摘 要

在汽车上，压气机作为增压设备，大大的提高的充气系数，让单位体积的发动机能提供更大的输出功率。涡轮增压器一开始是应用于跑车或方程式赛车上，不过随着科学水平的不断提升，涡轮增压器逐渐被应用于各类汽车上。离心式压气机作为涡轮增压器的核心部件，其各项参数对涡轮增压器整体性能都有重要影响。如何使其结构更加紧凑，压缩比更高，效率更高，是当前离心式压气机的研究重点。由于离心式压气机内部流场较为复杂，如果凭借经验并且通过不断尝试来设计发动机，那样不仅研究周期长，而且设计难度也颇高。不过随着计算机技术的发展，流体力学的不断进步，CFD技术开始广泛用于离心式压气机的研究。

本文利用建模软件CATIA完成了一部离心式压气机的大致模型，利用ansys里面的fluent对其内部的流场进行了一系列的模拟，分析其内部气体流动的大致情况。通过改变叶轮机叶片的进口叶片角，出口叶片角，出口叶片宽度叶顶间隙等参数来做对比实验，分析这些参数对叶轮机的影响以达到对叶轮机的优化作用。

关键词：离心式压气机；Fluent仿真分析；三维流场分析；压气机性能

Abstract

In the car, the compressor is used as a booster device, which greatly increases the air-inflating coefficient so that the unit-volume engine can provide more output power. Turbochargers were initially used in sports cars or formula cars, but with the continuous improvement of scientific level, turbochargers are gradually being applied to various types of automobiles. Centrifugal compressors are the core components of turbochargers, and their parameters have an important influence on the overall turbocharger performance. How to make its structure more compact, higher compression ratio and higher efficiency is the focus of current centrifugal compressor research. Due to the complexity of the internal flow field of the centrifugal compressor, if the engine is designed based on experience and through continuous trials, not only the research period is long, but also the design is difficult. However, with the development of computer technology and continuous improvement of fluid mechanics, CFD technology has been widely used in the research of centrifugal compressors.

This paper uses the modeling software CATIA to complete a rough model of a centrifugal compressor. Using fluent in ansys, a series of simulations of its internal flow field are performed to analyze the general condition of its internal gas flow. By changing the inlet vane angle, outlet vane angle and exit vane width and tip clearance of impeller blades, comparative experiments were carried out to analyze the influence of these parameters on the impeller to optimize the impeller.

Keywords: Centrifugal compressor; Fluent simulation analysis; Three-dimensional flow field analysis; Compressor performance

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究目的和内容 2

第2章 模拟仿真数值计算理论基础 4

2.1 计算流体力学简介 4

2.2 数值求解方法介绍 5

2.3 流体流动的控制模型 6

2.3.1 质量守恒方程 6

2.3.2 动量守恒方程 7

2.3.3 能量守恒方程 8

2.4 湍流模型 8

第3章 涡轮增压器压气机建模与数值计算 10

3.1 离心式压气机基本结构和原理 10

3.2 计算网格的划分 12

3.3 边界条件及离心式压气机的基本参数 13

3.4 仿真结果 14

第4章 叶轮参数对压气机性能影响研究 16

4.1 进口叶片角对性能的影响 16

4.2 出口叶片宽度对性能的影响 17

4.3 出口叶片角对性能的影响 18

4.4 分流叶片周向位置对性能的影响 19

4.5 叶顶间隙对性能的影响 20

4.6 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景

当前社会对能源的需求日益扩大，人们对环境日益重视，尤其是在汽车领域。各个国家都对汽车节约能源方面进行管理，约束。

目前，汽车领域节约能源主要从两个角度考虑。一是努力寻找新的替代能源，它要求更清洁更高效，还要求能正常投入使用；二是研究新技术，努力调高内燃机的能量利用率。新的替代能源从发现到投入使用还有点遥不可及，目前就只有努力研究新技术去提升燃料利用率来降低排放。就目前而言，涡轮增压技术在内燃机节能减排中具有重要地位，是节能减排的核心技术之一[1]。随着科学技术的发展，大部分柴油机以及小部分的汽油机都使用了涡轮增压技术[2]。而涡轮增压技术的核心就是涡轮增压器，涡轮增压器的出现，给予了内燃机全新的设计思路，让人们对传统内燃机有了全新的认识[3]。使用涡轮增压器后，同种体积的内燃机的输出功率相较于之前调高了30%左右，并且随着技术的不断更新，增压比的不断增加，这一数值还能进一步提升。随着科学技术的不断提升，制造技术的不断进步，涡轮增压器的性能更加强大，适用性更加广泛，工作也更加可靠[4]。

对于提升内燃机的动力性和经济性，涡轮增压技术效果显著，同时还能起到降低内燃机的尾气排放的作用。离心式压气机作为涡轮增压器中最广泛的应用部件，其本身的结构是十分复杂的，压气机叶片的可变性相当大，曲率和扭曲程度可变范围很广，加之气体流动复杂，在压气机运转时，气体是属于一种三维，粘性，非定常流动，与此同时还有部分二次流[5]。虽然说当前的研究手段具有一定的局限性，但是，由于压气机的广泛使用，通过当前对压气机内部流场的研究来对压气机的设计进行优化处理还是具有十分重要的现实意义的[6]。

1.2 国内外研究现状

就目前而言，国内外学者对离心式压气机内部的气体流动进行了大量的研究，常用的研究手段包括单纯的理论分析，实验研究以及CFD数值模拟。单纯的理论分析主要是从宏观的角度进行指导，但是，对于目前精细化，准确化的研究趋势而言，主要还是通过实验研究，数值模拟两个研究途径[7]。

由于我国科学技术之前发展较慢，因而关于高转速的离心式叶轮机的内部流场的各项实验研究我国的研究还甚少，在国外，也只有美国，德国以及日本等国家进行的实验研究会稍多一点点。

Acosta和Bowerman在测量压片类型为后弯叶片的离心压气机的叶轮内部流场时使用旋转压强探针，通过不断计算，得到了叶轮内流道中的流场各个基本参数，以及整个相对总压损失 [8]；Dean和Senoo通过自主设计实验研究分析，提出“射流/尾迹”理论，认为流体的射流与尾迹之间的相互作用使得流体发生掺混以致均匀化直接导致了的速度亏损发生[9]；Eckardt通过实验中高压比的离心式压气机出口部分的射流尾迹，测得其流场参数分布，通过计算分析总结，得出了尾迹区的流体主要特性[10]；Krain H通过测量有叶扩压器的内部流场，发现扩压器的流场分布与尾迹的非定常和叶轮出口空间的不均匀性有很大的联系[11]；美国的NASA Lewis以低速离心式压气机为主要研究对象，进行了一系列的实验项目研究，主要目的是详细测量整个工作过程，来评估CFD程序的准确性，从而建立较为准确的离心式叶轮机的物理模型[12]；日本的MIzuki以低速叶轮为研究对象，通过实验发现，叶片载荷在很大程度上影响射流的尾迹结构[13]。

在我国，对于离心式压气机的内部流场的实验研究还相对较少，尤其是关于高转速的压气机的流场分析的文献资料还相对而言较为稀缺。在二十世纪五十年代，吴仲华通过相对流面法，对离心叶轮机的流场进行实验加理论分析，发表了叶轮基于S1和S2流面模型的叶轮机械三元流动通用理论，这一理论对后续的数值模拟研究具有深远影响[14]；初雷哲以高压比高转速的离心式压气机为研究对象，通过研究其内部的流场的各项参数，分析计算出流体尾迹发展与流体泄漏流动的相关联系，同时也研究了压气机叶片的前缘形状对流体的影响[15]；高井辉通过对比分析实验所得的流场特性曲线，多角度分析了造成气体流动损失的各个因素，并且针对这些因素对压气机提出了一系列的改进措施[16]。

1.3 本文主要研究目的和内容

本文所做工作如下：

查阅相关文献，了解涡轮增压器离心式压气机的基本结构，理解其工作原理，并利用CATIA建立涡轮增压器离心式压气机的模型。

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