径向涡轮增压器涡轮在脉动流动中CFD仿真及其在发动机建模中的应用
J. Galindo，P. Fajardo *，R。 Navarro，L.M. Garcia-Cuevas
CMT一Motores Termicos，瓦伦西亚大学，Camino de Vera S / N，46022 Valencia，西班牙
研究重点
*在稳定和脉动流动下的可变几何涡轮机的CFD模拟。
*大多数累积效应出现在蜗壳中，这也是压力脉冲的平均值
*喷嘴叶片周围的流动分离导致定子中的滞后效应
*转子流量准稳定，但转矩取决于流入条件。
*提出简单的涡轮机模型，并与CFD结果一致。
摘要
本文提出了一个数值研究分析在可变几何径向脉动流动的影响流入涡轮机。在等熵脉冲下分析涡轮机的行为，这些脉冲与cre-通过涡轮增压器试验台中的旋转盘进行测量。三种不同的脉冲频率（50，90和130 Hz）和两个脉冲幅度（100和1801 lt;Pa）被考虑。整个涡轮流量都在研究中压力脉动在很宽的非设计操作条件下从低压比循环流动分离到高压比窒息流。整体分析的瞬时性首先进行了质量流量和压力比，结果显示出了非准稳态行为如文献中所述的涡轮整体。然而，在不同的流量分析涡轮机部件独立地给出不同的图像。由于涡轮蜗壳具有更大的长度体积大于其他部件，是涡轮机非准稳定性的主要来源。定子喷嘴比蜗壳产生更少的累积效应，但是呈现小程度的hys-由于叶片周围的流动分离和重新附着循环而造成的疏松行为。最后，在流程中尽管动量是流动能力，但动转子的行为表现为准稳态废气和叶片之间的转移（从而工作生产和热效率）受到影响通过对压力比的滞后循环，但是如果考虑叶片速度比则不是。一个简单的模型来模拟汽轮机定子和转子的建议，根据所得的结果CFD计算。
1.介绍
轴流式，径流式和混流式涡轮机可用于各种类型的涡轮机发电厂，从用于飞机的大型涡轮机，脉动和蒸汽涡轮发电机到较小的用于微型燃气轮机或汽车涡轮增压器。该优化这些能量转换设备的重要性很明显，正如Korakianitis等人所表明的那样。 [1]，他提出了一种方法，用于设计高效率涡轮叶片的设计。Computa-流体动力学（CFD）是一种有价值的涡轮机械的性能表征手段。 3D-CFD代码提供了一个精确求解所研究系统的流场。 [2]进行了数值分析以优化涡轮叶片并分析其对效率的影响，CFD在涡轮机械设计方面的能力。
涡轮增压是汽车行业最重要的技术之一。 这项技术在柴油发动机及其在汽油发动机中的应用在过去的十年里稳步增长，已经很成熟了。 涡轮增压器的使用en-无需减少发动机汽缸体积和重量降低产生的功率和扭矩 [3]。 同时这项技术降低了燃料消耗和排放，这是至关重要的为成功履行目前的法律限制。 增加 涡轮增压器的使用正在导致有趣的事态发展涡轮增压器技术。 例如，涡轮叶片已经发展从简单的平板到空气动力学形状的pro-最新设计的文件。 另一个发展是变量几何涡轮机（VGT），其改善发动机瞬态性能 - mance [4]。 VGT的使用是当今通用的功能柴油机部门。 为了不断改进涡轮增压器效率，有必要了解并充分描述其特点内部流动行为。 这样，焦等人。 [5]做了一个数值分析涡轮增压器压缩机中的流场。当涡轮机安装在往复式发动机上时，入口流量不稳定。涡轮机接收高度脉动的流量从气瓶[6-8]。这些脉冲导致涡轮机运转在广泛的工作条件下，达到极端的非设计点。过去，大多数研究和表征径向涡流 - 在恒定的流动条件下使用两者来进行实验[9]和数值[6]方法。为了处理具有非设计稳定条件和推断方法在[10]中提出。近来，更多的关注支付给涡轮机脉动流量的分析。 Baines [11]给出概述了用于理解pul-在涡轮机中选择流量以及影响涡轮机的性能的因素
formance。论文根据实验工作进行讨论在涡轮机中的积聚和/或波浪效应以及sig-
上游和下游测量的伙伴必须移入或移入以正确计算性能图（流量和流量）等熵效率）。第一个问题是普遍的一致所有的积累和波浪效应都位于vo-琵琶，而叶轮可以被认为是准稳定的[12]。还有关于信号转换是否应该的讨论使用流速或声速进行[13,14]。 PA-使用差价合约的人通常关注比较结果针对实验以及应该如何定义设置[15,8]。争议点之一是叶轮运动将被复制，并有两种不同的方法问题。一方面，多参考帧（MRF），alsc被称为冻结转子，保持网格静止和模拟通过使用旋转坐标系来拉动运动。MRF方法的主要优点是计算成本低，忽略了叶片通道的影响，转子 - 转子相互作用。另一方面，滑动网格模型（SMM）实际上移动了转子网格。 Palfreyman和Martinez-Botas [16]认为冷冻转子方法可能对结果有一定影响。可以找到类似的结论用于Liu和Hill [17]的涡轮压缩机。但关注度较低已经支付使用CFD计算比较稳定和pul-支持流量工作点以支持结论其他作者。 Aymanns等人[18]最近这样做是为了避免浪费门控喷嘴式涡轮机，显示流量和效率支持其准稳态的涡轮叶轮的图行为。
在这项工作中，CFD模拟被用来分析内部可变几何涡轮（VGT）中的脉动流动。为了分析脉动条件的影响，不同的研究了涡轮部件，即蜗壳，喷嘴和转子
分别。该文件如下所示。数值模型首先描述使用的设置。使用stea-然后给出dy边界条件。脉动流模拟呈现tions，并对结果发表评论，并且是与等效的稳态点相比。在最后一节中，提出了一种简化的1D-OD涡轮机模型，能够再现
先前分析的不稳定效应。
2.数值模型
计算使用ANSYS-FLUENT v12进行。图1显示了这项工作中使用的涡轮机的示意图。不同的后期处理部分考虑，这也是如表1所示，可以在图中标出。计算图中未显示两个区域：两个区域放置在涡轮机入口处的直管（第1节）和出口（第5节）。计算域被选中这种方式为了模拟在涡轮增压器中运行的径向涡轮机，充电器测试台，如[19]所示。这些导管也将出口边界条件与涡轮机分开。小在文学创作中的大部分作品中都注意到了这一特征，真实存在。但是，在出口处设置出口边界条件涡轮机的非常接近叶轮的截面使得叶轮出口部分的压力几乎不变。在一个由于这个过程，这个程序已经接近现实了这种类型的叶轮出口部分典型的突然增加的涡轮机。 Capobianco和Marelli [20]研究了压力频率废气门涡轮的叶轮出口处的调节器不同开放水平。结果表明，在大型废物开口处，叶轮下游的压力波动不会忽略不计，BLE。恒定下游压力的假设通常因此在涡轮增压器模拟中应用可能会引入显着的误差，这将在下面的分析中解释。正在研究的汽轮机没有重要的扩展在叶轮出口处，因此恒定的有效性压力方法尚不明确。为了避免在mod-
在运行条件不变的情况下，出口边界设置得更远离开，从而允许叶轮处的一定压力变化出口。该程序确保涡轮机外部的压力，let是从流程域计算出来的，不是直接强加的。尽管在本研究中分析了VGT，但角度保持不变不断减少参数的数量。以同样的方式涡轮增压器的转速固定在18,953rad·s-1
在实际的脉动操作中，旋转速度不会保持不变，但只会在相对较窄的范围内变化范围[13]。2.1网格信息
用于计算的3D网格如图1所示处理真实几何时的主要困难是要实现一个适当的网格。作者选择了非共形网格由多面体和挤压多边形组合而成。ANSYS-FLUENT提供了生成多面体的可能性从一个四面体的网格，这比四面体提供更好的精度相当于四面体网格[21」。数值准确性研究进行评估数值结果与网格大小的独立性。这个已经考虑到特征单元尺寸进行分析用于转子部分。对于不同的计算网格独立性分析一直保持不变转速18,953 rad s-#39;和一个恒定的质量流量不同的情况。结果列于表2。最后两个网格中发现的差异大约是1.5英寸扭矩和小于0.4的压力比。 Pul-在计算精度上不能像Grid 4那样精确研究，由于计算时间太长。网格编号3因此被使用。
2.2。案例配置
所使用的求解器是基于ANSYS-FLUENT v12的压力耦合求解器。对流项是使用第二种方法离散化的，一阶迎风方案和不稳定项进行了整合及时使用一阶隐式方案。时间步长应选择正确再现瞬态行为涡轮机，但保持计算成本在合理的1e-VEL。在大多数文献的作品中，时间步长不等从0.60 [22]，10 [23,24]到每个时间步[50]的50个被使用。对于一个转子 - 定子模型，ANSYS-FLUENT建议有20个每个叶片通过[26]之间的时间步长。在这个trite-在这项工作中，时间步长被选为200次每个转子的转数。这意味着一个时间步长1.6576 x 10-6秒。时间步长对数值模拟的影响，ical结果已被评估，获得大约1}的差异时间步长除以2时的转矩。遵循文献[27]中的标准，tlOn K一co SST湍流模型[28]被使用。这种动荡模型在处理涡轮机械时通常是首选因为它比其他两个方程的RAMS湍流表现得更好反压力梯度和流动分离时的模型要考虑。所采用的边界条件是总压力确定和入口边界温度和静态压力出口表面。
3.稳定的流量结果
数值模拟是针对不同的流入量进行的扬长避短。 通过在入口边界处设定不同的总压力值来修改通过域的压力比。 以来将稳定流量结果与脉动当量进行比较点，考虑了类似的压力比范围，因此变化进口处的总压力从50kPa到210kPa。通常在研究脉动时分析参数涡轮机中的流量是修正后的质量流量和效率作为总静压比的函数。 但是，涡轮机效率的提出引起了一定的怀疑[13]等熵权的可能定义。 由于这个原因，扭矩是在本文中用作参数而不是效率。 自从转子转速保持恒定，涡轮功率为与扭矩成正比。
图2显示了CFD结果的校正质量流量两种叶轮运动技术，以及结果mea-确保在一个煤气站。在该图中，}}} 5代表比率be-补偿第1部分的总压力（见图1）和静态压力第5部分的压力; rm屯是计算的修正质量流量在第1部分。本文中所有其他图表中都使用了这种表示法。该图显示了MRF和SMM之间的有意义的差异结果。涡轮机在接近设计条件时的差异很小，但在非设计点时相当可观。这dif-对于接近的区域，修正的质量流量大约为5设计条件，但在设计上可能达到24点。为了效率，差异超过3分最高的效率，并在设计外达到11分条件。转子运动方式对解决方案的影响，这可能是由于定转子相互作用[6]造成的在当前情况下是重要的，因为定子是变薄的也可以通过使用相对开放的VGT位置来增强这项研究。刘和希尔得到了类似的结论[17]，他分析了不同的压缩机，并找到了证据网格运动模型对于其中的情况的重要性需要考虑相互作用。刘等人。也分析了两个不同的MRF方法，并得出结论，发现差异当使用冷冻转子比那些从那里获得更大圆周平均。在目前的工作中，MRF模拟其中使用可用的冷冻转子方法进行ANSYS-FLUENT。图2显示SMM结果更好与实验测量结果一致，所以SMM因此被用在其余的计算中这张纸。 Hellstrom [29]给出了类似的解释转子运动模型在涡轮机械中的重要性模拟。
4.脉动流量结果
参数研究进行量化的影响脉冲幅度和频率对涡轮机性能的影响。条件。为了简单起见，压力脉冲设定在入口被认为是正弦曲线。所选频率这项研究是50,90和130赫兹。考虑到主导地位四冲程和四缸发动机的频率，这些频率相当于1500,2700和3900rpm的转速，分别在任何情况下，一般的压力信号都可以被分解，成为一个正弦信号的总和，正如Cost-所有和马丁内斯 - 博塔斯[30]，所以这是有趣的分析在正弦信号下的行为。目前考虑了两种不同的脉冲幅度工作：50-230千帕和90-190千帕。平均值为140千帕因此用于所有的计算。应该提到的是本白皮书中给出的所有压力值均以一个对数标准值为101,325 Pa，因此是表压。入口边界的总温度没有保持恒定条件，因为压力和温度与压缩流动的流动。相反，总温度作为函数计算的总压力，所以压力的增加导致了升高温度，根据等熵关系Pi一0Ti一const。例如，对于50之间的脉冲幅度和230千帕，总温度范围从585到725 K.这设置排气温度的方式适合于模拟由气体架中的旋转盘产生的脉动气流[12]。有意思的是，使用稳定流量结果在下文中已经计算了设定入口总温度在脉冲期间产生等效点。这是为了让en-确保涡轮机以相同的修正速度工作。该因此结果与图2所示结果不同。
4.1。 整体行为
对脉动结果的首次分析致力于量化分析，改变由积累产生的质量流量的变化和波浪效果。 图3显示了瞬时质量流量在不同部分获得最高脉冲幅度（50-230千帕）以及50和130赫兹的频率。 脉动模拟 - tions是从以前的融合案例中使用稳定的不同的MRF方法，并得出结论，发现差异当使用冷冻转子比那些从那里获得更大圆周平均。 在目前的工作中，MRF模拟其中使用可用的冷冻转子方法进行ANSYS-FLUENT。 图2显示SMM结果更好与实验测量结果一致，所以SMM因此被用在其余的计算中这张纸。 Hellstrom [29]给出了类似的解释
转子运动模型在涡轮机械中的重要性模拟。
图4显示了经过修正的质量流量的演变蜗壳入口（第1节）与当地蜗壳压力比（从第1和2节）。正如预期的那样，中国的积累和波浪效应蜗壳使稳定和脉动结果之间的差异随脉冲幅度和频率增加。图5显示了相同的情况结果为喷嘴区域。由于喷嘴体积较小，长度，积累和波浪效应几乎可以忽略不计。图6显示了流量与局部压力的变化在叶轮中的比率。第4节和第5节的涡轮机出口区域也包括在这个图中考虑到混合损失转子出口。该图还支持这样的结论：稳定的影响在叶轮内可以忽略不计，因为它的边界条件很小（但由于转子网格的移动导致的瞬态效应）MENT）。从图中可以看出，至少一个完整的per-需要脉冲的碘以确保周期性解决方案到达。可以说，相移的主要来源显然是蜗壳。这似乎是一个合理的假设，因为它是该部分其中流量花费大部分时间，因
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