离心式压气机CFD仿真分析

郭斌，文雪峰，苏晓春

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

离心式压气机CFD仿真分析

郭斌，文雪峰，苏晓春

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

利用AVL FIRE软件以某车用涡轮增压器为研究对象，对其离心式压气机进行稳态仿真，获取压气机的特性曲线，仿真结果与实验结果大致吻合；分析了压气机的内部流场，找出了流动损失的关键部位，为压气机的优化提供重要参考。

压气机；CFD；数值模拟

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-11-03

引言

近年来，能源问题的加剧和日益严格的排放法规促使涡轮增压技术在内燃机领域得到了广泛的应用。涡轮增压能使内燃机在动力性、经济性、比质量和排放等性能指标上有很大的提高和改善，它是实现现代内燃机高效率、低污染的重要技术措施之一。目前，涡轮增压器正向高增压、高转速、高效率以及更宽广的运行范围发展，这对涡轮增压器的性能提出了更高的要求，而涡轮增压器性能提高的关键是提高压气机和涡轮的气动效率。压气机和涡轮叶片的内部流动很复杂，理论难以精确分析其流场，CFD仿真为研究其内部流场分布和各种损失的原因提供了重要的手段。涡轮和压气机的仿真计算和内部流场有一定的相似性，本文以某压气机为例，利用FIRE仿真软件计算压气机的效率和流量，并分析其内部流场。这能极大的缩短压气机的设计周期，对于改善压气机性能以及设计新压气机具有重要意义。

1、计算模型及网格划分

1.1 建立几何模型

采用逆向工程，利用三维激光扫描技术测量得到了叶轮表面和压气机内表面的点云数据， 并使用CAD 软件Solidworks 建立了叶轮和蜗壳内部流动区域几何模型（图1、图2）。其中，压气机内部流动区域的入口和出口段进行了加长，这样的边界流动比较均匀，有助于边界条件的设定和计算收敛。

1.2 网格划分

压气机和涡轮均分成三部分建模：入口部分，转子部分和出口部分。转子部分与入口部分和出口部分之间的耦合采用的是FIRE中的多重参考系模型MultiReferenceFrame，MRF）。转子部分的网格在计算时保持静止， 在惯性坐标系中以作用的哥氏力和离心力进行定常计算，而入口和出口区域则是在惯性坐标系里进行定常计算。在3个部分的交界面处交换惯性坐标系下的流体参数，保证了交界面的连续性，达到了用定常计算来研究非定常计算的目的。计算区域的网格使用FIRE 软件中的Fame Advanced Hybrid 模块生成， 包括六面体网格和四面体网格。入口部分最大网格尺寸设为2 mm，最小网格尺寸设为1 mm。转子部分最大网格尺寸设为0.8 mm，最小网格尺寸设为0.1 mm，从而使得叶轮的叶尖间隙处至少有4 层网格，保证了计算精度。出口部分最大网格尺寸设为2 mm， 最小网格尺寸设为0.5 mm。最后，入口部分生成55548个网格，转子部分生成594777个网格，出口部分生成92383个网格。计算区域的总网格数为742708个，如图3 所示。

1.3 边界条件设置

进口设置为标准大气的条件。取总压为101000 Pa，温度为30℃，该条件跟试验很接近，计算结果可以和试验数据直接对比，比较方便。出口设置静压，计算不同的压比只改变出口的静压。计算时从低压比不断向高压比推进，高压比的计算利用低压比的结果，这样不仅提高了计算的稳定性，还大大加快了计算速率。

2、计算结果与分析

流量和效率是压气机最重要的参数。计算时设定一定的转速，固定进口边界条件，不断改变出口静压，得到不同压比下的压气机的流量、效率。然后改变转速，最终得到压气机的脉谱图。由于计算的点较多，而且不同转速下，流动有一定的相似。在低压比时，压气机易堵塞，效率偏低；在中等压比时效率较高；在高压比时容易喘振。本文选择叶片转速为9万转时的流场进行分析，分别取低压比（压比1.1）、中压比(压比1.24)和高压比（压比1.33）三个点与实验结果对比，如表1所示。该压气机的叶轮半径较小，9万转的转速是压气机工作时较低的转速，所以压比偏低，压比1.33就接近喘振边界了。

由上表1看出，仿真得到的效率偏高，而在中低压比时流量偏小，接近喘振时流量偏大。初步分析有几点原因：

1.网格数不够，受设备和计算时间的限制，网格数不能过多；网格质量缺陷，蜗壳有一部分和压气机叶轮形状都比较复杂，局部网格质量不高，导致计算精度下降。2.在几何模型的建模过程中，由于经过了三维激光扫描和CAD 软件的处理，最终得到的几何模型在形状上不可能与真实的计算区域完全一致。3.边界条件的差异，实际中壁面不绝热；更重要的是壁面摩擦的状况跟实际是有差距的。4.实验数据本身也存在误差。

三个状态下的壁面附近的压力场分布如图4所示。（下文为叙述方便，压比为1.11状态称为A，压比为1.25的状态称为B，压比为1.33的状态称为C。）

从三个状态下的静压分布可以看出，压气机进气由于弯折，进入叶轮前压力不均匀。刚要进入叶片区域前有一个压力降低的过程，这是由于该段的流通截面有一定的渐缩，压力能向动能转化造成的。这段加速过程有利于减小进气的不均匀。在叶片区域气流压力增压较多，进入无叶扩压器区域后，压力接近最大值，对于B、C，在蜗壳内也有一定的压力增加。但是对于A，压力场似乎比较反常。最大压力出现在蜗壳的较小的流通截面处，说明在该处气流不通畅，流速低，动能较多的转为压力能。这说明该点过于偏离设计流量，蜗壳的流通效果很不好。

进一步分析A效率不高的原因。整个计算域的马赫数没有超过1，说明没有产生激波而造成压气机堵塞。图5、图6为分别为某长叶片吸力面和压力面的静压分布。吸力面入口叶尖有一高压区，而压力面则相反有一低压区，说明气流在进口的叶尖处有强烈的撞击并造成了较强的气流分离，这里会有较大能量损失。从图7过压气机轴线的切面看出，该处有一块高压区，迫使气流向外壁流动，而外壁急剧转弯，气流产生强烈分离，这样有效的流通截面就减小了，流动阻力大大增加。该扩压器的宽度仅为2.5 mm，不太适合大流量，但是较窄的扩压器适应更高的压比。

对于A和B，它们的流量都要比实验值低，主要原因是叶尖漏气，如图8所示，叶片顶端聚压气机外罩的间隙虽然只有0.4 mm，但是由于本压气机很小，到叶片出口处叶高仅有2.5 mm，会有相当一部分气体从间隙流过。

对于C，比较反常的是它的流量比实验值偏大。从图9看出，在高压比下，流体的回流明显，而且回流首先在从叶轮出的壁面开始向进口扩展，在涡轮叶片进口处卷起大团漩涡。该状态即将达到压气机的喘振边界，气流的分离以及入流与回流的掺混都很厉害。此时，湍流模型的精度会大大降低，计算精度受到挑战。再者，仿真的进气是很稳定的，与实验有些波动的进气有差距，也会导致接近喘振时流量偏高。

仿真得到的效率都偏高，也意味着能量损失小，出口温度偏低。整个流动过程，叶轮中的损失应该占大部分，在叶轮处温升的应该很可观的，但是以状态A为例，从叶片进口到叶片出口，平均温升仅6℃左右，说明在这一区域仿真的精度还不够高。从图10看出，高温区主要在叶尖吸力面一侧，由于该处存在较强的流量分离和能量损失。而沿叶片轴线方向上，温升较小，说明摩擦损失不多。还有选择旋转区域时，没有对静止的外壁作特殊处理。如果外壁跟着叶片一起旋转，虽然外壁对气流扰动不大，但是气流与外壁的相对速度减小了，从而减小了摩擦损失。

3、结论

离心式压气机基于AVL FIRE 的三维流动CFD 分析可以得到压气机内部的流场信息，并可以从中找出模型内存在较大流动损失区域和造成损失的原因，从而进行有针对性的优化。同时也可以得到压气机的流量特性图，这对压气机的前期评估和与发动机的匹配预测起到非常重要的指导作用。

压气机在低压比时效率较低，但对于本文来说，并不是超音速导致的堵塞，因为计算转速较低，流场还没达到音速。而是在较高流量时压气机的局部损失较大。在高压比时，压气机的倒流很厉害，计算精度难保证。中压比时由于碰撞损失和气流分离减少，效率和计算的精度都较高。

压气机的内部流动比较复杂，网格要求很高，加上逆压梯度，对计算的精度带来巨大的挑战。下一步将继续提高计算精度，将尝试不同的湍流模型，更加细密的网格和更加合理的边界条件。

[1] 周龙保. 内燃机学[M]. 机械工业出版社,2005.

[2] 肖昕,李云清. 车用涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析[J]. 汽车技术, 2011.

[3] 车用小型离心式压气机结构参数优化及流量特性的仿真计算[D].西安交通大学硕士学位论文, 2010.

[4] 最新增压器设计、生产新工艺新技术与故障诊断排除及质量检验标准规范实用手册[M]. 北方工业出版社，2007.

CFD Simulation Analysis of Centrifugal Compressor

Guo Bin, Wen Xuefeng, Su Xiaochun
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

Applying FIRE, the centrifugal compressor of a vehicle turbo charger was simulated under steady state, obtaining the characteristic curve of the compressor. The results of the simulation and experiment are in good agreement. The key parts of the flow loss were found by the internal flow field analysis of the compressor. The results provide important references for the optimization of compressor.

Compressor; CFD; Numerical simulation

U467.4

A

1671-7988(2015)06-11-03

郭斌，就职于陕西重型汽车有限公司。