机械增压器数值模拟与性能曲线分析

第1章绪论

1.1课题背景及意义
汽车发动机一般是靠燃油在气紅中燃烧，从而推动活塞运动来做功，因此，增加喷油量和进气量是提高发动机功率的关键。增加发动机的喷油量比较容易做至，但是发动机自然进气系统很难提供足够的空气支持燃料的完全燃烧。于是，增压技术应运而生。在不改变发动机主要结构参数的前提下，增压技术有效地提高了发动机的平均有效压力，使发动机的比功率和燃油经济性得到大幅度的提高。增压被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。增压器可以按照驱动来源可以分为两大类，废气祸流轮增压器和机械增压器。废气祸流轮增压器利用发动机排出的废气能量来驱动祸流轮，同时祸流轮又带动丨同轴安装的压气机叶轮，由压气机压缩来自空气滤清器的新鲜空气，并将压缩后的空气送入发动机进气管。机械增压器则是直接利用发动机输出功来驱动的，一般是由曲轴通过皮带或者齿轮传动直接驱动增压器，从而实现增压。
由于我国城市交通车速经常处于中低速范围，怠速时间长，发动机工况交替频繁，人们对于发动机的要求有所改变⑵。发动机的低速扭矩特性和瞬态响应性、日益成为人们关注的重点。由于废气祸流轮增压存在着低速扭矩不足和瞬态响应性差等缺点，因而，机械增压技术又重新被汽车工业界所重视。双螺杆机械增压器作为综合性能优异的机械增压器，具有独特的技术优势，尤其是低速扭矩特性和瞬态响应性良好，市场发展空间巨大。但双螺杆机械增压器存在泄漏、排气压力脉动和噪声等问题⑷，需要对其流动特性进行数值模拟仿真和分析，同时需要对增压器性能的好坏给予一个整体评价。能否相对准确的给出增压器内部流体的流动细节，例如速度场、压力场和温度场分布的瞬时特性，是整个过程的关键。
在双螺杆机械增压器流动特性数值模拟中，由于双螺杆机械增压器的结构特点，轴向尺寸大，内部间隙小（约零点几个毫米），使得对其进行网格划分难度很大，且增压器工况较多，因而，双螺杆机械增压器CFD模拟计算具有较大难度。有效的分析和评价方法可以提高双螺杆增压器的设计水平，降低设计过程的盲目性，从而缩短设计周期，节约成本。而目前国外企业对于双螺杆机械增压器的技术控制十分严格，如果没有得到专门的允许，很少资料可以查阅。国内的有关双螺杆机械增压器的研究基本空白。因此，对双螺杆机械增压器流动特性进行数值分析难度较大且具有实际意义。

1.2国内外发展和研究现状
1.2.1双螺杆增压器的发展
1878年，HeinrichKrigar第一个申请了双螺杆压缩机的专利M。后来他修改和改善了双螺杆压缩机的设计，并获得了第二个相应的专利权。该压缩机装配了具有相同型线的两叶转子，类似于罗茨式增压器，不同点在于其沿转子长度方向有180度的螺旋。受限于当时的加工水平，双螺杆压缩机并未出现任何发展。直到半个世纪之后，一家名为Ljungstronms Angturbin AB旳瑞典蒸汽祸流轮机制造商任命Alf Lysholm为新任首席工程师，双螺杆压缩机才迎来发展史上的关键时期。1935年,Lysholm开发了新的转子型线，并试验了各种配置和转子叶片组合。他不仅解决了转子型线的问题，而且获得了准确加工转子的专利，该压缩机采用了非对称的5-4叶阴、阳转子设置。至此，真正意义上的双螺杆压缩机诞生。1951 年，Ljungstronms Angturbin AB 将名称更改为 Svenska Rotor Maskiner,这就是世界闻名的SRM公司m。八十年代早期，Sprintex公司在Lysholm双螺杆压缩机转子设计的基础上幵发出了第一代双螺杆机械增压器。该增压器在损失和排气温度方面的性能远超其他类型的容积式机械增压器，但高昂的制造成本限制了其市场应用。1988年，Whipple公司意识到双螺杆机械增压器具有较高的效率，将会是机械增压器的未来。
该公司成为第一个利用双螺杆压缩机生产机械增压器套件的北美公司，然而，制造成本再一次限制了其应用市场。同时，Whipple公司发现增压器尺寸存在问题，因为最初的增压器是为欧洲小型引擎设计的，而美国市场需要能提供更大空流量的增压器。1990年，RSM公司专门成立了 Opcon Autorotor，旨在研发内燃机用双螺杆增压器。借鉴于SRM丰富的技术积累，Autorotor采用了当时最新的D型线转子设计。1991年，Autorotor与Whipple —起合作生产使用Sprintex机械增压器的系统。该合作取得了巨大的成功，使得双螺杆增压器迅速打入了汽车市场。1992年，Autorotor公司采用了 一直使用至今的Whipple Charger名称。在九十年代初期，Whipple机械增压器公司决定专注于研发应用于通用汽车上的增压器。后来Whipple向Kenne Bell提供在福特汽车上使用的Whipple增压器。1995 年，Opcon Autorotor 从 SRM 独立出来。

1.3 数值模拟方法 .................11-13
1.4 本课题主要研究内容 .................13-14
第2章 双螺杆机械增压器基本原理 .................14-24
2.1 双螺杆增压器主要结构件 .................14
2.2 双螺杆增压器工作原理 .................14-16
2.3 双螺杆增压器特点 .................16-19
2.4 双螺杆增压器几何与性能参数 .................19-23
2.5 本章小结 .................23-24
第3章 双螺杆机械增压器数值模拟 .................24-38
3.1 数学模型 .................24-27
3.2 离散方法 .................27-28
3.3 动网格模型 .................28-31
3.4 双螺杆增压器CFD数值模拟 .................31-34
3.5 数值模拟结果 .................34
3.6 双螺杆增压器流场整体分布 .................34-37
3.7 本章小结 .................37-38
第4章 排气压力脉动、泄漏和流动损失分析 .................38-48
4.1 双螺杆增压器排气压力脉动分析 .................38-41
4.2 双螺杆增压器泄漏流动分析 .................41-45
4.3 双螺杆增压器流动损失分析 .................45-47
4.4 本章小结 .................47-48
第5章 双螺杆机械增压器性能曲线 .................48-54
5.1 双螺杆增压器多工况数值模拟 .................48-49
5.2 双螺杆增压器性能分析 .................49-50
5.3 排气压力脉动分析 .................50-52
5.4 本章小结 .................52-54

总结

目前，国内双螺杆机械增压器市场刚起步，仅有几家公司引进国外产品进行简单的生产和装配，缺少相关的技术积累与研究，而国外公司则严格控制技术保密。在这个工程背景下，本文提出了双螺杆机械增压器流动特性数值模拟网格划分策略和计算实施策略。通过对W200型双螺杆机械增压器的流动特性数值模拟，得到增压器内部流场的瞬态分布和增压器特性曲线，并从增压器流场入手，分析了双螺杆机械增压器常见的排气压力脉动、泄漏和流动损失现象。本文采用FUJENT软件动网格模型对双螺杆机械增压器流场进行非稳态CFD模拟，通过对流场模拟与分析，得到以下结论：
(1)通过划分八套增压器初始网格模型，应用FUJENT动网格模型，配合FLUENT命令文件进行增压器非稳态多工况CFD模拟的计算策略解决双螺杆机械增压器流动数值模拟中网格划分和计算实施两大难点，实现了双螺杆机械增压器三维非稳态CFD数值模拟。
(2)双螺杆机械增压器流场整体分布呈一定规律：位于吸气侧的齿间容积内气体压力低于大气压力；位于压缩侧的齿间容积内气体压力依次升高。位于压缩侧转子区域的温度明显高于位于吸气侧转子区域的温度，尤其是靠近排气孔口处的转子区域温度较高。虽然接触线起到了一定的密封作用，但仍然在接触线附近产生了气体的泄漏，速度高达三、四百米每秒，并在接触线附近形成了月牙形的低压区。

参考文献

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