涡轮增压器的流动模拟方法综述.pdf

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1、14内燃机与配件2014年第7期涡轮增压器的流动模拟方法综述赖菲张翼(中北大学)[摘要]随着人们对节能环保问题的日渐关注，增压技术特别是涡轮增压器在内燃机上的应用也越来越普遍，而研究涡轮增压器内的流动对设计高效率的增压器至关重要。综合国内外研究涡轮增压器的流动模拟方法，总结和概括了在模拟增压器内部流动方面的一般方法和普遍规律，对充分了解增压器内的流动过程并改善其工作性能具有一定意义。[关键词]涡轮增压器流动模拟方法Abstract：PressureBoost，especiallyturbocha唱e

2、rbecomingmoreandmorecommonaspeoplebe-ingincreasinglycautiousaboutpollutionandenerg)rresources．Aresearchofthenuentinturbochargerisimportanttothedesignofhi曲emciencyturbocha唱eL7IKsarticlesynthesizethenuentsimulationre-searchindomesticandout．Meanwhile，itsu

3、mm撕zesthegeneralmeansofthenuentsimulationintu卜bocharger，whichhasasignificantimpactonunderstandingtheprocessofnowingwithintheturbochargerandimpmVin舀tsped'0咖ance．Keywords：TurbochargerFluentSimulation在排放法规和节能要求越来越严格的今天，增压已成车用内燃机必不可少的一项技术，在提高发动机的动力性、经济性和改善

4、排放方面发挥着重要作用，对改善起动、加速性能差、瞬间响应迟缓和冒烟严重等问题有着重大意义。涡轮增压利用排气的能量来驱动涡轮，并由涡轮带动压气机工作，从而提高了发动机的经济性，降低了污染物的排放uJ。涡轮增压器的性能与其内部气体流动有直接联系，因此要想设计出效率高、性能优异的增压器必须要对气体流动进行研究。而模拟气体流动是根据空气动力学、流体力学等一系列知识，通过模拟的方法来研究涡轮增压器内复杂的流动。1流动模拟方法介绍1．1实验法与数值模拟法流动模拟方法可分为两大类，试验法和数值模拟法。实验法，即用

5、流体力学相似理论来建立实验模型。在实验条件下对模型进行分析并根据几何相似、运动相似、动力相似将模型的各项参数和实验结果还原，推导出涡轮增压器内的气体流动情况。这种方法是基于已有实物的前提下对涡轮增压器进行分析，只能研究已研发出来的增压器，并对其分析优化，不能用于指导涡轮增压器的设计和开发。数值模拟法，即通过建立气体流动的物理模型并进行数值计算从而得出模拟结果。物理模型由流动的特点进行不同的假设和限定，从而把实际的流动问题抽象成由参数组建而成的模型。一般工程应用中常按流动特点将物理模型分为零维模型、一

6、维模型和多维模型。本文所讨论的涡轮增压器内部流动属于三维流动口’。除了物理模型，数值计算也是模拟方法的重要基础，目前应用最广泛、最成熟的是有限元法和有限差分法。有限元基本思想是把一个复杂的大问题化为大量的简单小问题，善于处理复杂几何区域内的势流问题和粘性可压缩流动问题。与其他数值解法相比，特点是把所有单元组合起来表示整个问题之前，它可以先对一个单元的节赖菲张翼：涡轮增压器的流动模拟方法综述15点变量建立起一组关系式。有限差分法基本思想是用离散节点变量的差商代替微商，直接将微分方程转化为代数方程。它的

7、离散节点一般只能沿坐标平行分布，在处理复杂边界的能力上不如有限元法，但是在求解高雷诺数流动方面更为成熟。1．2计算流体力学(CFD)理论数值计算过程因为包含大量的方程求解和数值迭代，计算十分复杂，随着计算机技术的发展，数值计算可以通过大型的工程软件来实现，这就催生了一个新的学科CFD一计算流体力学。CFD方法是对流场的控制方程组用数值方法将其离散到一系列网格节点上，并求其离散数值解的一种方法。cFD软件以N—s方程组与各种湍流模型为主体加上边界条件、初始条件构成封闭的方程组来数学描述特定流场、流体的

8、流动规律，具体的流场控制方程可按与时间变量导数阶次分为椭圆型、抛物线型和双曲型。为了提高运算速度，CFD软件采用了各种加速收敛技术，如多层网格法、残差光顺法、当地时间步长法等来加速收敛速度。国外曾对涡轮增压器内部流动进行过很多的模拟计算和分析，研究方法主要是用计算机对涡轮增压器进行空气动力学计算、流场分析和结构设计∞J。一些发达国家在二十世纪六十年代中后期就已经开始用计算机进行径流式涡轮的空气动力学与三元流动分析，并且用先进的激光测试技术来进行三元粘性流场的验证分析。