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摘要：为适应节能减排趋势，发动机的节能减排性能近年来受到业界高度重视，涡轮增压技术的应用也开始受到广泛关注。基于此，本文将应用FLUENT软件研究车用涡轮增压器蜗壳内三维流场，研究证明FLUENT软件在计算三维流场数值方面具备较高实用性，且研究中单缸机上设置的涡轮增压器工作状况良好。
Abstract： In order to adapt to the trend of energy saving and emission reduction， the energy saving and emission reduction performance of engines has been highly valued by the industry in recent years， and the application of turbocharging technology has also begun to receive extensive attention. Based on this， this paper will use FLUENT software to study the three-dimensional flow field in the volute of a turbocharger for vehicles. The research proves that the FLUENT software has high practicality in calculating the three-dimensional flow field value， and the turbocharger set on the single-cylinder engine in the research The device is in good working condition.
關键词：车用涡轮增压器;蜗壳;三维流场;FLUENT
Key words： turbocharger for vehicle;volute;three-dimensional flow field;FLUENT
中图分类号：U464.135+.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0029-03
0 引言
废气涡轮增压技术属于发动机小型化的主流途径之一，发动机的动力性、经济性、排放性能够在该技术支持下实现长足提升。作为废气涡轮增压技术的核心部件，涡轮增压器由涡轮和压气机组成，为保证废气涡轮增压技术能够更好提升发动机节能减排性能，本文将围绕具备质量轻、尺寸小、成本低、结构简单等特性的无叶蜗壳开展三维流场研究。
1 模型选择
本文研究的涡轮增压发动机属于改装Ricardo E6单缸机的产物，涡轮增压器选择Honeywell GT2052，发动机性能在涡轮增压器应用后提升显著，结合计算获取的涡轮入口处的相关参数，即可为车用涡轮增压器蜗壳内三维流场研究提供依据。由于涡轮增压器内部存在遵循能量守恒、动量守恒、质量守恒定律的气体流动过程，为深入了解蜗壳内部流场，需结合FLUENT软件和CFD进行研究，通过对物理法则、流动模型的优选，并基于法则选取数值计算方法，因此具体研究围绕可压缩粘性流体的控制方程进行。假定流场某一有限区域内存在封闭体积，如空间中该体积不会因流体流动而运动，可将其视作热力学开口系统，如其因流体流动而运动且其体积内部存在始终包含的内部流体单元，可将其视作热力学闭口系统。通过在两种系统中应用物理法则于体积上，积分形式控制方程可针对性获取。如假设某一流场区域内存在的流体单元无限小，且能够满足微分计算条件，如其内部存在大量分子，这类流体单元可以被视作连续体，随着流体流动而运动的连续体也能够保持不动。需将物理法则用于各类微元体，以此得到微元体控制方程[1]。
2 控制方程
2.1 连续性方程
为保证控制体流入和流出的流体质量相等，式（1）所示的连续性控制方程需要设法满足。
（1）
式中的？籽、t、v分别为气体密度、时间、气缸容积。
2.2 动量守恒方程
为保证微元体上作用的各力之和与微元体中流体动量增加率相等，需保证存在满足动量守恒方程的流经微元体流体，由于本文围绕牛顿流体开展研究，因此选择粘性切应力公式，可由此得到三个速度分量的动量守恒方程。
上述三个方程适用于湍流和层流，但求解计算在湍流形式下开展会对计算机运算速度及内存提出较高要求。在具体操作中，求解计算多围绕方程组中的非稳态项进行，并应用时均法，为满足湍流的特性并保证方程的封闭性，求解计算还需要补充其他方程[2]。
2.3 能量守恒方程
引入傅里叶定律、温度T、比焓h，可得到能量守恒方程为：
（5）
机械功在粘性作用下转化为热能部分表示为？椎，流体内热源表示为Sh，可基于式（6）确定？椎值。
（6）
式中的代表表面力对微元体做的功，一般可以忽略。
2.4 通用控制方程 选择服从通用守恒准则的因变量，包括w、v、u等，可由此得到通用控制方程：
（7）
式中S？准的代表通用因变量。研究仅关注方程的解，基于通用方程特殊情况对待所有微分方程，计算时间因此缩短，通用方程基于编制程序求解也顺利实现。
2.5 湍流模型
对于存在三维不规则流动的湍流，其本质上属于涉及旋转现象的复杂非稳态，时间与空间变化会导致其压力、速度等物理参数改变，在近年来的相关研究中，多种湍流模型被提出，如k-？棕模型、k-？着模型等，本文研究采用k-？着模型作为研究用湍流模型。通过引入湍流动能和耗散率方程，k-？着模型可实现方程组封闭，该模型涉及的假设包括存在正比关系的湍流平均应变速率和应力、湍流的特征长度可完美表示、涡流粘度可通过两个参数表示、存在线性相关的湍流应变速度和应力，本文研究采用标准k-？着模型[3]。
3 车用涡轮增压器蜗壳内三维流场分析
3.1 数值差分格式
假定单元中心变量在计算需要一阶精度时属于所有单元内变量的值，且内部的量与表面的量相等，因此计算在选用一阶迎风格式时，设定迎风单元中心值为表面值。对于需要达到二阶精度要求的计算，表面值计算一般选择表面值，单元表面的二阶精度实现需得到中心解的泰勒展开式支持，具体计算为：
（8）
式中的？准、准分别为单元中心值、迎风单元的中心至表面的位移矢量、迎风单元梯度值。
3.2 蜗壳内流场几何模型
为建立蜗壳流道三维模型，研究采用的软件为Pro/Engineer，作为典型的自动化建模软件，该软件以参数化设计思想为基础，主要的模型创建依据为尺寸数值，所需模型可依托智能特性功能生成，如叶片、蜗壳、叶轮等。由于软件在统一基层上建立数据库，因此修改设计错误仅需要围绕对应模块开展即可，无需修改整个模型。
蜗壳内的流道属于研究的计算区域，因此可通过几何实体对该流道模型进行表示，对于存在不规则特点的蜗壳内流道，建模的难度较高，因此处理需基于涡轮增压器开展，将蜗壳内流道部分从原模型中取出，用于研究的三维模型可顺利获得。通过抽取原始模型获取蜗壳流道模型，可得到更加精确的几何参数，蜗壳流道形状的更真实还原也能够实现，按照stp格式转化蜗壳内的流道模型，即可向GAMBIT软件中导入，该前处理软件负责网格处理。作为CFD计算的国内外主流软件，FLUENT由两部分组成，包括FLUENT、GAMBIT，即核心求解器、网格处理模块。网格处理模块中的固有的模块可用于实体模型生成，同时支持导入其他软件建立的模型，通过结构化、混合等多种网格的生成，网格处理模块能够为后续研究提供依据。计算区域的数值计算在软件中采用有限容积法，该方法存在广泛应用范围，能够用于解决传热介质、跨音速流、超音速流、非定常流、搅拌混合、剪切分离流动等问题，软件提供的多种算法及物理模型在其中发挥着重要作用。
3.3 网格处理
对于CFD模型来说，网格属于其几何表达形式，同时属于分析和模拟的载体，计算的效率和精度会直接受到网格质量影响。结合研究可以发现，收敛的速度受到的网格划分质量影响也较为显著，如存在较差划分质量，残差不收敛或收敛缓慢情况很容易在计算过程中出现。如CFD问题较为复杂，网格的生成很容易出错且需要耗费大量时间。
在本文研究划分网格的过程中，主要遵循三方面原则：
第一，网格数量。
计算规模和计算精度会受到网格数量影响，因此必须设法权衡网格数量增多带来的计算精度提升和计算时间延长，设法确定最佳结合点;
第二，网格疏密。
几何模型上数据分布特点需要设法适应，因此网格划分需选择大小不同网格用于不同结构部位处理，对于数据密集、参数变化大的部位，需保证网格较为密集，更好实现对数据变化规律的反映，反之則需要保证网格较为稀疏;
第三，贴体边界。
与边界线正交的网格线也需要设法实现，也可以保证二者接近正交，离散误差减少、计算精度提升可顺利实现。还应保证存在与流动方向尽量一致的网格线，以此减少假扩散误差，具体需要基于实际流动进行网格更新，更好满足计算需要。
3.4 蜗壳边界条件设置
研究选择质量入流作为气流进口处边界条件，以此给定涡轮机入口处相应条件，如密度、压力、温度等，给定属于循环平均值的质量流量及总压，以沿入口法线方向进入为速度方向定义。压力出口边界用于蜗壳出口处，对于无法准确测量的喷嘴环出口数据，基于0.5的涡轮反力度进行估算，估算结果为124987Pa，将其作为边界条件，绝热边界条件用于壁面温度，无滑移边界用于壁面速度。忽略重力对流场带来的影响，同时将能量方程引入计算过程。
3.5 仿真结果及分析
湍流流场基于微分方程的直接求解难度过高，因此研究对平稳湍流流动的求解选择时均法。受脉动值影响，存在大于方程个数的方程中未知数个数，对于无法封闭的方程，需组成k-？着双方程模型。选择隐式格式求解，稳态解可通过耦合求解获取，结合上述边界条件，开展502次迭代，结果收敛，蜗壳出、入口处质量流量存在1/1000内的相差，质量守恒定律得以满足。围绕1400rpm转速发动机开展数值计算，可得到涡轮内部速度矢量场、压力场、温度场、湍流强度、湍流动能，以及避免切应力的计算结果。开展针对性分析可以发现，单缸机上涡轮增压器的工作情况得到直观展示。蜗壳内部存在较为均匀的压力场、压力场温度场分布，这说明单缸机上涡轮增压器能够稳定工作，可持续利用发动机废气。进一步分析可以发现，受气体粘性影响，蜗壳近壁面处产生的附面层对速度和压力存在一定影响，较低流速和较高压力在近壁面处产生。通流截面收缩在靠近喷嘴区域处较快，气体的宏观动能由一定压力转化，提升较快的喷嘴环处速度使得压力出现一定下降。受交汇碰撞的出、入口气流影响，涡舌处存在不稳定流动的少量气体，异常流场会随之形成，导致速度和压力下降、温度过高。开展湍流运动分析能够确定，蜗壳内存在整体层面较为稳定的气体流动，一定湍流仅产生于涡舌处，但这对涡轮增压器稳定工作带来一定制约，具体设计必须设法改进。分析壁面切应力可以发现，相较于其他部分，喷嘴处的壁面存在明显较高的切应力，这源于流道渐窄、气体流速较高影响，靠近喷嘴处存在大于其他部分的垂直于流动方向速度。
4 结论
综上所述，车用涡轮增压器蜗壳内三维流场研究存在较高现实意义。为更好开展涡轮增压器的优化设计研究，实际改装探索、非稳态计算开展、叶轮内流场影响研究同样需要得到业内人士重视。
参考文献：
[1]王小旭，付大鹏.车用涡轮增压器叶轮的五轴数控加工方法研究[J].机械工程师，2021（06）：158-159，162.
[2]王钰斌，雷汝婧.我国车用涡轮增压器压气机的现状研究[J].科技风，2021（12）：180-181.
[3]张健健，马敏，李伟，王孝丽.涡轮增压器轴向力分析与止推轴承承载力评估[J].内燃机与动力装置，2021，38（02）：29-34.
[4]李伟，李国祥，白书战.轻便轴承对增压器机械效率及发动机加速性能的影响[J].内燃机与动力装置，2021，38（02）：35-41.
[5]肖昕，李云清.车用涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析[J].汽车技术，2011（9）：1-3，10.
[6]曹刚，杨迪，李庆斌，等.涡轮增压器混流蜗壳设计[J].车用发动机，2014（4）：26-30，42.
[7]芦成英，赵永胜.可变截面涡轮增压器蜗壳流场分析[J].价值工程，2011，30（19）：40.
Abstract： In order to adapt to the trend of energy saving and emission reduction， the energy saving and emission reduction performance of engines has been highly valued by the industry in recent years， and the application of turbocharging technology has also begun to receive extensive attention. Based on this， this paper will use FLUENT software to study the three-dimensional flow field in the volute of a turbocharger for vehicles. The research proves that the FLUENT software has high practicality in calculating the three-dimensional flow field value， and the turbocharger set on the single-cylinder engine in the research The device is in good working condition.
關键词：车用涡轮增压器;蜗壳;三维流场;FLUENT
Key words： turbocharger for vehicle;volute;three-dimensional flow field;FLUENT
中图分类号：U464.135+.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0029-03
0 引言
废气涡轮增压技术属于发动机小型化的主流途径之一，发动机的动力性、经济性、排放性能够在该技术支持下实现长足提升。作为废气涡轮增压技术的核心部件，涡轮增压器由涡轮和压气机组成，为保证废气涡轮增压技术能够更好提升发动机节能减排性能，本文将围绕具备质量轻、尺寸小、成本低、结构简单等特性的无叶蜗壳开展三维流场研究。
1 模型选择
本文研究的涡轮增压发动机属于改装Ricardo E6单缸机的产物，涡轮增压器选择Honeywell GT2052，发动机性能在涡轮增压器应用后提升显著，结合计算获取的涡轮入口处的相关参数，即可为车用涡轮增压器蜗壳内三维流场研究提供依据。由于涡轮增压器内部存在遵循能量守恒、动量守恒、质量守恒定律的气体流动过程，为深入了解蜗壳内部流场，需结合FLUENT软件和CFD进行研究，通过对物理法则、流动模型的优选，并基于法则选取数值计算方法，因此具体研究围绕可压缩粘性流体的控制方程进行。假定流场某一有限区域内存在封闭体积，如空间中该体积不会因流体流动而运动，可将其视作热力学开口系统，如其因流体流动而运动且其体积内部存在始终包含的内部流体单元，可将其视作热力学闭口系统。通过在两种系统中应用物理法则于体积上，积分形式控制方程可针对性获取。如假设某一流场区域内存在的流体单元无限小，且能够满足微分计算条件，如其内部存在大量分子，这类流体单元可以被视作连续体，随着流体流动而运动的连续体也能够保持不动。需将物理法则用于各类微元体，以此得到微元体控制方程[1]。
2 控制方程
2.1 连续性方程
为保证控制体流入和流出的流体质量相等，式（1）所示的连续性控制方程需要设法满足。
（1）
式中的？籽、t、v分别为气体密度、时间、气缸容积。
2.2 动量守恒方程
为保证微元体上作用的各力之和与微元体中流体动量增加率相等，需保证存在满足动量守恒方程的流经微元体流体，由于本文围绕牛顿流体开展研究，因此选择粘性切应力公式，可由此得到三个速度分量的动量守恒方程。
上述三个方程适用于湍流和层流，但求解计算在湍流形式下开展会对计算机运算速度及内存提出较高要求。在具体操作中，求解计算多围绕方程组中的非稳态项进行，并应用时均法，为满足湍流的特性并保证方程的封闭性，求解计算还需要补充其他方程[2]。
2.3 能量守恒方程
引入傅里叶定律、温度T、比焓h，可得到能量守恒方程为：
（5）
机械功在粘性作用下转化为热能部分表示为？椎，流体内热源表示为Sh，可基于式（6）确定？椎值。
（6）
式中的代表表面力对微元体做的功，一般可以忽略。
2.4 通用控制方程 选择服从通用守恒准则的因变量，包括w、v、u等，可由此得到通用控制方程：
（7）
式中S？准的代表通用因变量。研究仅关注方程的解，基于通用方程特殊情况对待所有微分方程，计算时间因此缩短，通用方程基于编制程序求解也顺利实现。
2.5 湍流模型
对于存在三维不规则流动的湍流，其本质上属于涉及旋转现象的复杂非稳态，时间与空间变化会导致其压力、速度等物理参数改变，在近年来的相关研究中，多种湍流模型被提出，如k-？棕模型、k-？着模型等，本文研究采用k-？着模型作为研究用湍流模型。通过引入湍流动能和耗散率方程，k-？着模型可实现方程组封闭，该模型涉及的假设包括存在正比关系的湍流平均应变速率和应力、湍流的特征长度可完美表示、涡流粘度可通过两个参数表示、存在线性相关的湍流应变速度和应力，本文研究采用标准k-？着模型[3]。
3 车用涡轮增压器蜗壳内三维流场分析
3.1 数值差分格式
假定单元中心变量在计算需要一阶精度时属于所有单元内变量的值，且内部的量与表面的量相等，因此计算在选用一阶迎风格式时，设定迎风单元中心值为表面值。对于需要达到二阶精度要求的计算，表面值计算一般选择表面值，单元表面的二阶精度实现需得到中心解的泰勒展开式支持，具体计算为：
（8）
式中的？准、准分别为单元中心值、迎风单元的中心至表面的位移矢量、迎风单元梯度值。
3.2 蜗壳内流场几何模型
为建立蜗壳流道三维模型，研究采用的软件为Pro/Engineer，作为典型的自动化建模软件，该软件以参数化设计思想为基础，主要的模型创建依据为尺寸数值，所需模型可依托智能特性功能生成，如叶片、蜗壳、叶轮等。由于软件在统一基层上建立数据库，因此修改设计错误仅需要围绕对应模块开展即可，无需修改整个模型。
蜗壳内的流道属于研究的计算区域，因此可通过几何实体对该流道模型进行表示，对于存在不规则特点的蜗壳内流道，建模的难度较高，因此处理需基于涡轮增压器开展，将蜗壳内流道部分从原模型中取出，用于研究的三维模型可顺利获得。通过抽取原始模型获取蜗壳流道模型，可得到更加精确的几何参数，蜗壳流道形状的更真实还原也能够实现，按照stp格式转化蜗壳内的流道模型，即可向GAMBIT软件中导入，该前处理软件负责网格处理。作为CFD计算的国内外主流软件，FLUENT由两部分组成，包括FLUENT、GAMBIT，即核心求解器、网格处理模块。网格处理模块中的固有的模块可用于实体模型生成，同时支持导入其他软件建立的模型，通过结构化、混合等多种网格的生成，网格处理模块能够为后续研究提供依据。计算区域的数值计算在软件中采用有限容积法，该方法存在广泛应用范围，能够用于解决传热介质、跨音速流、超音速流、非定常流、搅拌混合、剪切分离流动等问题，软件提供的多种算法及物理模型在其中发挥着重要作用。
3.3 网格处理
对于CFD模型来说，网格属于其几何表达形式，同时属于分析和模拟的载体，计算的效率和精度会直接受到网格质量影响。结合研究可以发现，收敛的速度受到的网格划分质量影响也较为显著，如存在较差划分质量，残差不收敛或收敛缓慢情况很容易在计算过程中出现。如CFD问题较为复杂，网格的生成很容易出错且需要耗费大量时间。
在本文研究划分网格的过程中，主要遵循三方面原则：
第一，网格数量。
计算规模和计算精度会受到网格数量影响，因此必须设法权衡网格数量增多带来的计算精度提升和计算时间延长，设法确定最佳结合点;
第二，网格疏密。
几何模型上数据分布特点需要设法适应，因此网格划分需选择大小不同网格用于不同结构部位处理，对于数据密集、参数变化大的部位，需保证网格较为密集，更好实现对数据变化规律的反映，反之則需要保证网格较为稀疏;
第三，贴体边界。
与边界线正交的网格线也需要设法实现，也可以保证二者接近正交，离散误差减少、计算精度提升可顺利实现。还应保证存在与流动方向尽量一致的网格线，以此减少假扩散误差，具体需要基于实际流动进行网格更新，更好满足计算需要。
3.4 蜗壳边界条件设置
研究选择质量入流作为气流进口处边界条件，以此给定涡轮机入口处相应条件，如密度、压力、温度等，给定属于循环平均值的质量流量及总压，以沿入口法线方向进入为速度方向定义。压力出口边界用于蜗壳出口处，对于无法准确测量的喷嘴环出口数据，基于0.5的涡轮反力度进行估算，估算结果为124987Pa，将其作为边界条件，绝热边界条件用于壁面温度，无滑移边界用于壁面速度。忽略重力对流场带来的影响，同时将能量方程引入计算过程。
3.5 仿真结果及分析
湍流流场基于微分方程的直接求解难度过高，因此研究对平稳湍流流动的求解选择时均法。受脉动值影响，存在大于方程个数的方程中未知数个数，对于无法封闭的方程，需组成k-？着双方程模型。选择隐式格式求解，稳态解可通过耦合求解获取，结合上述边界条件，开展502次迭代，结果收敛，蜗壳出、入口处质量流量存在1/1000内的相差，质量守恒定律得以满足。围绕1400rpm转速发动机开展数值计算，可得到涡轮内部速度矢量场、压力场、温度场、湍流强度、湍流动能，以及避免切应力的计算结果。开展针对性分析可以发现，单缸机上涡轮增压器的工作情况得到直观展示。蜗壳内部存在较为均匀的压力场、压力场温度场分布，这说明单缸机上涡轮增压器能够稳定工作，可持续利用发动机废气。进一步分析可以发现，受气体粘性影响，蜗壳近壁面处产生的附面层对速度和压力存在一定影响，较低流速和较高压力在近壁面处产生。通流截面收缩在靠近喷嘴区域处较快，气体的宏观动能由一定压力转化，提升较快的喷嘴环处速度使得压力出现一定下降。受交汇碰撞的出、入口气流影响，涡舌处存在不稳定流动的少量气体，异常流场会随之形成，导致速度和压力下降、温度过高。开展湍流运动分析能够确定，蜗壳内存在整体层面较为稳定的气体流动，一定湍流仅产生于涡舌处，但这对涡轮增压器稳定工作带来一定制约，具体设计必须设法改进。分析壁面切应力可以发现，相较于其他部分，喷嘴处的壁面存在明显较高的切应力，这源于流道渐窄、气体流速较高影响，靠近喷嘴处存在大于其他部分的垂直于流动方向速度。
4 结论
综上所述，车用涡轮增压器蜗壳内三维流场研究存在较高现实意义。为更好开展涡轮增压器的优化设计研究，实际改装探索、非稳态计算开展、叶轮内流场影响研究同样需要得到业内人士重视。
参考文献：
[1]王小旭，付大鹏.车用涡轮增压器叶轮的五轴数控加工方法研究[J].机械工程师，2021（06）：158-159，162.
[2]王钰斌，雷汝婧.我国车用涡轮增压器压气机的现状研究[J].科技风，2021（12）：180-181.
[3]张健健，马敏，李伟，王孝丽.涡轮增压器轴向力分析与止推轴承承载力评估[J].内燃机与动力装置，2021，38（02）：29-34.
[4]李伟，李国祥，白书战.轻便轴承对增压器机械效率及发动机加速性能的影响[J].内燃机与动力装置，2021，38（02）：35-41.
[5]肖昕，李云清.车用涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析[J].汽车技术，2011（9）：1-3，10.
[6]曹刚，杨迪，李庆斌，等.涡轮增压器混流蜗壳设计[J].车用发动机，2014（4）：26-30，42.
[7]芦成英，赵永胜.可变截面涡轮增压器蜗壳流场分析[J].价值工程，2011，30（19）：40.