涡轮增压器离心压气机噪声的数值计算及低噪声优化设计研究

发布时间：2020-10-16 02:10

　　 从1907年波西提出涡轮增压技术以来,由于涡轮增压型内燃机有增大功率、降低油耗和降低排放的绝对优势,目前绝大多数的内燃机都是涡轮增压增压型内燃机。随着涡轮增压技术的快速发展,增压器转速不断提高,增压压比也不断增大,增压器引起的噪声问题日趋严重。压气机作为增压器主要噪声源,它的噪声主要有内部气体流动产生的气动噪声和因壳体振动产生的辐射噪声。对压气机这两部分噪声进行计算和研究对低噪声压气机优化设计具有重要的指导意义。本文的重点工作内容如下:(1)利用Fluent软件,计算了压气机在5个工况下的稳态流场,研究了叶轮、扩压器和蜗壳部位的流动速度与压力的分布特性,分析压气机内部流动损失产生的部位和原因。同时为压气机噪声的数值计算提供数据支撑。(2)基于宽带噪声模型和Morhing声类比的混合法,计算并分析了压气机内部噪声源分布特性和噪声声压级频谱特性。研究结果表明:压气机的气动噪声主要是由叶轮和扩压器内部高度复杂的气体湍流流动产生的,叶轮叶片噪声功率高的区域分布在叶片前缘、叶顶间隙和叶片尾缘区域,而扩压器叶片噪声功率高的区域分布在叶片前缘,叶片尾缘噪声功率较小。内部气动噪声有明显的离散频谱特性,在转速为30000r/min时,离散噪声频率出现在1阶轴频、3阶轴频、5阶轴频和1阶叶频处,离散噪声声压级最大值出现在一阶轴频处。(3)基于Morhing声类比的混合法和实验方法,计算并分析了压气机在转速为30000 r/min时壳体辐射噪声的特性。研究结果表明:压气机蜗壳内表面的声学压力波动是压气机壳体辐射噪声的主要激励源,即气动噪声是壳体辐射噪声的主要来源,也是未来噪声控制的重点。壳体辐射噪声的离散噪声频率与气动噪声的离散噪声频率一致,离散噪声声压级最大值出现在一阶叶频处,蜗壳结构起到了很好的隔声作用。(4)利用宽带噪声模型,研究了叶轮主叶片前缘进口角参数变化对等熵效率和声功率级的影响。研究结果表明:适当的增大前缘进口角,能提高压气机的等熵效率的同时降低压气机噪声声功率。根据研究结果,综合考虑等熵效率及噪声声功率级两个指标,优化了前缘进口角参数。综上所述,本文较为系统地研究了压气机气动噪声和壳体辐射噪声的数值计算方法,分析了上述两个噪声声场的分布特性和两者之间的联系。并以叶轮主叶片前缘进口角参数优化为例,为低噪声压气机结构的优化设计提供了方法支撑。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB53;TH45
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 本文的研究背景及意义
    1.2 本课题研究现状
        1.2.1 压气机噪声数值及实验研究
        1.2.2 压气机噪声控制研究
    1.3 本文研究方法与研究内容
        1.3.1 本文研究方法
        1.3.2 本文研究内容
    1.4 本章小结
第2章 离心压气机流场仿真及噪声计算理论基础
    2.1 引言
    2.2 计算流体动力学基本控制方程
        2.2.1 控制体
        2.2.2 质量守恒方程
        2.2.3 动量守恒方程
        2.2.4 能量守恒方程
        2.2.5 状态方程
    2.3 湍流时均控制方程
        2.3.1 雷诺时均法
        2.3.2 时均质量守恒方程
        2.3.3 时均动量守恒方程
        2.3.4 主要湍流模型假设
        2.3.5 湍流粘性系数法
        2.3.6 两方程k-ε模型
    2.4 计算流体力学的步骤
        2.4.1 建立控制方程
        2.4.2 控制方程离散
        2.4.3 边界条件
        2.4.4 求解代数方程组
    2.5 离心压气机气动声学仿真的基本方法
        2.5.1 计算气动声学法
        2.5.2 宽带噪声模型
        2.5.3 混合法
    2.6 离心压气机壳体辐射噪声计算
        2.6.1 蜗壳声辐射计算
        2.6.2 蜗壳结构振动计算
    2.7 本章小结
第3章 离心压气机流场数值计算与分析
    3.1 引言
    3.2 离心压气机参数化模型的建立
        3.2.1 Bladegen与Turbogrid模块简介
        3.2.2 离心压气机的原始模型
        3.2.3 Spanwise放样法
        3.2.4 原流体模型子午流道面的提取
        3.2.5 生成子午流道面流线
        3.2.6 提取叶片分段面
        3.2.7 导入Bladegen
        3.2.8 选择叶片参数线
        3.2.9 调整子午面方向
        3.2.10 调整前缘与尾缘形状
        3.2.11 生成参数化模型
        3.2.12 叶片参数控制
    3.3 离心压气机的网格划分
        3.3.1 网格划分工具的选择
        3.3.2 网格生成结果
        3.3.3 网格无关性验证
    3.4 离心压气机的流场数值方法
        3.4.1 湍流模型的选择
        3.4.2 边界条件
        3.4.3 收敛标准
    3.5 离心压气机的流场仿真结果
        3.5.1 仿真结果验证
        3.5.2 离心压气机整体气动性能分析
        3.5.3 叶轮区域流场分析
        3.5.4 扩压器区域流场分析
        3.5.5 蜗壳区域流场分析
    3.6 本章小结
第4章 离心压气机气动噪声计算及分析
    4.1 引言
    4.2 基于宽带噪声模型压气机气动噪声计算与分析
        4.2.1 离心压气机整体声学性能分析
        4.2.2 叶轮区域声场特性分析
        4.2.3 扩压器区域声场特性分析
        4.2.4 蜗壳区域声场特性分析
    4.3 基于Morhing声类比的混合法压气机气动噪声计算与分析
        4.3.1 压气机气动噪声计算流程
        4.3.2 压气机气动噪声模型和边界条件
        4.3.3 压气机气动噪声计算工况和方法
        4.3.4 气动噪声结果分析
    4.4 本章小结
第5章 离心压气机壳体辐射噪声计算及分析与实验研究
    5.1 引言
    5.2 压气机壳体辐射噪声计算流程
    5.3 压气机壳体辐射噪声模型和边界条件
    5.4 压气机噪声振动实验
    5.5 壳体辐射噪声计算结果分析
    5.6 振动噪声实验结果分析
    5.7 本章小结
第6章 叶轮主叶片前缘进口角对压气机流动及噪声的影响研究
    6.1 引言
    6.2 前缘进口角的参数设计
    6.3 离心压气机网格
    6.4 数值方法和边界条件
    6.5 结果分析
        6.5.1 流场结果分析
        6.5.2 声场结果分析
        6.5.3 前缘进口角的优化
    6.6 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2842592