1 前言

    汽車(chē)渦輪增壓系統(tǒng)利用直接處在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)渦輪機(jī)，吸收尾氣的部分動(dòng)能與熱能聯(lián)動(dòng)壓氣輪，給予發(fā)動(dòng)機(jī)充分燃燒所需空氣的系統(tǒng)。壓氣機(jī)效率的提高將擴(kuò)大與發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的重合度使得發(fā)動(dòng)機(jī)更具動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性。為了優(yōu)化壓氣機(jī)葉輪，提高其氣動(dòng)性能需對(duì)葉輪內(nèi)部各氣動(dòng)損失大小與分布進(jìn)行研究。對(duì)此首先需對(duì)葉輪內(nèi)各三維流量場(chǎng)通過(guò)三維雷諾平均Navier-Stokes方程，以ANSYS CFX模擬平臺(tái)進(jìn)行求解計(jì)算。三維模擬結(jié)果的正確計(jì)算與提取為準(zhǔn)確計(jì)算氣動(dòng)損失的重要前提。

    目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失做了大量的研究，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和模擬開(kāi)發(fā)出許多近似模型。Aungier對(duì)壓氣機(jī)葉輪流道進(jìn)行分模塊分析，并分別對(duì)各損失模型進(jìn)行一維求解計(jì)算，通過(guò)對(duì)百余種不同特征葉輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。Galvasc通過(guò)許多實(shí)驗(yàn)構(gòu)建葉輪內(nèi)七種不同氣動(dòng)損失并提出一系列優(yōu)化方案，為壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。為了精確計(jì)算葉輪內(nèi)部損失，Oh等人列舉各損失不同計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算比較找出最優(yōu)損失計(jì)算組合。當(dāng)然對(duì)于一維經(jīng)驗(yàn)公式存在許多缺點(diǎn)，例如由于測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量設(shè)備的限制使得通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的近似模型存在較大誤差；且模型的適用性和傳遞性受到較大的限制；經(jīng)驗(yàn)值范圍的選取提高計(jì)算誤差。為了克服上述問(wèn)題，本文將通過(guò)ANSYS流場(chǎng)模擬軟件CFX對(duì)葉輪內(nèi)流道各三維量場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，并提出一種新型的流場(chǎng)各損失計(jì)算方法，減少經(jīng)驗(yàn)公式以及經(jīng)驗(yàn)值的使用率，提高計(jì)算精準(zhǔn)度及適用度。

2 流場(chǎng)損失模型

    在實(shí)際情況中，壓氣機(jī)的等熵焓差等于絕熱壓增所需功值、流體運(yùn)動(dòng)引起的不可逆熵增以及壁面熱損之和。在封閉系統(tǒng)中，如將整個(gè)增壓過(guò)程分成若干壓增等級(jí)，并將壁面熱損忽略不計(jì)，如圖1所示，各級(jí)不可逆能量損失如h2,1→2，2一h2*，1→2*，2主要由于流體分子之間的表面和體積力所產(chǎn)生的耗散損失以及不同溫差引起的熱傳遞所引起。KOCK等人根據(jù)三維平均RANS方程計(jì)算原理將耗散熵產(chǎn)及熱傳遞熵產(chǎn)分別通過(guò)時(shí)間平均，分解為平均項(xiàng)和脈沖項(xiàng)�？傡禺a(chǎn)將隨溫度及速度梯度的增加而變大。本文基于CFD流場(chǎng)計(jì)算所得速度，溫度，壓力等物理量場(chǎng)，對(duì)不同特征葉輪流道內(nèi)各氣動(dòng)損失重新定義劃分并進(jìn)行三維計(jì)算，然后對(duì)結(jié)果的分析比較，最后進(jìn)行總結(jié)。

    2.1 葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失分類(lèi)

    根據(jù)損失的不同產(chǎn)生形式可將各氣動(dòng)損失分了內(nèi)損和外損。內(nèi)損產(chǎn)生壓增阻力且伴隨溫度額外上升，熵產(chǎn)通過(guò)耗散及熱傳遞產(chǎn)生。外損則主要通過(guò)熱量傳遞降低壓氣機(jī)等熵效率，熵產(chǎn)主要通過(guò)熱傳遞實(shí)現(xiàn)，如輪阻損失。根據(jù)損失形成方式及位置可將各損失分為三部分。如圖2所示，第一部分為葉輪入口損失，包括入射損失，回流損失及第一部分表面摩擦損失，第二部分為葉輪內(nèi)部損失，包括二次流損失，間隙損失以及第二部分表面摩擦損失。最后為輪后損失，包括尾跡、擴(kuò)壓器及第三部分摩擦損失。流體經(jīng)葉片前緣被分離，被分離流體由于粘滯力作用在交界點(diǎn)a垂直于主流方向分量消失匯入主流。交界面b垂直于壓力增長(zhǎng)梯度線(xiàn)且通過(guò)分界點(diǎn)a，由此，由部分主流流體經(jīng)過(guò)沖擊和偏移產(chǎn)生入射損失存在于流道第一部分。為此，各氣動(dòng)損失的相互關(guān)聯(lián)，相互作用是定量計(jì)算各損失大小的最大困難。與此同時(shí)，壓氣機(jī)喘振效應(yīng)，邊界層分離現(xiàn)象，葉輪構(gòu)造引起的流體分布多樣性等均對(duì)各損失精確計(jì)算造成影響。本章節(jié)主要目的為對(duì)葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失重新進(jìn)行定義并定量計(jì)算，各壓差之間的損失通過(guò)等熵和絕熱過(guò)程熵差得到；各交界面壓力，溫度，熵值均通過(guò)質(zhì)量加權(quán)平均求得；各氣動(dòng)損失進(jìn)行合理分離有助于對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算。

圖1 分段式h-s特征圖

圖2 流道內(nèi)各氣動(dòng)損失分布及分類(lèi)

    2.2 各氣動(dòng)損失的定義及計(jì)算

    (1)間隙損失。

    輪緣間隙減少將減低間隙渦對(duì)主氣流輪蓋位置的阻礙偏轉(zhuǎn)作用，同時(shí)加大增壓效果。反之，加大間隙時(shí)，間隙流將沖擊主氣流，并在輪緣產(chǎn)生較大渦流，有助于二次流的形成，壓比隨之減低，由此，間隙損失定義為通過(guò)間隙流產(chǎn)生壓降而引起的熵差以及間隙流對(duì)主氣流的影響。圖3為有、無(wú)輪緣間隙在h-s特性圖中的表現(xiàn)，表1中分別列舉有、無(wú)輪緣間隙對(duì)增壓系統(tǒng)的影響。輪緣間隙通過(guò)增加葉高實(shí)現(xiàn)，使在有、無(wú)間隙情況下，流體入口速度相同。

圖3 有、無(wú)葉輪間隙的h-s特性圖

    通過(guò)CFD模擬可知，通過(guò)消除間隙損失所得壓增約為0.06bar，量值相對(duì)較小。由此壓增引起的壓力，速度場(chǎng)變化均發(fā)生在輪緣部位且相對(duì)較小，本文將其忽略。同時(shí)，有葉片增高( 0.025mm)引起的摩擦損失也忽略不計(jì)。由此，通過(guò)消除間隙而對(duì)增壓系統(tǒng)影響因素均可忽略，則hDG、hDG、hDG均為0。間隙損失將通過(guò)△hs=△hDO-△hD計(jì)算求得。

表1 有、無(wú)葉輪間隙特性分析

    (2)入射損失。

    Conrad_維損失模型基于氣流進(jìn)口角與葉片前緣幾何角差值，將圓周方向的能量損耗作為入射損失的一種計(jì)算方法。缺點(diǎn)在于該方法將角度差作為定值，且經(jīng)驗(yàn)值的選值范圍較大導(dǎo)致較大誤差。本文將通過(guò)離散流線(xiàn)法，對(duì)流經(jīng)葉片前緣流線(xiàn)進(jìn)行軸向平均分段，計(jì)算每條流道入射損失，葉片前緣幾何角的三維分布便得以考慮。葉片攻角不予考慮。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下且流量大于設(shè)計(jì)工況時(shí)，回流損失為0，圖2中第一部分損失由入射損失及摩擦損失組成，經(jīng)驗(yàn)值則通過(guò)逆計(jì)算方法求得。在低流量時(shí)的入射損失通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值求解計(jì)算，精度得以保證。主、從葉片前緣的入射損失將分別進(jìn)行計(jì)算，且由入射損失產(chǎn)生對(duì)二次流的影響將屬于葉片載荷損失范疇。

    (3)表面摩擦損失。

    Jansenc通過(guò)對(duì)圓形管道的實(shí)驗(yàn)測(cè)量建立一維近似表面摩擦損失模型，計(jì)算葉輪內(nèi)部摩擦損失。其缺點(diǎn)在于，雷諾數(shù)與速度分布通過(guò)平均值替代且流道水力直徑近似模型無(wú)法較好描述圓管直徑。為消除上述缺點(diǎn)，本文將整體葉輪流道沿流道方向進(jìn)行離散化，利用Jansen模型對(duì)各離散段進(jìn)行表面摩擦損失計(jì)算。其優(yōu)點(diǎn)在于，溫度、速度場(chǎng)分布得以考慮，Jansen模型與實(shí)際流道重合度增加，水力直徑及流道長(zhǎng)度被精確計(jì)算。

    (4)回流損失。

當(dāng)壓比增加，在葉輪尾部部分氣流倒回葉輪，并在葉片前緣出現(xiàn)渦流。本文將葉輪前緣渦流損失定義為回流損失，回流在第二部分對(duì)二次流影響并入為二次流損失范疇。由此該損失可通過(guò)無(wú)間隙葉輪在第一部分總損失減去其余損失求得。

    (5)葉片載荷損失。

    Coppage建立一維葉片載荷模型并通過(guò)擴(kuò)壓系數(shù)及圓周速度對(duì)該損失進(jìn)行計(jì)算。該模型描述由于輪內(nèi)擴(kuò)壓效應(yīng)而引起的位于吸氣面附近的渦損，流體在軸向面的二次流損失沒(méi)有進(jìn)行考慮。該損失存在于第二部分，本文將首先計(jì)算無(wú)間隙葉輪在第二部分的總焓增、該部分中的表面摩擦損失及分流葉片的入射損失，葉片載荷損失包括第二部分中流動(dòng)損失并通過(guò)總焓增減去其他損失求得。

    (6)輪后損失。

    輪后損失包括尾跡損失，輪后摩擦損失及擴(kuò)壓器損失，本文將通過(guò)第三部分的焓增進(jìn)行計(jì)算。

3 流場(chǎng)各損失計(jì)算比較

    3.1 流量對(duì)各氣動(dòng)損失分布影響分析

    圖4 (a)為流量對(duì)葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失分布的影響�？v坐標(biāo)為無(wú)量綱損失比重，通過(guò)該損失焓差與增壓系統(tǒng)總焓差的商值體現(xiàn)。當(dāng)流量從0.04增加到0.103 kg/s時(shí)，入射與間隙損失均相應(yīng)減少2.7%、1.2%左右；葉片載荷損失所受流量影響較大，在流量0.08 kg/s時(shí)達(dá)到最低，當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)工況時(shí)，載荷損失稍微增長(zhǎng)；表面摩擦損失隨著流量提高而增加；在高流量時(shí)，回流損失基本消失。

圖4 流量對(duì)各損失分布以及不同截面處的靜壓與熵產(chǎn)分布影響

圖5 流量對(duì)80%弦長(zhǎng)截面處損失率分布影響

    圖4(b、c、d)為流量分別為0.06、0.08和0.103 kg/s，轉(zhuǎn)速為140 kr/min時(shí)，流道內(nèi)靜壓、熵產(chǎn)在不同截面處的分布圖。圖5為流道損失率分布圖，等高線(xiàn)表示為該截面上各點(diǎn)不可逆焓損與對(duì)應(yīng)增壓系統(tǒng)的總焓差的商值。通過(guò)分析可得以下結(jié)論：

    1.在同轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量增加，流體各入射點(diǎn)均向吸力面移動(dòng)。總?cè)肷鋼p失將分別受到主、從葉片前緣葉根至葉尖構(gòu)造角與來(lái)流角度的差值影響，且當(dāng)流量為0.108 kg/s時(shí)，該總差值達(dá)到最低。

    2.通過(guò)對(duì)50%葉高時(shí)不同流量下熵產(chǎn)與靜壓分布圖比較，流量在0.04 kg/s時(shí)，靜壓升高明顯，且該點(diǎn)接近喘振工況點(diǎn)，壓比較大，部分低能流體無(wú)法抵抗擴(kuò)散率而產(chǎn)生二次流，流速及方向在葉輪內(nèi)分布極不均勻，產(chǎn)生的二次流造成熵產(chǎn)較大；而當(dāng)流量繼續(xù)升高時(shí)，速度梯度相應(yīng)增加，根據(jù)熵產(chǎn)原理，流動(dòng)損失由于速度差異而相應(yīng)提高，因此葉片載荷損失在設(shè)計(jì)流量時(shí)為最低，該結(jié)論也可通過(guò)圖5進(jìn)行驗(yàn)證，速度梯度較大處均展現(xiàn)較大損失率。

    3.如圖4 (b)、圖5所示，在小流量情況中，壓比較大，葉輪流道內(nèi)各物理量場(chǎng)分布極不均勻,間隙流由于輪蓋附近壓力不均勻分布而產(chǎn)生較大渦損，當(dāng)流量加大時(shí)，渦損范圍受到限制，最后集中于葉片吸力面與輪蓋三角區(qū)中。

    4.由于流量增加而使得輪內(nèi)流速升高，與之相應(yīng)的表面摩擦損失也隨之增加。

    3.2 主葉片前緣頂端幾何角對(duì)各氣動(dòng)損失分布影響分析

    圖6(a)為葉片輪轂，輪緣幾何角隨弦長(zhǎng)變化曲線(xiàn)圖，分流葉片葉型保持不變，在ANSYSDesignmodeler中主葉片采用四階Bezier曲線(xiàn)控制，通過(guò)改動(dòng)葉片前緣頂端幾何角分別得到兩種不同葉型與原始葉型進(jìn)行在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)損失分布計(jì)算分析，圖6 (b)為三種不同葉型各損失分布圖。通過(guò)分析損失分布可得：葉片前緣幾何角分別為630，760時(shí)總氣動(dòng)損失均較690偏大；葉片負(fù)載損失在前緣100%葉高處幾何角為690時(shí)最��；間隙損失在幾何角為760時(shí)最大；入射損失總量包括主、從葉片的入射損失，該值基本保持不變；表面摩擦損失則隨著幾何角增大而增長(zhǎng)緩慢。

圖6 主葉片前緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部損失率分布影響

圖7 主葉片前緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部不同截面靜壓與熵產(chǎn)分布影響

    圖7(a、b、c、d)分別為由不同葉片幾何角而獲得的80%葉高靜壓、80%弦長(zhǎng)熵產(chǎn)和靜壓以及主葉片吸力面極限流線(xiàn)分布圖。通過(guò)比較得到以下結(jié)論：

    1.幾何角的提高導(dǎo)致來(lái)流入口與葉片幾何角差值變大，沖擊位置由葉片前緣中點(diǎn)附近逐漸向壓力面擴(kuò)展，致使在80%葉高處入射損失變大，這將導(dǎo)致兩方面影響，其一，來(lái)流沖擊點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，大量由慣性力主導(dǎo)流體將流過(guò)葉片前緣，并脫離葉片表面，造成吸力面前緣出現(xiàn)較大低壓峰值區(qū)，促進(jìn)流體分離及二次流的壯大。其二，位于壓力面上的沖擊受葉輪作用可產(chǎn)生較大靜壓梯度，并將抑制葉片背部低壓區(qū)范圍，通過(guò)比較由圖7 (a)中各不同葉片靜壓分布得出，760葉輪流道內(nèi)壓力梯度較大，而630主葉片尾部低壓區(qū)范圍明顯大于其他兩種葉片并且隨著葉片壓、吸面間壓差變大，間隙流損失也被動(dòng)提高。

    2.結(jié)合上訴結(jié)論可對(duì)主葉片吸力面極限流線(xiàn)進(jìn)行分析，如圖7 (c)，由于離心力作用，葉片吸力面表面流體由葉根向葉緣遷移，630葉片幾何角壓力面低壓范圍比690更大，76%葉片幾何角低壓區(qū)峰值也較6g%幾何角更大，因此，6g%葉片遷移流在低壓區(qū)的分離程度相對(duì)較��；葉片間隙損失由于葉片吸力面低壓范圍的減小而降低，由此，630葉片間隙流較為明顯，760間隙損失相對(duì)最小。

    3.對(duì)于間隙流損失也可通過(guò)圖7 (b)的熵產(chǎn)分布進(jìn)行驗(yàn)證，遷徙流經(jīng)過(guò)分離向葉片頂端流動(dòng)，受到間隙流作用而在接近主葉片吸力面處產(chǎn)生二次流，與此同時(shí)，間隙流在分葉片壓力面處受到輪緣間隙阻塞以及靜壓梯度影響而產(chǎn)生順時(shí)針渦，該熵產(chǎn)由前文所述隨著溫度，速度的梯度增加而增加，因此在63%葉片時(shí)，間隙損失最大。由此總結(jié)：葉片前緣頂端幾何角的改變影響葉片傾角；入射角度與葉片前緣幾何角的差值將直接影響吸、壓力面靜壓分布，間接影響間隙損失；葉輪內(nèi)葉片載荷損失將受到吸力面附近由遷移流與間隙流影響形成的二次流損失；當(dāng)入流沖擊點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，入射損失變高，葉片壓力面靜壓梯度升高，導(dǎo)致與該壓力面對(duì)應(yīng)的吸力面載荷變高而使得壓、吸葉片壓力差變小，從而抑制間隙流的產(chǎn)生。

    3.3 主葉片后緣頂端幾何角對(duì)各氣動(dòng)損失分布影響分析

    同理，為了分析主葉片后緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部損失分布的影響，將通過(guò)圖8 (a)所示的三種不同輪緣曲線(xiàn)進(jìn)行模擬，圖8 (b)為各氣動(dòng)損失分布受主葉片后緣幾何角影響圖。通過(guò)比較可知，葉片載荷損失變化較大，且?guī)缀谓菫?7度時(shí)為最小，間隙損失在42度時(shí)降為最低，其他損失均變化較小。

圖8 主葉片后緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部損失率分布影響

圖9 主葉片后緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部不同截面靜壓與熵產(chǎn)分布影響

    如圖9所示，對(duì)不同后緣幾何角下的50%葉高靜壓、分流葉片吸力面的極限流線(xiàn)以及95%弦長(zhǎng)截面的靜壓和熵產(chǎn)分布比較可得：1．主葉片后緣與輪轂構(gòu)成的傾斜角變小，壓力面附近流體額外受指向輪心分量作用，而不易滑入葉輪間隙，由此靜壓梯度明顯，然后傾斜角變小而使得主葉片擴(kuò)散率加大，阻礙壓升，如圖9 (a)所示，后緣幾何角為420時(shí)，主葉片一從葉片靜壓較小，而從葉片一主葉片靜壓反而相對(duì)較高，并且，從葉片吸力面低壓區(qū)范圍在相對(duì)較高的靜壓梯度作用下得到控制，該結(jié)論與前文一致。2．圖9 (b)所示95%弦長(zhǎng)截面靜壓分布，如結(jié)論1所述，當(dāng)主葉片后緣幾何角從420增加時(shí)，主一從葉片與從一主葉片區(qū)域內(nèi)間隙流的損失大小呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，這與其間產(chǎn)生的低壓區(qū)范圍變化趨勢(shì)相同，并且從一主葉片區(qū)域間隙損失變化較為顯著。3．壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況遠(yuǎn)離喘振，阻塞邊界線(xiàn)，壓氣機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定，葉片載荷損失主要通過(guò)葉片吸力面低壓區(qū)產(chǎn)生的分離損失以及由于流體運(yùn)動(dòng)引起的壓力，速度和溫度梯度而導(dǎo)致的摩擦和熱傳遞損失引起。當(dāng)后緣幾何角過(guò)大時(shí)，主葉片頂端向后彎曲，有效做功面積較小，與之對(duì)應(yīng)分流葉片低壓區(qū)較大，產(chǎn)生二次流損失較大；當(dāng)后緣幾何角過(guò)小，溫度、速度梯度較為明顯，葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失較大，因此二次流損失在幾何角為47度時(shí)達(dá)到最小。

4 結(jié)論

    通過(guò)主葉片前、后緣頂端幾何角和流量對(duì)葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失大小與分布影響的分析可得以下結(jié)論：

    1.基于Ansys流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)各增壓段進(jìn)行焓差計(jì)算，有效獲得改段氣動(dòng)損失，并通過(guò)分流道、離散化等方法對(duì)葉輪內(nèi)各氣動(dòng)損失成功的進(jìn)行定量計(jì)算。對(duì)于輪后的擴(kuò)壓器損失以及尾跡損失的計(jì)算將在下篇論文中繼續(xù)進(jìn)行研究。

    2.就氣動(dòng)損失而言，前緣頂端幾何角對(duì)葉輪內(nèi)部損失影響比后緣更大。其中，葉片載荷損失所受影響最大。前、后緣幾何角的改變將改變整體葉輪內(nèi)部靜壓分布，對(duì)間隙流、而二次流影響較大。在靠近輪緣時(shí)，最佳與實(shí)際入射角的差值的變小將減小吸力面低壓峰值，但增加低壓區(qū)的范圍，同時(shí)由于壓、吸力面壓差的加大而使得間隙流與二次流損失增加，因此，間隙流可通過(guò)入射角的改變而得到抑制。葉片載荷損失主要受到在葉輪中存在速度與溫度梯度影響。

    3.流量對(duì)葉輪效率影響較大。在低流速情況下，流體極不穩(wěn)定，伴隨著較大分子摩擦損失。除了表面摩擦損失較低之外，其余各損失值相對(duì)較大。在高流速時(shí)，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，流動(dòng)損失也相對(duì)于低流速更小，但摩擦損失由于速度的提高而變大。

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本文標(biāo)題：基于ANSYS三維流場(chǎng)模擬對(duì)壓氣機(jī)葉輪內(nèi)各損失的計(jì)算與分析

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