叶帅奇,王 芳,李继密

（1.贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节 551700；2.贵州工程应用技术学院科研处，贵州毕节 551700）

转子型线对机械增压器内部流场影响的分析

叶帅奇,1王 芳,2李继密1

（1.贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节 551700；2.贵州工程应用技术学院科研处，贵州毕节 551700）

机械增压器的内部流场是一个全封闭的环境，参数测量难度很大，通过CFD软件获得各种参数已经成为一种重要的研究手段。分析机械增压器在不同型线转子下的流场，获得了转子型线改进的相关经验。

机械增压器；转子型线；流场分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.68

0 前言

计算流体力学是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的简称，是基于离散化的数值计算方法，是利用计算机对流体相对于不同固体边界的内外流场进行数值模拟和分析的学科，属于流体力学的一个分支[1]。由于机械增压器的内部流场是一个全封闭的环境，对其流场参数进行实验测量难度很大，因此，通过专业的CFD软件对其内部流场进行数值模拟获得各种参数，已经成为一种重要的研究手段[2]。

1 建立计算模型与网格的生成

鉴于机械增压器结构的复杂性，在建立流体分析模型时进行适当简化。对于直叶转子来说，其三维模型完全可以由二维截面模型拉伸后得到，并且在此种情况下用二维截面模拟计算求得的结果也能充分反映三维流场的情况。由于本次分析采用非定常的动网格结构，计算量非常大，如果采用三维计算模型不但对计算机配置要求较高，耗时较多且计算精度提高不大。图1为传统和改进型线直叶转子机械增压器的二维流体计算模型[3]。

由图1可以看出，二维计算模型都主要包括3个部分：进气区域、旋转区域和排气区域。为了方便进、排气口进行求解条件的设定，在不影响求解结果的前提下将进、排气口进行了简化。中间的转子型线部分就是动网格的边界。由于进行流体分析时关注的是流体区域内的流动情况，也就是流道区域是数值计算的重点，而转子是固体部分，因此在建立流道计算模型时要将其通过布尔减运算减去，只保留其边界部分作为旋转区域的边界[4]。

图1 二维计算模型

流体计算对网格划分的质量要求较高，对于二维计算模型采用的是基于尺寸的划分方法，划分尺寸为0.05 mm，网格类型是适合动网格要求的三角形网格。最终网格划分的结果为：传统型线计算模型划分为173 463个节点，341 556个单元。改进型线计算模型划分为：137 780个节点，270 130个单元。

2 求解的边界条件

为了使计算后的结果有可比性，因此二者取一样的计算条件。湍流求解模型选用 RNG k-ε 模型，RNG k-ε内的各项参数采用默认值，将能量方程打开。入口的边界条件选用压力入口，入口处的压力为101.82 kPa，升压值为50 kPa，入口处温度为24℃；出口边界条件为压力出口，出口处温度为80℃。转子转速为6000 r/min，压力值采用绝对压力值。设定进口处的静压总值，同时设定回流湍流强度和回流口直径。

求解方法采用的是非定常隐式分离方法求解控制方程，对于质量连续性方程，动量方程、能量方程采用的是SIMPLEC算法。压力项采用PRESTO!离散模型，其余项均采用二阶迎风格式离散，各亚松弛因子采用默认值。

由于工作条件下的增压器转子在机壳内作高速旋转运动，主、从动转子之间的相对位置一直变化，这就造成了机壳内流体的流道的瞬时变化性，要实现对机壳内流场的精确模拟就必须采用动网格设置。在本文中网格的动态变化和再生采用的是弹簧光顺模型和局部网格再生模型两种模型结合使用，并且这对于二维三角形网格来说是适应的。

在Fluent中物体运动的定义有2种途径。对于一些复杂的初始条件、边界条件、物性参数等需要用户自定义相关的程序导入Fluent中使用，这类用户自定义函数称为UDF，UDF需要用C语言编程，用Define宏来定义，因此对于使用者要求较高。而对一些相对简单的运动则可用动边界文件（profile）来进行定义。本项目采用的是第2种。其profile文件如下所示：

（（left 3 piont） （（right 3 point）

（time 0 1 60） （time 0 1 60）

（omega_z-314.16-314.16-314.16））

（omega_z 314.16 314.16 314.16））

转子的旋转运动通过profile文件来定义。

图2 机械增压器内部流场的压强等值线

3 流场数值模拟结果分析

图2为传统型线四叶渐开线型转子和改进型线四叶渐开线型转子，在流场回流开启角取不同值时增压器内部的压强等值线图[3]。其中，a）～b）为传统线型转子增压器在流场回流开启角分别为未开启、开启角22°时增压器内部流场的压强等值线图；c）～d）为改进型线转子增压器在流场回流开启角分别为未开启、开启角22°时增压器内部流场的压强等值线图。可以看出，改进型线此时的排气压强明显高于传统型线，这说明改进型线的排气量大于传统线型，面积利用系数比传统线型高。这是由于改进型线的转子叶型比传统线型的转子叶型更加清瘦，这样在回流口开启角相同的情况下，改进型线增压器腔内流体的流道比传统型线宽，这不仅加速了回流均压的过程，并且每个排气过程中的排气量也有所增大。

图3为传统线型和改进型线在回流开启角取不同值时增压器内部流场的流线图[5]。其中a）～b）为开启角分别为未开启、开启角22°时的流场流线图。从图中可以看出，当回流口未开启时由于转子的高速旋转左上侧基元容积内的气体形成了巨大的漩涡，几乎占据了整个基元容积。此时，排气口的气流可以分为2个部分：一部分是前一次排气过程尾部流向排气口的气流，另一部分则是在机壳圆弧部分与排气口交接部位的小股回流，这也是回流口打开后形成漩涡的主要原因。c）～d）为改进型线在回流开启角分别为未开启、开启角22°时的流场流线图。由图可知，传统型线与改进型线在这一系列过程中的气流脉动规律大致是一致的，但是由于二者型线不同造成的流体流道的不同使得在此过程中气流漩涡形成的尺度、数量、位置有一定的区别。另外，由于改进型线的流道比传统型线的宽，因此在相同的尺寸下其工作过程中由于排气气流与回流的冲击形成的涡流噪声也大一些[6]。

4 结语

分析了传统和改进型的四叶直叶转子机械增压器内部流场，得到压强等值线图和流线等值线图。通过对比可知，改进型线的面积利用系数大于传统线型，并且由于二者型线不同造成的流体流道的不同，使得在此过程中气流漩涡形成的尺度、数量、位置有一定的区别。另外，由于改进型线的流道比传统型线的宽，因此在相同尺寸下其工作状态下由排气气流与回流的冲击形成的涡流噪声会大一些。这些均为后续转子设计的进一步改进工作积累了经验。

图3 机械增压器内部流场的流线

［1］赵存友.工程流体力学［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.

［2］黄卫星，李建明，肖泽仪.工程流体力学（第二版）［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［3］张顾钟.罗茨鼓风机性能优化和内部流场的数值研究［D］西安：西安建筑科技大学，2011.

［4］张顾钟，王发展，韩刚，王毅峰.罗茨鼓风机内部流场的数值分析方法［J］.风机技术，2011（5）：15-18.

［5］张顾钟，王发展.渐扩缝隙罗茨泵风机内部流场的数值分析［J］.机械设计，2011，28（4）：84-88.

［6］Bassam Abu-Hijleh，Jiyuan Tu，Aleksander subic，Leigh fostineo.Effect of inlet and outlet fillets on the clearance flow in a rotorcasing assembly［J］.Computational methods in fluid power technology，2003：162-168.6.

TH48

B

*本项目为贵州工程应用技术学院实验室开放基金重点项目（OLF NO.2015110028）

〔编辑 吴建卿〕