利用发动机排出的高温尾气驱动涡轮高速旋转，带动同轴的压气机叶轮转动，压缩来自滤清器的空气，从而达到增加发动机进气量、提升发动机功耗和减小燃油消耗的目的。

　　近年来随着小型高速柴油机技术的提升和电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等辅助技术的升级，柴油机以往体积笨重、振动噪声大等问题得到了很好地解决，使得柴油涡轮增压器迎来了更广泛的应用，其在节能与CO2排放方面的优势日益凸现。

　　柴油机使用涡轮增压器后具有功率高､油耗低､排污较少的特点，不仅使功率范围增大，而且高负荷的经济运行范围也扩大了，涡轮增压器的这一特点，对于经常满负荷高速运转的重型柴油机汽车十分有利。

　　然而受限于涡端高温高速气体流动和换热的复杂性，对流热耦合和热功转换机理的研究远未成熟，因而准确计算涡端的流场和温度场具有重要的意义，对高速转子的转动分析也有助于提升涡轮增压器的使用寿命。

　　因此，我的团队基于流热耦合计算策略，在CFD软件平台下对一典型的1.4L柴油机涡轮增压器内的流场和温度场分布进行研究。

　　流热耦合的计算模型为一个典型的车用无喷嘴涡轮增压器，几何模型如图1所示。

　　其主要几何参数为：蜗壳进口直径34mm，喉部面积251.3mm2，涡轮进口直径39.5mm，出口直径32.5mm，叶片数9。

　　涡端透平中的气体可定义为三维定常粘性可压缩气体，选择的控制方程包括质量守恒、动量方程(基于雷诺平均的三维可压缩N-S方程)和能量方程，选用SSTk-ω湍流模型封闭方程组：

　　涡端透平流场计算需要准确预测固体壁面表面的气流分离，对湍流模型的选择要求相对较高。

　　SST湍流模型是k-ω模型与k-ε模型的混合模型，在处理近壁处时，采用标准的k-ω湍流模型，在边界层边缘和自由剪切层处百威注册-平台注册首页，采用k-ε模型，这使得其具有更高的精度和可信度。

　　同时SSTk-ω湍流模型还对传统的涡黏性系数方程进行了修正，在拟压力梯度流动的计算中体现一定优势。

　　涡端转子高速旋转，速度和温度在叶片表面梯度很大，因此选择该模型计算是非常正确的决定。

　　其中，涡壳网格采用四面体网格，最大特征尺寸为3mm，涡轮和出口段采用六面体网格，通过单一流道网格周期阵列生成，叶片前缘、叶顶耀世挂机软件下载型线、轮毂交线等位置进行了网格优化。

　　考虑到附面层速度压力和温度梯度较大，对壁面区域网格进行了附面层加密，附面层层数5层，总体厚度0.1mm。

　　计算域整体网格质量良好，叶轮进口前缘和蜗壳隔舌等部位也进行了网格细化处理。

　　网格无关性分析表明，当涡轮单个流道网格数在15万、涡壳网格数在30万以上时，涡轮出口温度几乎不变化，即认为网格数对计算结果的影响不显著。

　　选择工作介质为接近柴油机废气的理想气体，摩尔质量28.96kg/kmol，比热容1296J/(kg·K)，叶轮计算域处于旋转坐标系，其他计算域为固定坐标系。

　　联立质量守恒､动量守恒和能量守恒方程求解，采用SSTk-ω湍流模型，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，代数方程迭代采取亚松弛，设定收敛精度为10-5，进口边界条件设为总温进口875K；压力出口1×105Pa。

　　为求解膨胀比和流量的关系，通过改变进口静压来求解流量大小，通过计算3个典型工况点，进口压力分别为148269､172439､225046Pa(参照实际测试经验选取)，即ER(膨胀比)依次为1.46、1.71、2.22，设置3个工况的转速为145000r/min。

　　柴油机高温废气流经涡轮增压器涡端的过程是一个膨胀降速降温做功的过程，要提高涡端的动力输出和能量利用效率，就必须对涡轮内气体流场温度场情况进行深入研究。

　　影响涡轮性能的主要参数有转速､燃气流量､燃气温度､膨胀比和效率，由此决定涡轮的输出功率。

　　当涡轮前段进气温度一定时，膨胀比越大则高温废气通过涡轮作功越多；在膨胀比相同的条件下，气体通过涡轮所作的机械功与理论上膨胀功之比称为涡轮效率，它反映气体在涡轮中膨胀作功的有效程度。

　　这个计算模型在不同膨胀比下涡端速度分布相近，此处选ER=1.46来说明。

　　上面图3反映的是计算域内绝对速度分布，由图可知速度大小在0~453m/s内变化，换算至绝对马赫数0~0.82，则整个流场处在亚音速范畴内。

　　柴油机尾气在蜗壳内速度相对较小(45m/s以内)，流经与涡轮相交的位置骤然增大至270~320m/s，高速气体流入涡轮内，速度逐渐开始下降。

　　涡轮出口位置速度可达133m/s，整体上，高速尾气的速度变化对蜗壳过流截面的收缩不敏感，而对于高速旋转的过流件极其敏感。

　　涡壳涡轮连接处速度突变现象非常明显，涡轮流道内速度分布也不均匀，绝对速度沿流动方向和径向均呈一定的梯度分布。

　　除了涡轮入口处，涡轮流道中部也有流速下降明显的地方，径向速度梯度显示涡轮外缘处速度较高，内侧较低。

　　原因是涡轮的高速旋转使得气体周向速度较大(外径处圆周速度高达628m/s)，周向速度梯度同样较大，而不同半径处轴面速度梯度相差不大，最终圆周速度大的位置绝对速度大，反之速度小。

　　图3(a)中，叶顶间隙处速度较涡轮内有下降，从涡轮外缘到外侧壳体先后经历了降幅较小的叶顶间隙，随后是速度快速降为0的附面层。

　　涡轮增压器的转速非常高，因为速度分量中圆周速度占的比重很大，为更真实地反映流道内的速度分布，提取相对速度沿周向展开，如图4所示。

　　从叶片进口至出口，总体上相对速度逐渐增加，反映的是涡轮流道过流断面面积的缩小。

　　在进口附近吸力面一侧有漩涡存在，一方面因为叶片进口边的阻挡，气体入流速度和叶片进口安放角不一致，另一方面是随同涡轮高速旋转的气体受到明显的离心力作用。

　　流动轨迹向工作面偏移，导致吸力面局部存在低速区，由绝热能量方程可知，低速区势必产生温度和压力的上升。

　　为对比不同膨胀比下的涡轮流道静压变化，分别提取单个流道内的静压信息，如图5所示，沿流动方向压力递减，工作面压力大于背面，越靠近叶片出口，二者压力越接近。

　　同时，流道内压力变化较明显的位置出现在涡轮的进口前端，此位置靠近涡壳和涡轮动静耦合处，气体流动湍动剧烈，静压值变化明显，能量转换和损失也较大。

　　在大膨胀比下，压力变化更明显，图中ER=2.22的进口段工作面区域，高压区域甚至能持续到叶片的中后部，吸力面高压仅能维持在叶片进口位置。

　　这说明涡轮叶片进口位置对于流场分布的控制更为显著，尤其是进口工作面位置更应引起设计的重点关注。

　　图6所示为膨胀比ER=1.46时涡轮和涡壳的温度分布，由图可知，高温废气流经涡端温度逐渐降低，但分布不均匀，涡壳内的温度较高，总体在860~875K范围，靠近涡轮处温度降低明显，温度可达840~860K。

　　温度云图符合物理含义，涡壳是静止件，在涡壳内的过程近似绝热膨胀，体积增加有限所以温度下降不明显，而涡轮是高速旋转件，是焓降发生的主要位置，承担着热能向机械能转化的功能，温度下降显著。

　　涡轮内的温度梯度也是沿流动方向，值得注意的是涡轮进口位置外缘温度明显较内侧高，原因是叶顶间隙的泄漏引起气体未经涡轮叶片直接进入涡轮，温度下降很小。

　　靠近涡轮出口处，在径向存在一定的温度梯度，内外较高，中间较低，这和气体的径向流动有关。

　　高温废气流体域内总体温度下降在80K以内，预示涡轮对高温废气余热的回收依然有提升空间。

　　图7所示是不同膨胀比下涡轮流道内的温度变化规律，由图可知，高温区域集中在叶片进口和叶片表面､叶片末端还有段尾迹区域。

　　温度分布和速度分布相符合，进口端低速区温度较高，高温和低温过渡自然，与其他的流动方向一致，相同的进口初温下，膨胀比越大，涡轮内温度越低。

　　图中进口尾气高温沿着叶片仍有一定延伸，原因是紧贴叶片表面流动的低速粘滞气体和叶片热传导引起的温度升高。

　　涡轮内温度下降最显著的地方在涡轮进口稍后位置处，这与压力递变规律相类似，由此认为热功转化活跃的位置出现在涡轮流道进口及稍后的地方，流道和叶片进口几何参数对涡端性能的影响应引起重视。

　　涡轮的叶片载荷一方面是涡轮能否在高转速下长时间工作的力学指标，另一方面也是涡轮热功转化效率高低的指标，所以借助于Turbo-Post模块得到涡轮在3个压缩比下的叶片载荷如图8所示。

　　图中横轴为涡轮流道中间流线，纵轴为静压数值。图中2条压力曲线分别为工作面和背面上的平均压力数值，同一横坐标处2个压力差值代表着该处叶片的载荷。

　　如图8(a)所示，叶片载荷最大的位置出现在距进口0.4处(无量纲叶片型线Pa。

　　可以看出，同一膨胀比下，沿流动方向压力逐渐减小，工作面压力数值大于背面，下降趋势也较后者明显，在出口位置二者压力趋于接近。

　　不同膨胀比下，工作面和背面进口位置静压初始值大小不等，而出口位置均下降至大气压附近。

　　即膨胀比越大，工作面压力下降越明显，且单调递减，而背面压力会出现波折，大膨胀比下背面初始压力本身就在10000Pa左右，因而压力曲线变化趋势并不单一。

　　因此，总体上可以看到，随着膨胀比的增加，工作面､背面和纵轴围起来的面积在增加，膨胀比越大，叶片总体载荷也越大。

　　具体来说，随着膨胀比的增加，叶片进口附近位置压力载荷加大，叶片中部和出口载荷变化幅度不大，膨胀比下工作的涡轮转子尤其是叶片进口位置需要进行强度和刚度的考虑。

　　借助于流热耦合计算技术，在CFD软件平台下实现对一典型的1.4L柴油机涡轮增压器的计算和分析。

　　涡壳涡轮连接处速度突变明显，进口吸力面有漩涡存在，流动向工作面偏移，涡轮叶片进口位置对流动控制作用显著，大膨胀比下更是如此。

　　涡轮内温降较大，但温度分布不均匀，叶片进口前端､进口低速区､叶片表面包括叶片出口尾迹区域都是局部高温区，沿流动方向和径向均有温度梯度存在，温度分布规律符合速度变化，膨胀比越大，流道内温度越低。

　　工作面压力单调下降，背面压力变化规律不明显，膨胀比越大，叶片载荷总体增加，但叶片进口附近位置压力载荷增加显著，叶片中部和出口载荷变化幅度不大。

　　公司名称：重庆懂车帝科技有限公司中央网信办违法和不良信息举报中心违法和不良信息举报电话：