二级增压系统不同旁通结构流阻特性仿真分析

徐思友， 潘丽丽， 杨磊， 吴新涛， 胡力峰， 高英英， 赵振威

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

二级增压系统不同旁通结构流阻特性仿真分析

徐思友， 潘丽丽， 杨磊， 吴新涛， 胡力峰， 高英英， 赵振威

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

建立了Y型和直连型两种典型的二级增压系统旁通结构，利用CFD对其流阻进行了对比。结果表明：当旁通阀全关时，Y型旁通结构流动损失较直连型大，而当旁通阀开启时，Y型旁通结构流动损失较直连型小；对于同种旁通结构，旁通阀的开度越小，损失越大，但是随着开度的增加，由于流过旁通结构的气体质量增加，导致损失相对较大。

二级增压系统； 旁通结构； 流阻特性； 仿真

可调二级增压系统是近年来提出的一种新型柴油机增压系统。二级增压系统将两个增压器串联起来，使空气相继受到压缩以提高压比[1-3]。该系统具有高低两级涡轮增压器，通过调节排气能量在两级涡轮中的分配实现了增压系统的可调节，解决了高平均有效压力涡轮增压柴油机高低工况无法兼顾的矛盾[4]。

对于二级增压系统，可以采用不同的旁通结构来实现其调节，不同的旁通结构会使二级增压系统结构产生很大的不同，使其体积和外形发生较大变化，同样由于其流阻的不同也会使其性能大不相同。本研究分别建立了Y型和直连型两种典型的旁通结构，并对其流阻特性进行了对比分析。

1 计算模型及验证

1.1 计算模型及边界条件

本研究主要针对串联式二级增压系统中两种典型的旁通结构下的涡轮级进行，其结构几何特征的区别是：在Y型结构中发动机排出的高温燃气在进入高压级涡轮前被分成两路，一路直接进入高压级，另外一路当旁通阀打开时直接进入高压级涡后的管路中；在直连型结构中发动机排出的高温燃气直接进入高压级涡轮箱通道内，在涡轮箱进口通道上设计了旁通口，当旁通阀打开时，气体进入高压级涡后管路中。两种旁通结构的几何特征见图1。计算网格的局部模型见图2。为了更好地示出围绕阀的流动情况，在阀的周围对网格进行了加密处理。为了减少计算时间，计算域的网格类型为结构化网格。计算工况点的边界条件见表1，这些计算工况点和边界条件是从试验数据中提取的。

图1 两种旁通方式结构特征示意

图2 两种旁通结构局部网格模型

1.2 模型验证

为了验证当前的仿真方法，首先对径流涡轮的性能进行了仿真并与试验结果进行了对比。

图2和图3示出了涡轮质量流率和效率的仿真与试验的对比结果。由于压气机吸收功率的限制，试验结果中涡轮的流通和效率范围比仿真结果窄。在有效的范围内，仿真的流率与试验结果吻合较好，但是仿真的效率要比试验结果稍高，主要是因为仿真模型与试验模型有差异。在仿真模型中没有考虑涡轮箱流道中的损失，所以仿真结果要比试验结果高。可以看出，计算值与试验值相比较，涡轮流通性能误差小于2%，涡轮效率误差小于5%，所建立的仿真模型可用于进一步的仿真研究。

图3 涡轮流通性能仿真与试验比较

图4 涡轮效率仿真与试验比较

2 旁通阀全关条件下的流阻特性分析

表2示出了在旁通阀全关条件下涡轮运行和性能参数。在旁通阀全关的条件下，采用Y型旁通结构的涡轮效率比采用直连型的高。但是要达到相同的目标质量流量,采用Y型结构时涡轮的进口压力较直连型的高,这主要是由于该结构下进气管损失比直连型的大。

表2 旁通阀全关条件下涡轮运行及性能参数

图5和图6示出了两种旁通结构下旁通阀进口处的流动分离对比。可以看出虽然旁通阀全关，但是气体在进入旁通阀前管内出现强烈的流动分离和较大的流动损失，而且Y型旁通结构下的流动损失比直连结构下的大很多。

图5 Y型旁通进口管内流动分离和损失分布

图6 直连型旁通进口流动分离和损失分布

3 相同开度时两种旁通结构的流阻特性分析

表3示出了旁通阀开度10%下采用两种结构的涡轮运行参数和性能参数对比。在相同开度下，Y型结构下的涡轮级效率比直连型的高出0.8%。主要原因是Y型结构下的高压级涡轮效率为56%，而直连结构下的高压级涡轮效率为53%。

表3 旁通阀开度10%下涡轮运行及性能参数对比

图7、图8示出了直连旁通结构下旁通流的流动情况及绝对马赫数。可以看出，气体以非常高的流速通过旁通阀，最大流速约为450 m/s，接近当地声速。在流道腔内，出现较大的分离流使得流动损失增多。另外，旁通流与主流混合后形成回流，这也会产生流动损失。

图9示出直连旁通结构下旁通流的流动损失。可以看出，气体通过旁通阀之后，由于有回流发生，所以出现高损失区域，这与图8一致。当气流进入高压级排气管中并与主流气流混合后，高损失区域面积占到管的1/3。

图7 直连型旁通流流动情况

图8 直连型旁通流的绝对马赫数

图9 直连型旁通流损失

图10示出Y型旁通结构下气体流线和流动损失的分布情况。可以看出，当气体流过旁通阀之后，形成了二次回流。但是与图7中的回流情况比较，回流所占的区域已经减少。由于气体流向排气管，所以回流很快消失。

图10 Y型旁通流流线和损失

图11示出了Y型旁通流与主流混合后的流线情况和混合流动损失情况。旁通流进入排气管与主流混合后流线比较光顺，因此没有引起大的分离流。

图11 Y型旁通结构下的混合流

综上所述，在相同的开度下，与Y型旁通结构相比，直连型旁通结构中旁通管道流动损失较大。另外直连型旁通结构下旁通流与主流混合形成的流动损失也大。

4 Y型旁通结构不同开度下的流阻特性分析

表4示出了采用Y型旁通结构时不同开度下的涡轮运行和性能参数。当旁通阀开度从5%增加到10%时，涡轮效率降低大约1.2%，主要原因是高压级涡轮性能的恶化及混合流损失的增加。旁通阀开度从5%增加到10%时，高压级涡轮效率降低了4%。

表4 涡轮运行及性能参数

图12示出了5%和10%开度下旁通流流动情况比较。可以看出，当旁通阀开度为5%时，旁通管内的流速比10%开度下的高。当气流进入旁通阀之前，在流道内已经形成了强烈的分离流，并且几乎占满了整个流道。当气流通过旁通阀之后，能够看到有强烈的分离流存在。对比两种开度下的流动分离强弱可知，在10%开度情况下，气流进入旁通阀前后，分离流已经开始减少，其主要的原因是流动阻力的减少。

图12 5%和10%开度旁通流流动比较

图13示出了5%和10%开度下旁通流动损失比较。可以看出，当旁通流通过旁通阀之后，在5%开度下，高焓区域比10%开度下的要大，这主要是由于在小开度下回流比较强烈的缘故。旁通阀开度越小，回流情况越严重，回流损失就越大。

图13 5%和10%开度旁通流流动损失比较

图14和图15示出了旁通气流与主流混合后的气体流动和损失情况。可以看出，在两种开度下，当旁通气流与主流混合时几乎没有分离流发生。然而，在10%开度下，由于旁通气流的流量增加，混合流的流动损失也相应增加。在5%开度下旁通气流的流量大约为0.11 kg/s，在10%开度下旁通气流的流量大约为0.185 kg/s，即流量增加了大约40%。所以说，在大开度下混合气流的流动损失要大。混合气流的流动损失增加就会影响到涡轮级效率。

图14 混合后的气流流动情况比较

图15 混合后的气流损失比较

5 结论

a) 当旁通阀全关时，对于由流动分离引起的流动损失，Y型旁通结构比直连型结构的大；

b) 当旁通阀开度相同时，对于由旁通流与主流混合后形成的回流引起的损失，Y型旁通结构比直连型旁通结构的小；

c) 旁通结构相同，旁通阀开度不同时，从质变的角度分析，旁通阀的开度越小，回流情况越严重，回流损失就越大；从量变的角度分析，旁通阀的开度越大，由于所需流量增加，导致混合气流的流动损失越大；混合气流的流动损失增加会影响到涡轮级效率。

[1] Chase A,Moulin P,Gautier P,et al.Double Stage Turbocharger Control Strategies Development[C].SAE Paper 2008-01-0988.

[2] Herring P．Sequential Turbocharging of the MTUll63 Engine[J].Trans．I．Mar．E，1988(1)：145-156．

[3] 朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992：478-486．

[4] 刘博，钱跃华，邓康耀，等. 蝶阀在可调二级增压柴油机中的调节特性计算研究[J].内燃机工程，2011，32(2)：17-22.

[5] 魏名山，张志，何永玲，等. 带不同类型调节阀的二级增压系统结构与性能对比[J].内燃机工程，2009，30(1)：51-54.

[6] 魏名山，何永玲，马朝臣. 可调二级增压系统涡轮级热力学分析[J].内燃机工程，2008,29(1)：43-47.

[7] 杜巍，赵永，樊丰，等.二级可调增压器旁通阀与喷油参数调节规律的仿真分析[J].车用发动机,2013(1):66-69.

[编辑： 潘丽丽]

Simulation on Flow Resistance Characteristics of Different Bypass Structures for Two-stage Turbocharger

XU Siyou， PAN Lili， YANG Lei， WU Xintao， HU Lifeng， GAO Yingying， ZHAO Zhenwei

(China North Engine Research Institution(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

The Y-type and straight-type bypass structures for two-stage turbocharger were established and their flow resistances were compared by CFD software. The results show that the flow loss of the Y-type structure is larger than that of the straight-type structure when the bypass valve closes fully, but is smaller when the valve opens. For the same bypass structure, smaller opening will lead to greater loss. The flow loss will became relatively larger with the increase of valve opening due to the increase of air mass through bypass valve.

two-stage turbocharging system; bypass structure; flow resistance characteristic; simulation

2016-10-20；

2017-03-23

柴油机增压技术重点实验室基金项目(9140C330410150C33004)

徐思友(1977—)，男，研究员，主要研究方向为柴油机增压技术；xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.014

TK423.5

B

1001-2222(2017)04-0068-05