文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
在内燃机中使用的可变喷嘴涡轮机（VNT）中，喷嘴叶片位于涡轮机叶轮的上游，调节喷嘴通道，流体通过喷嘴通道加速并改变流动方向。
对当前VNT产品的调查表明，许多VNT，喷嘴叶片流道的变化是通过使喷嘴叶片绕其主轴枢转来实现的。
喷嘴叶片和端壁之间的喷嘴端壁间隙必须设计为实现喷嘴叶片流道的连续可靠变化，许多研究人员已经对旋转喷嘴叶片以提高涡轮机性能进行了研究。
但喷嘴叶片端壁间隙在护罩和轮毂侧的分布并没有引起太多关注。在目前的VNT产品中，这种端壁间隙分布没有得到控制。
当VNT在不均匀的空气动力学载荷条件下和强烈的振动下运行时，这种变化的分布可能会影响涡轮机性能并改变喷嘴叶片后缘冲击波。
喷嘴端壁间隙为流体穿过喷嘴提供空间，并形成强大的泄漏流。
最近的一项文献调查显示，很少有公开文件提到冲击波对轮毂和护罩侧之间喷嘴端壁间隙分布的响应变化。
在本文中，对具有不同喷嘴端壁间隙分布的VNT进行了数值模拟，以找出提高涡轮机效率的最佳分布。同时，对冲击波的变化进行了研究。
为了验证在VNT上进行的分析，对线性涡轮喷嘴进行了替代实验和模拟。
VNT模型示意图
研究模型是通过扫描VNT产品获得的，该产品由具有9个叶片的可变喷嘴和具有13个叶片的混流转子组成。
图1显示了小开度条件下喷嘴叶片的布置。
图1。调查模式说明
值得注意的是，开启条件由喷嘴喉部的总面积决定，该总面积由旋转喷嘴叶片控制。这种设计的优点之一是在实际应用中扩大了可用流量范围，同时保持了高水平的效率。
由于需要绕枢轴转动叶片，喷嘴叶片端部和端壁（轮毂或护罩侧）之间必须设计两个端壁间隙，如图2所示。
图2:带端壁间隙的可变喷嘴涡轮机（VNT）的图示
喷嘴端壁间隙的高度在护罩侧用Csroud标记，在轮毂侧用Chub标记。在本研究中，总间隙高度Csroud+Chub相同，约为喷嘴通道宽度（h）的3%。
数值方法
网格生成器采用多块技术自动生成计算网格，并应用了具有OH拓扑结构的结构化网格。
在叶片/叶片表面周围使用O型块，在入口、叶轮通道和出口使用四个H型块。由于计算域仅包括部分旋转，因此必须在计算网格的两侧应用周期性边界条件，如图3所示
图3。计算网格：（a）单通道网格，（b）多通道网格，和（c）间隙网格。
当整个间隙在喷嘴叶片两端平分时，喷嘴端壁间隙内的展向方向上有13个网格节点。
通过网格聚类技术控制这些网格节点的展向分布，并给出了第一单元长度。
随着喷嘴端壁间隙的高度因喷嘴端壁间距的不同分布而变化，喷嘴端壁隙内展向网格节点的数量被重新调整，以保持相似的计算网格质量，但第一单元宽度保持不变。
在端壁间隙内的喷嘴叶片端面上，使用了蝶形拓扑结构，即H型块被O型块包围。在端壁间隙内，平均y+约为2.68。
通过对不同网格尺寸的单通道网格进行稳态模拟，对网格尺寸进行了敏感性分析，数值预测性能的比较表明，涡轮机性能与所使用的网格尺寸无关。
除了稳态计算外，还进行了非稳态计算来估计计算网格，这表明由于流动参数的陡峭梯度，在冲击波周围区域需要更多的网格点。
最终，经过必要的调整和估计，生成了计算网格。网格单元的斜角不小于36.35，膨胀比小于2.5，而最大纵横比约为540。
在单通道网格上进行了稳态计算，在多通道网格上对其进行了非稳态模拟。
为了加速非定常计算，采用了域缩放方法，将涡轮机叶轮的叶片数从13个调整为12个。
缩放后，非定常计算域包括三个喷嘴叶片和四个转子叶片。多通道网格是通过手动复制单通道网格生成的，同时保持网格的相同质量和拓扑结构。
喷嘴和涡轮机叶轮的总网格数分别为2.61e6和1.92e6。
还进行了稳态模拟，用于评估域缩放方法的效果，结果表明，域缩放方法可以用于本研究。
单通道和多通道网格如图3所示
图3。计算网格：（a）单通道网格，（b）多通道网格，和（c）间隙网格。
数学模型
雷诺平均Navier-Stokes方程由集成在FINE/Turbo软件包中的求解器EURANUS采用有限体积法求解。
为了闭合方程，使用了Spalart–Allmaras湍流模型，以获得良好的计算精度和效率。
空间离散化是基于以细胞为中心的控制体积方法。
为了计算各种通量，采用了詹姆逊中心方案。采用四阶显式Runge–Kutta格式求解流动方程。
使用了一些可用的加速技术，如隐式残差平滑方法、多重网格方法和局部时间步进
非定常计算采用了双时间步进方法，该方法由具有伪时间导数项的含时Navier–Stokes方程组成。
在每个物理时间步长，都会在伪时间内解决一个稳定的问题。
在相同的边界条件下，将不同的物理时间步长，分别为2.08e–6s、1.04e–6s和6.94e–7s，应用于非定常模拟，以找到一个好的非定常时间步长。
经过对瞬态压力的比较，当物理时间步长从2.08e–6s调整到1.04e–6s时，发现了显著的差异，而当时间步长减少到6.94e–7s时，观察到了非常小的偏差。
因此，最后一个应满足当前研究的要求。
计算流体动力学方法的验证
图4（a）中，预测的质量流量效率比文献中的实验数据高2.5%。
效率与速度之比
10从图4（b）中可以看出，预测的膨胀比与实验结果显示出相同的趋势，但质量流量的相对差异为3.5%。这些偏差可能是由于数值模型的简化
膨胀比与流量
没有测试数据可用于验证在VNT上进行的非定常模拟。为了支持非定常模拟的准确性，进行了一些监测工作。监控点是在整个计算领域。
然后进行计算，以跟踪解决方案从一个步骤到下一个步骤的进展。
图5显示了一些监测点的波形，以检查收敛性。除了非定常压力外，所有监测点的速度时间轨迹也显示出周期性变化。
图5。不同监测点的静压随时间的不稳定变化：（a）喷嘴出口位置，（b）叶轮诱导轮中的位置，以及（c）叶轮诱
这些可重复的波形部分支持非定常模拟完全收敛。
结果与讨论
当VNT在其全开状态下运行时，喷嘴端壁间隙对涡轮机性能的影响很小。
在本研究中，仅对喷嘴端壁间隙分布对涡轮机性能的影响进行了半开和小开的分析。
图6显示了半开度下的涡轮机映射图及其在涡轮机映射图中标记为“a”至“I”的一组操作点处喷嘴端壁间隙分布变化时的性能
图6
在不同的运行点，涡轮性能随喷嘴端壁间隙分布的变化趋势相似。
当喷嘴端壁间隙大部分在轮毂侧时，涡轮效率明显较高，由于所有间隙都存在于轮毂侧，因此涡轮机始终具有最高的流量。
在比较这些变化之后，可以发现，与在相同转速下在低效率点运行的情况相比，当涡轮机在高效率点运行时，流量变化水平变小。
图7显示了小开口处的涡轮机性能。曲线显示出与半开时相似的趋势，不同之处在于响应于各种喷嘴端壁间隙分布的涡轮机性能变化水平变得更大。
这意味着喷嘴端壁间隙分布对小开口处的涡轮机性能有更强的影响。
由于存在端壁间隙，通过涡轮喷嘴的流量大大增加，喷嘴端壁间隙的存在确实增加了喷嘴的流动面积。
在目前的研究案例中，总清除率Csroud+Chub保持不变。流速变化的原因应该是喷嘴端壁间隙内的粘性边界层和每侧端壁间隙的不同作用的结合，而不是流动面积的增加。
图8显示了喷嘴中主流和泄漏流的流线。
图8。泄漏流和主流轨迹示意图
喷嘴几何喉部的主流沿喷嘴叶片表面向下游流动。在压差的驱动下，通过喷嘴端壁间隙的泄漏流在离开间隙时大致垂直于主流。
因此，不同的速度矢量会产生强烈的剪切作用，迫使泄漏流卷起并形成涡流。
图9显示了分别具有最大和最小效率的两种情况下泄漏流和主流之间的详细相互作用。泄漏涡流占据了最初为主流设计的喷嘴通道的一部分。
图9。泄漏流与周围主流相互作用的示意图。
具有高径向动量的间隙泄漏流与主流相互作用，迫使主流的一部分漂移离开喷嘴叶片。
图10清楚地显示了空气动力学相互作用，由靠近端壁的截面上的流线表示。
图10。泄漏流与主流相互作用的图示，靠近轮毂侧端壁。
图11显示了喷嘴出口处的等线马赫数分布。改变后的等值线清楚地描述了冲击波的移动。
图11。在喷嘴出口处具有梯度线的马赫数分布。
除了改变冲击波的位置外，随着喷嘴端壁间隙的不同分布，冲击波的强度也不同。
喷嘴叶片后缘冲击波冲击涡轮机叶片的吸入侧，导致叶片负载高度不稳定。
当冲击波减弱时，叶片表面的压力波动减小。
图11中底部图中的强冲击波可能会增加涡轮机叶轮高周疲劳失效的风险。
对于混流式涡轮机，从喷嘴叶片后缘到轮毂侧涡轮机叶片前缘的距离增加可能有利于涡轮机叶轮的可靠性，因为转子与其相邻定子之间的距离与转子-定子相互作用的水平密切相关。
使用喷嘴端壁间隙的最佳分布可以用来提高VNT效率，并降低由喷嘴端壁隙泄漏流引起的涡轮机叶轮高周疲劳失效的风险。
实验验证
上述分析表明，喷嘴端壁间隙分布不仅会改变VNT的效率，还会改变冲击波的位置和强度。
在一定程度上，涡轮机叶轮入口处的均匀光滑的入口条件可以提高预测效率的1-3%，这支持了目前的结果，即使用喷嘴端壁间隙的最佳分布可以提高涡轮机效率。
关于改变后的冲击波的分析还有待于实验验证。为此，北京理工学院设计并制造了一个线性涡轮喷嘴，如图12所示。
图12。测试线性喷嘴模型
使用纹影摄影系统对样品进行测试。同时，还进行了三维数值模拟，以预测线性涡轮喷嘴的冲击波，并与照片数据进行了验证。
数值预测的冲击波与图13中的纹影图像进行了比较。
图13。数值预测的冲击波与纹影图像的对比验证
关于试验台和数值模拟验证的更详细信息可以在以前的出版物中找到。
图13还显示了纹影摄影系统捕捉到的冲击波的流动特性和线性喷嘴涡轮叶片的泄漏流。
很明显，冲击波起源于喷嘴叶片后缘附近，喷嘴端壁间隙泄漏流在向下游流动时逐渐偏离喷嘴叶片。这些现象与上述基于VNT的数值预测结果一致。
结论
在具有混合流转子的VNT中，使用轮毂侧和护罩侧之间的喷嘴端壁间隙的最佳分布来提高效率进行了数值研究。
为了验证泄漏和冲击波相互作用影响的数值分析，对一个线性涡轮喷嘴进行了测试。
对于小喷嘴，在不同喷嘴端壁间隙分布的情况下，对涡轮效率和流量的显著偏差进行了数值预测。使用最佳喷嘴端壁间隙分布可以提高VNT效率。
改变喷嘴端壁间隙的分布不仅会改变喷嘴叶片后缘冲击波，还会改变其强度。
因此，即使最佳喷嘴端壁间隙分布能够减少喷嘴护罩间隙泄漏流量对涡轮叶片可靠性的影响，也可能需要重新检查涡轮的受力响应。
在线性涡轮喷嘴上进行的纹影摄影系统证明，冲击波起源于喷嘴叶片后缘附近，端壁泄漏流在向下游流动时逐渐远离喷嘴叶片。
通过对纹影图像进行详细验证的数值结果证明，端壁间隙泄漏流能够通过偏斜主流的方向来改变冲击波。
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