离心式压气机的叶轮反求设计与内部流动特性研究

作     者：方亮 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈涛

授予年度：2017年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：机械增压 离心压气机 反求设计 内部流动特性 

摘      要：随着能源危机的加剧以及雾霾等环境问题的频繁出现,国家对汽车节能减排的要求越来越高。增压技术可以提升发动机的动力性和经济性,同时降低尾气排放,已经成为现代汽车工业不可或缺的关键技术。离心式机械增压器以其快速的响应特性,越来越受到人们的重视。离心压气机是离心式机械增压器的关键零部件之一,压气机的性能直接决定增压器的增压效果,离心压气机内部的气体流动十分复杂,气体在流道内部流动的过程中伴随着激波、泄漏和尾迹等各种流动损失。因此研究离心压气机内部流动特性及主要参数对其性能的影响具有重要意义。本文针对某一机械增压器的离心压气机,通过反求设计完成了叶轮的三维建模,并进行了内部流动特性的研究,主要内容如下:采用反求设计方法,通过选择合理的点云采集设备和采集方法获取高质量的叶轮点云数据,探讨点云数据的预处理过程、叶轮曲线曲面的重建方法以及重建模型的精度评价,最终完成了压气机叶轮的模型重建。利用数值分析软件对离心压气机内部流动特性进行分析,绘制出叶轮流量特性曲线并分析叶轮的整体性能,同时分析气体在压气机流道内部的流动情况,对叶轮流道内产生的激波、泄漏以及尾迹损失进行探究。通过分析发现在叶片前缘靠近叶顶处有激波产生并沿着流动方向向流道内部扩散,叶顶处存在间隙泄漏,叶轮出口处有明显的低速尾迹区聚集低能流体,这些流动损失影响压气机的工作效率。对叶顶间隙、进口轮盖直径、进口轮毂直径和出口弯曲角四个主要影响因素进行研究,通过改变各个影响因素的参数值探究它们对离心压气机性能的影响。详细分析各个影响因素对压气机叶轮入口、出口以及内部流动状况的影响。选取上述四个影响因素不同参数水平进行组合,从全部方案中挑选出具有代表性的组合进行数值分析。运用统计学方法对结果进行处理,探讨四个影响因素对离心压气机内部流动特性影响程度的主次顺序,推算出比较好的改进方案,并对改进后的方案进行内部流动特性分析,验证改进后的离心压气机的有效性。最终改进后的压气机内部流动情况得到改善,激波、泄漏及尾迹等各种流动损失得到控制,整体效率提高了0.96%。