渦輪增壓器葉片擴壓器高速流場仿真分析

趙永勝，張松濤，韓國強，趙文舒，張生亮，趙方威

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028;2.大同北方天力增壓技術有限公司，山西 大同 037036;3.太原鐵路局 太原機務段，山西 太原 030000;4.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545000)*

0 引言

在壓氣機設計中，擴壓器的設計對壓氣機性能改善有很大作用，研究表明:離心壓氣機中擴壓器的流動損失約占離心壓氣機級損失的三分之一左右，壓力恢復系數的改變也可以引起整級效率的變化［1-2］.同時擴壓器的氣動性能對離心壓氣機的效率、壓比和穩定運行工況范圍有著重要影響［3］.因此，優化離心壓氣機葉片擴壓器，對提高離心壓氣機的效率具有重要意義.

擴壓器分為葉片擴壓器和無葉擴壓器，無葉擴壓器應用的范圍比葉片擴壓器要廣，但是葉片擴壓器在設計工況下比無葉擴壓器效率高［4］.擴壓器的作用主要是把流經葉輪具有較大動能的氣流減速并有效地轉化為壓力能，這部分動能占壓氣機總耗功的很大比例，擴壓器設計的合理與否對級效率和壓比有很大影響，在離心壓氣機中葉片擴壓器是與葉輪同樣重要的元件.因此，對擴壓器進行流場分析是一項很有必要的工作.

1 幾何模型的建立

為了研究擴壓器的性能，設計了三種不同葉形的擴壓器(圖1)，分別為中心線為直線的機翼形葉片擴壓器，中心線為圓弧形的機翼形葉片擴壓器和三角形葉片擴壓器，葉片采用等高設計及h=8.0 mm，三種葉片擴壓器入口半徑R3/R2以及入口安裝角β3也取相同值，其中R3/R2=1.15;而入口安裝角的選擇是單獨計算離心葉輪時在高速工況點出求得半徑R3處流道截面上絕對氣流角的積分平均值即為設計值為β3=25.30°.由于這些葉片是由一系列不規則的曲線構成的，建模時通過輸入點坐標，采用樣條曲線擬合的方法［5］.

圖1 三種葉形擴壓器

2 CFD計算

將繪制好的三維模型，保存為IGS格式，然后導入FLUENT前處理器GMBIT中，進行網格劃分和邊界條件設定，本模型采用的是具有幾何靈活性的非結構化網格［6］，直翼型、圓翼形、三角形擴壓器網格數分別為59802、71300、66595個網格，從圖2上看，網格大小稀疏程度都比較合適，且運算量不會特別大，需要檢驗的是網格質量，只要網格質量都都達標，就能正常導入到FLUENT求解器里進行求解.經GAMBIT檢驗，生成的網格符合計算要求.

圖2 網絡質量檢查結果

本文是在壓氣機高速工況下進行擴壓器流場分析，本文采用速度入口邊界條件，氣流從葉輪出來后，無沖角進入擴壓器，給定入口速度337m/s、入口溫度288K.出口設置為壓力出口.計算介質為理想氣體，計算模型采用粘性可壓縮雷諾時均N-S方程和標準的湍流兩方程κ–ε模型［7］，計算大約需要90次迭代就可以達到收斂結果.

N-S方程為:

在標準的κ–ε模型中，κ和ε是兩個基本未知量，與之對應的運輸方程為:

其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能κ的產生項，Gb是由于浮力引起的湍動能κ的產生項，YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數，σk和σε分別是湍動能κ和耗散率κ對應的Prandtl數，Sk和Sε是用戶定義的原項.

本文旨在對擴壓器的內部流場作探索，主要考慮以下幾個方面:①三種葉形擴壓器壓力分布，②三種葉形擴壓器速度分布.采用FLUENT軟件進行優化，優化結果如下:從圖2、3、4可以看出，在擴壓器無葉擴壓段壓力分布看，圖2壓力分布比其它兩種葉形擴壓器壓力分布要均勻.進入擴壓器葉片擴壓段，壓力逐漸增大.從圖3可以看出，圓翼形擴壓器壓力最大處出現在葉片前緣處，引起了局部壓力增大，擴壓效果不理想，較直翼形和三角形擴壓器擴壓效果差.由圖2、4看出，在整個擴壓區，直翼形擴壓器壓力分布較三角形擴壓器更均勻.因此，直翼形葉片擴壓器擴壓效果最好.

從圖5、6、7可以看出，直翼形擴壓器葉片前緣尾跡處，有少量的尾跡渦流，渦流處對速度略有影響.圓翼形擴壓器在葉片凹面發生小面積渦流，對速度有影響，會造成能量損失.三角形擴壓器在葉片前緣出現大面積渦流，對速度影響較大，會造成大量能量損失.從三個速度矢量總體分布比較，在擴壓器內部隨著速度減小，直翼形擴壓器沒有明顯的渦流區，速度分布比較均勻.因此，直翼形擴壓器效率最高.

圖3 直翼形擴壓器壓力分布圖

圖4 圓翼形擴壓器壓力分布圖

圖5 三角形擴壓器壓力分布圖

圖6 直翼形擴壓器速度矢量圖

圖7 圓翼形擴壓器速度矢量圖圖

對比圖8、9、10可以看出，圓翼形擴壓器在葉片凹面處有回流，三角形葉片擴壓器在葉片前緣處有明顯回流，直翼形擴壓器流線分布較光滑、平緩.直翼形擴壓器流道內摩擦損失，沖擊損失最小.

圖8 三角形擴壓器速度矢量圖

圖9 直翼形擴壓器流線分布圖

圖10 圓翼形擴壓器流線分布圖

圖11 三角形擴壓器留流線分布圖

三種葉形擴壓器采用相同的入口速度、出口壓力、進出口溫度.三種葉形擴壓器性能參數比較，如附表.

附表 三種葉形擴壓器性能參數比較

從附表可以看出，直翼形擴壓器壓比最大，出口速度最小，更有效地將動能轉化成了靜壓能.

三種擴壓器都能滿足設計要求，在壓氣機高速工況下，通過上面比較得出直翼型葉片擴壓器的整體性能優于其它兩種.

3 結論

本文對增壓器壓氣機在高速工況下進行了葉片擴壓器內部三維流場的數值研究，結果表明:

(1)壓力數值仿真結果說明直線機翼形葉片擴壓器壓比最大;

(2)速度矢量數值仿真結果說明直線機翼形葉片出口分布均勻且速度最小;

(3)直線機翼形葉片擴壓器擴壓效果優于其它兩種;

(4)關于葉片擴壓器的性能仿真研究是在壓氣機高速工況下進行的，其它工況性能有待進一步探索.

［1］周英慶，劉振俠.級環境下斜流壓氣機葉片擴壓器氣動優化設計［J］.風機技術，2011(3):23-29.

［2］王志恒，席光.離心壓氣機葉片擴壓器氣動優化設計［J］.工程熱物理學報，2007，28(3):391-394.

［3］吳海燕，張朝磊.離心壓氣機葉片擴壓器多點氣動優化設計［J］.風機技術，2001(6):27-31.

［4］冀春俊，劉赫，陳曦.葉片擴壓器對小流量模型機性能的影響［J］.風機技術，2009(1):8-12.

［5］梁潔，丁彥闖，兆文忠.基于iSIGH平臺擴壓器CFD優化設計［J］.鐵道機車車輛，2005，25(5):35-37.

［6］梁曉瑜，畢玉華.渦輪增壓器壓氣機內部流場的CFD分析［J］.小型內燃機與摩托車，2007，36(5):12-34.

［7］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2008.