄,雖經處理仍為近似尖端,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,該部分焓降用來轉變為氣流宏觀動能,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,這是由于氣流在前緣發生滯止,氣流動能轉化為內能,引起局部溫度的升高;小開度流道通暢,未有該現象發生。而在尾緣由于氣流撞擊損失引起減速增溫。

4.3 馬赫數分布

馬赫數分布見圖5:沿氣體流動方向,馬赫數呈遞增趨勢,在噴嘴環葉片出口,馬赫數最高,速度最大。整個噴嘴環流道內馬赫數均小于1,與預期設計亞音流葉片相吻合。

圖5 不同開度馬赫數分布

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,相應馬赫數顯著降低;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,相應馬赫數降低。

流動軌跡線分布見圖6,噴嘴環通道內流動軌跡線與葉片型線相吻合,本設計所得到葉片通道內型線較理想。

圖6 不同開度流線分布

4.4 性能參數

流量、轉速等的變化,噴嘴環氣動性能也會隨著不同的工作狀態發生變化,由于邊界條件和計算中沒有考慮渦輪葉輪的擾動等因素,計算結果和實際存在一定的誤差,但相對兩個狀態的計算,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于小開度,可變噴嘴在調節范圍內噴嘴環效率最大變化為12.49%,具體比較見表1。

表1   大小開度氣動性能比較

5 結論

計算分析表明,我們設計的AVNT徑流渦輪增壓器噴嘴環設計較理想;噴嘴環通道內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構優化以提高性能:

⑴ 針對前緣點阻擋滯止,可通過調整安裝角、減小逆流面積進行優化;

⑵ 針對噴嘴環尾部的優化,應力求尾部曲線段光滑過渡,減弱氣流撞擊損失。

⑶ 針對噴嘴環葉片整體形狀而言,從模擬結果來看,該設計葉片通道未有渦流、橫流、氣流脫離等現象,設計較合理,若進一步提高設計,可對不同曲線段的連接處進行優化,力求型面曲線連續光滑過渡,以獲得低流損翼形葉型^[4]。

[參考文獻]

[1]王航、黃若等,JK80VNT增壓器開發研究,內燃機工程,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,基于多塊網格技術的離心泵葉輪CFD分析,中國農村水利水電,2004年第1期

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