柴油机可变截面涡轮增压器内流场仿真研究.docx

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柴油机可变截面涡轮增压器内流场仿真研究

中图分类号：

U462.212

学校代码：

10856学号：

M060110119

上海工程技术大学硕士学位论文

柴油机可变截面涡轮增压器内流场

仿真研究

作者姓名：

雷杰

指导教师：

王岩松教授

专业：

车辆工程

学院：

汽车工程学院

申请学位：

工学硕士

完成时间：

2012年12月

评阅人：

陈关龙教授陈凌珊教授答辩委员会主席：

陈关龙教授成员：

柴晓冬教授陈凌珊教授杨俭教授吴训成教授

UniversityCode：

10856StudentID:

M060110119

ASIMULATIONONINTERNALFLOW

FIELDOFVARIABLEGEOMETRY

TURBOCHARGUSEDINDIESELENGINE

Candidate:

LeiJie

Supervisor:

ProfessorWangYansong

Major:

VehicleEngineering

AutomotiveEngineeringCollege

ShanghaiUniversityofEngineeringScience

Shanghai,P.R.China

December,2012

上海工程技术大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：

年月日

上海工程技术大学

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权上海工程技术大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上方框内打“√”

学位论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

年月日日期：

年月日

柴油机可变截面涡轮增压器内流场仿真研究

摘要

涡轮增压器是柴油机的重要组成部分，其性能好坏对汽车的动力性、燃油经济性和排放影响很大。

随着社会对能源及环保越来越关注，研究者在传统涡轮增压器基础上提出了可变截面涡轮增压器（VGT），该涡轮增压器可通过调节喷嘴环叶片开度来满足车辆低速、高速和加速工况等不同工况下柴油机的最佳性能需求，已成为柴油机工程领域的研究热点。

本文以某柴油机用VGT为研究对象，应用CATIA软件建立其流场三维模型。

基于计算流体力学（CFD，运用CFX仿真软件对不同喷嘴环叶片参数的涡壳内部进行了仿真研究，揭示了蜗壳内场的流体运动特性和变化规律，研究了柴油机不同工况下与VGT的匹配问题。

对比仿真计算结果与涡轮增压器实验数据，误差范围在10%之内，验证了CFX模拟仿真研究的正确性和可行性。

通过改变叶片高度和长度分析喷嘴环出口面积变化和蜗壳内流场分布，得出了最优的叶片高度和长度。

柴油机固定转速、不同喷嘴环叶片开度的仿真结果表明：

可通过降低蜗壳入口至蜗壳圆弧的曲率变化来优化蜗壳型线；可通过优化叶片头部型线来减小喷嘴环叶片头部的迎风面积；可采用弯翼叶片减少蜗壳内存在的气体滞止现象，减小流量损失。

6种不同叶片开度的仿真结果表明：

低速工况时，应减小喷嘴环叶片开度，增大涡轮转速；高速工况时，宜增大喷嘴环叶片开度，防止涡轮超速现象；加速工况时，需调节喷嘴环叶片开度，以减少涡轮延迟现象。

本文所采用的研究方法可推广至各类涡轮增压器的研究过程中，所得出的结论可为VGT结构设计和控制策略研究提供指导。

关键词：

可变截面增压器（VGT），计算流体力学（CFD，CFX，增压器匹配

I

ASIMULATIONONINTERNALFLOW

FIELDOFVARIABLEGEOMETRY

TURBOCHARGUSEDINDIESELENGINE

ABSTRACT

Asanimportantpartofdieselengines,theturbochargeraffectsonthetractivepower,economicalefficiencyandtheemissionofavehicle.Withtheincreasinglyattentionstotheenergysavingandenvironmentalprotection,thevariablegeometryturbocharger（VGThasbeenproposedanddesignedbysomeresearchersbasedonthetraditionalones.TheVGT,whichcanbeusedtoadjustopeningangleofthenozzlevaneforsatisfyingdifferentworkingconditionsofadiesel,suchasthoseoflow-speed,high-speedandacceleration,hasbecomeoneoftheactivetopicsintheareaofdieselengineering.

FocusingonaVGTusedinasamplediesel,firstly,thisthesisestablisheda3-DnumericalmodeloftheVGTbyusingtheCATIAsoftware.Accordingtothetheoryofcomputationalfluiddynamics（CFD,theCFXsoftwareisappliedtosimulatetheinnerflowfieldsofthevoluteunderdifferentparametersofthevaneofnozzlering.Thus,theflowmovementcharacteristicsinsidethevoluteandtheVGTmatchingproblemsarerevealedanddiscussed.Comparingthesimulatedandthetestedresults,anmaximumerrorlessthantenpercentsuggeststhattheCFXsimulationprocesureiscorrectandfeasible.Theoptimalheightandlengthofthenozzlevanearedeterminedbyanalyzingboththeoutletareavariationofthenozzleringandthedistributionofinnerflowfield.Thesimulationsunderafixedenginespeedanddifferentopeningangleofthenozzleringshowthat,theoutlineofthescrollnozzlecanbeoptimizedbyreducingthecurvaturevariationsfromtheentrancetoarcofthevolute;anoutletoptimizationofthevaneheadmaybeconductedforcuttingoffitswindwardarea;thevanewithbentingwingscanbeusedtorepressthegasstagnationoccuredinthevolute,thereby,alowerlossofflow.Thesimulatedresultsofsixkindsofopeningangleofthenozzlevaneimpliesthat,theopeningangleofnozzlevaneshouldbedecreasedandtheturbinespeedshouldbeincreasedatlowspeed;theopeningangleshouldbeincreasedtopreventtheover-speedphenomenonoftheturbineoccurredathighspeed.Undertheaccelerationconditions,itisreasonabletoadjust

theopeningangletoeliminateeffectsoftheturbinedelay.

Theapproachadoptedinthisthesiscanbeextendedtostudyanykindofturbocharger.AndtheaboveconclusionsmayberegardedasreferencesforstructuredesignandcontrolstrategyresearchofVGTsinthefuture.

KEYWORD:

VariableGeometryTurbocharger（VGT,ComputationalFluidDynamics（CFD,CFXsoftware,Turbochargermatching

目录

第一章绪论...................................................................................................................1

1.1研究背景及意义..........................................................................................................................1

1.2可变截面涡轮增压器简介..........................................................................................................2

1.3国内外可变截面涡轮增压器研究现状......................................................................................4

1.3.1国外蜗壳内流场的研究现状..........................................................................................4

1.3.2国内蜗壳内流场研究现状...............................................................................................5

1.4本文研究内容..............................................................................................................................7

第二章涡轮增压器壳内流场的基本理论和方法.............................................................9

2.1涡轮增压器壳内流体力学基本特性.........................................................................................9

2.1.1理想流体与黏性流体.......................................................................................................9

2.1.2可压流体与不可压流体..................................................................................................9

2.1.3层流与湍流......................................................................................................................9

2.2流体动力学的控制方程...........................................................................................................10

2.2.1质量守恒方程................................................................................................................10

2.2.2动量守恒方程................................................................................................................10

2.2.3能量守恒方程................................................................................................................12

2.3控制方程的离散.......................................................................................................................12

2.3.1有限差分法.....................................................................................................................13

2.3.2有限元法........................................................................................................................13

2.3.3有限体积法.....................................................................................................................13

2.4湍流模型..................................................................................................................................14

2.4.1直接数值模拟（DNS......................................................................................................15

2.4.2大涡模拟（LES..............................................................................................................15

2.4.3Reynolds平均法...........................................................................................................15

2.5流场的求解计算........................................................................................................................16

2.6本章小结...................................................................................................................................18

第三章可变截面涡轮增压器和柴油机的匹配.............................................................19

3.1定截面涡轮增压器与柴油机匹配的研究................................................................................19

3.1.1柴油机与压气机的匹配................................................................................................19

3.1.2柴油机与涡轮的匹配....................................................................................................20

3.1.3压气机与涡轮的匹配....................................................................................................21

3.1.4柴油机与增压器的匹配................................................................................................21

3.2可变截面涡轮增压器与柴油机匹配的研究...........................................................................22

3.2.1可变截面涡轮增压器与柴油机的匹配要求................................................................22

3.2.2喷嘴环出口截面积的影响因素....................................................................................22

3.2.3喷嘴环出口截面积与增压器和柴油机参数的关系....................................................26

3.3本章小结...................................................................................................................................27

第四章可变截面涡轮增压器壳内流场分析...................................................................28

4.1可变截面涡轮增压器模型的建立...........................................................................................28

4.2可变截面涡轮增压器网格划分...............................................................................................29

4.3可变截面涡轮增压器试验研究和边界条件设置...................................................................31

4.3.1不同工况下涡轮测试数据............................................................................................31

4.3.2边界条件的设置............................................................................................................32

4.4可变截面涡轮增压器试验与仿真对比...................................................................................32

4.5叶片长度的变化对蜗壳内流场分析.......................................................................................35

4.6叶片高度的变化对蜗壳内流场分析........................................................................................40

4.7本章小结...........................................