本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于有機(jī)朗肯循環(huán)的渦旋膨脹機(jī)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性研究　出處：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：渦旋式膨脹機(jī)作為小微型余熱回收系統(tǒng)的關(guān)鍵做功部件,以其運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及可靠性好等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文針對車用發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的某型渦旋膨脹機(jī),利用三維CFD數(shù)值模擬方法,研究了膨脹機(jī)非穩(wěn)態(tài)內(nèi)流特性,探討了膨脹機(jī)非穩(wěn)態(tài)性能的影響因素。本文主要研究內(nèi)容與成果如下:討論了適用于渦旋膨脹機(jī)數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分與控制方法以及動(dòng)邊界控制方法。提出采用三角形網(wǎng)格軸向分層拉伸并結(jié)合邊界網(wǎng)格局部加密的方法劃分形變計(jì)算域網(wǎng)格。通過動(dòng)態(tài)網(wǎng)格彈性光順以及局部重構(gòu)法更新網(wǎng)格,確保計(jì)算的穩(wěn)定性與收斂性。進(jìn)行了數(shù)值模型的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,分析了質(zhì)量流量、扭矩、效率等對網(wǎng)格密度的敏感性。根據(jù)膨脹機(jī)質(zhì)量流量、膨脹比及功率等試驗(yàn)性能參數(shù),驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。分析了吸氣孔口位置和齒端型線變化對渦旋膨脹機(jī)非穩(wěn)態(tài)性能的影響,研究了動(dòng)渦旋齒齒端動(dòng)態(tài)遮擋下膨脹機(jī)氣流脈動(dòng)、吸氣腔和膨脹腔流動(dòng)特性,對比了不同吸氣結(jié)構(gòu)下膨脹機(jī)吸氣腔流場結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果表明,調(diào)整吸氣孔口開設(shè)位置或齒端修正型線,降低齒端對吸氣孔口的遮擋程度,能有效提高膨脹機(jī)性能,并減弱吸/排氣氣流、氣體力及力矩的脈動(dòng)。齒端遮擋程度越小,集氣室漩渦強(qiáng)度越弱,孔口氣流脈動(dòng)向膨脹機(jī)進(jìn)口的逆向傳遞速率越低。吸氣孔口射流、吸氣旋流及壁面約束等使吸氣腔非均勻流場隨曲軸轉(zhuǎn)角不斷變化。與雙圓弧-直線齒端修正型線相比,單圓弧修正的吸氣腔流場非對稱性持續(xù)更久,吸氣腔壓力更高且畸變度更低。研究了對稱工作腔的非對稱性壓力分布特征及形成機(jī)理。提出了渦旋齒非穩(wěn)態(tài)力矩局部分析法,分析了工作腔氣動(dòng)非對稱性與驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)的關(guān)系。結(jié)果表明,吸氣腔幾何分離前,隨著渦旋齒齒端通道過流斷面的減小,在吸氣旋流和邊界層阻流作用下,吸氣腔出現(xiàn)“氣動(dòng)分離”非對稱流動(dòng)現(xiàn)象。吸氣孔口“偽泄漏”流增大了對稱膨脹腔壓力非對稱程度。受動(dòng)渦旋齒轉(zhuǎn)動(dòng)和背壓腔流阻影響,對稱排氣腔壓力以一定相位差脈動(dòng)變化,脈動(dòng)強(qiáng)度逐漸衰減。各轉(zhuǎn)角范圍驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)的主導(dǎo)因素不同,吸氣過程前期,驅(qū)動(dòng)力矩減小主要由靜渦旋齒外壁面?zhèn)扰蛎浨粔航狄?對稱排氣腔的非對稱性壓力分布變化會(huì)導(dǎo)致力矩的脈動(dòng);吸氣過程中后期,驅(qū)動(dòng)力矩隨吸氣腔壓力變化呈“先增大后減小”趨勢。吸氣腔壓力下降緩慢,壁面型線曲率減小導(dǎo)致力矩持續(xù)增大;吸氣過程后期,吸氣腔“氣動(dòng)分離”導(dǎo)致力矩減小。提出了一種雙側(cè)對稱排氣結(jié)構(gòu)布置方案,研究了排氣結(jié)構(gòu)的調(diào)整對排氣腔與背壓腔流場以及驅(qū)動(dòng)力矩的影響差異。結(jié)果表明,雙側(cè)對稱排氣結(jié)構(gòu)降低了排氣腔和背壓腔流動(dòng)阻力,削弱了內(nèi)部漩渦二次流損失,使排氣氣流更均勻。同時(shí),雙側(cè)排氣結(jié)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)力矩提升約6.38%。中心吸氣腔、對稱工作腔之間各段渦旋齒驅(qū)動(dòng)力矩均有不同程度升高,非對稱工作腔之間各段渦旋齒的驅(qū)動(dòng)力矩出現(xiàn)不同程度下降。分析了過膨脹時(shí)工作腔流場以及徑向間隙切向泄漏流動(dòng)特征,研究了過膨脹對驅(qū)動(dòng)力矩的影響規(guī)律。受切向泄漏和工作腔容積變化影響,排氣之前膨脹腔壓力預(yù)先回升。過膨脹排氣時(shí)工質(zhì)回流,排氣腔壓力從下游至上游逐漸回升。在排氣腔上游來流擠壓、回流氣流剪切作用以及壁面約束下,排氣口處形成回流漩渦,排氣受阻。過膨脹初期,膨脹腔下游部分工質(zhì)仍克服逆壓梯度和邊界層黏滯力,流入下游排氣腔。隨著過膨脹程度增大,膨脹腔下游嚙合間隙形成泄漏反流。在逆壓梯度、邊界層粘性力以及壁面移動(dòng)作用下,反流速度增加,反流區(qū)范圍擴(kuò)大。過膨脹時(shí),移動(dòng)壁面對反流區(qū)上游邊界位置的低速氣流起“吸附”作用,氣流向移動(dòng)壁面減速匯集;對下游邊界位置的低速氣流起“擠壓”作用,氣流背向移動(dòng)壁面加速分離。過膨脹驅(qū)動(dòng)力矩較欠膨脹大幅下降,且力矩脈動(dòng)增加,主要是由膨脹腔壓力先大幅下降又預(yù)先回升所致。此外,排氣腔壓力回升、排氣腔和背壓腔壓力脈動(dòng)以及背壓腔流阻降低也是導(dǎo)致過膨脹驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)的原因。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK115

【參考文獻(xiàn)】

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