雙流道渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的數(shù)值研究.pdf

1、現(xiàn)在對增壓器渦輪性能的研究普遍采用穩(wěn)態(tài)方法，而在發(fā)動機工作時其排氣過程卻是一個周期性的非穩(wěn)態(tài)過程，從排氣管進入渦輪增壓器的廢氣以脈沖波形式隨著曲軸轉(zhuǎn)角周期性地變化，因此，采用穩(wěn)態(tài)研究方法不能真實地反映渦輪實際的工作情況。
　　 本文利用ANSYS CFX商用CFD軟件對現(xiàn)在廣泛使用的雙流道渦輪的性能進行非穩(wěn)態(tài)條件下的數(shù)值模擬研究，并輔以柴油機臺架試驗對渦輪非穩(wěn)態(tài)模擬進行間接驗證。
　　 首先從雙流道渦輪的穩(wěn)態(tài)模擬研究中找

2、出最佳渦輪結(jié)構(gòu)。在驗證了計算模型的可行性后，以原機的全周進氣雙流道渦輪為基礎(chǔ)，設(shè)計了0截面面積相等分隔式雙流道蝸殼，并對這兩種結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)態(tài)的全工況性能分析，結(jié)果表明，分隔式渦輪的效率高于全周進氣雙流道渦輪效率，最大可相對高出10％。針對分隔式雙流道渦輪，設(shè)計了0截面面積不同的三個方案，進行全工況的性能模擬和分析后表明，0截面面積最小的分隔式蝸殼方案的渦輪效率最高，為相對最佳渦輪結(jié)構(gòu)。
　　 第二，以0截面面積最小的分隔式蝸殼方

3、案為研究對象展開渦輪非穩(wěn)態(tài)特性的研究。提出一種解決非穩(wěn)態(tài)參數(shù)時間滯后問題的方法，針對渦輪非穩(wěn)態(tài)效率大于1和小于0的非正?，F(xiàn)象，改進了渦輪非穩(wěn)態(tài)效率的計算方法。利用AVLBOOST軟件模擬柴油機的實際工況，得到渦輪進口非穩(wěn)態(tài)邊界條件。通過數(shù)值模擬得到典型的渦輪非穩(wěn)態(tài)特性圈，尋找渦輪非穩(wěn)態(tài)特性與脈沖波的對應(yīng)關(guān)系，分析了渦輪的充盈和排空效應(yīng)和渦輪內(nèi)外流道非穩(wěn)態(tài)性能的差別。
　　 第三，探索了渦輪轉(zhuǎn)速和脈沖幅值對渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的影響。結(jié)

4、果表明，渦輪轉(zhuǎn)速對渦輪脈沖平均性能影響有限;在所研究范圍內(nèi)，脈沖峰值較高時，渦輪的輸出功率較大，渦輪效率較高，而流動損失反而較小。隨后研究不同發(fā)動機外特性工況下的渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的變化規(guī)律;在所研究的工況范圍內(nèi)，隨著柴油機工況的升高，渦輪脈沖循環(huán)的平均效率、平均輸出功率和平均流量參數(shù)不斷上升，對廢氣能量的利用率逐漸升高。隨著柴油機工況的升高，而渦輪的整體熵增呈減小趨勢。
　　 第四，研究了全周進氣渦輪和三個分隔式渦輪的非穩(wěn)態(tài)性能的

5、異同。通過同邊界條件下的模擬和分析后得知，0截面面積相等的全周進氣蝸殼與分隔式蝸殼的平均效率基本相等，沒有明顯差別。對于0截面面積不同的分隔式雙流道蝸殼，0截面面積最小的蝸殼方案的脈沖平均效率最高，0截面面積最大的方案的平均效率最低，而三個分隔式方案的整體流動損失沒有明顯差別，熵增最大差值在0.3％以內(nèi)。
　　 第五，對分別安裝上述四種渦輪結(jié)構(gòu)增壓器的柴油機進行臺架試驗。試驗表明，在同一柴油機轉(zhuǎn)速工況時，各個方案的增壓器轉(zhuǎn)速并不

6、一樣。相對于原機方案，0截面面積最大的分隔式蝸殼方案沒有明顯優(yōu)勢;與原機0截面面積相等的分隔式蝸殼方案的優(yōu)勢在1700r/min以上的工況;0截面面積最小的分隔式蝸殼方案在所有工況下都有優(yōu)勢，其扭矩和功率均高于原機方案，最大高出11.5％，而油耗率均低于原機方案，油耗最大可降低10.2％。柴油機臺架試驗間接地驗證了渦輪非穩(wěn)態(tài)模擬計算的有效性。
　　 最后，根據(jù)柴油機的臺架試驗數(shù)據(jù)，改進了渦輪非穩(wěn)態(tài)計算的邊界條件，從而探索了上述四