FloEFD software package application for numerical study of turbocharger characteristics

详细

The paper describes the experience of application of FloEFD software system for three-dimensional gas-dynamic calculation of viscous gas flow in the turbine stage of turbocharger on designing of engine turbo system.

全文:

При создании системы турбонаддува двигателя для корректного согласования турбины и компрессора, турбокомпрессора и двигателя необходимо выполнить целый ряд расчетов компрессорной и турбинной ступеней турбокомпрессора [4]. В данной работе мы рассмотрим только небольшую часть расчетов, выполненных с использованием программного комплекса FloEFD. Важной задачей при проектировании турбонаддува является обеспечение мощности турбины на привод компрессора по всей расходной характеристике двигателя [6]. Используя программный комплекс FloEFD, выполнен трехмерный газодинамический расчет вязкого течения газа в турбинной ступени турбокомпрессора ТКР 80.05.12, предназначенного для двигателя ЯМЗ-536 Евро-4. Определяющей частью решения газодинамических задач в FloEFD является построение сетки, которая, с одной стороны, обеспечивает приемлемую точность получаемого решения, с другой - позволяет считать задачу на персональном компьютере. FloEFD сетка имеет прямоугольную форму, так что стороны ячейки ортогональны осям системы координат и не совпадают с геометрией модели. Сетка должна удовлетворять следующим критериям: · адекватно описывать твердотельную геометрию; · возможность адаптации сетки с учетом больших градиентов параметров; · иметь приемлемое число ячеек для расчета на обычном ПК; · при дальнейшем уточнении сетки не должно наблюдаться качественного и/или существенного изменения результатов вычислений. Для получения сетки, удовлетворяющей заданным критериям, были проведены расчеты при различных окружных скоростях колеса турбины 250 м/с и 450 м/с с грубой сеткой, имеющей 812205 потоковых ячеек (рисунок 2), и при окружной скорости колеса турбины 450 м/с и с улучшенной сеткой на поверхности твердотельной геометрии, имеющей 2870282 потоковых ячеек (рисунок 3). Расчетная 3D-модель турбинной ступени показана на рисунке 1. В качестве граничных условий задавались следующие параметры: · на входе - полное давление и статическая температура; · на выходе Environment Pressure - давление внешней среды, интерпретируемое как полное давление втекающей в модель текущей среды и как статическое давление вытекающей из модели текущей среды. Вращение колеса турбины задавалось специальным регионом с локальной вращающейся системой координат. При этом параметры течения на границе вращающейся области, рассчитанные с учетом течения в стационарной области, будут служить граничными условиями для этой области. Расчетной средой является выхлопной газ, который задавался в виде массовых долей четырех газов: диоксид углерода, вода, кислород и азот. Рисунок 2. Грубая сетка Рисунок 1. Расчетная 3D-модель турбинной ступени Рисунок 3. Улучшенная сетка на поверхности твердотельной геометрии Рисунок 4. Сравнение результатов CFD расчета с экспериментальной характеристикой Расчет производился на компьютере Intel(R) Core(TM) i7 CPU 950 @ 3.07GHz с оперативной памятью 6 ГБ.Расчетное время одной точки при решении на грубой сетке составило 4 часа, на улучшенной сетке 12 часов. Объем оперативной памяти, затраченной на расчет, составил 1,7 Гбайта и 5 Гбайтов соответственно. Сравнение результатов CFD расчета с экспериментальной характеристикой представлено на рисунке 4. Следует отметить, что результаты CFD расчета отличаются от экспериментальных характеристик не более чем на 1 %. При этом расчет на улучшенной сетке совпал с расчетом на грубой сетке. Улучшение сетки на поверхности твердотельной геометрии не дало качественного (существенного) изменения результатов вычислений, при этом время расчета увеличилось в 3 раза. В связи с этим можно сделать заключение, что CFD расчет турбинной ступени можно выполнять на грубой сетке без существенного ухудшения точности совпадения экспериментальных и расчетных данных. При расчете наддува двигателя важным этапом расчетов является также определение расходной характеристики турбины [1], [2], [3]. В автотракторной области, как правило, используются турбокомпрессоры с турбинами центростремительного типа с безлопаточными сопловыми аппаратами, поэтому элементом, определяющим расход, который протекает через турбину, является улитка [5]. На данном этапе развития науки и техники существуют различные одномерные методики проектирования улиток с учетом потерь на трения, а также с учетом потерь, связанных с вторичными течениями, которые возникают при профилировании сечения улитки сложной формы и поворотом потока. К сожалению, эти методы не могут учесть сложную пространственную структуру потока, протекающего в улитке. Численное решение трехмерного вязкого течения позволяет определить места с повышенными потерями и увидеть распределения параметров на входе в рабочее колесо турбины [7], которые влияют как на эффективность процесса расширения газа в турбине, так и на его расход. Рисунок 5 На рисунке 5 показана геометрия расчетной модели рабочего колеса турбины с улиткой. Здесь также показаны характерные площади, которые рассматривались в процессе оптимизации проходных сечений улитки (Fт0 - площадь, определяющая расход газа через турбину, F - площадь под языком улитки). В результате расчетов исходной геометрии улитки была выявлена застойная зона под языком улитки. Укрупненно картина течения на входе в рабочее колесо турбины в области застойной зоны показана на рисунке 2 (приведены радиальные скорости, определяющие расход, протекающий через турбину). Полученная структура потока с неравномерными полями параметров по окружности рабочего колеса приводит к снижению эффективности турбины, а также уменьшению расхода рабочего тела через турбину. В результате конструкторских и газодинамических проработок была выбрана геометрия с уменьшенной неравномерностью потока на входе рабочего колеса (рисунок 6, справа). Расход, протекающий через турбину в соответствующих точках, увеличился на 3% по сравнению с исходным вариантом. Это очень важно учитывать при согласовании турбокомпрессора с двигателем. Рисунок 6 Рисунок 7 Оптимизация геометрии улитки проводилась путем изменения площади под языком улитки F, при этом площадь Fт0 оставалась неизменной. Схемы двух вариантов улиток показаны на рисунке 7 (слева - вариант исходной геометрии, справа - после доработки). Изменение расходной характеристики турбины показано на рисунке 8. Вариант 1 Вариант 2 Рисунок 8 Таким образом, в результате проведенных расчетов показано, как важно правильно учитывать распределения параметров на входе в рабочее колесо турбины. Неверный учет потерь, а также структуры потока в улитке приводит к ошибке в определении расхода через турбину, что недопустимо при проектировании нового изделия. Использование трехмерных численных методов помогает учесть сложное течение газа в улитке и скорректировать геометрию, полученную в результате одномерного или двумерного проектировочного расчета.