离心式压气机内部流场模拟分析及叶轮结构参数优化

发布时间：2017-09-17 23:22

  本文关键词：离心式压气机内部流场模拟分析及叶轮结构参数优化

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【摘要】：近年来,随着人们对变工况性能的追求和VGT(Variable Geometry Turbocharger)技术的推广,宽广的流量范围同压比、效率一样对压气机而言显得越来越重要。目前,进气回流机匣处理不失为一种快捷、经济、可靠的拓宽特性曲线(MWE,Map Width Enhancement)装置,但其往往伴随着压气机性能的降低。本文利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术预测并研究了压气机的性能及内部失稳和扩稳机理,为工程实际中回流槽的位置和大小的选取提供了设计依据。此外,从实际工程应用的角度出发,首次在机匣处理级环境下对叶轮主要结构参数,开展了多工况多目标自动优化工作,全面提高了压气机的整体气动性能,避免一般气动优化工作中顾此失彼的问题。 本文的研究对象为一小型涡轮增压器的压气机,其叶轮为前倾后弯叶轮并带有进气回流机匣结构,静止部件采用无叶扩压器和蜗牛形蜗壳。首先对叶轮和蜗壳进行了实体建模,接着将CFD模拟结果与试验数据进行对比,验证了本文方法的可靠性和正确性。同时,对实壁机匣和处理机匣压气机的内部流场进行对比分析,发现叶顶间隙泄漏气流在通过激波过后迅速扩大对失速有着重要影响,开槽位置位于激波之后效果最佳。此外,本文对机匣相关结构参数做了简要的敏感性分析,结果表明回流槽的位置和大小对压气机性能有着较大影响。由于机匣处理一定程度上降低了压气机的性能,为了弥补这一缺憾,本文在有机匣处理压气机模型下,对叶轮的相关结构参数,如进口叶片角、出口后弯角、叶片前倾角、分流叶片前缘子午位置和角度等,在NUMECA软件平台上实现自动优化,使得新叶轮与机匣结构更加匹配。同时,为了兼顾扩稳后宽广的流量范围,此次优化选取了大、中、小三个工况点,在级环境下以极大化压气机整机的压比和效率来设定目标函数,最大程度恢复其性能。最终,优化模型内部流动情况得到明显改善,压比提高6%和效率提高2%。分析表明在级环境下进行多工况优化十分必要,不仅保证了压气机宽广的流量特性,而且提高了叶轮和其下游扩压系统的性能。本文的优化方法为离心式压气机的优化设计提供了一定的理论和实践参考价值。
【关键词】：离心压气机 机匣处理 叶轮 自动优化 多工况
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 涡轮增压技术简介12-13
• 1.3 离心式压气机的扩稳技术简介13-17
• 1.3.1 压气机失稳现象简介13-14
• 1.3.2 扩稳研究现状14-16
• 1.3.3 机匣处理研究的不足之处16-17
• 1.4 叶轮机械分析及优化方法17-20
• 1.4.1 CFD技术简介17-18
• 1.4.2 优化设计方法的发展概况18-20
• 1.4.3 叶轮优化研究的不足之处20
• 1.5 本文的主要工作20-21
• 本章小结21-22
• 第二章 离心压气机的造型及数值计算方法22-35
• 2.1 压气机几何造型简介22-24
• 2.1.1 叶轮曲面的几何造型22-23
• 2.1.2 压气机涡壳的几何造型23-24
• 2.2 计算流体动力学的数值计算方法24-34
• 2.2.1 流动控制方程25-28
• 2.2.2 湍流模型及其选取28
• 2.2.3 计算网格及离散格式28-30
• 2.2.4 求解方法及加速收敛技术30-34
• 2.2.5 初解及收敛标准34
• 本章小结34-35
• 第三章 机匣处理离心压气机特性预测与验证35-47
• 3.1 离心压气机的基本理论35-38
• 3.1.1 离心压气机机的结构及原理35-37
• 3.1.2 离心压气机机的性能参数37-38
• 3.2 模型网格划分及计算设定38-40
• 3.2.1 模型网格划分38-39
• 3.2.2 计算设定39-40
• 3.3 多工况特性曲线预测40-44
• 3.4 计算方法的验证与分析44-46
• 本章小结46-47
• 第四章 不同机匣结构压气机内部流动分析47-64
• 4.1 多种机匣结构压气机模型简介47-48
• 4.2 多工况特性曲线对比分析48-52
• 4.2.1 总体性能评价48-50
• 4.2.2 扩稳性能评价50-52
• 4.3 内部流动对比分析52-60
• 4.3.1 实壁机匣高转速过早失稳内部流动分析52-55
• 4.3.2 处理机匣压气机叶轮内部流动对比分析55-60
• 4.4 槽口大小的敏感性研究60-62
• 4.5 改善机匣处理大流量性能研究62-63
• 本章小结63-64
• 第五章 离心式叶轮优化设计方法64-72
• 5.1 引言64-65
• 5.2 叶轮参数化方法65-68
• 5.2.1 Bezier曲线和B样条曲线65-66
• 5.2.2 离心式叶轮参数化方法66-68
• 5.3 实验设计方法68-69
• 5.4 遗传算法69-70
• 5.5 人工神经网络算法70-71
• 本章小结71-72
• 第六章 级环境下多工况多目标叶轮结构参数优化72-87
• 6.1 叶轮模型参数化拟合72-74
• 6.2 计算网格的自动化生成74-77
• 6.3 自由参数、约束条件的确定和数据库的生成77-78
• 6.4 目标函数的确定和最优解的获取78-80
• 6.5 优化结果80-83
• 6.5.1 优化前后各元件性能对比80-81
• 6.5.2 优化前后叶轮结构对比81-83
• 6.6 优化前后内部流动对比分析83-86
• 6.6.1 叶轮内部流动对比分析83-85
• 6.6.2 叶轮出口流动对比分析85-86
• 本章小结86-87
• 结论与展望87-89
• 7.1. 全文总结87-88
• 7.2. 研究展望88-89
• 参考文献89-92
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文92-93
• 致谢93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨策;胡良军;何永玲;;叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响[J];北京理工大学学报;2006年11期

2 胡良军;杨策;孙惠民;张继忠;;机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响[J];北京理工大学学报;2010年05期

3 朱智富;马超;马朝臣;王航;;小流量下离心压气机流场分析及喘振机理研究[J];车用发动机;2011年02期

4 刘瑞韬,徐忠,孙玉山;模型级设计中CFD软件的应用[J];风机技术;2004年01期

5 肖翔,赵晓路;遗传算法在离心压缩机参数优化中的应用[J];工程热物理学报;2001年05期

6 孙玉山,周晓东,康顺;离心压缩机级的设计及三维粘性流场分析[J];工程热物理学报;2004年01期

7 郑新前;张扬军;郭宫达;张俊跃;杨名洋;;跨声速离心压气机机匣处理扩稳研究[J];工程热物理学报;2010年12期

8 汪庆桓，，赵育，高居礼;复合形法在离心压气机级总体参数优化中的应用[J];工程热物理学报;1995年02期

9 姚征,陈康民;CFD通用软件综述[J];上海理工大学学报;2002年02期

10 刘正先,王永,曹淑珍,谷传纲,苗永淼;非设计工况下离心叶轮内湍流场的LDV测量[J];航空动力学报;2004年04期

本文编号：871995