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车用涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析车用涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析车用涡轮增压器是一种有效提高汽车发动机输出功率的装置，其通过蜗壳内的气流机械增压来达到增加发动机进气压力的目的。
为了提高涡轮增压器的效率和降低损失，要对其内部气流进行深入分析。
本文采用计算流体动力学（CFD）方法，对车用涡轮增压器的蜗壳内流场进行数值模拟分析，以探讨单相流三维喷油机的空气流动特性。
首先，对涡轮增压器的结构和工作原理进行介绍。
涡轮增压器的主要部件包括压气机和涡轮，其蜗壳内空气流动的基本特征为离心流动。
由于离心力的作用，气流在蜗壳内的流线弯曲，压力逐渐增加，最终使得空气进入向下的进气歧管并注入发动机。
在蜗壳内，空气流动的主要影响因素包括蜗壳内壁面的形状、进口空气速度、空气温度及气体密度等。
在本研究中，选取一款车用涡轮增压器进行模拟分析，采用Fluent软件对其蜗壳内空气流动进行数值模拟。
首先，建立涡轮增压器的三维模型，分别设定进口和出口处的边界条件。
在模拟中，采用k-ε湍流模型对其空气流动进行计算求解。
模拟结果表明，涡轮增压器蜗壳内的空气流动具有很强的非线性特性，流动速度和压力分布呈现出明显的空间异质性。
气流在蜗壳内弯曲流线处出现了明显的环绕流现象，流速逐渐递减，压力逐渐递增，最终使得空气进入到进气歧管并注入发动机。
此外，气流在转弯处和进口处均出现流动分离现象，对增压器的效率和输出功率产生了一定的影响。
综上所述，通过对车用涡轮增压器蜗壳内三维流场的数值模拟分析，可以深入了解其气流的特性和规律，为设计和优化涡轮增压器的结构和工作参数提供参考依据。
此外，在车用涡轮增压器的设计和优化过程中，除了对其蜗壳内气流进行深入分析外，还需要考虑其他因素的影响。
例如，涡轮增压器蜗壳内的气流温度可能会受到外界环境温度和发动机冷却液温度的影响，应该通过优化冷却系统来降低气流温度并提高增压效率。
另外，车用涡轮增压器的材料和制造工艺也会影响其性能表现。
涡轮增压器叶片流场的数值模拟研究涡轮增压器是一种常见的发动机增压器，通过利用废气能量，提高发动机的进气压力，增加气缸内的气体充量，从而提高发动机的功率和效率。
而涡轮增压器的核心部件之一就是叶片，它通过高速转动，将气体压缩，使其流动速度加快，进而增加气缸内的气体充量。
因此，叶片的流场特性对涡轮增压器的性能起着至关重要的作用。
为了研究涡轮增压器叶片的流场特性，科学家们使用数值模拟方法进行了深入的研究。
数值模拟方法通过建立数学模型，利用计算机进行求解，模拟真实的物理现象。
在涡轮增压器叶片的流场模拟中，科学家首先根据涡轮增压器的几何形状、边界条件等，建立起相应的数学模型。
然后，利用计算流体力学方法，对流场进行求解，得到流场的速度、压力、温度等关键参数的分布情况。
在涡轮增压器叶片的流场模拟中，流体的运动遵循了流体力学的基本方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。
其中连续性方程描述了流体的质量守恒，动量方程描述了流体的动量守恒，能量方程描述了流体的能量守恒。
通过求解这些方程，可以得到流场的各种参数。
在对涡轮增压器叶片流场进行数值模拟的过程中，需要考虑到多个关键因素。
首先是边界条件的设定。
边界条件是指在模拟中设置的一些物理参数，如进气速度、压力等。
这些参数的选取非常关键，它们对模拟结果的准确性和可靠性有着直接的影响。
其次是网格的划分。
计算流体力学方法需要将流场划分成一个个离散的网格点，通过在各个网格点上建立求解方程，最终得到整个流场的解。
在划分网格时，需要考虑到叶片的几何形状和流场特性，合理选取网格密度和大小。
最后是求解方法的选择。
计算流体力学方法有多种求解方法，如有限元法、有限差分法和有限体积法等。
根据实际情况选择适合的求解方法，可以提高模拟的效率和准确性。
通过数值模拟，科学家们可以得到涡轮增压器叶片流场的各种关键参数。
其中最重要的是叶片的压力分布和流速分布。
叶片的压力分布直接影响到气流的加速和流动方向，进而影响到整个涡轮增压器的增压效果。
航空发动机涡轮流场数值模拟及内部绕流特性分析航空发动机是现代航空技术的核心，其性能直接影响着飞机的飞行性能和燃油效率。
发动机的关键组件之一是涡轮，通过转化燃气能量为机械能来驱动涡轮机械系统。
因此，对于涡轮流场的数值模拟和内部绕流特性的分析显得尤为重要。
涡轮的数值模拟是通过计算流体力学（CFD）的方法来模拟和分析其流场特性。
数值模拟可以帮助工程师深入了解涡轮内部的复杂流动现象，如流速、温度、压力分布等，从而优化设计和改善性能。
在进行涡轮流场数值模拟之前，我们首先需要建立一个真实且准确的涡轮几何模型。
这可以通过三维扫描技术、CAD建模或者已有模型的几何重建来实现。
准确的几何模型对于数值模拟结果的可靠性和精度至关重要。
接下来，我们使用CFD软件来模拟涡轮的流场。
CFD软件基于流体动力学原理和数值计算方法，可以将连续的Navier-Stokes方程转化为离散的代数形式，并通过迭代求解方法得到稳态或者瞬态的数值解。
在此过程中，我们需要考虑诸多影响因素，如边界条件、材料特性、湍流模型等，以及对流动方程的时间和空间离散化方法的选择。
这些参数和假设的合理性直接关系到数值模拟结果的准确性与可信度。
进行涡轮流场数值模拟后，我们可以通过对结果进行后处理和分析来获取关键的内部绕流特性。
这包括但不限于速度分布、压力分布、温度分布、旋转力矩和涡量的分布。
通过分析这些特性，我们可以推断出涡轮的性能表现，如流经涡轮的流体速度变化、能量转换过程和各个组件之间的相互作用等。
此外，还可以通过绘制流线图、压力云图等直观的图像来展示流场现象，从而更好地理解和分析内部绕流特性。
通过航空发动机涡轮流场数值模拟及其内部绕流特性的分析，我们可以获得以下几个方面的信息：1. 螺旋流现象：涡轮内部的螺旋流是涡轮运行中常见的现象。
通过数值模拟，我们可以观察到螺旋流的生成、发展和运动规律，从而认识到螺旋流对涡轮性能产生的影响。
2. 湍流和损失：湍流是涡轮内部流动中的一种无序运动，会引起能量的损失。
涡轮导向器内部流场气-热耦合数值计算姚四伟1,葛 宁2,张力先1(1.空军第三飞行学院,辽宁锦州121000;2.南京航空航天大学,江苏南京210016)摘 要:通过对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器内部流场采用气-热耦合的数值模拟,研究分析了涡轮导向器内部流场的主要流动特征,给出了叶片表面的温度分布规律,对高性能的涡轮叶片设计有重要的指导意义。
关键词:航空发动机;涡轮导向器;数值模拟;气O 热耦合中图分类号:O 242 文献标识码:A 文章编号:1671O 654X (2006)05O 0069O 04引言在现代高性能的涡轮设计中,气动性能与涡轮冷却分开研究已不适应当前发动机发展的要求,对先进的航空燃气涡轮发动机而言,涡轮前燃气温度越来越高,采用更好的耐高温材料以及设计出更有效的冷却结构越来越引起人们的重视,不好的冷却结构常常带来叶片或涡轮局部被烧蚀的不良后果。
提高冷却的有效性、以更少的冷气取得更佳的冷却效果,一直是高性能涡轮设计者关注的重要问题之一。
人们在高度重视高性能涡轮设计的同时,也清楚认识到这种高性能设计与充分了解其内部流场、温度场是密不可分的[1]。
因此,针对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器叶片端部被烧蚀的现象,开展其内部流场的气-热耦合数值模拟,进行其气动)传热特性的研究,具有重要的意义和工程实用价值,这对现代高性能涡轮的设计有着重要的意义。
1 控制方程1.1 流场控制方程时间平均无量纲化任意曲线坐标系下N -S 方程:9U%9t+9E %9E +9F %9G +9G %9N =1r (f %1+f %2)+9Q %9E +9R %9G +9S%9N其中U %是未知变量矢量的一般形式,E %、F %、G %为无粘通量,Q %、R %、S %为粘性通量,f %1、f %2为源项,具体表达式见文献[2]。
1.2 叶片温度场控制方程对于以叶片为例的固体控制体,各部分之间的相对位移为0,把基本方程中的能量方程化简并在非正交曲线坐标系下展开得到:9T 9t à#(r àT )=e A #99xA r eB 9T9x B =r 9x A 9y n 9x B 9y n 92T 9x A 9x B +9x A 9y n 9T 9x B 99x A r 9x B9y n 其中r =K ÞQ C 。
变截面涡轮增压器三维流场的模拟计算张良;王仁人;史岩彬【摘要】The development of VGT is restricted by its efficiency,therefore the internal flow simulation appears very important.In this paper,through Pro/E based on geometric model of spiral flow area,then ANSYS-ICEM is used to mesh,and then STAR-CD is used to calculate the model of mesh.Flow simulation of different paddle angle in worm shell was carried out.The distribution condition of exit speed was obtained.Therefore it is helpful to improve the efficiency of the VGT.%舌形挡板涡轮增压器的效率问题一直是制约其发展的关键所在,因此对其蜗壳内流场的仿真就显得很重要。
本文通过Pro/E建立蜗壳流动区域的几何模型,而后使用ANSYS-ICEM对模型进行网格划分,然后利用STAR-CD对划分后的网格模型进行了计算。
对不同挡板开度时蜗壳内的流场进行了模拟,得到了出口速度的分布状况,这对提高增压器的效率很有帮助。
【期刊名称】《山东轻工业学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(025)003【总页数】4页(P42-44,56)【关键词】涡轮增压器;挡板角度;速度场【作者】张良;王仁人;史岩彬【作者单位】山东轻工业学院机械工程学院,山东济南250353;山东轻工业学院机械工程学院,山东济南250353;山东轻工业学院机械工程学院,山东济南250353【正文语种】中文【中图分类】TH40 引言由于排放、噪声法规的大量出台，对涡轮增压技术提出了更高要求。
涡轮增压器的叶轮流场分析与性能优化引言涡轮增压器是一种广泛应用于内燃机、航空发动机以及追求高性能汽车领域的关键部件。
它通过利用废气能量来压缩进气空气，从而提高发动机的功率输出。
在涡轮增压器中，叶轮是关键的流体动力元件，其流场分析和性能优化对于提高涡轮增压器的效率和可靠性具有重要意义。
一、流场分析1. 涡轮增压器的基本原理涡轮增压器的基本工作原理是通过利用废气能量驱动涡轮转动，从而压缩进气空气并增加其密度。
废气进入涡轮增压器的涡轮室，通过喷口将气体引入到叶轮上，造成了一个高速旋转的气流。
由于涡轮与压气机相连，气流的旋转动能转化为压缩空气的动能，进而提供给发动机。
2. 叶轮的设计与流场分析叶轮作为涡轮增压器的核心部件，其设计和优化对于提高整个系统的效率起着决定性的作用。
叶轮的设计需要考虑多个关键参数，包括叶片的数目、形状、角度以及进出口的几何形状等。
流场分析是对叶轮性能进行评估和优化的关键步骤。
3. 流场分析的数值模拟流场分析通常通过数值模拟的方法进行。
数值模拟可以精确地描述叶轮流场中的压力、温度和流速等参数分布情况。
其中，CFD（计算流体动力学）是一种常用的数值模拟方法，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程以及涡流旋转方程，可以得到流场中的各个参数。
二、性能优化1. 叶轮流通损失的分析与优化叶轮流通损失是涡轮增压器性能的重要指标之一。
流通损失主要包括径向力损失和切向力损失。
径向力损失是由于涡轮叶片与流体之间的冲击和摩擦产生的，而切向力损失则是由于叶片旋转时产生的旋涡引起的。
为了减小叶轮的流通损失，可以采取多种优化策略。
例如，通过调整叶轮几何形状，优化进出口的设计，改善流动分布。
此外，还可以利用流动模拟的结果，通过叶片表面涂覆特殊的涂层，来降低表面摩擦损失。
2. 叶轮材料与热力学性能的优化叶轮在工作过程中会受到高温高压的严酷环境影响。
因此，叶轮材料的选择和热力学性能的优化对于提高涡轮增压器的可靠性至关重要。
1GE 公司E 3涡轮部件全三维流场计算与分析曾军，王丽，王彬中航工业燃气涡轮研究院610500[ 摘 要 ] 采用全三维CFD 软件ANSYS CFX 分别对GE 公司带冷气的E 3两级高压涡轮、五级低压涡轮及共14排叶片的涡轮部件进行了全三维计算，湍流模拟采用带转捩模型Shear Stress Transport （SST ）二方程模型。
为了模拟气膜冷气喷射的影响，采用了源项模拟技术。
计算结果与试验值及部分设计值进行了对比，结果表明CFX 软件对气冷多级涡轮流场模拟具有较高的精度。
通过研究掌握了E 3发动机涡轮部件的设计特点和规律，为独立自主地开展先进民用航空发动机涡轮部件的研制提供一定的参考和借鉴。
[ 关键词 ] 民用发动机，涡轮，CFD ，湍流模型，转捩Computed and analysis of full-3D flow of GE EnergyEfficient Engine Turbine ComponentsZeng Jun ，Wang Li ，Wang Bin Avic Gas Turbine Establishment, 610500[ Abstract ] Full-3D CFD simulation was carried out by commercial CFD software ANSYS CFX ona two-stage high pressure turbine and a five-stage low pressure turbine which including fourteen-row blades designed by GE. The source term method was used to simulate the film cooling of blades. The two-equation turbulence model SST with transition was selected to compute the turbulent flow. The computed data was compared particularly to the experiment data and design data. It shows that the CFX software has high accuracy on the flow fields of multi-stage cooling turbine. The design characteristic and rules of Energy Efficient Engine Turbine Components were obtained. It offered the reference for developing independently civil aviation engine turbine components.[ Keyword ] Civil engine, Turbine, CFD, Turbulence model, Transition1 前言在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》和“十一五”规划纲要中，国家已将大型飞机定为16个重大专项工程之一。
我国于2007年重新启动了“大飞机”研制工2程项目。
这个项目同时要研制大型运输机和干线客机。
大运和干客采用的发动机都是2～4台大涵道比涡扇发动机。
振兴航空，动力先行。
要上“大飞机”工程项目，大涵道比涡轮风扇发动机的研制就显得尤为迫切。
目前世界上能独立研制各类飞机的国家有20多个，但能独立研制航空发动机的却只有美、俄、英、法、德等少数几个国家。
正因为如此，这些国家长期以来一直将航空发动机列为国家战略性产业，其核心技术严格禁止向国外出口或转移，从而形成航空动力的全球垄断。
为配合大飞机工程这一目标的实现，国内正在开展民用大涵道比涡轮风扇发动机的设计和研究工作。
由于民用大涵道比涡扇发动机的设计和使用的特殊性，国内在其产品的研制和生产方面还是空白，亟待解决设计、试验和制造等方面的关键技术。
因此很有必要了解国外先进涡扇发动机的设计参数和特征。
70年代中期到80年代初，美国为保持商用航空运输动力发展上的优势，由NASA主持实施了高效节能发动机（Energy Efficient Engine），即E 3研究计划，目的是为下一代民用航空发动机研制提供技术储备。
这一计划的实施，不仅使高负荷跨音速压气机、低污染短环燃烧室和跨音速大负荷涡轮等部件设计研制技术有了更大进展，而且按预定目标完成了样机的整机试验。
它的研究成果很快被应用于新研制的航空发动机，如CF6-80C2、CFM56-5、PW2037、PW4000、V2500等；大涵道比民用涡扇发动机GE90，广泛采用E 3发动机的研究成果，并直接应用E 3发动机的核心机技术。
因此了解和掌握E 3涡轮的设计规律和特点，对提高我国涡轮设计技术水平和独立自主的研制先进民机涡轮是非常必要和有益的。
本文根据文献[1,2]提供的数据，对GE公司E 3涡轮部件进行全三维计算和分析。
文中分别对两级高压涡轮、五级低压涡轮试验件及整个涡轮部件设计点的状态进行了全三维计算，并进行了详细分析，验证了CFX软件在气冷多级涡轮部件的适用性和精度，掌握了E 3涡轮部件的设计特点及规律,为独立自主的研制先进民用航空发动机涡轮部件提供了重要的参考和借鉴。
2 GE 公司E 3涡轮部件简介GE公司E 3发动机的设计目标的是与基准发动机CF6-50相比，耗油率降低14%，直接使用成本降低5%，噪声和排放污染符合标准要求。
为实现研制目标，GE公司确定四项技术任务：推进系统分析、设计及一体化；部件设计、研制和试验及支持技术；核心机研制和试验；核心机与低压部件组合体。
GE公司E 3涡轮部件设计为两级高压涡轮，五级低压涡轮，涡轮部件共十四个叶片排，低压涡轮转子为带冠设计，GE公司E 3发动机轮廓见图1。
其叶型、流道几何数据及边界条件来源于参考文献[1,2]，各叶片排叶片数依次为46、76、48、70、72、120、102、122、96、122、114、156、120、110，子午流道如图2所示。
表1为GE公司E 3涡轮部件设计指标[1-2]。
GE 公司的涡轮部件设计是将工作条件最苛刻的核心机与低压部件组合体(ICLS)最大爬升选作涡轮部件气动设计点。
3图1 GE 公司E 3发动机轮廓图表1 GE 公司E 3涡轮部件设计点指标参数单位ICLS 高压导叶进口总压 bar 13.03 高压导叶进口总温 K 1678 高压导叶进口流量 kg/s 26.44 高压效率 —— 0.919 低压效率 ——0.911高压转速 rpm 12630 低压转速 rpm 3511.9 高压总膨胀比 —— 4.914 低压总膨胀比——4.223 数值方法4ANSYS CFX [3]是ANSYS公司开发的一款流体计算软件，包含3个工具——前处理CFX-Pre、求解器CFX-Solver和后处理工具CFX-Post。
采用有限体积法求解三维N-S方程，在数值方法上同时利用了有限元法和有限体积法的优点。
其数值格式可从一阶迎风格式（Upwind）到二阶精度格式中任意选择。
求解器采用全隐式耦合多重网格求解技术，使CFD求解稳定且收敛较快，并具有先进的网格自适应求解功能。
CFX提供了多达16种湍流模型，包括标准的k-ε模型、SST（SHEAR STRESS TRANSPORTATION）模型、分离涡模拟模型（DES）、大涡模拟模型（LES）和雷诺应力模型等。
为了得到精确的解，必须使用能准确描述湍流机理的先进湍流模型。
在很多CFD程序中，广泛应用带标准壁面函数的k-ε湍流模型。
壁面函数假设近壁第一个网格节点满足附面层通用对数律。
然而实际上，常常很难预先生成满足这个条件的网格，若不满足这个要求将会导致流场和性能的计算精度降低。
此外，这个模型具有高估壁面处剪切应力和传热系数的特点，导致对分离流动的预估不足，计算性能参数偏高。
在近壁区域k-ω模型比k-ε模型更加准确，因此被成功地应用到具有中等逆压梯度的流动计算，但对由压力引起的流动分离计算精度不高。
尽管k-ω模型在近壁区域具有优异的性能，但由于ω方程对附面层之外来流的ω值特别敏感的缘故，限制了k-ω模型的应用。
为了解决这个问题，Menter提出了SST模型[4]。
该模型在近壁区域使用k-ω模型，而在远离壁面区域采用k-ε模型。
这样SST模型在近壁区域不仅具有k-ω模型计算精度高的特点，而且在远离壁面区域又克服了k-ω模型对来流ω敏感的问题。
在湍流模拟中靠近壁面处方程正确的数值处理也很重要。
这些公式确定了壁面剪切应力和传热系数计算的精度，并影响附面层的发展。
对SST模型来说，新的壁面边界处理方法使用了k-ω模型简单可靠的近壁公式。
它依据网格密度，自动从低雷诺数公式向壁面函数处理方式转换。
这种自动壁面处理方式避免了在稀网格条件下应用低雷诺数模型导致计算精度的降低。
和试验数据的比较证明，使用SST模型比单纯使用ε方程可得到较好的计算结果，尤其对于具有逆压梯度的流动情况[5,6]。
同时为了更准确地模拟广泛存在于叶片吸力面的转捩现象，本文湍流模拟时选用了带转捩的SST湍流模型[7]。
为了模拟气膜冷却流动，使用了源项模拟技术,即采用一条槽缝来模拟一排气膜孔，槽缝的面积等于一排气膜孔面积的总和。
在包含槽缝面每一个单元上都定义了质量源、动量源、能量源和湍流量。
需要输入冷气参数包括：质量流量、冷气流动方向角、冷气温度、冷气湍流度和涡粘性比。
当这些参数给定后就可以确定质量通量、能量通量、湍流动能通量、湍流频率通量和总的动量通量。
源项模拟技术曾在多个涡轮部件的三维数值模拟中得到很好的验证[8-10]。
计算采用的CFX软件版本为12.0，求解器采用“高分辨率”差分格式，计算中考虑了变物性的影响，导热系数、粘性系数和比热随温度变化而变化。
计算收敛精度设置为最大残差不大于5E-4。
54 计算网格为了在有限的时间内得到可信的CFD结果，高质量网格的生成和求解器性能一样重要。
同时网格质量还直接影响计算的精度、速度和收敛性。
使用叶轮机械叶片网格生成专用软件ANSYS TurboGrid 12.0[11]生成结构化多块网格。
为生成质量高的网格，在叶片近壁面生成O网格，详细模拟附面层内流动情况，同时在远离壁面处生成H型网格。
涡轮部件叶片表面冷气网格采用ICEMCFD 12.0[12]划分冷气槽缝来近似模拟，ICEMCFD 12.0设置的的冷气槽缝网格示意见图3。
生成的涡轮部件S1流面计算网格和全三维计算网格如图3所示，两级高压涡轮网格节点总数820169，单元总数756338。
