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1、气波增压# = 维m 自仿真计算 气波增压器三维流动仿真计算 雷艳周大森张红光纪常伟 北京工业托学环境与能源工程学院北京l 1 2 4 攮l ：气渡增压器利用气渡将高温高压的排气能量传递络女鲜进气宴R 增压目的。为T 研究气浊增嚣内部气 体流动，建 T 气谴增器一维非定常m 自模，g fF L u E N T 软件进行T 气渡增E # 气体流动白勺C F D 计算。 气镕器二维# 定常* 自模d 计算结果j 试验结果一致性好。C F D 结果& 目自白勺气镕压# 转目使气渡 增压镕获得趣好性能。 关键目气谜增压器；C F D ；= 维模 气波增压技术( I h u ”W a v eS u p
2、e r c h a r g e r 以 下简称P W S ) 利用发动机的排气能量来提高发动 机进气压力；它是利用气波( 压缩渡和膨胀渡) 来 传递能量的。与涡轮增压不同的是当气渡增压 器工作时，来自汽缸的排气和新鲜进气住其内部 直接接触来实现能量的传递( 见图I ) ，这样就不 存在像涡轮增觚那种的“涡轮滞后”问题，而且正 是由于这种独特的工作方式气波增雎工作时会 发牛内部的废气再循环，可有效降低N O 。排放。 气渡增压嚣本身无湍振，结构简单具有低速大扭 矩、瞬态响应快、加速时不冒黑烟的优点。特别适 用于需经常在变负荷工况下工作的车用发动机。 目1 气波增器I 作原4 为了研究气渡增压器内
3、部流动状况及影响其 性能的周素，本文基于计算流体力学C F D ( C o m p u t a l i o n a li l u i dD y n a m i c s ) 数值模拟计算方法利用 F l u e n t 软件对气渡增压器气体流动进行了三维流 动模型的数值分析计算，对气渡增压器内部流动 进行研究和分析揭示气渡增压器气体流动特点。 气渡增压器工作时，来自发动机的排气与新 鲜空气在转子槽道中直接接触。能量通过气波( 压 缩渡和膨胀波) 从排气传递到进气。为r 研究气 渡增压器内部流动状况，本文采用C F D ( C o m p u t a - t i o n a IF l u i dD
4、 y n a m i c s ) 方法运用C F D 讣箅软件 F I 。U E N T 对气波增压器排气定子、空气定子与转 子进行三维非定常流动模拟计算对气渡增压器 内部流动进行研究和分析，揭示气渡增压器气体 流动特点。 气渡增压器三维非定常流动横型的建立 11 气波增压器三维几何模型和计算网格生成 本文为了进行C F D 计算，首先要对气渡增压器 内部气体进行三维建模。由于气波增压器结构比较 复杂，则须借助C A D 专用支撑软件来完成。本文运 用三维设计软件c n A 完成对气渡增压器内气体的 三维雠，包括气渡增压器转子和牵气定子、排气定 子并且完成几何模型的网格划分见图2 。 匿 目2
5、P W S 内部气体3 D n 何模d & 网格划分 作者简秆：雷艳( 1 9 7 5 - - ) ，女，博，研究方向：发动机* 能净化增压等 2 6 6 中国内燃机学会2 0 0 8 年学术年会暨大功率柴油机分会六届二次联合学术年会论文集 1 2 气波增压器三维非定常流动控制方程 丁黏性力。 气波增压器气体流动可用气体动力学、热力 学相关方程来描述。在P W S 三维非定常流动模 型数值模拟计算中，湍流模型选用了标准k 一占模 型，其基本控制方程如质量守恒方程、N a v i e r S t o k e s 方程( 动量守恒) 、能量守恒方程可用E u l e r 等式总括为： 窭O U +
6、 ! 堡二互c ( 兰G - 至G v ) + ! 堕二至! ：0 d ta x a y d z ( 1 ) 其中孑： p p “ p v p w p + p o 仁 刁：lp + zI 才 JI 喙j F v = 4 G v = H v = 式中 ( p u 2 P + p u l ，3p u v lp M 彬 b u o 0三三。+研。+f。+玉兰三 0三兰。+钾_+rp+露雾 0三三。+护r掣+埘丁。+后笔I p 密度； u ，秽，彬速度分量； P 内能； p 压力； 1 3 气波增压器三维非定常流动模型的边界条件 在气波增压器三维非定常流动模型中定义了 五个流体区域：转子流体区域、高温
7、高压排气流体 区域、低温低压排气流体区域、新鲜空气流体区 域、增压空气流体区域，这样分开定义各个定子和 转子内的流体可以方便地设定各个不同流体区域 的运动状态，实现转子流体与各个定子流体间的 相对运动，并且定义各个流体区域的进口边界、出 口边界为压力进口、压力出口，这样可以获得较好 的收敛速度。气波增压器工作时，转子高速旋转。 因此，在气波增压器三维非定常流动模型的边界 条件设定过程中，将转子中的流体定义为运动网 格，这样定义的转子流体可以不同的转速围绕旋 转轴Z 轴旋转，见图2 。 1 4 气波增压器三维非定常流动模型求解 由于气波增压器转子中气体高速运转，是高 速可压缩流体，因此，在模型求
8、解时采用耦合隐式 求解方法，设定了标准k 一8 两方程的湍流模型。 为了获得更高的计算精度，仿真计算采用了二阶 迎风精度。气波增压器开始工作时，各个定子、转 子槽道中首先是充满了大气，因此在进行初始化 流场时，以环境大气作为流场变量初始化整个流 场。在进行气波增压器流动模拟计算时，分别边 行了不同转子转速工况下的模拟计算。各个转速 工况下的边界条件的数值由试验测量得到。在边 行非定常流动的迭代求解时，以转子旋转一周所 需时间为总的迭代时间。 2 计算结果及分析 不同转速工况( 38 0 0r m i n ，76 0 0r r a i n ， 1 01 5 0r m i n 。1 和1 52 0
9、 0r m i n 。1 ) 的气波增压器 三维非定常流动模拟计算结果见图3 一图7 。 P W S 四个通道口边界面处的气体速度如图3 所示。随着P W S 转速的升高，各个通道口气体速 度均呈增加趋势。特别是在P W S 转速为 1 52 0 0r m i n 1 时，新鲜空气入口处气体速度增幅 最大，其速度迅速上升，这得益于气波增压器中螺 旋形的新鲜进气通道结构设计，空气在流入空气 定子的通道时得以加速，提高动量。高的新鲜空 气流速有利于新鲜空气顺利流入转子槽道，增大 进气流量，提高对槽道内残余的低压气体的扫气 效率。 ：胪脚眺，伊旧旧 气* 镕# = 维流动仿真计算 050 0 01
10、00 0 01 50 0 02 00 0 0 P w 辩速，f m m l 圉3P W S 各通道口边界自娃气体速度 从圈4 一图7 中娃示的各个P W S 转速工况下 的速度流场的结果可见，定子的速度相对于转子 而言，基本上保持不变，转子槽道内的气体流速大 大高于定子内流体的建度，这星因为在狭窄的转 子槽道由于两种不同压力的气体相遇产生气渡， 在气波的作用下槽道内气体加速流动。由图中各 个P W S 转速工况下的压力流场可见相对于高速 旋转的转子槽道内流体而言，气渡增压器空气定 子、排气定子内流体的压力更为稳定，各个定于流 体区域内压力值基本保持不变而转子内的流体 根据分布在不同定子开口区的
11、位置的不同而使得 不同槽道内的气体压力值不同但就单个转子槽 道而言，在整个槽道内气体压力均匀相等。从温 度流场周来看，排气定子的高温排气端流体温差 较大，而在空气定子内的韫度分布均匀。转子内 的也存在温差，但不明显。从湍流强度的计算结 果。相对于静止的定子。转子槽道内的流场的湍 辩c 强度明显较高，整个转子槽道中的涡流强度相 对较均匀，这是由于转子高速旋转，气渡在狭窄的 转子槽道中高速传播，整个转子槽道流动变化较 小。另外，随着P W S 转速的引高，湍搋强度增加。 从图4 图7 来看不同的P W S 转速工况下 压力、温度、速度、湍流强度的变化趋势是一致的， 差别在于数值的大小不同高转速区域
12、相对应的 各个流场参数的数值越大，P W S 转连越低，气渡增 压器内部流场的各个参数值越小，性能差。这说 明，对于气渡增压器而言应尽可能地运行在高速 范围，避免运行在低速范围。 同时，将试验结果与气波增压器三维非定常 钎【动模型计算结果进行比较以验证模型计算的准 确性。在台架试验中测量了增压空气出口端的空 名堇帮 一= 兰= E 三三三二二二；：虿C a )( h ) 堇茗I2 图4P W $ 一维非定常流动仿真结果 ( P w $ # = 1 52 0 0r ) a ) 速度 ( b ) 力：( c ) n 度( d ) 湍流 ( c ) O I ) 田5P W $ = 维非定常流动仿直结
13、果 ( P 驰转4 = 1 0 l 如r m l 1 ) ( a ) 速度；( b ) 力；( c ) 温度( d ) 湍流强度 气流量，空气流量的试验测量值与C I F D 计算值的 对比见图8 。由图可见整个P W S 转速范围内， C F I ) 的计算结果基本上与试验结果相吻台，增压 空气流量的计算值曲线与试验值曲线变化趋势一 致随着P W S 转速的上升增压空气流量相应增 大。在气渡增压器中、高建区域计算值、试验值 一致性好，误差较小，均小于5 ，但在低速区域 误差稍大。可见，所建立的气波增压器三维非定 常流动模型更适用于高转速范围。 ，重_ 叫蚓 i 嘹子-_ 瞎；自E絮；：邑 互
14、。X 十目内燃机学台2 0 0 8 年学术年会t 太功率柴* 机分 屉= 扶联音学术年台论立盎 更争 薹丸 ( c ) ( d ) H6P 骼；镕非定常m 动仿真结果 ( P W S 转逢= 76 0 0r r a i n1 ) a ) 谴度；( b ) 力( c ) 度( d ) 湍流崖 。i葛 l 茎一 三五三三三二二二三卫 - l 丑 目7P W $ j 维非定常流动仿真结果 ( P W S 转莲= 38 0 0rr a i n “) a ) 4 度( b ) 压力( c ) 度( d ) 湍流度 目8C F D 计算结果与试验结果对 3 结论 针对整个气渡增压器结构( 包括转于、定于)
15、 建立了气渡增压器三维非定常流动模型，进行了 不同P W S 转速1 二况的数值模拟计算，井将C F D “ 算结果与试验结果进行比较，模型误差较小，尤其 是在中、高P W S 转速范国内计算值与试验值一致 好，建立的整体气渡增压器三维非定常流动模型 能够较好的描述中、高P W S 转速的流动状况。 C F D 计算结果表明提高加热温度和气渡增压 器转速有利于楗高气渡增压器性能。 参考文献 1 1C Y A R M Ar H YG e o eH 。wD n 目t h e C o m p r “P W a v eS u p e m h a r g e rW o r k fc j s Ep a p
16、 e r8 抛3 4 ， 9 1 - 1 0 5 2 Y a k u p I c l n g u r C a nH a s i m o d u E f f e c to f p 7 ns u p e r - c h 8 w ”g ”d i e l m pE n e r g yc o na n d M a n a g 帅e n t J 2 0 0 3 ，“1 7 6 5 - 1 7 5 3 3 】FW e b e r 。I ( ；u 珊l l aC o l l t m lo r i e n t e dm M e l i n go fa p u m - w a v e “ n l l 8 畔( P W S ) I og 籼i i n ee q l M S A Ep a p e r2 ( X 】0 O I4 )
