低速电驱离心压气机特定工况下内部流场的数值模拟

低速电驱离心压气机特定工况下内部流场的数值模拟*何学群曹淼龙（浙江科技学院，杭州310023）Numerical simulation on internal flow field for centrifugal compressorHE Xue-qun ，CAO Miao-long（Zhejiang University of Science &Technology ，Hangzhou 310023，China ）文章编号：1001-3997（2010）04-0198-03【摘要】以压气机的三维流场作为主要研究对象，离心式径流风机为基础模型，确定车用增压器压气机蜗壳和叶轮大致尺寸参数，在此基础上，建立三维整体装配模型，对其进行了数值模拟，对各种离心压气机模型的性能进行预测，分析不同数量、形态叶片的叶轮对效率性能和内部流场压力速度分布的影响。

通过计算结果的校核以确定离心压气机叶轮的合理配置方案，了解该离心压气机特定工况下的内部流动情况，以达到设计目标的要求，并为实现快速设计提供依据。

关键词：压气机；内部流场；数值模拟【Abstract 】It aims at studying three-dimensional flow field of compressor.Firstly approximately size parameters of volute and impeller in automotive turbocharger centrifugal compressor are determined after model analysis of prediction compressor performance model on the basis of centrifugal type runoff fan.Then ，three-dimensional model of the centrifugal compressor was established based on computational simu －lation and analysis.Secondly ，the effect of the shape of volute ，the morphology of impeller ，the quantitative distribution on the overall performance and the effect of flow field are investigated by numerical simulation of the centrifugal compressor.The allocation of reasonable scheme was determine in order to check calcu －lating the results ，And the performance and internal flow of the centrifugal compressor is analyzed in spe －cial conditions in order to provide evidence for achieving rapid design.Key words ：Compressor ；Internal flow field ；Numerical simulation中图分类号：TH16，TK421.8文献标识码：A＊来稿日期：2009-06-05＊基金项目：浙江省科技计划项目（2006C31057），校级教学研究立项项目（2006-B12）离心压气机属叶轮机械，具有结构简单，工艺性能好等一系列的优点而被广泛应用于能源动力、交通、航空、航天、化工和冶金等工业领域，但在工程实际中选择合适的模型和快速测算设计目标依然是有待解决的应用问题。

由于叶轮内部流场测量的高度复杂和困难性，鲜有公开发表的CFD 软件快速校核、适合工程应用的实验案例可供参考，故为实现低速压气机的快速设计拟对离心式压气机进行内部流场的数值模拟。

这其中美国航空航天局（NASA）的低速离心压气机（LSCC ）[1]在设计工况和小流量工况有详细的实验数据，是验证CFD 软件可靠性的很好案例。

目前电辅助空气增压系统的具体优点是：体积紧凑、质量轻巧、空气供给无油气污染、低噪声、维护廉价、低成本[2]。

而离心式压气机具有响应快、寿命长等特点，解决了增压发动机因传统增压器在加速时反应迟滞所带来的冒烟问题，可做到进一步节能减排，在低速阶段尤为明显。

超高速（约60000r/min ）电机可作为有效辅助动力源的选择之一。

Honeywell 公司开发了一种采用超高速电机辅助驱动的高比转速离心涡轮增压器[3]。

天津大学的姚春德等人研制了一台由高速无刷电动机独立驱动的电动增压器[4]。

这种压气机的应用使得蓄电池空气增压系统小巧、响应加快。

但应用超高速电机存在诸多问题，如价格高、维护复杂、稳定性欠缺、需特殊冷却措施和高速转动轴存在着载荷平衡等复杂问题[5]。

普通电机则避免了超高速、高速电机的上述缺点。

但若离心压气机仍采用常规的高比转速设计，则无法满足增压的需求。

因此，必须设计开发一种全新的离心压气机，使其在低流量、低转速下条件下提高压比，即设计出低比转速的离心压气机。

设计了用于车载电池的低比转速离心压气机，并采用软件进行CFD 流动特征的分析，得到了满足设计目标要求的低比转速离心压气机。

1压气机建模要对工程问题进行数值模拟，首先要完成流场区域建模后才能对流体区域划分网格进行离散。

求解离心压气机整机的流场就必须对进风口、叶轮、蜗壳、出风口等零件进行建模，它主要由进风口、叶轮、蜗壳组成，为了使计算中的出风口边界条件与实际更吻合，在出口处加了一段较长的风管区域。

离心式压气机的叶轮为径流式叶轮。

它是由前盖板、后盖板和盖板之间的叶片组成。

压气机的叶轮为前向叶轮。

如表1所示，离心式压气机叶轮的主要结构参数。

表1离心式压气机叶轮的主要结构参数名称符号尺寸（mm ）叶轮内径叶轮外径叶片数叶轮宽度D1D2Z b601205/7/9/11/1320Machinery Design ＆Manufacture机械设计与制造第4期2010年4月198在大多数流体分析软件中的前处理模块难以实现复杂的曲面造型，一般通过其它软件设计，通过软件的数据接口输出到分析软件。

文中模型建模过程涉及较复杂的曲面实体，考虑到分析后修改模型的方便性，采用与计算流体力学模块一体的SolidWorks 完成建模。

建模过程中难点在于叶轮叶片复杂形状，按照点线面构建实体的基本步骤来完成。

对于叶轮具体建模不再描述。

2离心式压气机内部流场数值模拟2.1初始条件初始条件确定计算区域的大小和计算的精度等方面的要求。

为使压气机叶轮整体流场保持稳定收敛，特将叶轮的进风口向前延伸，将蜗壳的出风口向后延伸。

完成叶轮和蜗壳模型等各零件的造型后，将它们装配起来，并切换到计算流体力学模块中。

由于进行整体计算，模型的细节特征较复杂，尽可能简化网格划分的方法，故采用适应性很强的非结构化四面体网格划分。

2.2边界条件为选定的流体容积指定下列参数，在初始条件对话框中通过选择禁用固体部分实现，定义以下各项流体参数。

流体参数：定义与选定的坐标系相对应xyz各方向上的初始速度矢量V；热力学参数：气体的初始静态压力P为101，325Pa，温度T为293.2K和静态密度ρ；湍流参数：湍流参数可以指定湍流强度It为2%和湍流长度Lt为0.0009mm或湍流能量k为1J/ kg和湍流耗散ε为1W/kg两种方法；固体参数：暂为选定的零部件指定固体的初始温度为293.2K。

为简化计算，按照默认初始条件进行边界条件的定义，分为进风口、出风口和墙体三部分，如图1所示。

图1压气机内流场的边界条件边界条件假设压气机在一个空间内，空间的压力为标准大气压，出气口区域的内表面压力为标准大气压，静止墙体区域设定见图1所示，选择定义的进气口区域的内表面体积流量为0.01306m3/s，如图2所示。

图2压气机进气口内表面流量设定2.3计算的收敛目标由于压气机进出口的压力和体积流量等边界条件已被设定，可以将进出口质量流量是否达到质量守恒作为计算收敛的准则，计算气体进出压力、流速、内部流场及效率等一系列的目标到底是否收敛。

设定初始条件的计算目标，如表2所示。

表2初始条件的计算目标压力流损失、叶轮所受的扭矩和压气机整体效率的计算则通过表3中初始条件的计算目标确定，压气机或风机的效率一般按照流体机械所述的方法来计算。

采用公式1-1表示：η＝（P oulet-P inlet）·Q（1）式中：η—效率；Poulet、P inlet—进、出压力；Q—流体流量；ω—叶轮角速度；Μ—叶轮所受扭矩。

将公式中各项参数转换计算目标，如表3所示。

表3初始条件的最终目标2.4离心式压气机内流场的数值模拟结果在离心式压气机中，气流从进气口轴向吸入，然后经90度转弯进入叶轮流道，过旋转叶轮获得能量，由蜗壳集中、导流，从出气口排出。

流道比较复杂，对离心式压气机内部流动从整体上去研究其流动特性，综合考虑各部件内流动之间的相互作用，舍弃了单流道的分析方法。

对各种叶片数量的模型分析后，9个叶片的压气机在特定工况下更符合设计要求，如表4所示。

表4不同数量叶片的压气机参数表下面将对压气机K5ROUND9p零件配置模型的计算结果进行详细分析。

压气机叶轮长短叶片数量均为9片，蜗壳喉舌位置圆角5mm，出口宽高为10.5mm。

其内流场的数值模拟结果，如图3～图6所示。

图3上视上偏置8mm平面的压力速度分布目标类型目标值计算目标区域表面表面表面质量流量平均静压容积平均静压进、出口表面进、出口表面测量环内表面的静压表面全局Z向剪切力Z向剪切力所有静止墙体内表面全部流体区域计算目标目标方程单位度量值压差损失叶轮所受扭矩{SG Av Static Pressure Inlet}-{SG Bulk Av StaticPressure Impeller's Outlet}{GG Z Component of Torque Torque on Impeller Torque}-{SG Z Component of Torque at Stator}压力（Pa）扭矩（N.m）整体效率{Pressure Drop}*{Inlet Volume Flow1：Volume flow ratenormal to face：3.000e-001}/418.88/{Torque on Impeller}无量纲出风口墙体进风口YZXYZXYZX 零件主流叶片数[n]叶轮扭矩[N*m]效率5P7P9P5790.06366240.06506830.21677613.3013.3427.42111015110769110523110278110032109786109541109295109049108804108558Pressure[Pa]Vector Plot:Velocity RRF[m/s]Pressure[Pa][101294;111131]ZY X第4期何学群等：低速电驱离心压气机特定工况下内部流场的数值模拟199如图3所示，是在设计工况流量Q 为0.013m 3/s 下压气机整体的三维静压速度矢量图。