应用于有机朗肯循环的涡旋膨胀机非稳态流动特性研究

发布时间：2017-12-25 17:10

本文关键词：应用于有机朗肯循环的涡旋膨胀机非稳态流动特性研究　出处：《北京理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：涡旋式膨胀机作为小微型余热回收系统的关键做功部件,以其运行平稳、噪声低、效率高、结构紧凑以及可靠性好等优点,逐渐成为该研究领域的热点。本文针对车用发动机有机朗肯循环余热回收系统的某型涡旋膨胀机,利用三维CFD数值模拟方法,研究了膨胀机非稳态内流特性,探讨了膨胀机非稳态性能的影响因素。本文主要研究内容与成果如下:讨论了适用于涡旋膨胀机数值模拟的网格划分与控制方法以及动边界控制方法。提出采用三角形网格轴向分层拉伸并结合边界网格局部加密的方法划分形变计算域网格。通过动态网格弹性光顺以及局部重构法更新网格,确保计算的稳定性与收敛性。进行了数值模型的网格无关性验证,分析了质量流量、扭矩、效率等对网格密度的敏感性。根据膨胀机质量流量、膨胀比及功率等试验性能参数,验证了数值模型的有效性。分析了吸气孔口位置和齿端型线变化对涡旋膨胀机非稳态性能的影响,研究了动涡旋齿齿端动态遮挡下膨胀机气流脉动、吸气腔和膨胀腔流动特性,对比了不同吸气结构下膨胀机吸气腔流场结构的差异。结果表明,调整吸气孔口开设位置或齿端修正型线,降低齿端对吸气孔口的遮挡程度,能有效提高膨胀机性能,并减弱吸/排气气流、气体力及力矩的脉动。齿端遮挡程度越小,集气室漩涡强度越弱,孔口气流脉动向膨胀机进口的逆向传递速率越低。吸气孔口射流、吸气旋流及壁面约束等使吸气腔非均匀流场随曲轴转角不断变化。与双圆弧-直线齿端修正型线相比,单圆弧修正的吸气腔流场非对称性持续更久,吸气腔压力更高且畸变度更低。研究了对称工作腔的非对称性压力分布特征及形成机理。提出了涡旋齿非稳态力矩局部分析法,分析了工作腔气动非对称性与驱动力矩脉动的关系。结果表明,吸气腔几何分离前,随着涡旋齿齿端通道过流断面的减小,在吸气旋流和边界层阻流作用下,吸气腔出现“气动分离”非对称流动现象。吸气孔口“伪泄漏”流增大了对称膨胀腔压力非对称程度。受动涡旋齿转动和背压腔流阻影响,对称排气腔压力以一定相位差脉动变化,脉动强度逐渐衰减。各转角范围驱动力矩脉动的主导因素不同,吸气过程前期,驱动力矩减小主要由静涡旋齿外壁面侧膨胀腔压降引起,对称排气腔的非对称性压力分布变化会导致力矩的脉动;吸气过程中后期,驱动力矩随吸气腔压力变化呈“先增大后减小”趋势。吸气腔压力下降缓慢,壁面型线曲率减小导致力矩持续增大;吸气过程后期,吸气腔“气动分离”导致力矩减小。提出了一种双侧对称排气结构布置方案,研究了排气结构的调整对排气腔与背压腔流场以及驱动力矩的影响差异。结果表明,双侧对称排气结构降低了排气腔和背压腔流动阻力,削弱了内部漩涡二次流损失,使排气气流更均匀。同时,双侧排气结构使驱动力矩提升约6.38%。中心吸气腔、对称工作腔之间各段涡旋齿驱动力矩均有不同程度升高,非对称工作腔之间各段涡旋齿的驱动力矩出现不同程度下降。分析了过膨胀时工作腔流场以及径向间隙切向泄漏流动特征,研究了过膨胀对驱动力矩的影响规律。受切向泄漏和工作腔容积变化影响,排气之前膨胀腔压力预先回升。过膨胀排气时工质回流,排气腔压力从下游至上游逐渐回升。在排气腔上游来流挤压、回流气流剪切作用以及壁面约束下,排气口处形成回流漩涡,排气受阻。过膨胀初期,膨胀腔下游部分工质仍克服逆压梯度和边界层黏滞力,流入下游排气腔。随着过膨胀程度增大,膨胀腔下游啮合间隙形成泄漏反流。在逆压梯度、边界层粘性力以及壁面移动作用下,反流速度增加,反流区范围扩大。过膨胀时,移动壁面对反流区上游边界位置的低速气流起“吸附”作用,气流向移动壁面减速汇集;对下游边界位置的低速气流起“挤压”作用,气流背向移动壁面加速分离。过膨胀驱动力矩较欠膨胀大幅下降,且力矩脉动增加,主要是由膨胀腔压力先大幅下降又预先回升所致。此外,排气腔压力回升、排气腔和背压腔压力脉动以及背压腔流阻降低也是导致过膨胀驱动力矩脉动的原因。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK115

【参考文献】