汽油机涡轮增压器压气机内流场分析和优化措施 Flow Field Analysis and Optimization Measures in Turbocharger Compressor of Gasoline Engine

刘湘玲 LIU Xiang-ling

摘要：本项目研究以1.5L增压汽油机为研究背景，建立增压器三维模型与有限元网格模型，对其内部三维流场（包括速度场、压力场、温度场）结构强度进行模拟计算分析，对涡轮增压系统动态特性进行研究，从而对其内部流道和增压器的结构强度进行优化设计。在CFD、有限元分析等方法应用下，针对汽油机增压技术应用上的难点，通过进行性能提升和优化匹配方式，达到预计的增压汽油机性能目标，为增压器的研发、设计、制造奠定理论基础。

Abstract： Taking the 1.5L supercharged gasoline engine as the research background， this project establishes the three-dimensional model and finite element mesh model of the supercharger， simulates and analyzes the structural strength of its internal three-dimensional flow field （including velocity field， pressure field and temperature field）， studies the dynamic characteristics of the turbocharger system， and optimizes the structural strength of its internal flow channel and supercharger. Under the application of CFD， finite element analysis and other methods， aiming at the difficulties in the application of gasoline engine supercharging technology， the expected performance objectives of supercharged gasoline engine are achieved by improving the performance and optimizing the matching mode， so as to lay a theoretical foundation for the R & D， design and manufacturing of supercharger.

關键词：汽油机;涡轮增压器;压气机;流场

Key words： gasoline engine;turbocharger;compressor;flow field

中图分类号：U661.44                      文献标识码：A                   文章编号：1674-957X（2021）22-0056-02

0  引言

随着现代科学技术的发展，在交通行驶中，人们不但对汽车动力性、经济性关注度比较高，也非常注重汽车所致环境问题。涡轮增加技术为发动机燃烧室配排出气流惯性力的应用下，促进涡轮旋转，以此推动叶轮对新鲜空气产生压缩作用，提高进气量，进而实现对燃烧情况的改善，进一步提升汽车发动机输出功率和效率，更有助于实现汽车尾气对环境污染问题。增压技术在汽车中为重要技术之一，但在实际应用中由于增压汽油机还具有空气动力噪声，因此加大了汽车运行中的噪声，就算是安装进气消声器和排气消声器，对其噪声可以起到降低作用，然而并无法彻底解决涡轮增压器本身噪声。汽车行驶过程中，涡轮增压器工作气流通道流通相对复杂，属于是非定常流动，无法对其实施准确模拟，在当前人们越来越追求汽车行驶舒适度需求下，需要展开关于汽油机涡轮增压器压气机内流场的分析，并提出优化措施，以确保可以有效降低汽车噪声基础上，实现对乘客乘车舒适性的改善。本次研究以长安1.5L汽油机相匹配的增压器为研究对象，结合汽油机增压技术应用中的实际问题，对其压气机内流场实施分析，提出优化措施，以此提升汽车使用性能。

1  模型建构

1.1 几何模型建构

整个压气机总成内流道不但非常复杂，且呈现出扭曲状态，想要实现对其内部流程的准确模拟分析，认识到气流组织情况，也就需要在三维流体控制方程的应用下对其实施模拟，以此建构相应的流动空间三维模型。本次实体建模过程中，基于三维扫描技术以及实体造型软件，完成了实体模型建构，其中将整个压气机内部流道作为是相应的建模区域，因此可以将其分成三部分，分别为压气机进气道、叶轮流道、扩压器和涡壳部分。

1.2 有限元模型建构

1.2.1 网格选择及划分  本次研究采用的是非结构化网络，存在有几何灵活性。因为在压气机模型总成整体可以具备有两个边界，分别为旋转动边界及静边界，所以分析过程中计算区域能够划分为不同区域，具体为压气机进气道、扩压器、蜗壳部分为定子区域，叶轮流道部分为转子区域;基于多重参考系模型实现转子和静子区域间耦合。在计算过程中，需要保持转子区域网格为静止状态，在作用哥氏力以及离心力的应用下实现在惯性坐标系中的转子区域定常计算;另外还需要在惯性坐标系中，实现关于定子区域内的定常计算。如果是针对两个子区域交界处计算过程中，需要基于交换惯性坐标性实现相关流体参数变换，在此过程中不但可以实现对交界面连续性提供保障，也能够采用定常计算实现关于非定常的计算。

在网格划分中采用四面体非结构化网络，针对压气机内部流道中的进气道划分为44034个网格，叶轮流道划分为740488个网格，扩压器以及蜗壳劃分为1111206个网格，因此本次研究共划分为1895728个网格。在网格划分结束后，对其实施GAMBIT检验，发现生成网格倾斜度大部分都是在0.2-0.4范围内，能够满足相应的计算要求。

1.2.2 数值计算

数值模拟分析离心压气机过程中，本次是建立在三维流体计算软件NUMECA基础上。其中可压缩理想气体为工作介质，并将RANS方法作为是湍流计算方法。另外在模型建构中，基于单方程模型S-A完成湍流模型建构，不但能够实现边界层的良好计算，实现关于复杂流动情况的有效处理，进而模拟分离和边界层的转换过程。在仿真研究中，对于不同工况下开心压气机数值分析中需要和离心压气机工作范围相结合。其中在设定边界条件的时候，轴向进气即为进口条件，基于此可以实现对进口总压、总温以及湍流粘性的确定，在数值计算过程中也可以通过质量流量实现对出口边界条件的确定。固壁计算需要和绝热、等转速旋转边界条件相关参数相结合，若在计算过程中，发现离心压气机最高压比点附近残差曲线存在有周期性波动，可以判定压气机存在有喘振情况;若计算大量流工况中存在有压比或效率残差曲线下降或分散问题，可以判定压气机存在有堵塞。

2  结果分析

2.1 叶轮通道内流场分析

叶轮通道内流场流体速度在沿径向、沿周向分布均非常不均匀，从上到下流道中的气体速度也呈现出增加趋势，观察也可以发现整个流动过程中不存在超音速区，马赫数M<1。

2.2 扩压器和蜗壳流场分析

在叶轮将气体发出后，逐渐进入到无叶扩压器中，整个过程速度呈现减小趋势，和蜗壳小端面及大端面接口处扩压器之间的距离越小，相应的气体下降速度也会随之减小。同时发现蜗壳内速度存在比较大的减小幅度，但是和压气机出口越靠近相应的速度也会有所提升，基于此发动机才可以完成进去流程。在对其流场实施分析中发现，若无叶扩压器内出现严重的气流损失，原因即为沿周向叶轮流道出口速度分布均匀性不足，进而扩压器中气体进入后迅速出现了混合情况，导致出现了扩压器内出现一定的混合气体损失。

2.3 内部流场分析

为实现关于叶轮内部流场的分析，模拟分析了额定工况下的压气机流场情况。分别为周向平均相对速度矢量、气流角分布云图及熵值周向云图。由此可见，气流流动过程中，从出口到进口涡流较为明显;沿叶高方向下的进入到扩压器气流角分布也呈现出严重不均匀分布;另外从出口到进口整个过程中气流的顶端熵值均较大，进而导致存在比较大的效率下降速度。另外在研究中也发现额定工况下，叶轮和扩压器运行中，从出口到进口具有明显涡流区，由此会严重影响到前后部件的运行情况，随着此情况的不断加剧，严重可能会引发通道中发生堵塞，对于整个离心压气机工作也会产生不良影响。在熵值图中也能够看出，扩压器前缘叶尖处气流角非常差，对于气流在扩压器中的正常进入也具有不良影响，导致扩压器中气流流动不够均匀，尾缘会有低速区的存在。

3  优化措施

通过以上关于汽油机涡轮增压器压气机内流场的分析，为能够将其涡轮增压器运行噪声，提高汽车行驶舒适性，本次提出以下优化措施：

3.1 优化扩压器叶片数

通过以上分析发现在优化过程中，一个重要工作即为实现压气机工作效率和压比的改善。因此针对离心压气机设计优化中，即可以实现对扩压器叶片数以及叶片长度等的改善，由此实现对叶轮和扩压器耦合关系的改善。其中通过研究发现，减少扩压器叶片数，有助于提升大流量情况下的整级效率以及压比，然而也需要注意如果叶片数过少，也会导致出现扩压器内部流动紊乱，因此需要实现关于扩压器叶片数的合理选择。

3.2 优化扩压器叶片长度

在针对扩压器叶片数实施优化分析上发现，减少叶片数一方面可以实现对扩压器内部流场的改善，另一方面也有助于扩大工作范围。然而在此过程中需要注意到小流量下流动稳定性不足。由此也就能够在Numeca优化设计模块Design 3D应用下实现关于扩压器叶片长度的优化，由此可以改善扩压器中的气流回流情况，对于扩压器来讲能够降低损失，还有一个作用也就是改善尾缘处低速区，进而提升气流流动均匀性。在针对扩压器叶片长度选择中，属于是一个几何参数，需要在对扩压器叶片叶型不会出现扭曲保障基础上，实现关于其选择范围的确定，由此也就可以生成数据库。最后也就可以在生成数据库中，选择相应的优化结果。想要实现关于内部流程优化前后效果的对比，在本次研究以叶高10%位置当地矢量流线图实施分析，研究发现对扩压器尾缘长度进行缩短，有助于减少叶片稠度，对于各个通道中的气流能量分布也具有改善作用，可以提升其分布均匀性。另外减少叶片尾缘长度后，也可以为扩压器中的气流流动提供便利。优化后发现，这一方法的应用不但有助于提升整级在小流量中的应用性能，也可以实现对气流间相互作用的改善，由此进一步改善扩压器内部流程情况。

4  结论

通过以上研究，所得结论分别为：第一，在CFD、有限元分析等方法的应用下，实现了关于汽油机涡轮增压器压气机内流场的分析，从出口到进口气流流通过程中会出现显著的涡流;沿叶高方向下的进入到扩压器气流角也呈现出严重不均匀分布;另外从出口到进口整个气流的顶端熵值均较大，进而导致存在比较大的效率下降速度。第二，结合分析结果，提出了扩压器结构优化措施，主要集中在链各个方面，分别为减少扩压器叶片数和缩短叶片长度，进而改善内部流场影响作用，且显著改善扩压器尾部低速度，提升运行性能。

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