高原环境对离心压气机性能及流动特性影响

刘卓学，董素荣，张众杰，那晓亮，刘瑞林

(1.军事交通学院 研究生管理大队, 天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

高原环境对离心压气机性能及流动特性影响

刘卓学1，董素荣2，张众杰1，那晓亮1，刘瑞林2

(1.军事交通学院 研究生管理大队, 天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

为研究高原环境对离心压气机性能及流动特性影响，基于NUMECA三维计算流体力学仿真软件，针对高原环境下车用柴油机离心压气机叶轮性能及流动特性进行数值模拟。结果表明：同平原相比，海拔5 500 m条件下压气机最大压比下降2.09%、最高效率下降2.45%、压气机工作裕度减小11.35%；近堵塞工况下叶轮出口处，叶顶附近压比接近1，几乎失去增压能力，90%叶高效率较10%叶高效率降低幅度相比平原多5.75%。

柴油机；离心压气机；流动特性；高海拔

高原地区具有气压低、气温低、氧气稀薄的特点，导致在高原环境下工作的柴油机进气量大幅降低，进气量的减小会造成柴油机燃烧过程恶化，降低柴油机的动力性及经济性，而涡轮增压技术则是提高柴油机高原性能的关键技术[1-2]。作为涡轮增压器的主要部件之一，小型离心压气机的性能将直接影响到涡轮增压器的正常工作，进而对发动机整机性能产生影响[2-3]。

有资料表明，海拔4 500 m时，50%以上工况不满足雷诺数处于自模区假设[4]，此时气流黏性增加，附面层增厚，气流抗分离能力及抗逆压能力较差，流阻增加，使得叶轮内部流动恶化。同时，转速不变而改变流量时，压气机进口气流冲角变大，这就更容易引起附面层脱离，最终导致压气机特性曲线变陡，喘振提早发生，压气机工作范围变小[5-6]。鉴于此，本文基于NUMECA软件，对平原及海拔5 500 m条件下离心压气机性能及流动特性进行研究，探究高海拔(低气压)对压气机内部流场的影响机理，为高海拔地区车用柴油机离心压气机结构优化提供依据。

1 研究对象及研究方法

1.1 研究对象

本文以匹配某型柴油机的两级可调增压器中低压级增压器的压气机(JP100)为研究对象，该叶轮为半开式离心叶轮，共有14个叶片(主叶片及分流叶片各7个)，叶轮进口直径为75.5 mm，出口叶高为101 mm，前缘及尾缘顶部间隙均为0.5 mm，该叶轮几何形状如图1所示。

图1 叶轮几何模型

1.2 研究方法

网格划分的质量对于计算求解的精度具有至关重要的作用，本文以NUMECA软件中的Autogrid模块作为平台，对叶轮单通道模型进行结构化网格划分，在网格划分的过程中，将多重网格的层数设置为4层，近壁面第1层网格的距离为0.001 mm。

设置计算网格拓补结构为HI型网格，叶顶间隙为0.5 mm，共划分网格数为1 130 648，其中最小正交性为23.169，最大延展比为2.595 2，最大长宽比为275.98，图2所示为一个周期的叶轮网格划分结果示意图。

图2 网格划分示意

本文以Fine/Turbo模块为计算平台，选取控制方程为三维雷诺平均N-S方程，即分别通过对连续性方程、动量方程及能量方程这3个方程进行时均运算得到。

湍流模型选择S-A模型，控制方程的空间项结合有限体积中心离散方法，采用二阶精度的中心差分格式进行离散，时间项采用4阶Runge-Kutta显示时间推进法进行离散，其中时间步长由库朗特数(CFL)决定，由于在计算过程中采用CPUBooster技术，故将CFL数定义为1 000，同时结合隐式残差光顺法对计算进行加速收敛。

在边界条件的设置中，设置转动面为无滑移固壁边界，轮盖面为绝热无滑移的静止固壁边界，设置进口边界条件为轴向进气，给定总温及总压，出口的边界条件在大流量下给定平均静压值，并逐渐缩小以寻找近堵塞点；在小流量下指定质量流量，并不断缩小流量以寻找近喘振点。

2 结果分析

2.1 高海拔下离心压气机叶轮特性分析

压气机叶轮特性曲线如图3所示，近喘振点的选取方式为逐渐减小流量至压比平缓后出现下降的前一个工况点，近堵塞点工况选取方式采用文献[7]中所提到的方式，逐渐减小出口压力至效率60%附近的工况点。由图可知，海拔5 500 m时压气机压比、效率及压气机工作裕度均较平原有所下降，最高压比下降了2.09%，最高效率减小了2.45%，压气机稳定工作范围缩小了11.35%。

图4、图5所示为出口处效率及压比沿叶高分布曲线，由图可知叶轮在根部附近效率较高，越接近叶轮顶部效率越低、增压效果越差，在近堵塞工况下最为明显，海拔5 500 m条件下，90%叶高效率较10%叶高处的效率下降幅度较平原高5.75%，且在叶顶附近压比接近1，几乎失去了增压能力。由此可见，顶部附近是叶轮损失最为严重的位置，且海拔5 500 m条件下各叶高处效率、压比均小于平原，高海拔压气机特性受雷诺数降低的影响较大。

图3 压气机特性曲线

图4 各工况点效率沿叶高分布

图5 各工况点压比沿叶高分布

2.2 高海拔下离心压气机叶轮流动特性分析

2.2.1 流道内总体损失分析

图6所示为压气机最高效率点工况下的子午熵增分布图。由图可知，叶轮内部损失的主要来源在叶顶附近，并向出口处逐渐发展扩大。海拔5 500 m时，主叶片前缘后部存在高于平原的损失区域(如标注1处所示)，在叶轮顶部存在较高损失(如标注2处所示)，在出口处高损失占据的流道范围要高于平原5%左右。由此可见，海拔5 500 m时由于损失范围提前、顶部损失加剧，导致随着流动向下游发展，到达出口处时损失范围增大，进而使得叶轮内部总体损失高于平原。

图6 子午面熵增分布

图7所示为平原及海拔5 500 m条件下压气机相对马赫数分布图。

图7 相对马赫数分布

由图可知，海拔5 500 m时叶轮顶部区域存在更大范围的低速区，而这部分区域正是对应上文的高损失区域。另外，海拔5 500 m气流经叶片前缘时加速现象更明显，部分范围达到了超音速，最高达到了1.12马赫，在叶尖部位形成了激波，导致气流经过激波之后同叶表附面层相互作用，造成流动损失，这也是造成主叶片前缘附近损失范围提前的一个因素。

2.2.2 流动细节分析

图8所示为最高效率工况不同海拔下，15%叶高、50%叶高以及90%叶高截面的相对马赫数及熵增分布图。由图可知，与平原相比，海拔5 500 m时流道内部所聚集的低速流体从叶片中部开始逐渐增加。其中，50%叶高截面内，主叶片吸力面一侧处，低能流体在出口处已占据了60%的流道宽度，且低能流团起始位置逐渐提前，已向上游延伸了约18%的弦长范围，由此所产生的损失增加，范围扩大(如标注3处所示)。另外，观察90%叶高截面可知，海拔5 500 m条件下主叶片前缘超音速范围有所扩大，最多可占据约30%弦长的区域(如标注2处所示)。同时，90%叶高截面分流叶片吸力面一侧，流道内聚集的低速流体范围，要高于分流叶片压力面与主叶片吸力面之间流道内的低速区，且由此造成的损失更大(如标注4处所示)。另外，在该截面下，海拔5 500 m时，从分流叶片压力面15%弦长处就已开始聚集大量的低能流体，高损失范围几乎覆盖了整个分流叶片前缘(如标注1处所示)，当流动发展至出口时，所产生的损失明显高于平原，高损失区域在分流叶片吸力面一侧可占据80%的流道宽度，导致高海拔下叶轮流道内及出口处流动损失的增加。

图8 S2截面相对马赫数及熵增分布

图9所示为叶轮出口处及各流动截面内的熵增分布图。由图可知，海拔5 500 m时从50%截面处开始，分流叶片一侧通道内损失就已开始高于主叶片一侧。同时，随着流动方向向下游发展，各截面内高损失范围逐渐增加，到达出口处时，可明显观察到叶轮出口损失明显高于平原。另外，分流叶片吸力面一侧通道内海拔5 500 m下高损失范围在径向上最多可占据约75%左右的叶片高度，比平原最多可多出15%左右的叶高范围，且分流叶片吸力面侧损失要远高于主叶片压力面侧。

图9 各流道截面熵增云图

图10所示为流道内三维流线分布以及低能流体的形成过程。由图可知，海拔5 500 m主叶片吸力面低能流体的径向迁移现象更为显著，因此在顶部与泄漏涡的掺混现象更为严重，分离涡占据的流道宽度更大，同时分流叶片顶部泄漏位置更接近前缘，故分流叶片吸力面一侧低速区范围比平原更大。另外，海拔5 500 m条件下主叶片50%流向之后，存在部分泄露流跨过本流道进入分流叶片吸力面一侧流道，与其主流相互卷吸流向下游；主叶片80%流向后存在部分泄露流跨过多个流道的现象，因此分流叶片吸力面一侧通道内的损失高于主叶片吸力面一侧通道的损失，同时也造成了出口附近流动更为紊乱，损失更大。

图10 叶轮三维流线分布

图11所示为平原及海拔5 500 m时叶表极限流线图，以此来分析近壁区流动状况。由图可知，海拔5 500 m条件下叶片表面流动分离现象加剧，其中主叶片压力面在前缘根部附近出现了流动分离、回流及再附等复杂流动现象；分流叶片压力面上延伸至顶部的分离线位置，比平原提前了15%左右的弦长范围。叶片压力面流动分离现象的加剧以及分离流体过早的向顶部迁移，造成了顶部泄漏的提早发生以及泄漏涡对主流掺混强度的增加。

图11 叶表极限流线分布

另外，观察主叶片吸力面可知，海拔5 500 m条件下由于前缘激波增强，导致了前缘附近流动分离的范围扩大，且在叶片中后部的叶顶位置可观察到比平原更为明显的流动分离。同时，高海拔下从根部延伸至顶部的分离线到达顶部的位置同样向进口处发展，比平原提前了5%左右的弦长范围，由此导致了图10中主叶片吸力面一侧存在更多的径向迁移流体与泄漏涡的掺混，进而对主流造成影响，加剧了流动损失。

3 结 论

(1)同平原相比，海拔5 500 m条件下压比和效率有所下降、工作裕度变窄，其中最大压比相比下降了2.09%，压气机工作裕度减小11.35%，最高效率相比减小了2.09%，且出口处越接近顶部，效率越低、增压能力越差。

(2)海拔5 500 m时主叶片前缘出现部分超音区域，叶轮顶部低能流体占据的流道范围变大，相应损失增加，且分流叶片压力面一侧通道内也从15%弦长处开始出现了较高损失，当流动发展至出口时，高损失区域径向上占据的范围最多比平原高15%左右的叶高范围。

(3)海拔5 500 m时近壁区流动较平原更为混乱，叶表分离现象加剧，且由根部延伸至顶部的分离线位置向入口处发展，由此导致了顶部间隙泄露的提前发生，并加剧了分离流与泄露流的掺混，增加了流动损失。

[1] PEREZ P L, BOEHMAN A L. Performance of a single-cylinder diesel engine using oxygen-enriched intake air at simulated high-altitude condition[J].Aerospace Science and Technology,2010,14(2):83-94.

[2] ETHERIDGE J, BHAVE A, SMALLBONE A, et al. Optimization of injection strategy, combustion characteristics and emissions for IC engines using advanced simulation technologies[C]. SAE Paper 2011-26-0080.

[3] ROUSER K, KING P, SCHAUER F, et al. Parametric study of unsteady turbine performance driven by a pulse detonation combustor[C]//Joint Propulsion Conference & Exhibit，2013.

[4] 李书奇,刘畅,胡力峰,等.高原环境增压器离心压气机特性试验研究[J].机械工程学报,2016,52(20):151-158.

[5] 董素荣,刘卓学,刘瑞林,等.VGT叶片开度对二级增压柴油机高海拔低速匹配特性的影响[J].车用发动机,2016(6):30-35.

[6] 刘瑞林,董素荣,刘刚.高原功率恢复二级可调增压装置:201210344467.9[P].2012-09-18．

[7] 龚义朝.离心式压气机内部流场模拟分析及叶轮结构参数优化[D].大连:大连交通大学,2013.

(编辑： 张峰)

Influence of Plateau Environment on Performance and Flow Characteristic of Centrifugal Compressor

LIU Zhuoxue1, DONG Surong2, ZHANG Zhongjie1，NA Xiaoliang1, LIU Ruilin2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To study the influence of plateau environment on performance and flow characteristic of centrifugal compressor, the paper conducts numerical simulation on impeller performance and flow characteristic of diesel engine centrifugal compressor in plateau environment with NUMECA software. The result shows that: comparing with the plain, the compressor pressure ratio decreased by 2.09%, the efficiency decreased by 2.45%, and the compressor operating margin decreased by 11.35% at altitude of 5 500 m; the pressure ratio was close to 1 at the top of the blade in condition of stoppage and it almost lost boosting capability, and the decreasing amplitude of 90% blade height efficiency was 5.75% bigger than that of 10%blade height in plain.

diesel engine; centrifugal compressor; flow characteristic; high altitude

2017-04-10；

2017-05-18. 作者简介： 刘卓学(1992—)，男，硕士研究生； 董素荣(1967—)，女，博士，教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.011

TK474.8

A

1674-2192(2017)08- 0047- 06

● 车辆工程 Vehicle Engineering