双流道涡轮非稳态性能的数值研究
现在对增压器涡轮性能的研究普遍采用稳态方法，而在发动机工作时其排气过程却是一个周期性的非稳态过程，从排气管进入涡轮增压器的废气以脉冲波形式随着曲轴转角周期性地变化，因此，采用稳态研究方法不能真实地反映涡轮实际的工作情况。
本文利用ANSYS CFX商用CFD软件对现在广泛使用的双流道涡轮的性能进行非稳态条件下的数值模拟研究，并辅以柴油机台架试验对涡轮非稳态模拟进行间接验证。
首先从双流道涡轮的稳态模拟研究中找出最佳涡轮结构。在验证了计算模型的可行性后，以原机的全周进气双流道涡轮为基础，设计了0截面面积相等分隔式双流道蜗壳，并对这两种结构进行了稳态的全工况性能分析，结果表明，分隔式涡轮的效率高于全周进气双流道涡轮效率，最大可相对高出10％。针对分隔式双流道涡轮，设计了0截面面积不同的三个方案，进行全工况的性能模拟和分析后表明，0截面面积最小的分隔式蜗壳方案的涡轮效率最高，为相对最佳涡轮结构。
第二，以0截面面积最小的分隔式蜗壳方案为研究对象展开涡轮非稳态特性的研究。提出一种解决非稳态参数时间滞后问题的方法，针对涡轮非稳态效率大于1和小于0的非正常现象，改进了涡轮非稳态效率的计算方法。利用AVLBOOST软件模拟柴油机的实际工况，得到涡轮进口非稳态边界条件。通过数值模拟得到典型的涡轮非稳态特性圈，寻找涡轮非稳态特性与脉冲波的对应关系，分析了涡轮的充盈和排空效应和涡轮内外流道非稳态性能的差别。
第三，探索了涡轮转速和脉冲幅值对涡轮非稳态性能的影响。结果表明，涡轮转速对涡轮脉冲平均性能影响有限;在所研究范围内，脉冲峰值较高时，涡轮的输出功率较大，涡轮效率较高，而流动损失反而较小。随后研究不同发动机外特性工况下的涡轮非稳态性能的变化规律;在所研究的工况范围内，随着柴油机工况的升高，涡轮脉冲循环的平均效率、平均输出功率和平均流量参数不断上升，对废气能量的利用率逐渐升高。随着柴油机工况的升高，而涡轮的整体熵增呈减小趋势。
第四，研究了全周进气涡轮和三个分隔式涡轮的非稳态性能的异同。通过同边界条件下的模拟和分析后得知，0截面面积相等的全周进气蜗壳与分隔式蜗壳的平均效率基本相等，没有明显差别。对于0截面面积不同的分隔式双流道蜗壳，0截面面积最小的蜗壳方案的脉冲平均效率最高，0截面面积最大的方案的平均效率最低，而三个分隔式方案的整体流动损失没有明显差别，熵增最大差值在0.3％以内。
第五，对分别安装上述四种涡轮结构增压器的柴油机进行台架试验。试验表明，在同一柴油机转速工况时，各个方案的增压器转速并不一样。相对于原机方案，0截面面积最大的分隔式蜗壳方案没有明显优势;与原机0截面面积相等的分隔式蜗壳方案的优势在1700r/min以上的工况;0截面面积最小的分隔式蜗壳方案在所有工况下都有优势，其扭矩和功率均高于原机方案，最大高出11.5％，而油耗率均低于原机方案，油耗最大可降低10.2％。柴油机台架试验间接地验证了涡轮非稳态模拟计算的有效性。
最后，根据柴油机的台架试验数据，改进了涡轮非稳态计算的边界条件，从而探索了上述四种涡轮结构实际运行时的非稳态性能。
增压器;双流道涡轮;非稳态性能;数值模拟;边界条件
山东大学
硕士
动力机械及工程
刘云岗;王航;朱智富
2013
中文
TK413.5
113
2013-10-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）