流动特性对径流式涡轮绝热效率及其测试方法影响的研究

论文摘要

目前,径流式涡轮普遍应用于航空航天动力系统及需要紧凑结构的动力装置中,而在车用涡轮增压领域,小型径流涡轮更是得到了广泛的应用。随着对涡轮气动性能要求的日益提高,开展涡轮级内部流动特性、流动损失以及相关测试方法的研究就显得尤为重要。本文以某涡轮增压器径流式涡轮作为研究对象,运用三维建模软件对其涡轮级进行几何建模；在此基础上,运用数值模拟软件NUMECA对其内部流动进行全三维粘性数值模拟研究,从流动损失的角度出发对涡轮内部流场结构及流动特性对涡轮绝热效率的影响进行分析,对涡轮出口流动及其对绝热效率测量参数特别是涡轮出口温度的影响展开研究,并对涡轮绝热效率测试方法进行研究,为尝试直接通过测量涡轮出口温度以方便快捷的获取涡轮绝热效率的测试方法研究提供一定的理论指导。通过论文的研究工作,验证了本文建立的涡轮单通道计算模型具有较高的可信度,确定了效率特性模拟结果与试验值存在偏差的主要原因；计算得到了该涡轮在发动机额定工况的匹配转速下较为完整的特性曲线；通过仿真分析,得到了蜗壳、喷嘴叶片、叶轮内部的流动和流动损失特性及其对涡轮绝热效率的影响规律；从整个涡轮级角度出发,定量确定了涡轮内各局部能量损失大小、能量分配关系以及对涡轮绝热效率的影响规律；建立了在整机工作特性计算方面更具优势的涡轮全周整机计算模型,其计算精度得到试验数据的验证；初步讨论了涡轮的全周效应,确定了叶轮出口流动的不均匀性,获得了对涡轮绝热效率测试具有重要影响的涡轮出口温度分布规律,得到了涡轮出口流动特性对涡轮出口温度场的影响规律；对基于涡轮出口温度的涡轮绝热效率测试方法的可行性进行了试验验证,试验结果与模拟计算结果吻合的较好,并从提高测试精度的角度出发提出了一种基于测量涡轮出口温度的涡轮绝热效率测试方案。论文的研究成果对加深径流式涡轮内部流动的认识、涡轮内部流动损失的控制、基于效率的涡轮优化设计以及基于涡轮出口温度的涡轮绝热效率测试方法的深入研究具有一定的参考价值。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 涡轮流动特性的研究现状
• 1.2.2 涡轮级效率特性测量与数值计算研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 2 叶轮机械数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 流动控制方程
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 Baldwin-Lomax代数模型
• 2.3.2 Spalart-Allmaras单方程模型
• 2.3.3 k-ε双方程模型
• 2.3.4 湍流模型的选择
• 2.4 控制方程的离散方法
• 2.4.1 空间离散
• 2.4.2 时间离散
• 2.5 计算网格
• 2.6 转静子交界面的处理
• 2.7 加速收敛方法
• 2.7.1 多重网格法
• 2.7.2 当地时间步长法
• 2.7.3 隐式残差光顺法
• 2.8 本章小结
• 3 涡轮级模型建立及工作特性数值计算验证与分析
• 3.1 引言
• 3.2 涡轮级几何模型的建立
• 3.3 网格的划分与匹配
• 3.3.1 蜗壳网格的划分
• 3.3.2 叶轮和喷嘴网格划分
• 3.3.3 网格的链接与匹配
• 3.4 计算参数与边界条件的设定
• 3.5 涡轮工作特性数值计算的验证与分析
• 3.5.1 实际边界条件的确定
• 3.5.2 计算结果的验证与分析
• 3.6 本章小结
• 4 内部流动对涡轮绝热效率影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 涡轮工况线的计算
• 4.3 蜗壳内流动对涡轮绝热效率的影响
• 4.3.1 蜗壳内流动不均匀性分析
• 4.3.2 蜗壳总压损失分析
• 4.4 喷嘴叶片内流动对涡轮绝热效率的影响
• 4.5 叶轮内流动对涡轮绝热效率的影响
• 4.5.1 叶轮进出口速度分析
• 4.5.2 叶轮进口攻角损失分析
• 4.5.3 叶轮主流区域流动损失分析
• 4.6 涡轮级总体流动对绝热效率的影响
• 4.6.1 涡轮级内部能量损失分析
• 4.6.2 涡轮反动度分析
• 4.7 本章小结
• 5 涡轮出口流动分析及其对绝热效率测量参数影响的研究
• 5.1 引言
• 5.2 涡轮全周整机计算模型的建立
• 5.3 涡轮全周效应初步分析
• 5.4 叶轮出口流动分析
• 5.5 出口流动对涡轮绝热效率测量参数的影响
• 5.5.1 涡轮出口温度场分析
• 5.5.2 涡轮出口压力分布规律分析
• 5.6 本章小结
• 6 涡轮绝热效率测试方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 各种绝热效率测试方法的比较分析
• 6.3 基于涡轮出口温度测试绝热效率的可行性试验验证
• 6.3.1 涡轮性能试验要求
• 6.3.2 涡轮出口温度场测试装置
• 6.3.3 试验过程及结果分析
• 6.4 一种基于涡轮出口温度的绝热效率测试方案
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集