涡轮增压器压气机模型流体域的建立和网格的生成

雷汝婧

摘要：本文介绍了车用涡轮增压器压气机模拟3D模型的建立与网格划分方法。首先运用CATIA软件对涡轮增压器压气机涡管和压气机的实际3D模型以及模拟用的流体域模型进行建模，并运用ANSYS MESH模块对涡管以及压气机进行网格划分，网格结构主要为四面体结构。在压气机叶片部分，采用ANSYS BLADEGEN模块，在输入设计参数后，其模块自动生成叶片部分的流体域模型。再将该叶片模型导入到ANSYS Turbo grid模块中进行网格生成，其网格形式为六面体，为后续的优化设计打下基础。

Abstract： This article introduces the establishment and meshing method of the simulation 3D model of the compressor for the vehicle. First， use CATIA software to model the actual 3D model of the turbocharger compressor scroll and compressor and the fluid domain model for simulation， and use the ANSYS MESH module to mesh the scroll and compressor， and the grid structure Mainly tetrahedral structure. In the compressor blade part， the ANSYS BLADEGEN module is used. After inputting the design parameters， the module automatically generates the fluid domain model of the blade part. Then import the blade model into the ANSYS Turbo grid module for grid generation. The grid form is a hexahedron， which lays the foundation for the subsequent optimization design.

关键词：车用涡轮增压器;压气机;流体域

Key words： turbocharger;compressor;fluid domain

中图分类号：U463.1                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0011-02

0  引言

现在汽车制造厂商都在保证发动机原有功率的同时，减少发动机排量以降低尾气污染，从而满足越来越苛刻的尾气排放标准。加装增压器就是实现这个目标的一个重要途径。涡轮是通过发动机排出的废气进行驱动，从而降低了发动机功率的直接损失。因此越来越多的汽车制造厂商选择通过加装涡轮增压器来提升发动机的功率和减少发动机的排量。涡轮增压器一般由涡轮和压气机两大部分组成。涡轮通过发动机排出的气体获得旋转的动力，并且将这个动力动过轴传动给压气机，从而使压气机旋转工作压缩发动机进气空气，提高进气密度从而增加发动机功率。

随着涡轮增压器发动机的普及，如何提高涡轮增压器的使用效率变得尤为重要。通过数值模拟分析可以大大缩短涡轮增压器的研发时间，降低涡轮增压器的生产成本，提高公司生产线上的生产效率。特别是对涡轮增压器压气机涡管的研究现在已经逐渐成为提升涡轮增压器效率的另一重要领域。涡轮增压器已经成为当今最为经济绿色的环保科技，其可以在不影响车辆性能和驾驶员驾驶乐趣的前提下缩小发动机尺寸，降低燃油消耗和汽车尾气的污染排放。武汉各大汽车制造企业，比如神龙汽车有限公司等，都在将涡轮增压器技术作为自己提升燃油效率，降低汽车尾气污染排放量的技术首选。

压气机作为涡轮增压器的主要部件，其设计显得尤为重要。压气机的出口进口压力比和工作效率直接影响发动机的进气效率和燃烧效率。在调研中发现，现在市面上所常见的各类车型上所应用的涡轮增压器压气机设计还是主要以压气机叶轮叶片设计为主，而对压气机涡管截面的优化设计的设计比例还不够高。原因是原有的设计方式主要是以实验为主，而现在随着计算流体动力学技术（Computational Fluid Dynamics）的发展，使得对压气机涡管的设计效率可以得到相应的提升。各大涡轮增压器制造厂商现在也越来越多的运用计算机模拟设计来缩短研发周期，降低设计成本，提高研发效率。本文通过介绍涡轮增压器压气机模拟3D模型的建立与网格划分方法。运用CATIA软件对涡轮增压器压气机涡管和压气机的实际3D模型以及模拟用的流体域模型进行建模，并运用ANSYS MESH模块对涡管以及压气机进行网格划分，网格结构主要为四面体结构。在压气机叶片部分，采用ANSYS BLADEGEN模块，在输入设计参数后，其模块自动生成叶片部分的流体域模型。再将该叶片模型导入到ANSYS Turbo grid模块中进行网格生成，其网格形式为六面体，为后续的优化设计打下基础。

1  压气机涡管和压气机流体域的建立

在進行网格生成前要把压气机蜗壳的3D模型转化为流体域模型。流体域模型是将流体流经的区域模拟实体化。涡管的流体域模型也是由CATIA建立。如图1所示，先将涡管的各个截面的基本圆形形状按照360度的逆时针顺序建立好。然后再运用多截面指令进行连接，图2所示。最后如图3使用封闭曲面指令，同时再加入扩压器部分完成涡管流体域的建立。

由ANSYS BLADEGEN生成的叶片可以直接用于数值模拟，其流体域以及自动生成。

2  压气机涡管和压气机模拟模型网格生成

整个模拟过程中，需要建立网格的部分包括涡管、扩压器和具有一个单组叶片结构的叶片。网格内报告涡管，无叶片扩压器，和一个单片结构的叶片这个流体域网格是运用ANSYS MESH 以及 Turbo grid工具包完成的。涡管和无叶片扩压器的网格形式主要为四面体结构。叶片的网格形式为六面体。不同的机构运用不同的网格形式，可以在保证模拟精度的同时大大的减少模拟的时间。图4所示为 ANSYS MESH生成的涡管和扩压器网格图。图5所示为 Turbo Grid所生成的叶片网格图。两个部分合起来的模拟模型网格如图6所示。涡管和扩压器的总网格数为504300，叶片的网格数为324000。

参考文献：

[1]张安鹏，霍有朝，丁军亮.CATIA V基础培训标准教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[2]丁源.ANSYS ICEM CFD网格划分从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2020.

[3]北京兆迪科技有限公司. CATIA V5R20实例宝典[M].北京：机械工业出版社，2017.

[4]王希.低压涡轮动叶参数化及网格生成技术研究[D].中北大学，2020.

[5]赵晓辉.网格生成技术及其应用[J].西部皮革，2018（08）.