车用涡轮增压器径流式涡轮内部流场数值模拟

陈 瑛

（江西生物科技职业技术学院机电工程系， 江西 南昌 330200）

引言

在增压器的设计与定型过程中，考虑增压器内部的流动特性至关重要[1-2]。为了能够提供真实流场作为理论参考，关键在于选择转静交界面的处理方法[3]。利用混合平面法进行的定常计算，具有计算速度快、计算精度低的特点。而在非定常计算中非线性谐波法具有较好优势性，综合利用了定常计算速度快和非定常计算精度高的优点，并避免计算对模型限制条件多的问题。

1 研究对象

以某型车用涡轮增压器为研究对象，该增压器的涡轮级主要由环形的蜗壳、涡轮叶轮及可变喷嘴环组成，如图1所示。

图1 涡轮级三维实体模型剖视图

涡轮叶轮和喷嘴环分别包含12个涡轮叶片和16个喷嘴环叶片。其中，整体加工制造的喷嘴环叶片由高速叶片和低速叶片组成。主要结构参数见下表1。

2 计算模型的建立

计算模型的网格质量不仅影响计算精度，甚至会影响计算收敛性。本文采用结构化网格划分技术，并结合分块化网格处理方法，选择最优的网格类型，建立高质量的计算模型。计算模型的网格质量通常用网格正交性、长宽比、延展比数值来进行综合衡量。网格划分结果的局部图如图2所示。

表1 几何模型主要结构参数

图2 涡轮网格局部图

3 涡轮效率特性定常与非定常计算

采用叶轮机械领域商用软件NUMECA计算平台，该CFD软件包括前处理模块AutoGrid5模块、计算模块FINE/Turbo模块，后处理模块CFview模块。在求解流场的过程中，计算方程主要采用时间相关法求解三维雷诺平均Navier-Stocks方程，并综合对计算速度和求解精度的考虑，选择Spalart-Allmaras模型作为湍流模型。在选择处理转静交界面的方法时，综合考虑计算时间和计算精度的优势，在流场计算中的转静交界面采用混合面法及非线性谐波法，并设定计算模型的入、出边界条件。其中，固体壁面设定无渗透、无滑移的物面边界条件。在求解定常和非定常计算时，综合权衡数值计算时间与精度的影响，将定常流动计算中的转静交界面设置为混合面法，非定常流动计算中转静交界面的处理方法设定为非线性谐波法，保持其它计算参数相同，对涡轮效率特性进行计算，其计算结果如图3所示。

图3 涡轮效率特性

计算表明定常与非定常条件下各工况点呈现的趋势相同。非定常与定常计算涡轮效率特所得到的计算值与实验值进行比对，试验值与非定常计算的结果吻合度较高，最大误差约为1.7%，定常计算最大误差约为2.8%。因此，通过定常与非定常计算值与试验值进行对比，表明非定常计算在径流式涡轮的计算更具有适用性。

4 结论

通过混合平面法、非线性谐波法对涡轮效率特性进行定常、非定常计算，与实验值进行比对，表明非线性谐波法在径流式涡轮内流场计算中具有较好的适用性。