柴油机废气涡轮增压蜗壳冷却流场及工作过程仿真研究

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1、柴油机废气涡轮增压蜗壳冷却流场及工作过程仿真研究1绪论1.1论文的背景及意义1.1.1论文的背景和依据随着我们国家西部大开发战略的实施，青藏高原上行驶的车辆将会越来越多，而这些车辆的使用性能则成为一个值得关注的问题。青藏高原海拔一般都在2300m～5300m之间，人称世界屋脊，其特殊的高原气候条件和地理环境，对于车用涡轮增压柴油机性能有着重要影响。随着海拔高度的上升，大气压力下降，空气密度下降，环境温度随之降低（见表1.1），而这些环境因素对车用涡轮增压柴油机的工作性能有着直接的、重要的影响。据试验统计，海拔高度平均每升高1000米，柴

2、油机功率下降约9%到13%，油耗增加约6%，排温升高10%以上，缸盖温度升高约7%，机体热强度升高约2%～5%。虽然涡轮增压器的自补偿能力能带来很多的好处，但同时也引起很多性能参数的变化，同时有可能成为限制增压柴油机在高原正常工作的障碍。比如涡轮前温度升高、增压器转速增加、压气机喘振线右移、最高爆发压力升高、过量空气系数减小、燃油消耗率增大、排气烟度等因素中的任意一个因素就有可能限制高原工作的增压柴油机。涡轮增压器的自补偿能力在提高增压压力PK的同时，也提高了进气温度TK，而且进气温度和压力的升高会导致缸内循环温度和最高爆发压力增高，也

3、就会增加柴油机的热负荷和机械负荷[3]-[5]。传统方法主要采用中冷器对压气机增压后的空气进行冷却，中冷器的作用是降低柴油机的进气温度，强化柴油机功率，降低柴油机的热负荷。一般中冷器在正常的情况下可以降低进气温度35℃-40℃，然而随着涡轮增压器进入高原后增压度的提高，增压后空气的温度也在不断升高。目前的水冷式中冷器多采用管片式结构，通过增加换热面积来强化冷却效果。如果要增强降温效果就必须不断增大中冷器的体积，这显然对于柴油机向紧凑型、轻型化、小型化的发展目标所不利，甚至有些车用柴油机由于空间的限制无法安装中冷器。因此，仅仅依靠中冷器来

4、降低进气温度的方式已无法满足需要，需要提出新型的冷却方案.2流体及导热控制方程及数值方法理论基础涡轮增压器中压气机的性能优劣是评价增压器性能的重要指标，而压气机的性能主要取决于工作叶轮、扩压器、出气蜗壳等部件的结构参数。改进压气机蜗壳后必然会引起内部增压后空气三元流动的变化。随着计算流体力学理论的完善，计算机技术、计算数学和信息产业的不断发展，采用计算流体力学（putationalFluildDynamics，CFD）的方法可以较准确地分析压气机内部的流体三元流动过程，通过多方案计算分析可获得较优的结构参数，通过对其流动特性分析，并可以

5、得到压气机的整体性能。CFD方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础，但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析解。试验测量方法是理论分析和数值方法的基础，其重要性不可低估，然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人为因素和测量精度的限制，且还需投入相对较多的经费、人力和物力。而CFD很好的克服了理论分析和试验研究的弱点，在计算机上实现一个特定

6、的计算，且可以形象地再现流动情景。3基于原机试验的压气机空气流动流场分析研究3.1原机流体域模型及其网格网格无关解的研究...........................273.2压气机流体域进出口边界条件的确定.................................303.3废气涡轮增压压气机原机流体域的仿真计算及分析.....................313.4仿真计算结果与试验结果的对比分析研究.............................353.5本章小结.....................

7、....................................374压气机蜗壳冷却结构设计及其空气流动流场分析研究4.1废气涡轮增压压气机蜗壳内加装铜管冷却结构改进方案.................384.1.1建立铜管冷却压气机的实体及流体域模型.......................384.1.2铜管方案流体域网格的划分及边界条件的施加...................394.1.3压气机改进前与改进后模型的仿真计算结果对比及其分析.........404.2废气涡轮增压压气机水冷蜗壳结构改进方案......

8、.....................434.2.1建立水冷蜗壳方案压气机的实体及流体域模型...................434.2.2改进前与改进后模型的仿真计算结果对比及其分析.......