柴油机高原环境下涡轮增压系统气体流动特性研究

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我国高原面积广阔,具有海拔高、面积广和海拔变化范围大的特点。柴油机作为重要的动力源,在高原地区经济发展、交通与物流运输、国防建设及非道路领域中起着重要的作用。涡轮增压技术对高原柴油机增加进气量有一定补偿作用,是改善高原柴油机运行特性的有效手段之一,有利于提高柴油机高原综合运行性能。压气机的高海拔工作性能对高原环境柴油机的综合运行性能有着重要影响。压气机在雷诺数减小、大气压力与温度降低的高原环境中的空气流动效率变差,导致叶轮做功能力下降。压气机性能主要取决于涡轮的性能。涡轮内部废气涡流分布合理,可以减少废气摩擦碰撞及回流现象,降低废气流动损失,提高涡轮性能,使压气机具有良好的性能。因此,开展柴油机高原环境下涡轮增压系统气体流动特性研究工作,分析增压系统在不同海拔下的流动状况及流动损失,为探究涡轮增压器流场控制措施及其性能优化提供参考。以某非道路两缸柴油机为研究对象,分析高原环境柴油机及增压系统运行特性,得到0m、2000m、3000m与4000m海拔涡轮增压系统的流体计算边界条件;建立增压系统三维数值计算模型,分析进气流量与增压器转速对压气机流场的影响。基于增压系统流体计算边界条件开展增压系统流动特性研究,分析压气机与涡轮内部流动状况及流动损失。研究结果表明:(1)基于0m、2000m、3000m与4000m海拔的仿真分析可知:高海拔工况下,柴油机功率与扭矩下降,有效燃油消耗率升高,进气流量减少,压气机压比增大,效率下降;与0m相比,随着海拔升高,柴油机的额定工况功率分别减少1.41%、17.65%与28.5%,最大扭矩分别减少2.99%、10.81%与19.01%,最低有效燃油消耗率分别增加2.23%、5.23%与8.08%,额定工况进气流量分别减少13.25%、21.8%与28.3%。(2)沿流道方向,压气机叶轮的压力与温度增大,马赫数先减小后增大。随着流量增大,压气机叶轮的压力、温度及马赫数减小,子午面高熵值区域先减小后增大,叶顶间隙位置的低速流区域逐渐消失,局部出现超音速流;随着增压器转速增加,叶轮进口至出口的压力、温度与熵增大,叶轮进口马赫数增大,子午面压力相对较高区域、高熵值区域、低速流动区域与蜗壳截面压力增大。(3)随着海拔升高,压气机子午面高熵值区域增大,叶轮出口压力减小;90%叶高的分流叶片两侧低压区域、高熵值区域与叶轮出口尾迹区域范围随海拔升高而增大。压气机叶轮进口至出口截面的压力、温度及流速随海拔升高而减小,但熵与流速增大。子午平均熵增大,近轮缘高熵区由叶轮出口向叶片前缘扩展,且范围扩大;子午面半径最大区域的高马赫数区域增大,且扩展到流道中间;叶轮进口局部区域的超音速流范围增大,且每个叶片间范围大小不一致,周向不均。(4)随着海拔升高,压气机叶片前缘马赫数较大,存在跨音速流动区域且向叶根延伸,产生的激波损失增大;跨音速流区域增大,叶间隙间的压力相对较小,叶顶泄露流运动加剧,部分间隙流会沿着压气机旋转方向逐渐发展到流道中部,形成尾迹及高熵区,二次流损失增大,并从叶轮出口流向无叶扩压器,间隙流与主流的掺混损失加剧,压气机效率下降。(5)随着海拔升高,涡轮子午面的压力降低,速度、熵与温度增大;子午面进口低速流动区域及出口的超音速流动区域的范围增大;子午面出口半径最大区域附近高熵值区域增大;子午面进口近壁面的高温区域范围随着海拔升高而增大并扩展到流道中间。
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