基于Fluent的涡轮增压器压气机流场模拟与噪声分析

中图分类号：TK421. 8
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）07- 0078- 03
一、引言
增压器作为柴 油机的主要配套件之一，其 设计技术是独
立于柴油机设 计技术之外的，往往也是超 前于柴油机的设计
技术。因此， 客观上增压器的发展水平也 决定了内燃机的发
展水平。由于 涡轮增压器的工作原理是依 靠高速气流来推动
三坐标测量系统得到的数据导入 UG 中之后，利用 UG 软件中依据点 云构造曲面的功能分别建立 叶轮主叶片和分流 叶片的压力面和吸力面特征，利用样条曲线构造叶轮的轮缘、 轮毅、及叶轮 进出口特征，经过曲面修剪 、有界曲面、缝合 后，最后得到叶轮三维实体模型，如图 2 所示。
经过约 15 00 0 次叠代后残差收敛，计算时间约为 28 小 时。叶轮和涡壳部分的压力分布分别如图 4 和图 5 所示。
第7期
江国和等：基于 F lu e n t 的涡轮增压器压气机流场模拟与噪声分析
79
维坐标数据， 同时测得轮毂线和轮缘线的 空间三维点列，数 据的处理是将 面的点数据编辑为文本文件 导入三维建模软件 UG，然后，依据测量时候探头所走的方向剔除明显不合理的 点，进而可以 利用软件中构造曲面功能或 点连成样条线构造 曲面功能建立叶轮曲面特征。
程计算得到的 湍流统计量和声学类比法， 来解释说明宽带噪
声源。
AP = αρ0
u3 l
u5
a
5 0
式中 αρ0————常气量体；密度； a 0 ——声速；
l ——湍流尺度；
u ——湍流速度，
（1）
并由公式：
u2 = 2 k 3
式中： k ——湍流动能。
（2）
则公式（1 ）可写成：
AP
=
αερ0
εM
5 t
图 1 压气机有叶扩压器及涡壳三维实体模型 对于压 气机叶轮，根据表面数字化技 术测试方式的不同 可以将数 据采集方法分为接触式和非接 触式两大类。传统的 测量方法是以三坐标测量机（简称 C MM）为代表的接触式。 它可以测 量各种复杂形状的零件表面， 从而实现零件表面几 何形状数 字化。随着计算机技术的发展 ，三坐标测量系统也 得到了很 大改进，它可以根据测量实物 的几何外形，实现测 量路径的 自动规划和自动编程，从而使 三维测量趋于完全由 计算机控 制。利用三坐标测量机测量压 气机叶轮主要是考察 叶轮叶片 表面特征，叶轮叶型（包括轮 缘、轮毂及进出口尺 寸）等， 通常是获得叶片压力与吸力表 面上自由点的空间三
摘 要：文中采用实体造型软件建立了涡轮增压器压气机内部流道模型和压气机流场网格模型，运用 F LUE NT6 .3
模拟了增压器压气机总成三维粘性定常流动特性，分析 了压气机的内部流动情况，并在此基础上对涡轮增压器压气
机进行了噪声的分析，为涡轮增压器压气机降噪设计提供了理论依据。
Hale Waihona Puke Baidu
关键词：涡轮增压器；压气机；流场；噪声
第 11 卷 第 7 期 2011 年 7 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 J ul y
No. 7 2011
基 于 Fluent 的 涡 轮 增 压 器 压 气 机 流 场 模 拟 与 噪 声 分 析
江国和，李涛涛
（上海海事大学 商船学院，上海 2001 35）
图 3 压气机网格模型 三、流场模拟 1．边界条件和相关设置 风机的流场模拟紊流模型采用 R NG k— 模型，稳态、基 于密度的隐式 求解．模型边界包含旋转的 动边界和静止不动 的静边界，因 此将整个计算区域划分成旋 转流体区和非旋转 流体区两个子 域．两者之间的耦合采用移 动参考坐标系模型 MR F 。MRF 模型把风道内流场简化为叶片 在某一位置的瞬 时流场，将非定常问题用定常方法计算。 气流进口边界 ：给定压气机进口的气流速 度、压力、密 度等相应的条 件。本课题采用的是质量入 流边界条件。质量 流量、总温和 静压均由实验测量得到的数 据给出，分别为： 4 .84 kg/ s，28 8.1 5K，0 Pa 。根据三维模型中的坐标情况设 定流动方向为（- 1，0，0）。气流出口边界：采用的是压力 出 口 边 界条 件 ， 定 义 出 口 压力 为 实 验 所 测 工 况下 的 压 力 2 50 KP a 。压气机的叶轮转速为 2 91 0 0r p m 。 2．压力场的计算与分析
控制方法进行研究是十分必需的，具有极为重要的意义。
二、Fl uent 噪声模型
宽带噪声源模型（B r oa d ba n d Noise S ou r ce s Mod e l）
可以在稳态结 果的基础上进行模拟，在许 多涉及湍流流动的
实际应用中， 噪声并没有固定的频率，声 强在一定的频率范
围内连续分布 。在涉及宽频噪声的情况下 ，可以用从雷诺方
涡轮旋转，涡 轮再驱动离心式压气机将空 气进行压缩供柴油
机使用。因此增压器在运行过程中不可避免的产生高速气流，
由高速气流产 生的噪声是增压器噪声的主 要噪声源，此外高
速旋转机械的 振动也是增压器的噪声源之 一。随着动力装置
在使用过程中对噪声要求的提高，减小噪声对使用者的危害，
对增压器的噪 声源进行分析，对涡轮增压 器噪声产生机理和
图4 叶轮动压分布
图 2 叶轮三维实体模型 2．压气机网格划分 将在 UG 中生成的有叶扩压器及涡壳流道、叶轮流道模 型存储为 X_T 格式图形文件，并导入 GAMBI T。将叶轮扩压 器和涡壳网格做为一体。在 GAMB IT 中划分网格，采用的是 适应性较强的 非结构化四面体网格，最后 生成的压气机有叶 扩压器及涡壳涡壳流道、叶轮流道、进气口网格如图 3 所示。
（3）
其中： Mt =
2k a0
收稿日期：2 01 1- 0 4- 22 作者简介：江国和，上海海事大学商船学院。
都是根 据单位体积各向同性湍流而产 生的声强。通过直
接数值模拟（DNS ）重新校准了常量 αz ，本文在 F LUENT 计算中，就使用这个校准后常量 αz 。
二、物理模型及网格划 1．涡轮增压器压气机三维模型 本课题是以 ABB 的某型号的增压器为研究对象，根据图 纸以及实 验模型建立实体模型。由于本 课题增压器压气机涡 壳采用变 截面的椭圆形形状，这种涡壳 较其他型式的效率要 高，流量 大大些。这种最大的优点是压 气机外形尺寸得以缩 小。此时 有叶扩压器部分进一步减小， 使得整个压气机涡壳 显得既紧 凑小巧，充分体现了增压器的 小型化。由于环状流 道在不同 角度截面上是不同的：首先需 要利用等环量定理计 算 得到 的流 道参 数建立 草图 来确 定不 同角 度截 面的流 道形 状；其次 利用上一步的草图建立流道轮 廓，通过扫掠命令得 到整体模 型；最后是在已有流道轮廓特 征基础上完成涡壳的 进口与出口特征，利用 UG 建模得到涡壳的几何模型。压气 机有叶扩压器及涡壳三维实体模型如图 1 所示。