VNT渦輪箱噴嘴環(huán)CFD數(shù)值模擬分析

1、VNT渦輪箱噴嘴環(huán)CFD數(shù)值模擬分析     1 前言    可變噴嘴渦輪增壓器（variable nozzle turbocharger ,VNT）通過對執(zhí)行器的控制來改變渦輪流通截面積大小，從而實現(xiàn)增壓器與發(fā)動機良好匹配的目的。發(fā)動機怠速和低速端，噴嘴葉片關閉或開度很小，使增壓壓力增高，從而提高發(fā)動機的低速扭矩，改善其響應性。發(fā)動機高速運轉時，噴嘴葉片全開或開度很大，渦輪流通截面積增大，使增壓壓力比非控制的渦輪箱壓力減小，保證發(fā)動機獲得所需要的空氣和動力12。    噴嘴環(huán)又稱為葉片導向器；

2、其作用是使具有一定壓力和溫度的氣體在其中膨脹、加速，將來自渦輪箱的燃氣按一定方向送入葉輪并賦予葉輪一定的圓周速度3。噴嘴的結構有多種型式，其中氣動葉型的噴嘴對氣流的流動損失影響最??；在整個渦輪級的設計過程中，噴嘴環(huán)速度系數(shù)比葉輪速度系數(shù)對效率的收益影響要大的多4，因此，降低噴嘴流動損失是提高渦輪效率的重要手段之一，通過噴嘴內部流動的研究，分析噴嘴葉片在不同調節(jié)狀態(tài)的氣體流動特性，可以了解噴嘴內部流動機理，進一步提高氣動葉型的設計水平。    本文針對J110VNT徑流渦輪增壓器，利用商業(yè)軟件CFD計算技術，對額定點和最大扭矩點（設計點本文不作分析）分別進行數(shù)值模擬

3、，并對噴嘴環(huán)內部流動機理以及可變噴嘴在調節(jié)范圍內的氣動性能進行分析總結。2 計算模型和計算網(wǎng)格    本文對圖1所示二種開度的渦輪箱噴嘴環(huán)進行數(shù)值模擬，其中大開度為額定點，小開度為最大扭矩點。    計算采用四面體和三棱柱混和網(wǎng)格，原因如下：單塊網(wǎng)格邊界條件的確定以及網(wǎng)格塊之間各種信息的傳遞增加了快速計算分析的難度；對于不同的復雜外形，需要構造不同的網(wǎng)格拓撲結構，生成網(wǎng)格費時費力。而非結構網(wǎng)格可消除結構網(wǎng)格中結構性的限制，節(jié)點和單元分布可控性好，能較好的處理邊界，適用于模擬真實復雜外型；并且在生成過程中采用一定的準則進行優(yōu)化判斷，能夠

4、生成高質量的網(wǎng)格，很容易控制網(wǎng)格的大小和節(jié)點密度，便于實現(xiàn)其工程化應用5。    由于小開度噴嘴環(huán)喉口尺寸很小，小開度網(wǎng)格全局尺寸選取1.0；相應大開度網(wǎng)格尺寸選用1.5 ；渦輪箱流體尺寸選用4.0 。采用三層三棱柱網(wǎng)格捕獲邊界層，初始高度渦輪箱取0.5 ，噴嘴環(huán)取0.2 ，層高比1.2；采用網(wǎng)格光順技術進行光順，網(wǎng)格質量控制在0.4以上。生成網(wǎng)格示意圖見圖2，網(wǎng)格質量分布示意見圖1。3 CFD數(shù)值模擬    為提高計算精確度，計算的流體介質按照發(fā)動機排氣的真實成分進行計算給出，主要由氮氣（76）、氧氣（7）、水蒸汽（8）、二氧化碳（7%）組成，忽略其它微量雜質氣體。根據(jù)渦輪箱進口不同壓力、溫度，查表得出各組份氣體物性參數(shù)值，分別計算出噴嘴環(huán)兩個狀態(tài)下排氣定壓比熱、動力粘度、導熱系數(shù)、密度等綜合物性參數(shù)。    計算采用湍流平均流Navier-Stokes方程結合湍流模型求解，湍流模型選用標準k-e模型；采用松弛因子迭代獲得穩(wěn)態(tài)解。    采用高階精度格式對方程進行離散求解，平均殘差小于0.0001或最大迭代次數(shù)超過1000次作為收斂判別準則。    通過設置交界面進行渦輪箱計算域和噴嘴環(huán)計算域數(shù)值傳遞。&