Numeca涡轮级及叶轮流场计算规范.doc

涡轮级及叶轮流场计算规范 北京理工大学涡轮增压实验室 2008年10月  目录 1.概述 1 2.涡轮级网格划分技术 1 2.1涡壳网格划分技术 1 2.2喷嘴环和叶轮的网格划分技术 3 2.3涡轮级网格的生成 5 2.4 网格分区及拓扑结构对涡轮叶轮流道网格质量的影响 6 2.5附面层网格剖分的要求 10 2.6 叶轮网格质量判断准则 11 3.边界条件的给定 14 4计算区域的选择 17 5湍流模型研究 22 6 涡轮三维流动计算判别准则 22 6.1熵的分布 22 6.2静压分布 23 6.3马赫数分布 25 6.4叶轮进口攻角 25 1.概述 车用涡轮增压器使用的小型径流涡轮内的流动具有强烈的三维特征，气流将在几何尺寸很小的通道内从径向转为轴向，加上旋转和各种曲率的影响，造成涡轮内流动非常复杂，因此采用三维CFD方法对涡轮性能和内部流动进行数值模拟也比较复杂，影响计算准确程度的因素主要包括：网格的划分、计算区域的选择、计算边界条件、湍流模型等。本课题采用叶轮机械CFD软件NUMECA的Fine/turbo软件包，对典型的车用增压器涡轮进行数值计算研究，分析上述因素对涡轮性能的影响，并确定涡轮内部流场的判别准则。 2.涡轮级网格划分技术 一个完整的径流涡轮级包含涡壳、喷嘴环和叶轮，涡轮级的网格划分研究选择JK90S增压器作为研究对象，它是径流有叶涡轮增压器，涡轮的主要几何参数和性能参数如表1所示。 表1 JK90S增压器涡轮结构和性能参数 主要结构参数 设计点参数 叶轮进口直径 mm 83 压比 2.28 叶轮出口轮缘直径 mm 73 入口总温K 730 叶轮出口轮毂直径 mm 26 流量 kg/s 0.41 叶轮进口叶高 mm 16 转速 r/min 94000 叶轮轴向宽度 mm 25 叶片数 12 涡壳入口面积 cm2 34 喷嘴环入口直径 mm 112 喷嘴环出口直径 mm 91 喷嘴环叶片高度 14 喷嘴环叶片数 15 喷嘴环出口角度 25 涡轮级的网格划分是对涡壳、喷嘴环叶片和叶轮分别划分网格，然后进行整个级的网格生成。 2.1涡壳网格划分技术 JK90S增压器涡轮壳采用双通道梨形360度全周进气，其截面形状如图1所示，截面参数表如表2所示。 图1 JK90S涡轮壳流道截面形状 表2 JK90S涡壳流道截面尺寸表 截面 0( 30( 60( 90( 120( 150( R mm 57 53.5 50.5 47 43.5 40 r mm 11.4 10.7 10.1 9.4 8.7 8 截面 180( 210( 240( 270( 300( 330( R mm 36 32 27.5 22.8 17.5 11.3 r mm 7.2 6.4 5.5 4.56 3.5 2.26 根据涡壳流道的几何尺寸，首先利用三维CAD软件建立涡壳流道的三维模型(如图2所示)。 图2 JK90S涡轮涡壳三维模型 涡壳三维模型建立以后，将模型的iges文件输入到Numeca的Fine/turbo软件包中的网格生成模块IGG中划分网格。由于涡壳流通区域几何形状复杂，在涡壳网格划分时采用分块的措施，即将涡壳流道划分为13个块，其中从入口到0－0截面为1块，从0－0截面到360度截面按照每30度划分为1个块共计12块。 整个涡壳网格的质量通过对每一块网格质量的控制来达到。在分别划分各个块网格的过程中，必须注意各个块的网格坐标及坐标方向一致，这是为了保证没有负网格出现。进行涡壳和过渡段分块时，要保证二者相邻面的网格形状大小相同。 从涡壳入口段至0－0截面，采用蝶形网格。从0－0截面到360度截面部分，将流道截面分为3部分如图3所示，其中1和2两部分由于形状比较复杂，采用蝶形网格。 图3 涡壳流道截面分区示意图 最后完成的涡壳网格如图4 所示。涡壳总网格642874，分成14块，最小正交性12.99，最大网格长宽比714.3，最大网格延展比5.10。 图4 JK90S涡轮涡壳网格 2.2喷嘴环和叶轮的网格划分技术 JK90S涡轮喷嘴环叶片采用气动叶型，其叶片形状和叶型数据分别见图5和表3。 图5 JK90S喷嘴环叶片形状 表3 喷嘴环叶片叶型数据 l mm 0 0.26 0.52 1.04 1.56 2.08 3.12 4.16 6.24 b mm 0 0.76 1.04 1.42 1.67 1.85 2.09 2.21 2.3 l mm 8.32 10.4 12.48 14.56 16.64 18.72 19.96 b mm 2.25 2.1 1.86 1.55 1.17 0.74 0.49 涡轮叶轮由于无法获得叶片的原始设计数据