Numeca涡轮级及叶轮流场计算规范

涡轮级及叶轮流场计算规范北京理工大学涡轮增压实验室2008年10月目录1.概述......................................................................12.涡轮级网格划分技术.........................................................12.1涡壳网格划分技术.....................................................12.2喷嘴环和叶轮的网格划分技术...........................................32.3涡轮级网格的生成.....................................................52.4网格分区及拓扑结构对涡轮叶轮流道网格质量的影响.......................62.5附面层网格剖分的要求................................................102.6叶轮网格质量判断准则................................................113.边界条件的给定............................................................144计算区域的选择............................................................175湍流模型研究..............................................................226涡轮三维流动计算判别准则..................................................226.1熵的分布............................................................226.2静压分布............................................................236.3马赫数分布..........................................................256.4叶轮进口攻角........................................................2511.概述车用涡轮增压器使用的小型径流涡轮内的流动具有强烈的三维特征，气流将在几何尺寸很小的通道内从径向转为轴向，加上旋转和各种曲率的影响，造成涡轮内流动非常复杂，因此采用三维CFD方法对涡轮性能和内部流动进行数值模拟也比较复杂，影响计算准确程度的因素主要包括：网格的划分、计算区域的选择、计算边界条件、湍流模型等。本课题采用叶轮机械CFD软件NUMECA的Fine/turbo软件包，对典型的车用增压器涡轮进行数值计算研究，分析上述因素对涡轮性能的影响，并确定涡轮内部流场的判别准则。2.涡轮级网格划分技术一个完整的径流涡轮级包含涡壳、喷嘴环和叶轮，涡轮级的网格划分研究选择JK90S增压器作为研究对象，它是径流有叶涡轮增压器，涡轮的主要几何参数和性能参数如表1所示。表1JK90S增压器涡轮结构和性能参数主要结构参数设计点参数叶轮进口直径mm83压比2.28叶轮出口轮缘直径mm73入口总温K730叶轮出口轮毂直径mm26流量kg/s0.41叶轮进口叶高mm16转速r/min94000叶轮轴向宽度mm25叶片数12涡壳入口面积cm234喷嘴环入口直径mm112喷嘴环出口直径mm91喷嘴环叶片高度14喷嘴环叶片数15喷嘴环出口角度25涡轮级的网格划分是对涡壳、喷嘴环叶片和叶轮分别划分网格，然后进行整个级的网格生成。2.1涡壳网格划分技术JK90S增压器涡轮壳采用双通道梨形360度全周进气，其截面形状如图1所示，截面参数表如表2所示。2图1JK90S涡轮壳流道截面形状表2JK90S涡壳流道截面尺寸表截面0306090120150Rmm5753.550.54743.540rmm11.410.710.19.48.78截面180210240270300330Rmm363227.522.817.511.3rmm7.26.45.54.563.52.26根据涡壳流道的几何尺寸，首先利用三维CAD软件建立涡壳流道的三维模型(如图2所示)。图2JK90S涡轮涡壳三维模型涡壳三维模型建立以后，将模型的iges文件输入到Numeca的Fine/turbo软件包中的网格生成模块IGG中划分网格。由于涡壳流通区域几何形状复杂，在涡壳网格划分时采用分块的措施，即将涡壳流道划分为13个块，其中从入口到0－0截面为1块，从0－0截面到360度截面按照每30度划分为1个块共计12块。3整个涡壳网格的质量通过对每一块网格质量的控制来达到。在分别划分各个块网格的过程中，必须注意各个块的网格坐标及坐标方向一致，这是为了保证没有负网格出现。进行涡壳和过渡段分块时，要保证二者相邻面的网格形状大小相同。从涡壳入口段至0－0截面，采用蝶形网格。从0－0截面到360度截面部分，将流道截面分为3部分如图3所示，其中1和2两部分由于形状比较复杂，采用蝶形网格。图3涡壳流道截面分区示意图最后完成的涡壳网格如图4所示。涡壳总网格642874，分成14块，最小正交性12.99，最大网格长宽比714.3，最大网格延展比5.10。图4JK90S涡轮涡壳网格2.2喷嘴环和叶轮的网格划分技术JK90S涡轮喷嘴环叶片采用气动叶型，其叶片形状和叶型数据分别见图5和表3。1234叶片型线图5JK90S喷嘴环叶片形状表3喷嘴环叶片叶型数据lmm00.260.521.041.562.083.124.166.24bmm00.761.041.421.671.852.092.212.3lmm8.3210.412.4814.5616.6418.7219.96bmm2.252.11.861.551.170.740.49涡轮叶轮由于无法获得叶片的原始设计数据，因此首先采用三坐标测量测得叶轮的几何数据，然后根据叶轮的测量数据，利用三维CAD软件建立叶轮的几何模型（如图6）。图6JK90S涡轮叶轮三维模型喷嘴环叶片和叶轮的网格是利用Fine/turbo软件包中的Autogrid模块生成的。模型导入的方法为：首先根据喷嘴环叶片和叶轮叶片的几何数据，分别建立喷嘴环叶片的压力面、吸力面数据文件，以及叶轮叶片的压力面、吸力面、叶轮通道轮毂线和轮缘线，然后将它们导入Autogrid中进行网格划分。在对喷嘴环和叶轮网格的划分过程中，为了研究喷嘴环间隙和叶轮叶背间隙对涡轮性能的影响，划分了3套网格：第一种情况是不考虑喷嘴环上下两端的间隙，第二种情况是喷嘴环上下两端各加上0.2mm的间隙，第三种情况是在第二种情况的基础上，再加上1mm的轮盘背面间隙。叶轮的前缘和尾缘在shroud处给定间隙均为0.6mm。带喷嘴间隙和叶背间隙的网格图见图7。5图7喷嘴环和叶轮网格的划分三种情况下的网格质量如下：第一种情况：不带喷嘴间隙，总网格数487216，分成12块，最小正交性22.89，最大网格长宽比308.8，最大网格延展比2.6。第二种情况：带喷嘴间隙，总网格数555592，分成16块，最小正交性22.89，最大网格长宽比308.8，最大网格延展比2.6。第三种情况：带喷嘴间隙和轮背间隙，总网格数613650，分成18块，最小正交性20.5，最大网格长宽比307.59，最大网格延展比2.6。2.3涡轮级网格的生成整个涡轮级的CFD计算，计算区域需要包括涡壳、喷嘴环和叶轮三部分（如图8所示）。图8JK90S涡轮级模型在涡壳、喷嘴环和叶轮的网格划分完成后，需要在IGG中生成整个涡轮级的网格。将已划分好的涡壳、喷嘴环和叶轮网格导入IGG，然后设定转/静叶的喷嘴环和叶轮网格图（带喷嘴间隙）喷嘴环和叶轮网格图(带轮背间隙)6交接面参数即可。在涡轮级中存在两个交接面，一个是涡壳与喷嘴环的交接面，另一个是喷嘴环与叶轮的交接面，其中涡壳与喷嘴环之间的交接面设在距涡壳出口3.5mm，而喷嘴环与叶轮的交接面由软件自动设定。为了使给定边界条件和试验过程中的更接近，在涡壳的入口加了一段直管，最后生成的整个涡轮级网格如图9所示。图9JK90S涡轮级网格如前所述带不带喷嘴环间隙、带喷嘴环间隙、带叶轮叶背间隙三种情况下的涡轮级网格情况如下：第一种情况：不带喷嘴间隙，总网格数1309916，总共32块，最小正交性12.99，最大网格长宽比714.3，最大网格延展比5.1。第二种情况：带喷嘴间隙，总网格数1378292，总共36块，最小正交性12.99，最大网格长宽比714.3，最大网格延展比5.1。第三种情况：带喷嘴间隙和轮背间隙，总网格数1436350，总共38块，最小正交性12.99，最大网格长宽比714.3，最大网格延展比5.1。2.4网格分区及拓扑结构对涡轮叶轮流道网格质量的影响由于涡轮叶轮三维几何形状相对较为复杂，应用结构化网格进行网格划分时，为了保证网格划分的质量并便于控制网格的分布，一般采用分块划分的方式，并以一定的方式将几个块进行连接并可进行数据上的传递。计算区域内网格块的划分方法及其连接方式构成了网格的拓扑结构。拓扑结构的形式对网格的质量有直接的影响，合理的拓扑结构不仅可以提高网格的质量，还可使网格生成的过程简化。在本节中，将对JK90S涡轮叶轮进行不同拓扑结构形式的网格划分，并进行对比，以选定进行涡轮叶轮网格生成的推荐方法。网格划分采用的基本拓扑结构采用的是HCH型网格，即叶轮流道共采用5个网格块分区（不考虑叶顶间隙内的网格块），其中四个网格块为H型拓扑结构，叶片前缘上游及尾缘下游各有一个H型网格块，叶片通道之间各有一个H型块，另外一个网格块为C型拓扑结构包络近叶片区域，又称SkinMesh。所谓SkinMesh结构是指为了保证绕叶片区域的网格质量及分布以满足附面层内流动特征捕捉的需求，将近叶片区域单独进行网格包络式网格划分的结构。需要指出的是，由于本节所研究的JK90S涡轮叶轮为钝尾缘结构，因此其SkinMesh的结构为C型，对于非钝尾缘结构（圆形、椭圆形、尖形等），则对应的SkinMesh为O形7结构，完全包络整个叶片，但对总的网格块数目没有影响。图10为基本的网格拓补结构和网格参数。a网格拓扑结构b网格参数图10网格拓补结构和参数在HCH基本网格拓补结构的基础上，叶轮内部网格可以采用匹配和非匹配的连接方式，匹配连接方式指相邻两个网格块之间交接网格面上的网格点一一对应，而非匹配连接方式，即两个相邻网格块之间的网格点非一一对应，图11即为叶轮内部采用匹配和非匹配连接方式的网格形式。a两个通道之间采用匹配网格情况b两个通道之间采用匹配网格情况图11两种连接方式的涡轮叶轮内部网格8采用以上这两种连接方式的网格拓扑结构，都可以对涡轮叶轮进行正常的网格分区和网格剖分，并形成最终的三维计算网格，但由于其网格连接方法有所不同，因此最终所生成网格的质量也会有所不同。以下将主要针对采用这两种不同拓扑结构所生成的Blade-to-Blade截面网格正交性进行对比分析，以阐述这两种网格拓扑结构的差异及特点。图12~14给出了三种不同拓扑结构所对应的叶轮0%、50%及100%叶高截面网格单元及网格质量分布图。左列为对应截面的网格单元及其正交性分布云图，左列柱图为其网格正交性从0-90度对应的网格单元数及占整个截面的网格总数百分比分布。对于正交性，网格单元的角度越接近90度则说明网格质量越好，越接近0度则说明网格质量越差。而图15为采用匹配和非匹配连接方式的叶轮总的网格正交性的分布，可以评价整个叶轮通道内部网格质量。a非匹配拓扑结构b匹配拓扑结构图120%叶高截面网格及其正交性分布a非匹配拓扑结构9