基于相似理论的有机工质涡轮膨胀机性能研究.pptx

1、基于相似理论的有机工质 涡轮膨胀机性能研究,学生：陈韬汽04 指导教师：张扬军教授,研究目的及内容 已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,研究目的及内容 已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,研究内容及方法,研究背景有机工质涡轮的实验条件苛刻，实验台较少，而空气工质涡轮的实验容易进行。如果用空气实验 来测试有机工质涡轮的性能，将会使实验大大简化。,汽车系发动机流动与增压研究室,研究目标依托于973项目高效、节能、低碳内燃机余 热能梯级利用基础研究，建立基于相似理论的空气介质涡轮改用有机 工质时的性能预测方法。,研究内容及方法,技术路线,汽车系发动机流动与增压研究室,

2、研究目的及内容 已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,建立基于相似理论的涡轮性能预 测方法通过CFD仿真计算得到应用相似 理论预测时产生的误差,阶段性成果,汽车系发动机流动与增压研究室,现有叶轮机械相似理论,现有叶轮机械相似理论认为，当涡轮的两个工况满足以下 两个条件时，可以认为它们是相似工况：两个涡轮的各个几何尺寸成比例；决定涡轮流场特性的无量纲数相等。处于两个相似工况下的涡轮的流场是相似的，进而它们的 性能也是相似的。涡轮主要关注的性能包括：效率、流量、功 率等。决定流场特性的无量纲数：现在普遍认为决定涡轮流场特性的无量纲数有两个：速比(Flow coefficient)，U

3、定义为轮缘速度，为 一个假想速度，定义为：马赫数，它表征了气体的可压缩性对流动的影响。还有一些学者提出，在马赫数大于1之后，欧拉数的影响比马赫数大，他们取速比和欧拉数作为决定性的无量纲数。,现有叶轮机械相似理论,主要性能参数的无量纲化根据相似理论，相似工况下涡轮的性能相似，也就是性能 的无量纲数相等。主要性能的无量纲化如下：效率：流量系数：功率系数：,性能预测方法,基于相似理论的不同工质涡轮性能预测方法流程图,步骤1：估计涡轮内流场主要的流动现象，选取两个相似准则数（如：速比和马赫数）步骤2：令选定的相似准则数相等，推导出不同工质之间对应的相 似工况步骤3：通过涡轮使用一种工质时的性能曲线，预

4、测对应工况下使 用另一种工质时的性能,性能预测准确性验证,针对一款涡轮，通过CFD手段测得其以空气为工质时的性能 曲线。再通过这个性能预测其使用有机工质时的性能曲线。通过CFD手段测得该涡轮使用真实气体为工质时的实际性能 曲线，并将其与之前预测得到的性能进行对比，进而验证这套 性能预测方法的准确性。,验证方法：,性能预测准确性验证,选择相似准则数：考虑到涡轮内部存在跨声速的现象，这里尝试采用两组相似准则 来确定相似工况，并对比其预测的准确性。准则1马赫数准则：准则2欧拉数准则,相似工况确定马赫数准则,真实气体R123的工况点：,由相似准则1（马赫数准则）推出的相似工况点：,性能预测马赫数准则,

5、空气介质涡轮性能(CFD仿真)：预测有机工质R123涡轮性能：,性能预测的偏差马赫数准则,预测值与真实值（CFD）对比：相对偏差,总静膨胀比,总静膨胀比,相似工况确定欧拉数准则,真实气体R123的工况点：,由相似准则2（欧拉数准则）推出的相似工况点：,性能预测欧拉数准则,空气介质涡轮性能(CFD仿真)：预测有机工质R123涡轮性能：,性能预测的偏差欧拉数准则,预测值与真实值（CFD）对比：相对偏差,总静膨胀比,总静膨胀比,性能预测方法产生偏差的原因,由空气介质涡轮预测有机工质涡轮的性能时产生偏差的原因 主要有一下两个方面：比热比k不同的理想气体之间的近似相似；真实气体与理想气体之间差别带来的不

6、相似。比热比本身就是一个无量纲数，所以比热比不同的工质不可 能完全相似，只能近似相似，所以选择不同的相似准则数会对预测 结果的准确性产生影响。真实气体的比热比和比热容在涡轮流道内变化较大，这个现 象在理想气体中不明显，它会对流场造成一定的影响，导致预测方 法的不准确。,减小偏差的方法,选取合适的特征比热比k,相似准则数：速比,、马赫数,的表达式中,均含有比热比k这个变量，其中而真实气体的比热比在全工况范围内和流道内都是变化的。所 以在这个变化范围内如何选择一个特征比热比将会影响性能预 测的准确性。,特征比热比选取对预测偏差的影响,准则1马赫数准则：准则1马赫数准则：,研究内容 已完成进度 计划

7、及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,汽车系发动机流动与增压研究室,进度完成情况及计划,谢 谢！,汽车系发动机流动与增压研究室,下周计划,处理完欧拉数准则的偏差结果采用流场差值来分析流场的偏差 待定：丰富k值寻找其他方法来减小偏差,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,5%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,50%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,95%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,5%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,50%叶高,Eu准则,M

8、a准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,95%叶高,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,相对速度,流场结构分析转子出口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,绝对速度,流场结构分析转子出口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,相对速度,流场结构分析转子入口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,绝对速度,流场结构分析转子入口速度三角形,Eu准则,Ma准则,涡轮几何模型建立,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,单流道三维网格划分,网格数：1,355,959最小正交角：24.231 deg最大长宽比：1036.8最大膨胀比：2.3646,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,流道三维网格质量,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,真实气体工质导出,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,