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车用可变涡轮增压器涡轮流场CFD分析

张新  
【摘要】:随着发动机排放要求的不断严格与能源的不断匮乏,节能和减排已经成为当今发动机发展的最大机遇和挑战。为了提高和改进发动机的动力性、经济性和排放性,涡轮增压发动机已成为现代发动机的一个基本机型。在涡轮增压发动机中,涡轮增压器性能对发动机性能有重要的影响,而涡轮效率又决定着涡轮增压器的效率。虽然,增压发动机改善了自然吸气发动机的综合性能,但是,普通涡轮增压发动机存在低速扭矩不足、加速响应滞后、低油耗运行区窄等缺陷,尤其是普通涡轮增压汽油机会出现爆震现象。因此,比普通涡轮增压器更具优越性的可变喷嘴涡轮增压器成为发动机研究者热衷的研究课题。 论文中以某款可变喷嘴增压器(VNT)的涡轮为研究对象,应用UG三维绘图软件提取出涡轮内部流场三维模型。通过计算流体力学(CFD)数值计算方法对涡轮内部三维稳态流场进行模拟计算,以研究涡轮内流场的运动情况和变化规律。通过比较模拟计算数据与涡轮增压器台架试验数据验证涡轮内流场数值计算的可行性。 研究结果表明:涡轮蜗壳设计合理,蜗壳内流动损失小,没有出现回流、旋流和突扩等不良现象。蜗壳中流场的温度、压力和流速的分布规律和变化情况满足气体动力学原理,并且蜗壳内气体的流动轨迹近似于对数螺旋线。在喷嘴环区域,叶片间气体的流动特性能够满足渐缩形喷管的流动规律,沿着气体流动方向,压力和温度是逐渐降低的、速度是逐渐升高的。但是,在喷嘴环大开度时,喷嘴环叶片的头部型线需要结合涡轮所有工况进行优化,减小叶片头部的迎风阻挡面积,降低叶片头部的碰撞损失。最后通过不同喷嘴环开度流场的对比分析,得到了可变喷嘴涡轮增压器的工作特点,通过改变喷嘴环开度控制进入叶轮的流体速度,从而控制增压器增压性能,满足发动机所有工况进气量需求。


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