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涡轮增压器的流动模拟方法综述 摘要：本文分析了目前国际与国内通用的流动模拟一一罗列并大致分析了各方法的原理，有采用实体造型软件建立了涡轮增压器机内部流动模型和流动网络模型；常用的方法：数值计算方法、流畅模拟压力场与速度场，还有通流计算平台（轮通流模型），以及利用Fluent 6.3流体分析软件模拟了增压器压气机总成三维粘性定常流动特性，分析了压气机内部流动情况，并在此基础上队涡轮增压器压气机进行了噪声的分析，为涡轮增压器的流动模拟方法作了总结，使之在设计和应用上有了理论依据。 关键词：涡轮增压器 流动模拟 流场 一、前言 什么是增压器？简单地说，它就相当于一个鼓风机，将更多新鲜空气压入发动机的燃烧室，改善燃烧效率，从而在不改变发动机工作容积的情况下提高动力输出。 叶尖间隙泄漏流动是叶轮机转子流动中最普遍和最具影响的流动过程之一, 由于多种原因, 伴随着旋涡运动的叶尖泄漏流动对叶轮机的性能产生不利的影响, 其中包括: 泄漏流动以及产生的旋涡对通道造成的堵塞、下游流动非定常性( 在相对坐标系内) 、复杂的叶片热传递及产生的二次流造成的气动热力损失等。文献【1】 中指出, 涡轮中三分之一以上的损失由叶尖间隙泄漏流引起, 而降低损失、提高效率一直是涡轮部件必须解决的重要问题。因此研究涡轮叶尖间隙流动结构、涡轮叶尖间隙流动损失机理以及控制减小间隙泄漏流动损失等一直是涡轮叶尖间隙研究的主要课题 。此文所总结的流动模拟方法对包括间隙在内的涡轮三维粘性流场进行了详细的计算分析。 二、 研究对象 针对涡轮平面叶栅叶尖间隙流场和涡轮级转子叶片叶尖间隙流场, 应用数值模拟方法计算分析了不同间隙大小和不同间隙形式下的涡轮流场结构以及涡轮流动损失。其中, 涡轮级转子叶片叶尖间隙形式包括余高间隙、间隙有冷气入射等形式。 通过文献【2】中给出了所计算叶片的几何参数, 包括叶片的弦长、叶高、栅距和转折角等。可以综合分析叶型I和叶型II叶型III之间的关系。其中, 叶型I 和叶型II 是两种不同形式的平面直叶片, 而叶型III 则是某型涡轴发动机高压涡轮转子叶片。叶型I 是某型涡轮风扇发动机高压涡轮转子平均半径处叶栅, 它是一种中等负荷具有后加载压力分布形式的叶型, 而叶型II 是一种典型的高负荷后加载叶型。对这两种平面直叶片, 分别计算了3 种间隙大小下的三维流场和叶片性能。叶型III 的工况1~ 工况5 是平间隙形式下5种不同间隙大小的情况, 工况6 是在间隙机匣处有喷气的情况, 工况7 表示的是在叶片尖部有喷气情况, 工况8 表示的是叶尖间隙为余高间隙的形式, 工况1~ 工况8 计算均采用标准k- ??湍流模型, 工况9、工况10 和工况11 分别对应于平间隙、叶尖喷气和余高间隙情况下采用标准Spalart- Allmaras 一方程湍流模型的情况。 三、数值计算方法和计算网格 叶尖间隙的流动结构很复杂, 它不仅包括复杂的间隙泄漏流动, 而且还包括二次流、漩涡等复杂流动。为了能通过数值模拟的方法来捕捉这些复杂的流动结构, 应用数值计算雷诺平均N - S 方程的方法实现对涡轮叶片叶尖间隙流动的数值模拟。在三维计算程序中, 数值离散格式采用有限体积法, 空间离散采用二阶精度的Roe 迎风格式, 时间离散采用隐式的一阶精度的向前差分格式, 湍流模型采用Spalart- Allmaras 一方程模型或k- epsilon 双方程模型。另外, 考虑到叶片近壁区流体流动的复杂性和提高数值计算的计算效率, 采用壁面函数的方法来对其三维流动进行描述。 在数值计算所采用的计算网格中, 主流区和叶尖间隙区域分别采用二维H 型网格和三角网格沿径向积叠而成,在数值计算中, 每个叶片通道进出口计算域的选取原则为: 进口边界到叶根前缘的距离为一倍叶根处轴向弦长, 尾缘到出口边界距离为两倍叶根处轴向弦长。另外, 在数值计算中主要采用了以下这5 种边界条件: 压力进口、压力出口、质量流量进口( 射流边界) 、周期性和绝热粘性壁面边界条件。为了研究涡轮叶尖间隙流动及其对涡轮叶片性能的影响, 采用上述数值计算方法, 对每种涡轮叶片分别计算了无间隙和不同间隙值情况下涡轮叶片的流场与性能, 涡轮叶片的性能采用压力损失系数或能量损失系数进行描述, 对涡轮转子的性能还应用涡轮效率进行了分析。为了比较不同湍流模型计算结果的差异, 对3 种间隙形式的涡轮转子流场分别采用标准Spalart- Allmaras 一方程湍流模型和k