基于ANSYSCFX的车用涡轮增压机压气机涡管计算机优化模拟分析

摘要：运用ANSYS CFX软件对涡轮增压器压气机涡管内流体进行运动仿真。使用3D模型软件对基本型号的小型车用涡轮增压器压气机进行3D模型建模，建立出适合流体仿真的流体域3D模型;对涡管内的压力分布、速度分布、压力恢复指数分布以及总压力损失指数分布等参数进行分析，找到设计上的不足并予以改进;通过改进基本型模型的涡管截面形状，使得涡管内部的紊流减少，涡管压力恢复指数得以提高，总压力损失指数得以减少，从而提高压气机的进气压力并获得更好的速度矢量分布，使涡轮增压器压气机的工作效率提高。

关键词：涡轮增压器;压气机;涡管;压力恢复指数;总压力损失指数;

压气机作为涡轮增压器的主要部件，其设计显得尤为重要。压气机的出口进口压力比和工作效率直接影响发动机的进气效率和燃烧效率[1]。在调研中发现，目前各类常见车型上所采用的涡轮增压器压气机的设计以压气机叶轮叶片设计为主，而对压气机涡管截面优化设计的设计比例不高。原有的叶轮叶片设计方式以实验为主，而随着计算流体动力学技术的发展，使压气机涡管的设计效率得以相应的提升[2]。各大涡轮增压器制造厂商也越来越多地运用计算机模拟设计技术来缩短研发周期，降低设计成本，提高研发效率。

2 研究内容和研究方法

通过运用ANSYS CFX软件对涡轮增压器压气机涡管内流体进行运动仿真。运用CATIA软件对基本型号的小型车用涡轮增压器压气机进行3D模型建模，包括压气机的叶片、扩压器和涡管三大部分，再建立出适合流体仿真的流体域3D模型。建模完成后，开始设置模拟网格。随后进行软件边界层参数的设定，这个设定要符合实际涡轮增压器的设计工况参数。得到模拟结果后，对涡管内的压力分布、速度分布、压力恢复指数分布以及总压力损失指数分布进行参数分析。通过分析基本模型的各参数，找到设计上的不足并予以改进。通过计算机分析模拟，改进涡轮增压器压气机涡管截面的形状，使涡管压力恢复指数得以提高，总压力损失指数得以减少，并利用厂家提供的压气机性能曲线图进行模拟结果的验证，从而提高压气机的压力并获得更好的速度矢量分布，提高涡轮增压器压气机的工作效率。

以计算机模拟数值计算的方法来研究涡轮增压器压气机涡管内部的压力分布、速度分布、压力恢复指数分布以及总压力损失指数分布等。CFD软件一般由前处理、求解器、后处理三大模块组成。表1所示为CFD软件的基本设置流程。

3 涡轮增压器压气机涡管截面流体模拟分析

3.1 涡轮增压器压气机涡管3D模型

涡轮增压器模型原型为中小型涡轮增压器，其主要用于1.5L到2.0L发动机排量的乘用车。增压器设计转速为120，000转，增压比为1.2。表2为增压器压气机设计参数。图1所示为涡轮增压器涡管壳体以及无叶片扩压器。图2所示为涡轮增压器叶片，其叶片分为6个主叶片和6个次叶片，这样设计可以更好的避免叶片间的不规则流体流动。图3和表3所示为压气机涡管基本的外形参数。

3.2 涡轮增压器压气机涡管模拟参数设置

图4所示为模拟的流体域模型，其包括涡管和无叶片扩压器;图5所示为流体域网格模型。网格内包括涡管、无叶片扩压器和一个单片结构的叶片。这个流体域网格是运用ANSYS MESH以及Turbo grid工具包完成的。涡管和无叶片扩压器的网格形式主要为四面体结构，叶片的网格形式为六面体，这样可以在保证模拟精度的同时大大缩短模拟分析的时间。以ANSYS CFX对涡管内的流体进行模拟分析，模拟中湍流模型为k-Ω-SST(Shear Stress Transport)。这个湍流模型包括两个基本的eddy-viscosity方程，可以保证在分析湍流剪切力的计算精度。软件中的边界层设定包括：进口压力、温度、出口的质量流量等。表4所示为模拟仿真的基本设置。

3.3涡轮增压器压气机涡管基本模型模拟结果和分析

图6所示为压气机涡管的基本模型，其涡管截面为正圆形，每个截面只有一个半径。将该基本模型进行模拟分析，得到压气机涡管内以及涡管各个截面的的压力分布、速度分布以及压力恢复指数和总压力损失指数分布[3]。图7所示为流体域模型各个截面的顺时针角度分布，将截取90度，180度，270度，360度的涡管截面进行分析。

图8所示为压气机涡管基本模型压力分布，从图中可以看出，涡管表面有较大的压力损失，压力分布不均匀，特别是在无叶片扩压器区域和涡管的入口处，从15度到180度的区域压力非常小。这样就会降低涡轮增压器的效率，使得涡轮增压器压气机在低转速时很容易造成喘振[4]。同时对涡管的压力恢复指数和总压力损失指数进行分析。压力恢复指数和总压力损失指数可以很好的定义压气机的工作性能。

压力恢复指数Cp是指静压力从涡管进口到涡管出口增加的比例：

总压力损失指数ω是指总压力从涡管进口到涡管出口损失的比例：

压力恢复指数数值越高，总压力损失指数越低就表明压气机的工作性能越好。图9和图10显示的压气机涡管基本模型的内部四个截面的总压力损失指数和压力恢复指数的分布。涡管内部的流体运动依然很不顺畅。涡管的进口出都要较大的损失，特别是在涡管的内部和涡管左端壁面损失数值都很大。

通过内部的速度矢量来分析基本模型内部流体流动损失的原因。图11所示为涡管表面的速度矢量图，图12为涡管内部四个截面的速度矢量图。从图中可以观察出涡管基本模型的几处不规则流体运动。首先在涡管的进口，有较大范围的紊流产生，这是因为涡管的进口出流体流速过大，不能很好的完全进入涡管。一部分流体因为涡管截面的堵塞而产生了回流。回流大大降低了涡管的工作效率。由于涡管截面的原因，无叶片压气机的流体不能很好的进入涡管，在无叶片压气机区域也产生了很大的紊流。基本模型的涡管截面不能完全的将流体的动能转化为压力，很多地方的流体流动不顺畅、不规则，主要集中表现在涡管管壁上。因此，可通过改变涡管的截面形状来提升涡管的工作效率。[4]

3.4 涡轮增压器压气机涡管基本模型模拟结果试验认证

为了保证模拟结果的准确性，需要将基本模型实物进行实验，得到的实验结果数值与模拟数值进行对比。当模拟数值基本等于实验数值是，就可以判定模拟结果可行，符合实际。从而进行下一步的模型改进工作。鉴于涡轮增压器压气机的主要作用是为了增加发动机的进气压力，故可以运用厂家提供的涡轮增压器压气机性能曲线图来进行验证。如图13所示为压气机基本模型模拟值在厂家性能曲线图上得到的不同质量流量得到的压力差值。表5对厂家压气机性能曲线图和基本模型模拟结果压力差进行了对比。通过对比，模拟数值和厂家的实验数值非常接近，误差低于1%，所以可以验证模拟结果符合实际实验结果。

3.5涡轮增压器压气机涡管改进模型模拟结果和分析

通过对基本模型的分析，本研究对涡管的截面形状进行了改进。改进方法是用两个不同半径的半圆组成一个新的圆形涡管截面。如图14所示，通过此项改进，可使涡管底部的流动更加通畅，从而减少在涡管入口和涡管外壁的不规则流体流动。图15为基本模型和改进模型的压力分布对比图。涡管截面改进模型有更多的高压力流体区域，特别是在涡管进口出和无叶片扩压器区域;在涡管的出口，也可以得到比基本模型更高的压力。图16和图17为涡管基本模型和改进模型压力恢复指数分布图以及总压力损失指数的对比图。改进模型在涡管内部可以获得更高的压力恢复指数和得到更低的总压力减少系数。

图18为两模型截面内部的速度矢量分布。可以得到的结论是，改进模型使得涡管内的紊流减少，流体运动更加顺畅，涡管外壁的紊流明显减少。

4 结束语

本文通过ANSYS CFX软件对涡轮增压器压气机涡管内流体进行运动仿真。通过对涡管内的压力分布、速度分布、压力恢复指数分布以及总压力损失指数分布进行分析，将涡管截面改进为由两个不同半径的园组成，改进后压气机的各项性能参数都有提升。在压力分布上，改进型涡管有更多更高压力分布，特别是在涡管入口处，无叶片扩压器区域以及涡管出口处都比基本型涡管拥有更高的压力，压力恢复指数分布比基本型涡管高，同时降低了总压力的损失，在涡管内部速度矢量分布上，改进型涡管通过增大底部截面的流通面积，使得基本型涡管在出口和涡管外壁的紊流减少，从而提高了涡轮增压器压气机涡管的性能。[5]

参考文献

[1]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京，机械工业出版社.2018.

[2]王增全，王正.车用涡轮增压器结构可靠性[M].北京，科学出版社.2014.

[3]丁源.ANSYS ICEM CFD网格划分从入门到精通[M].北京，清华大学出版社.2020.

[4]谢龙汉，赵新宇.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京，电子工业出版社.2013.

[5]李峰.基于ANSYS FLUENT混流压气机内部结构优化及内部流场分析[D].大连交通大学.2019.

[6]刘政伍，匡增彧.基于某型号涡轮增压器压气机内流场分析与优化研究[J].建材与装饰.2020(10).