本文關(guān)鍵詞：柴油機兩級增壓渦輪系統(tǒng)流動控制研究

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【摘要】：兩級增壓技術(shù)是柴油機提高升功率、實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。兩級增壓渦輪系統(tǒng)排氣管、高/低壓渦輪間的流場耦合效應(yīng),對柴油機高/低壓兩級渦輪性能具有重要影響,成為決定柴油機性能的關(guān)鍵因素,是當代發(fā)動機流體力學的研究前沿之所在。深入研究兩級增壓渦輪系統(tǒng)的流場耦合效應(yīng)及其對兩級渦輪和發(fā)動機性能的影響,探討通過控制流場耦合效應(yīng)改進渦輪性能,提高發(fā)動機全工況性能,無論從工程需求牽引出發(fā),還是從學科發(fā)展推動來看,均具有十分重要的意義。論文針對兩級增壓渦輪系統(tǒng)排氣管、高/低壓渦輪部件分別獨立設(shè)計,難以考慮流場耦合效應(yīng)的影響這一難點,對柴油機兩級增壓渦輪系統(tǒng)的流場耦合效應(yīng)、性能影響機制和流動控制方法等進行了探討。通過對發(fā)動機排氣管與高壓渦輪流場的耦合仿真分析,研究了排氣管內(nèi)部流動隨發(fā)動機工況變化的規(guī)律,及其對高壓渦輪流動及性能的影響。發(fā)現(xiàn)排氣管出口的流場畸變將使高壓渦輪葉尖泄漏渦向出口遷移,顯著增強泄漏渦與通道主流的摻混效應(yīng),導致渦輪效率的降低。提出了通過排氣總管氣流切向引入排氣歧管,控制排氣管出口畸變結(jié)構(gòu),實現(xiàn)渦輪增效的流動控制新方法;仿真結(jié)果表明,該方法可使兩級增壓的高壓渦輪增效3.12%。通過對高壓渦輪與低壓渦輪流場的耦合仿真分析,研究了高壓渦輪內(nèi)部流動隨發(fā)動機工況的變化規(guī)律,及其對低壓渦輪流動及性能的影響。發(fā)現(xiàn)高壓渦輪出口的旋流效應(yīng)將使低壓渦輪葉輪通道產(chǎn)生橫向二次流動,并與葉尖泄漏渦摻混,導致低壓渦輪性能大幅度降低。提出了通過高/低壓級渦輪箱反旋向設(shè)計,控制高壓出口旋流效應(yīng)導致的低壓渦輪葉輪通道橫向二次流效應(yīng),實現(xiàn)低壓渦輪增效的流動控制新方法。試驗研究表明,該方法可使低壓渦輪效率提高5.8%。建立了考慮流場耦合效應(yīng)的渦輪系統(tǒng)通流模型,發(fā)展了柴油機兩級增壓通流匹配循環(huán)分析方法。對某型兩級增壓柴油機進行了全工況通流匹配優(yōu)化研究,結(jié)果表明在保證發(fā)動機低速扭矩不變時,額定功率工況功率提高13.35%,燃油消耗率降低4.6%。
【關(guān)鍵詞】：柴油機 兩級渦輪增壓 排氣管 高/低壓級渦輪 流場耦合
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK423
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號對照表9-12
• 第1章 引言12-29
• 1.1 兩級增壓技術(shù)研究背景及意義12-14
• 1.2 兩級渦輪增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展14-18
• 1.3 兩級增壓渦輪系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢18-22
• 1.3.1 兩級渦輪系統(tǒng)零維匹配設(shè)計18-19
• 1.3.2 兩級渦輪系統(tǒng)一維非定常匹配設(shè)計19-21
• 1.3.3 兩級渦輪系統(tǒng)匹配設(shè)計存在問題及發(fā)展趨勢21-22
• 1.4 軸流式渦輪系統(tǒng)流場匹配22-27
• 1.4.1 渦輪系統(tǒng)葉型匹配22-23
• 1.4.2 渦輪級間流場匹配23-24
• 1.4.3 渦輪系統(tǒng)與排氣流場匹配24-27
• 1.5 本論文研究工作的目的及主要內(nèi)容27-29
• 1.5.1 論文研究目的27
• 1.5.2 論文研究主要內(nèi)容27-29
• 第2章 兩級增壓渦輪系統(tǒng)流動仿真建模29-45
• 2.1 渦輪系統(tǒng)部件建模方法29-42
• 2.1.1 控制方程29-31
• 2.1.2 湍流模型31-32
• 2.1.3 數(shù)值格式與邊界條件32-37
• 2.1.4 邊界條件37-40
• 2.1.5 網(wǎng)格劃分40-41
• 2.1.6 建模方法驗證41-42
• 2.2 渦輪系統(tǒng)建模42-44
• 2.2.1 排氣管路建模43-44
• 2.2.2 高壓級模塊建模44
• 2.2.3 低壓級模塊建模44
• 2.3 小結(jié)44-45
• 第3章 排氣/渦輪系統(tǒng)流動特性及流動控制研究45-65
• 3.1 排氣管路流動特性分析45-53
• 3.1.1 排氣管路結(jié)構(gòu)45-46
• 3.1.2 排氣管路流動仿真46-48
• 3.1.3 排氣管路流動及出口流場畸變分析48-52
• 3.1.4 排氣管路出口流場畸變分析52-53
• 3.2 排氣管與渦輪系統(tǒng)流場耦合分析53-62
• 3.2.1 排氣管與高壓級渦輪流場耦合規(guī)律分析53-55
• 3.2.2 流場耦合機理分析55-61
• 3.2.3 高壓級渦輪出口流場畸變分析61-62
• 3.3 總管切向進氣式排氣系統(tǒng)流動分析62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 第4章 高/低壓渦輪流動特性及流動控制研究65-90
• 4.1 兩級渦輪流動特性分析65-70
• 4.1.1 兩級渦輪結(jié)構(gòu)65-66
• 4.1.2 高壓級渦輪出口流場分析66-70
• 4.2 旁通渦輪系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)分析70-74
• 4.2.1 旁通管路與連接管路氣流摻混流動分析71-73
• 4.2.2 旁通對低壓級渦輪進口流場畸變影響73-74
• 4.3 兩級渦輪流場耦合分析74-82
• 4.3.1 高壓級渦輪耦合流動及性能分析74-77
• 4.3.2 低壓級渦輪耦合流動及性能分析77-82
• 4.4 兩級渦輪流動控制方法研究82-84
• 4.5 兩級渦輪流場耦合試驗驗證84-89
• 4.5.1 試驗基礎(chǔ)條件84-86
• 4.5.2 試驗方案及內(nèi)容86
• 4.5.3 渦輪特性數(shù)據(jù)處理86-87
• 4.5.4 試驗結(jié)果分析87-89
• 4.6 本章小結(jié)89-90
• 第5章 渦輪系統(tǒng)通流模型研究90-115
• 5.1 渦輪系統(tǒng)通流模型構(gòu)建方法90-101
• 5.1.1 排氣管通流模型90
• 5.1.2 渦輪通流模型90-101
• 5.2 排氣系統(tǒng)與高壓級渦輪通流模型101-107
• 5.2.1 排氣管路出口流場畸變模型101-104
• 5.2.2 高壓級渦輪通流模型104-107
• 5.3 渦輪系統(tǒng)通流模型107-113
• 5.3.1 高壓級渦輪出口流場畸變模型107-110
• 5.3.2 低壓級渦輪通流模型110-113
• 5.4 本章小結(jié)113-115
• 第6章 柴油機循環(huán)分析與渦輪系統(tǒng)優(yōu)化研究115-128
• 6.1 柴油機循環(huán)分析115-120
• 6.1.1 兩級增壓柴油機通流模型115-117
• 6.1.2 兩級增壓柴油機通流模型驗證117-118
• 6.1.3 渦輪系統(tǒng)流場耦合效應(yīng)影響118-120
• 6.2 渦輪系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計120-127
• 6.2.1 渦輪系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法120-124
• 6.2.2 渦輪系統(tǒng)通流設(shè)計結(jié)果分析124-127
• 6.3 本章小結(jié)127-128
• 第7章 總結(jié)與展望128-133
• 7.1 研究總結(jié)128-132
• 7.2 研究展望132-133
• 參考文獻133-139
• 致謝139-141
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果141

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