离心压气机内部流场计算规范

PAGE离心压气机内部流场计算规范P56页北京理工大学涡轮增压实验室2008年10月PAGEI目录1.项目研究目标 12.项目研究内容 13．项目研究成果 13.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究 13.1.1J90压气机叶轮网格相关性分析 23.1.1.1J90压气机几何及参数 23.1.1.2数值方法 23.1.1.3计算网格 33.1.1.4计算结果 43.1.2J60压气机叶轮网格相关性分析 123.1.2.1J60压气机几何及参数 123.1.2.2计算方法 123.1.2.3计算网格 123.1.2.3计算结果 153.1.3结论 203.2压气机三维流场数值仿真网格划分技术研究 213.2.1网格分区及拓扑结构对压气机叶轮流道网格质量的影响 213.2.2复杂几何结构网格剖分 293.2.2.1封头结构 293.2.2.2子午结构与尾缘平齐结构 323.2.3附面层网格剖分的要求 353.2.4叶轮网格质量的控制及准则 363.2.4.1叶轮网格质量控制 363.2.4.2叶轮网格质量判断准则 433.2.5结论 453.4.2网格块的划分 483.4.3蝶形网格的使用 493.4.4蝶形网格的内部加密 503.4.5网格块之间的连接 513.5压气机三维流场仿真计算区域的选择研究 533.5.1J90增压器实验测试说明 533.5.2J90压气机几何说明 543.5.3J90压气机计算进口边界条件的给定 543.5.4J90压气机单叶轮计算 553.5.5J90压气机级计算 563.5.6J90压气机级及出口管道计算 573.5.7结论 593.6压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究 593.6.1进口条件 593.6.2出口条件 623.6.3结论 643.7湍流模型的选择研究 653.7.1计算收敛性 683.7.2计算时间 703.7.3计算精度 713.7.4结论 723.8离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究 733.8.1压气机失速特性 733.8.2数值失速时计算收敛特性 753.8.3数值失速点的捕捉 763.8.4结论 763.9压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法 773.10压气机三维流场计算判别准则研究 78PAGE671.项目研究目标开展涡轮增压器压气机三维流场计算仿真技术的研究，形成压气机仿真设计体系；同时对涡轮增压器压气机气动性能试验进行研究，形成压气机气动性能试验规范。以下报告中的研究内容皆基于NUMECAFINE/Turbo软件包进行，网格生成器为IGG/AutoGrid，求解器为EURANUS。2.项目研究内容通过以下内容的研究，可以得到影响增压器压气机内部三维流场数值计算结果精度的诸多因素，以形成流场计算规范，从而使得使用人员可以根据本报告中所提供的指导性意见进行直接的网格建模和数值模拟，从而降低CFD的门槛，使其能够更广泛的应用在涡轮增压器的气动设计中。压气机三维流场仿真计算网格相关性、网格划分技术研究；高效压气机涡壳网格划分技术研究；压气机三维流场仿真计算区域的选择研究；压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究；湍流模型的选择研究；离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究；压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法；压气机三维流场计算判别准则研究.3．项目研究成果3.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究在影响数值计算结果精度的诸多因素中，网格数目及分布对计算结果的精度有非常显著的影响。网格数目太少或者分布不合理，都可能导致计算结果与实际参数的较大偏差并可能无法捕捉实际三维复杂流场中的一些详细的流动现象，例如小区域分离、附面层内的准确流动情况等；但过多的的网格数目则需要耗费较长的计算时间，无法实现较快速预测性能的目的，因此应当在可以满足数值计算精度的前提下，尽可能的减少计算网格数目以减少计算所需时间。本部分工作以两种不同尺寸的压气机叶轮为研究对象，分别进行了计算结果的网格相关性工作，通过几种具有不同计算数目及分布的网格设定，对比了其对压气机叶轮性能的影响。3.1.1J90压气机叶轮网格相关性分析3.1.1.1J90压气机几何及参数图3-1.a为J90增压器压气机部分的三维渲染模型，包括叶轮、无叶扩压器和涡壳。叶轮叶片数为14（7组长叶片＋短叶片），叶顶间隙前缘处为0.5mm，尾缘处为1.0mm。图3-1.b为该压气机叶轮局部图，3-1.c

对应其子午尺寸。0.5mm1mm62m0.5mm1mm62m90mma.三维渲染模型b.叶轮模型c.子午尺寸图3-1J90增压器压气机部件三维模型及叶轮尺寸3.1.1.2数值方法计算采用FINE/Turbo软件包，求解三维雷诺平均N-S方程组。应用格子中心有限体积法，空间采用添加人工粘性项的二阶中心差分格式；时间项采用4阶Runge-Kutta法迭代求解。计算采用三层多重网格结合变时间步长及残差光顺方法进行收敛加速，叶轮进口为全湍流，湍流模型使用Spalart-Allmaras一方程模型。3.1.1.3计算网格为了进行叶轮计算结果网格相关性研究，共采用了三种不同数目、不同尺度分布的网格，分别为粗网格、中等网格和精细网格，网格数目分别为36万、91万及166万，表1给出了三种不同网格的详细信息。表1J90计算网格信息网格一网格二网格三长叶片展向254565周向333333流向（叶片区域）81113157流向（前缘上游）294141流向（尾缘下游）294961短叶片展向254565周向333333流向（叶片区域）5385129流向（前缘上游）576969流向（尾缘下游）294961长叶片间隙展向91317周向171717流向81113157短叶片间隙展向91317周向171717流向5385129总计3594189072101663834在网格生成过程中，为了确保边界层内的计算精度具有可比性，三种不同的网格皆采用相同的第一层网格尺度（对应相同的y+）以及相同的近叶片法线方向网格数目。另外，这三套网格具有完全相同的拓扑结构以排除拓扑结构形式的不同对计算结果造成影响的因素。图3-2分别给出了这三种网格的表面网格分布以及子午面上的网格分布，通过对比，可以直观的看出三种网格在网格密度以及分布上的区别。a.稀疏网格（360K）b.中等网格（906K）c.精细网格（1664K）图3-2三种不同计算网格分布示意图3.1.1.4计算结果为了使不同网格对应的计算结果具有可比性，针对J90压气机叶轮皆进行了相同转速、相同进出口条件下的工况线计算。图3-3为计算所得的不同网格数下压气机叶轮工况效率及压比特性图。数值失速数值失速a.效率特性b.压比特性图3-3J90压气机叶轮效率及压比特性由图可以看出，根据三种不同数目的网格计算所得到的压气机叶轮特性存在着差异，尤其是稀疏网格所对应的压气机的效率特性与中等网格及精细网格对应的结果存在着非常明显的区别：效率特性线整体向下偏移，并比其它两套网格对应的效率平均减小约2%；压比特性也存在着一定程度的差别，但与效率特性不同，与中等网格和精细网格对应的计算结果相比，稀疏网格对应的计算结果与它们的差异则相对不是那么明显。相比较而言，中等网格和精细网格所对应的压气机效率特性及压比特性之间的差异非常小，其效率差别最大仅为0.2%，而压比特性则基本重合，对于J90压气机叶轮而言，可以认为采用中等网格（网格数目为90.7万）已基本上达到计算的网格无关结果。通过上图还可以看出，随着计算网格数目的增多，所对应的叶轮效率及压比特性皆成上升趋势，造成这种现象的原因在于，采用较少的网格数目时，容易造成对损失区域范围的夸大（例如边界层内沿流向的分离区、流道内的分离涡尺度等），因而导致效率及压比的下降。此外，采用稀疏网格进行的计算所得的叶轮工况范围偏宽，进入数值失速较晚，而采用精细网格的计算数值失速点明显比其它两种网格提前，这是由于采用精细网格可以更细致的捕捉稀疏网格所无法捕捉到的流团阻塞以及损失涡团的干涉等复杂流动现象，这些流动现象都将引起流动的不稳定而引发流动失速。由图3-4.a-c所示的子午平均总压云图分布可以看出，与其它两种网格相比，采用稀疏网格的计算结果在长叶片前缘附近总压比略低，而在叶轮出口尾缘区域高总压的区域略小，同时在无叶扩压器内的总压损失降低较为明显，导致了总压比及效率相对而言略有下降。在最高效率点，采用精细网格所捕捉的间隙流强度加大，在小叶片前缘顶部下游区域呈现了更强的间隙流特性，而间隙涡与顶部通道涡的干涉及低能流团的聚积是导致压气机失速的一个重要原因，该现象也直接体现了随着网格的加密，数值失速提前的直接原因。a稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b.中等网格（左：大流量右：最高效率点）c.精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-4子午平均总压云图分布图3-5.a-c分别给出了大流量工况及最高效率工况点下采用不同网格计算所得的子午平均静压云图分布。由图可以看出，三种不同网格对应的叶片对气流加功的特性有所不同，随着网格数目的增多，叶片根部至顶部的静压压力梯度变化越为剧烈，这种差别在稀疏网格和另外两种网格之间体现的非常明显，而在中等网格和精细网格之间则基本保持着极为相似的的加功特性。类似的现象在大流量和最高效率点工况下50%叶高Blade-to-Blade截面上的静压云图分布特征上也有所体现（图3-6）。a.稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b.中等网格（左：大流量右：最高效率点）c.精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-5子午平均静压云图分布a.稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b.中等网格（左：大流量右：最高效率点）c.精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-650%叶高Blade-to-Blade静压云图分布对于雷诺平均Navier-Stokes方程组（RANS）的求解，湍流粘性是反应流场内湍流流动特性的重要表现特征。通过湍流粘性的分布可以反应出流场内的湍流流动程度。图3-7.a-c给出了大流量工况和最高效率点工况下三种不同网格对应50%叶高截面上湍流粘性的云图分布，可以看出，尽管采用不同密度的网格都从一定程度上反应了流场内的湍流流动特性，但采用稀疏网格时，两种不同工况下叶片尾缘区域所反应出来的湍流粘性要比采用中等网格及精细网格的情况要小一些，说明其稀疏网格未能准确的捕捉湍流流动的特征及湍流强度。网格的加密可以有效的改善对湍流流动特征的模拟。a.稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b.中等网格（左：大流量右：最高效率点）c.精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-750%叶高Blade-to-Blade涡粘性云图分布图3-8给出了在大流量及最高效率点两种工况下三种不同网格所对应的叶轮出口子午平均相对气流角沿展向的分布规律，对应位置如图3-8.a所示。中等网格和精细网格都较好的捕捉到了叶根及叶顶的通道涡所引起的气流偏转的现象，并且所得到的气流角分布基本重合，说明这两种网格在对二次涡的捕捉精度上基本相同。但稀疏网格的计算结果并没有很好的反映出叶轮的通道涡特征。从图3-9所示的相同位置处相对马赫数的分布也可以看出，采用稀疏网格的计算结果并没有捕捉到叶根区域的气流相对速度的准确变化规律，并且沿展向的相对马赫数分布整体而言较中等网格和精细网格向下偏移（所预测的气流速度偏小）。气流角及相对马赫数分布的差别说明稀疏网格中所采用的展向网格的数目并没有达到捕捉详细流动信息的程度。a绘图位置示意（左：大流量右：最高效率点）图3-8叶轮出口子午平均相对气流角（左：大流量右：最高效率点）图3-9叶轮出口子午平均相对马赫数s基于以上的分析，对于J90压气机叶轮的性能预测及流场的模拟，采用本报告中所采用的稀疏网格并不能得到令人满意的结果，而采用精细网格的计算，虽然在结果上比中等网格仍然有所改善，但是改善的程度非常微弱，可以认为，本报告中所采用的中等网格所得到的计算结果已经达到网格无关性的要求，对应的各个网格方向上的网格数目及分布可以满足压气机叶轮高精度计算的要求。3.1.2J60压气机叶轮网格相关性分析3.1.2.1J60压气机几何及参数J60压气机叶轮为前倾后弯型叶轮，图3-10给出了其三维模型图及子午平均尺寸图。该叶轮顶部进口段叶顶直径为40.8mm，叶轮出口直径为56mm，前缘叶顶间隙0.4mm，尾缘叶顶间隙0.7mm。在本报告中，对该叶轮采用四种不同尺度的网格进行了转速为80000rpm时叶轮性能的分析并进行了对比。R20.4mmR20.4mm0.4mm0.7mmR28mm图3-10叶轮三维模型及子午尺寸图3.1.2.2计算方法对该叶轮采用的网格生成及计算方法与J90压气机叶轮相同。3.1.2.3计算网格共采用了四种不同数目、不同尺度分布的网格，分别为粗网格、中等网格、细网格及精细网格，网格数目分别为29.3万、41.8万、94万及147万，表2给出了这四种不同网格的详细信息。表2J60计算网格信息网格一网格二网格三网格四长叶片展向25335365周向33333333流向（叶片区域）576593149流向（前缘上游）33457373流向（尾缘下游）17173333短叶片展向25335365周向33333333流向（叶片区域）414977113流向（前缘上游）49578585流向（尾缘下游）17173333长叶片间隙展向9131317周向17171717流向576593149短叶片间隙展向9131317周向17171717流向495777113总计2928064181389402901472374以上四种网格在叶轮叶高方向、流向方向以及间隙内展向网格尺度上有较大差别，这几个方向的网格分布也是对叶轮性能影响最明显的因素，根据这些网格分布可以判断出达到该叶轮性能网格无关解的确定信息。图3-11给出了四套网格对应的三维表面网格及子午网格分布图。a稀疏网格b中等网格c细网格d精细网格图3-11J60压气机叶轮四种不同网格叶片表面三维网格及子午网格分布3.1.2.3计算结果图3-12给出了采用以上四种不同网格时计算得到的J60压气机叶轮在80000rpm工作时的总-总效率及总压比特性曲线。由图可以看出，随着网格的加密，在大流量区域叶轮计算效率及总压比逐渐提高，且递增的幅度逐渐减小，说明计算性能对网格的依赖性逐渐减弱；在小流量工况，叶轮性能差别不大，尤其在流量为0.07kg/s及0.08kg/s时，四种网格对应的叶轮计算性能基本重合，说明计算结果对网格的依赖程度同样受工况条件的影响。a效率特性曲线b总压比特性曲线图3-12采用不同网格时J60压气机叶轮特性曲线效率：总-总，压比：总-总对于效率特性，四种不同网格所预测的叶轮最高效率点位置相同，皆处于流量为0.1kg/s处，说明本报告中所采用的不同疏密程度的网格皆可以较客观的定性反映叶轮特性的变化趋势，差别仅仅在于特性的定量数值上。稀疏网格和精细网格在各自所对应的最高效率点处的叶轮效率相差约1.2个百分点,而对应的相同流量下的总压比最大差别约为0.4%，相对差别较为微小。总体而言，采用细网格的计算结果与精细网格的计算结果在效率上最大差别为0.2%，总压比差别仅为0.18%，可以认为在细网格上的计算结果已经达到网格无关解。值得注意的是，与J90压气机相同，在对J60压气机叶轮进行数值计算时，使用稀疏网格和中等网格时，在0.07kg/s流量工况，计算具有非常好的收敛性，而在使用细网格及精细网格时，计算残差出现规律性振荡，且精细网格所对应的收敛残差振荡幅度比细网格的大，这说明采用精细网格进行计算时，捕捉到了较粗网格所不能捕捉到的流场内的复杂不稳定流动区流动现象（或流场参数的脉动），这使得其对应的数值失速点也将有所提前。a稀疏网格b中等网格c细网格d精细网格图3-13大流量工况四种不同网格对应计算结果子午平均总压云图分布图3-13给出了相同流量工况（大流量工况）下四种不同网格对应的计算结果子午平均总压分布云图。从总体上看，四种不同网格对应的结果在子午平均总压分布上基本相同，区别仅在分流叶片前缘区域及叶顶区域。网格较为稀疏时，叶顶区域的低总压区域略微偏大，这种差别通过稀疏网格和精细网格之间的对比可以看出，这也是图3-12中所示稀疏网格计算所得的总压比略微偏低的原因。a稀疏网格b中等网格c细网格d精细网格图3-14大流量工况四种不同网格对应计算结果子午平均静压云图分布图3-14给出了相同流量工况（大流量工况）下四种不同网格对应的计算结果子午平均静压分布云图。稀疏网格对应的计算结果在分流叶片前缘叶顶区域的低静压区域沿展向偏大，而在流向则偏小，这与其所采用的间隙内展向网格及流向网格的数目有关。中等网格在该区域的静压分布有所改善并与细网格及精细网格的所对应的计算静压分布基本一致。从总体上上看，中等网格已经可以比较准确的反映叶轮内的加功特性，并得到比较可信的静压分布规律。在叶轮通道的其它区域，四种网格所对应的静压分布则基本相同，这一点同样可以从图3-15所示的叶轮中叶展截面叶片表面静压分布图看出（图中Coarse：稀疏网格，Medium：中等网格，Fine：细网格，Fine+：精细网格，M代表主叶片，S代表分流叶片），在主叶片前缘至其下游2/3区域，四种不同网格所计算得到的叶轮表面静压分布基本重合，说明在这些区域的网格分布已经可以满足叶轮加功特性的预测，在接近叶轮出口区域（主叶片的后1/3），叶轮表面静压分布呈现一定的差别，其中稀疏网格计算结果偏离其它结果而另外三种计算网格所对应的计算结果则仍然基本保持一致。对于分流叶片，在其前1/2区域，四种网格对应结果基本重合，而在其后1/2区域，稀疏网格对应的压力面及吸力面静压差偏小，并偏离其它网格的计算结果，中等网格与另外两种网格的计算静压分布也有轻微的差别，但幅度非常之小，而细网格及精细网格对应的结果则仍然基本重合，说明对于分流叶片，中等网格所对应的网格数目分布基本可以较准确的捕捉叶轮的静压压升特性，尽管结果仍然与更细密的网格有轻微的差别，但该差别对于预测叶轮的加压特性基本可以忽略。对于该叶轮，细网格已达到网格的无关解。图3-15小流量工况四种不同网格对应计算结果子午平均总压云图分布图3-16给出了四种不同网格叶轮出口相对气流角分布。稀疏网格对应结果在叶顶区域气流角分布与其它三种网格出现了较明显的差别，且变化趋势也呈现相反的现象。由于间隙流是压气机叶轮内造成流动损失及形成复杂流动结构的一个重要因素，因此间隙流的捕捉精度将直接影响这叶轮的性能及其内部的参数分布。对于J60压气机叶轮，稀疏网格采用的叶顶间隙内布置的网格数目（9个）相对而言较少，根据其它三种网格在间隙内所布置的网格数目，建议对于同等间隙尺寸的压气机叶轮顶部间隙内布置至少13个网格以上。该数目同时应当随着间隙尺寸的增加而线性增加方可保证间隙流的准确捕捉。在中叶高区域，气流角分布也与其它三种网格呈现明显差别，这与其展向网格的数目及分布直接相关。根据相对气流角的分布趋势，可以看出，对于J60压气机叶轮，稀疏网格所采用的叶片25个展向网格数目不能实现准确预测，要达到参数的准确计算，需要在叶片展向布置至少53个网格以上。对于不同尺寸的压气机叶轮，则网格数目应当根据相对于J60压气机叶轮的尺寸比例来确定网格数目。图3-16小流量工况四种不同网格对应计算结果子午平均相对气流角分布3.1.3结论以上对J90及

J60两种压气机叶轮进行了网格相关性研究，分别采用了三种及四种不同数目及分布的计算网格分别进行了基于雷诺平均的全三维流动数值模拟，对其内部流动参数的分布以及压气机的特性进行了预测和对比。通过以上分析，对于网格相关性问题，可以得出以下结论：1.网格数目对压气机叶轮计算性能有着非常明显的影响，同时对压气机内部的流动及损失结构的捕捉精度有着重要影响；2.在进行压气机叶轮性能及内部流动、损失结构的预测及分析时，应尽可能的对网格实施加密以保证计算精度。对于本报告中所研究的两种压气机叶轮，网格的增多都使得叶轮的计算效率及总压比特性整体向上平移；3.对于本报告所研究的J90及J60压气机叶轮（长短叶片结构），为了使计算达到网格无关或者达到与网格无关解的差别可以忽略的精度，所需使用的计算网格数目应保持在90万左右；4.较稀疏计算网格数目（30万左右）可以比较客观的反映压气机叶轮特性的定性规律，并可以预测出准确的最高效率点工况位置，但在定量上无法准确预测其具体数值。根据以上分析，较稀疏的网格可以用于快速气动性能推测和比较；5.计算网格的数目对于压气机效率特性的影响程度远大于对压比特性的影响，即使较稀疏的网格（30万左右）仍然可以得到与网格无关解误差范围在1%以下的精度，用于工程上预测压气机压比特性仍然具有相当的可信度；6.叶顶间隙是影响压气机性能及内部流动结构的一个重要几何因素。应当在叶顶间隙内布置一定程度的网格数目以捕捉准确的间隙流流动特征及损失结构。对于0.5mm左右的间隙尺寸，应当布置13以上的网格数目；7.展向网格的数目对于压气机叶轮内部的气流角等重要流动参数的分布具有较大的影响，在保证计算结果达到网格无关所需要的网格数目前提下，应当在叶轮展向布置至少45以上的网格数目以保证二次流流动特征及损失结构的较准确预测；8.对压气机叶轮内部流动及特性的预测和分析所需布置的网格数目应当与压气机叶轮的实际尺寸有关。对于60~90mm系列的压气机叶轮，采用以上所要求的网格数目可以基本达到网格无关解的要求，但随着叶轮尺寸的增加，应当在叶轮的叶展方向、流向以及周向增加适当比例的网格数目以满足足够小的网格单元的要求。3.2压气机三维流场数值仿真网格划分技术研究网格划分是实施数值模拟非常关键的一个环节，占用一个完整CFD模拟过程的大部分人工时间。网格划分的结果不仅直接影响到对应CFD模拟是否可以得到收敛的解，还直接影响着计算结果的精度。较差的网格划分方法及网格质量不仅大幅度降低计算的效率，还可能引起不可信的计算结果，误导CFD工程师，其结果也可能是灾难性的。因此，选择合理的网格划分方法，最大限度的提高网格的质量，对于实现高精度的数值模拟及性能预测而言显得非常重要，因此开展相关的研究也是非常有必要的。以下将对如何进行压气机叶轮内的网格进行分区以及选择合理的拓扑结构、提高网格质量以及划分复杂的几何结构进行阐述。3.2.1网格分区及拓扑结构对压气机叶轮流道网格质量的影响由于压气机叶轮三维几何形状相对较为复杂，应用结构化网格进行网格划分时，为了保证网格划分的质量并便于控制网格的分布，一般采用分块划分的方式，并以一定的方式将几个块进行连接并可进行数据上的传递。计算区域内网格块的划分方法及其连接方式构成了网格的拓扑结构。拓扑结构的形式对网格的质量有直接的影响，合理的拓扑结构不仅可以提高网格的质量，还可使网格生成的过程简化。在本节中，将对带分流叶片的离心压气机叶轮进行不同拓扑结构形式的网格划分，并进行对比，以选定进行同类压气机叶轮网格生成的推荐方法。对于J60压气机叶轮通道，有主叶片及分流叶片将流道拆分为两个大的子区域，如图3-17所示。区一区一区二图3-17带分流叶片离心压气机流道示意图由于主叶片与分流叶片沿流向长度不同，因此需要对流道区域进行单独的拆分以保证网格的质量。对于此种类型的叶轮通道，一般可采用以下两类拓扑结构：1)带有SkinMesh单独分区的结构；2)不带有SkinMesh分区的结构。这两种结构都可以实现叶轮流道内的网格划分。所谓SkinMesh结构是指为了保证绕叶片区域的网格质量及分布以满足附面层内流动特征捕捉的需求，将近叶片区域单独进行网格包络式网格划分的结构。图3-18给出了这两类拓扑结构中三种常用的拓扑形式，其中a、b两种皆带有SkinMesh结构。a拓扑一b拓扑二c拓扑三图3-18三种常用网格拓扑结构对于图中所示的第一种拓扑结构，叶轮流道共有10个网格块分区（不考虑叶顶间隙内的网格块）。其中主叶片和分流叶片流道各有五个网格分区，且这五个分区中四个网格块为H型拓扑结构，一个为C型拓扑结构包络近叶片区域，又称SkinMesh。主叶片和分流叶片流道的拓扑结构相同：叶片前缘上游及尾缘下游各有一个H型网格块，主流叶片和分流叶片之间各有一个H型块，叶片区域的包络C型网格块。对于第二种拓扑结构，与第一种拓扑结构相似，但所不同的是主叶片和分流叶片之间共用一个H型网格块，因此其网格分块数目比第一种拓扑结构减少2个，共有8个网格块（未考虑叶顶间隙网格块）。第三种拓扑结构则明显不同，缺少了近叶片区域的包络C型网格块以及叶片前缘上游的网格块，因此总网格块数目减少为4个。需要指出的是，由于本节所研究的叶轮为钝尾缘结构，因此其SkinMesh的结构为C型，对于非钝尾缘结构（圆形、椭圆形、尖形等），则对应的SkinMesh为O形结构，完全包络整个叶片，但对总的网格块数目没有影响。采用以上这三种网格拓扑结构，都可以对压气机叶轮进行正常的网格分区和网格划分，并形成最终的三维计算网格，但由于其结构不同，网格数目的连接及调整方法有所不同，因此最终所生成网格的质量也会有所不同。以下将主要针对采用这三种不同拓扑结构所生成的Blade-to-Blade截面网格正交性进行对比分析，以阐述这三种网格拓扑结构的差异及特点。图3-19~21给出了三种不同拓扑结构所对应的叶轮0%、50%及100%叶高截面网格单元及网格质量分布图。左列为对应截面的网格单元及其正交性分布云图，右列柱图为其网格正交性从0-90度对应的网格单元数及占整个截面的网格总数百分比分布。对于正交性，网格单元的角度越接近90度则说明网格质量越好，越接近0度则说明网格质量越差。a拓扑一b拓扑二c拓扑三图3-19三种不同拓扑结构0%叶高截面网格及其正交性分布从0%叶高截面上三种不同拓扑结构对应的网格单元质量分布情况来看，网格单元正交性角度处于54度以上的网格占据其截面网格总数的百分比分别约为90%、89%和88%，比例基本相当，说明在此截面上，三种拓扑结构所能保证的较好的网格质量数目基本相当。但在正交性较差的区域（小于36度），拓扑一和拓扑二对应的网格单元比例分别为0.9%和0.6%，而拓扑三对应的网格单元比例则为2.3%，相对而言较大，这说明拓扑三未能很好的控制正交性较差的网格单元数目。另外，从三种拓扑结构对应的截面上的正交性分布来看，拓扑一和拓扑二对应的网格正交性分布较均匀，没有出现较大的梯度，而对于拓扑三而言，这种不均匀性明显加剧，这将对后期的计算过程中的差分格式精度造成一定的影响。a拓扑一b拓扑二c拓扑三图3-20三种不同拓扑结构50%叶高截面网格及其正交性分布通过三种拓扑结构所对应的50%叶高截面上的网格单元正交性分布可以看出，相对于0%叶高，由于叶片的进口几何角增加，导致截面上网格单元的总体质量有所下降，拓扑一~三对应的网格正交性角度大于54度的网格单元比例分别为约73%、73％、79％，比0%截面有所下降。在三种拓扑结构之间，拓扑三在54度以上的网格单元比例高于其它两种拓扑结构，说明，但质量较差（正交性角度小于36度）的网格单元数目比例则为9%，且质量非常差（正交性角度小于18度）的网格单元数目比例有2.5%，相对于拓扑结构一和二都有所增加，说明其在控制较差网格质量方面有所欠缺。另外，同样可以发现与0%叶高截面相同的问题，即拓扑结构三对应的网格单元质量分布较为不均匀，存在较大的变化梯度，这也将对后期的计算精度造成一定的影响。a拓扑一b拓扑二.c拓扑三图3-21三种不同拓扑结构100%叶高截面网格及其正交性分布在100%叶高截面网格单元正交性分布图上可以看出，拓扑一~三对应的网格正交性角度大于54度的网格单元比例分别为约67%、73％、80％，质量较差（正交性角度小于36度）的网格单元数目比例则分别为13.5%、12.4%及9.5%。从比例上看，拓扑结构三似乎优于其它两种结构，但从网格质量分布而言，其不均匀性非常严重，最小正交性角度仅为0.15度（图中所示深蓝色区域），而拓扑结构一及二仍然保持着较好的光滑变化特性。从以上分析可以看出，采用SkinMesh形式的网格拓扑结构基本可以达到相当的网格质量及网格光顺性，拓扑结构三尽管在较高网格质量的数目比例上占有一定优势，但是其网格分布非常不均匀，不建议采用。此外，拓扑一的结构可以进行变化，采用改变网格块之间的连接方式可以大幅度提升网格质量，而拓扑结构二及三由于其只能采用单一的网格块之间的连接方式而无法对网格质量实施大幅度提升，因此对于某些大安装角的叶轮叶片通道则无法保证网格的高质量要求。对于拓扑结构一改变网格块之间连接的方法将在第3.2.4一节中做详细说明。基于以上讨论，考虑到网格拓扑结构对于不同叶轮形式的普适性要求，本报告建议在对叶轮网格进行网格划分时，应当采用第一种拓扑结构形式，即所谓的HHCHH（钝尾缘或/与钝前缘结构）结构或者HHOHH结构（非钝尾缘及前缘结构）。3.2.2复杂几何结构网格剖分在对压气机进行气动性能预测或者校核时，除了考虑叶轮叶片流道之间的区域之外，往往还需要考虑附加的非主流区域的二次结构，以使得计算域与实际情况更加接近，计算结果与实际性能更加符合。对于压气机叶轮，二次结构通常包括封头结构、子午结构以及尾缘特殊处理等。以下将对这几个方面进行逐一阐述。3.2.2.1封头结构增压器压气机叶轮一般采用套装结构，将叶轮安装在轴上并在其叶轮前端用六角螺母紧固，因此在前端形成以平切结构。图3-22给出了其简化后的叶轮三维及子午面示意图。由于气流由吸入室沿轴线方向流入叶轮，在封头处由于存在较大的几何曲率变化，因此气流在对应区域存在较明显的气流折转，并可导致局部分离，这将对压气机叶轮内的流动造成一定程度的影响。在进行压气机性能及内部流场数值模拟时，为了考虑这部分流动特征，需要对封头结构进行特别的处理，并计入计算域进行网格生成。封头结构封头结构图3-22封头结构示意图考虑压气机叶轮的封头结构进行网格划分，同样需要就整个流动区域拆分为多个子区域进行。图3-23给出了分区结构示意图。图中S1下游为叶轮流道区域，成为Zone3，该区域的网格拓扑分区方法可采用3.2.1中所列出的样式。叶轮上游的部分则需要进行特别处理，同时需要对该区域的几个重要特征点进行捕捉和特别处理：C1及C2两点。其中C1为封头结构的几何曲率突变点，由于轮毂线在该处曲率项发生突然变化，为了保证所生成的网格的质量，需要以该点作为基点将流动区域拆分；C2点则为半径为0的点，该点也是一个几何曲率发生突变的点，并且以该点为顶点的线段S6上半径皆为0。对于半径为0的线段，在进行网格拆分时，该线段可以作为一个网格面上的一条网格线，也可以作为一个完整的、退化形式的网格面。如果采用网格面的形式，则该面定义为奇线，对应的C2点则为奇点。在奇线边上的网格单元长宽比为无穷大，尽管在计算时可以采用特殊的数据处理方式进行处理，但仍将引起额外的数值误差，应当予以避免，因此推荐将S6线段处理为一个网格面上的一条内部网格线。在对C1和C2两个特殊点进行捕捉之后，则可将叶轮吸入室区域拆分为两个子区：Zone1和Zone2，其中Zone1由S1、S2、S3和S4构成，Zone2由R1、S2、S5和S6构成。RR1L1Zone1Zone2Zone3S1S2S3S4S5S6C2C1S7图3-23封头结构子午视图拓扑分区示意图中S7线段没有特别的意义，该线的存在仅用来进行C2点的捕捉。对于Zone2区域的轴向尺寸，为了尽可能的减小R1区域的几何曲率突变造成的流动参数的变化对上游区域的影响，在进行几何准备时，应当保证图中的L1和R1满足以下关系：L1≥5R1在进行图3-23中所示的Zone2区域的拓扑划分时，应需要注意以下几点：在奇点C1区域用包络C形网格，这样将在该区域内单独拆分出图3-24所示的Zone24区，用于进行奇点C1附近的网格调整及控制；这样，在Zone24上游需要添加独立的网格划分区域Zone21；在进行S6所在的区域网格剖分时，应当避免使用S6作为奇线边界（Singular）的划分方法，为了达到这一目的，则需要在S6区域划分一个单独的网格区域进行独立网格控制（图3-24中所示Zone23）；为了实现Zone24和Zone23这两个特殊网格区域之间的合理连接及更方便的控制网格分布，在Zone21和Zone23之间需布置单独的网格区Zone22（S8和S9之间的区域）。图3-24Zone2子分区内部图拓扑结构（子午视图）遵循以上要求，在封头切面上的网格拓扑分区可以由图3-25看出。其中的Zone21与Zone22具有相同的拓扑结构，对应的网格控制顶点分别为：(V1,V2,V3,V4)和(V3,V4,V5,V6)，两个网格区域之间公用控制顶点V3、V4，构成公用网格面；而Zone23对应的网格控制顶点为(V5,V6,V7,V8)，其中的控制顶点位于公用顶点V5和V6之间，这样可以使得S6线上独有一个网格控制点，消除了网格面退化为网格线的现象，从而避免了奇线边界的出现。V1V1V4V3V5V6V7V8V2图3-25Zone2子分区内部图拓扑结构（封头切面视图）图3-26考虑封头结构三维叶轮表面网格示意图3-26为完整的封头结构区域网格分布形式，采用以上方法，可以较好的进行封头区域网格的划分并获得较好的网格质量。3.2.2.2子午结构与尾缘平齐结构转子部件和静子部件是压气机叶轮的两大组成部分，由于压气机叶轮是高速旋转的部件，为了保证其正常工作运行，在叶轮转子和静子部件之间必须存在一定的间隙。叶轮背盘间隙便是其中一个重要的结构。背盘间隙的存在造成一定的鼓风摩擦损失，将对压气机性能造成一定的影响，在数值计算中，考虑这部分间隙内的流动，对于更准确的预测压气机的特性显得较为重要。另外，叶轮叶片出口一般为钝尾缘结构，并且和轮毂平齐（等半径），需要采用一定的方法来进行尾缘区域的特殊处理。图3-27给出了背盘间隙及钝尾缘平齐结构三维及子午示意图。背盘间隙结构在子午面上投影后的形状较为简单，通过子午面上所示的网格分布和分区进行一定角度（周期性角度）的回转便可生成三维空间的网格。在三维图中所示的青色固体壁面区域为叶轮的轮背，随同叶轮一起高速旋转，灰色区域固壁面为压气机的静子部件。子午图中所示的红色线所包络的固体壁面共同构成叶轮转动部分，而黑色线所包络的固体壁面则构成静子部分。图3-27背盘间隙及钝尾缘结构三维及子午视图L7L7图3-28背盘间隙及钝尾缘结构拓扑构造示意对于类似结构，在遵循3.1及3.2.1中所给出的网格数目及拓扑结构的要求的基础上，还需要额外进行以下七个步骤和设定，以完成网格生成：1.在已有的叶轮网格生成Project中，添加“ZREffect”；2.在AutoGrid中采用LINKCAD的模式将背盘间隙轮廓线L2~L6通过“ImportMerdional”的方式链接至ZREffect；3.进入ZREffect编辑模式，进行子午面网格划分和加密方式控制，返回三维网格生成模式；4.激活B2BMeshTopologyControl页面，勾选“Mesh”选项下的“ZCstlineatTrailingEdge”；并将对应的选项“CellWidthatTrailingEdge”中的数值设定为与3中所设定的“CellWidth”相同；5.通过“AddZConstantLine”方法在L4的左顶点处添加等Z线，将其属性设定为“Linear”，并将其左侧顶点的半径值调整为与L4左顶点半径相同的值；同时将对应的“CellWidth”值设定为与3、4中“CellWidth”相同的数值；6.执行“(Re)setDefaultTopology”功能；7.调整流道内网格分布并进行三维网格生成。图3-29给出了采用以上方法所得到的压气机叶轮背盘间隙及钝尾缘结构的三维表面网格及子午网格示意图。图3-29背盘间隙及钝尾缘结构三维表面网格及子午网格示意图3.2.3附面层网格剖分的要求对于压气机内部的三维粘性流动数值模拟，在保证计算网格数目的前提下，所得到的计算结果可信度主要决定于边界层内的流动模拟及损失预测。而决定边界层内流动特征模拟精度的最主要因素便是壁面网格的y+及边界层内的网格数目。y+为无量纲网格尺度，其定义为：式中y为实际的网格尺度，为湍流粘性系数，为动力粘性系数，为运动粘性系数，为工质密度。图3-30给出了靠近固体壁面区域的边界层内速度形分布与y+的关系。由图可以看出，边界层分为三个子层：粘性底层、过渡层及对数率层。由于求解控制方程为雷诺平均Navier-Stokes问题，因此方程组的封闭需要借助于湍流模型。常用的湍流模型分为低雷诺数模型和高雷诺数模型两类，这两类湍流模型对于边界层内参数的模拟采用不同的方法。高雷诺数模型直接应用对数关系式来求解边界层内的参数，没有对粘性底层进行特别处理，，因此对y+的要求比较宽，允许其值在20-50之间，但通过图可以看出，边界层内的分离流动不满足对数律关系，因此高雷诺数湍流模型在边界层内分离流动的捕捉方面存在着缺陷；而低雷诺数模型求解粘性底层内的流动参数，可以较准确的捕捉边界层内的流动信息，因此在进行全三维粘性流动数值模拟中推荐使用低雷诺数模型。由于直接对粘性底层进行求解，因此要求其y+比较小，应控制在10以下。而为了达到更准确的粘性底层流动信息的捕捉，应当在粘性底层内布置至少3-5个网格，这就要求近壁面的y+应该控制在5以下，推荐值为2-3。根据此推荐的y+值，可以根据下述公式来预测近壁面第一层网格的法向尺寸：式中ywall为近壁面第一层网格尺度（即AutoGrid中所要求输入的FirstCellWidth），Vref为参考速度，可取为叶轮尾缘处线速度，为工质动力粘性系数，Lref为参考长度，可取为叶轮进口叶尖直径。图3-30边界层内速度形分布需要注意的是，上述公式仅仅为用于预测，实际的壁面y+应当根据最终的三维计算结果输出值为准。如果三维计算结果输出的y+实际值与推荐的2-3存在较大差别，则可根据差别的比例返回重新修改网格生成过程中的第一层网格尺度，并重新生成网格完成计算。一般情况下，第一层网格尺度的修正仅需要一次便可以达到满足要求的网格。3.2.4叶轮网格质量的控制及准则3.2.4.1叶轮网格质量控制以上几节对叶轮网格生成中的一些重要问题进行了阐述。在遵循以上所要求的诸多网格生成要求的基础上，如何最大幅度的提高三维网格质量，并使所生成的网格达到叶轮性能及内部流场的高精度数值模拟的要求则是网格生成工作最后也是最重要的工作。以下将介绍如何对叶轮内的网格进行特殊控制以及最终生成网格所需要满足的准则。本部分研究同样以J60增压器压气机叶轮为例，主要介绍如何使用等Z线及非匹配连接的方式来提高三维网格质量。图3-31给出了四种网格拓扑类型用于研究其对网格质量的影响。图中所示a为采用3.2.2.1中推荐的拓扑结构，但内部网格采用匹配连接方式，即相邻两个网格块之间交接网格面上的网格点一一对应，其连接方式如图中所示的红色虚线形式。b所示的类型则与a基本相同，但在叶片前缘上游及尾缘下游分别布置一条等Z线，将叶片上游及下游分别分割出一个完全正交的独立网格区域。c所示的结构与a相同，但是内部网格连接采用非匹配连接方式，即两个相邻网格块之间的网格点非一一对应，d所示结构是在c的基础上，在叶片上游添加了等Z线，将通道区域分割出一单独的完全正交的区域。图3-32~3-34给出了四种不同网格0%、50%及100%叶高截面网格分布及对应的网格质量分布。由图可以看出，对于采用匹配网格的结构(a,b)，在叶轮流道内的叶片上游或下游添加等Z线，分割出独立的网格区域，可以使得该区域的网格成水平走向，在此部分区域中，可以使得网格完全正交，从而提高高质量网格的比例。对于非匹配连接的结构(c,d)，使用等Z线也可以达到同样的效果，但是由于采用非匹配网格结构之后，在叶轮叶片上游及下游区域的网格质量已经获得明显改善，该区域绝大部分网格的正交性角度都可以保持在60度以上，因此采用等Z线所获得的网格质量的改善效果并不是非常明显，另外，由于等Z线的使用，使得叶片区域的网格域减小，网格光顺的程度受到一定程度的限制，从而使得在叶片区域内的部分网格正交性反而略有下降。a匹配连接b匹配连接+等Z线c非匹配连接d非匹配连接+等Z线图3-31四种类型网格B2B示意图a匹配连接方式b匹配连接方式+等Z线c非匹配连接方式d非匹配连接方式+等Z线图3-32四种网格0%叶高截面网格及质量分布a匹配连接方式b匹配连接方式+等Z线c非匹配连接方式d非匹配连接方式+等Z线图3-33四种网格50%叶高截面网格及质量分布a匹配连接方式b匹配连接方式+等Z线c非匹配连接方式d非匹配连接方式+等Z线图3-34四种网格100%叶高截面网格及质量分布对于上面几个图中所示的匹配结构和非匹配结构网格质量之间的对比，可以明确，对于叶片进口几何角较大的叶轮，采用非匹配连接的网格结构可以显著改善叶轮流道内的网格质量，因此，对于采用匹配网格无法获得高质量网格的情况，推荐使用非匹配连接方式。需要注意的是，是否在叶轮流道内添加等Z线以及是否采用非匹配连接方式要取决于具体的叶轮形状。等Z线的添加在提高局部网格质量的同时也会降低其它部分区域的网格正交性，而非匹配网格的采用将使得计算网格在流场计算求解过程中采用网格边界上的数据插值处理来进行相邻网格块之间的参数信息传递，这将引起一定的截断和插值误差。因此建议，对于进口计算域较长（大于主叶片1/2中弧线长度）的情况，可以在叶片前缘布置等Z线；对于尾缘出口计算域长度较长（大于主叶片1/5中弧线长度）的情况，可以在叶片尾缘下游布置等Z线；对于叶片几何角（与周向夹角）小于40度的情况可使用非匹配连接方式，并且需保证使用非匹配连接的两个相邻网格面上的网格点分布密度不能出现过大悬殊，应保证公用网格面上相邻的网格尺度比例不大于3。3.2.4.2叶轮网格质量判断准则评价网格质量的因素主要包括网格的正交性、延展比、长宽比，其具体几何含义如下所示：4132正交性：如右图所示，图中对应的实线所构成的区域为一网格单元，该网格单元相邻两条网格边的的夹角表示网格单元的正交性角度，该角度范围为0-90度，如该角度为钝角，这对应的正交性角度为其余角。该网格单元的最小正交性角度则为1、2、3、44132长宽比：如右图所示，图中a、b、c、d四条边构成一个网格单元。取任意相邻的两条网格边的均值及另两条相邻边的均值之间的最大值与最小值之比值即为网格的长宽比。长宽比的大小影响着网格单元的形状，其值越接近1，则网格单元的形状越接近正方形，网格质量越高，对应的计算精度也就越高。因此，应当尽可能的降低全局网格的长宽比。但对于全三维粘性湍流计算，为了捕捉边界层内部的流动信息，需要对固体壁面区域进行网格加密以满足边界层内网格数目及分布的要求，因此在限定网格数目的情况下，无法大幅度降低网格的长宽比。基于此原因，对于粘性网格，应使得全局最大网格长宽比不大于1000，并应使长宽比大于100的网格单元数目比例不高于10%。可作为大论文的参考延展比：右图给出了两个相邻的网格单元，每个网格单元由6条网格边构成。在同一网格方向上，取两相邻网格单元各自的四条网格边的均值中的最大值与最小值的比值即为网格延展比。由于数值计算过程中，网格单元的参数信息存储在格子中心，两相邻网格的的尺度变化过大会引起网格之间参数信息传递的较大数值误差，因此应当严格控制全局网格延展比。对于一三维粘性网格，图3-35给出了J90压气机叶轮对应的较高质量的计算网格，网格总数为86万。根据以上所给定的网格标准并采用以上研究所给出的网格划分建议，对应的网格质量满足正交性、长宽比及延展比的要求。由图中的分项指标可以看出，网格正交性最小值为29，且全局网格正交性角度小于30度的仅有4个，且正交性角度大于45度的网格数目占全部网格的98.3%以上；网格长宽比最大值621，其值小于200的网格数目占据全部网格的99.6%以上；网格延展比最大值3.4，其中延展比小于2的网格数目占全部网格的比例为93.6%，完全满足以上所述的计算网格质量要求。可作为大论文的参考a三维叶片表面网格b网格正交性c网格长宽比d网格延展比图3-35满足计算要求的网格及质量检测3.2.5结论以上对叶轮内部网格区域划分、复杂二次结构几何形状内的网格划分、边界层内网格控制以及网格质量的调整、控制和评判方法进行了研究，通过本部分工作，对压气机叶轮网格生成有以下结论及建议：应使用SkinMesh结构，进行叶片区域的包络，并用于提高固壁区域的网格质量；对于压气机叶轮的封头结构，为了考虑其对压气机计算性能的影响，应当对其进行特殊网格剖分。在网格剖分过程中，应当避免奇线边界的出现，并使用C型包络网格来进行封头几何拐点处的网格包络以保证网格质量；使用ZREffect可以进行背盘间隙内的网格自动划分，在划分过程中，应结合合理的等Z线将流道区域拆分为几个子区域以便于拓扑结构的构造及网格块之间的连接；在进行边界层网格划分时，应当根据实际的几何及工况条件来初步确定近壁面第一层网格的法向尺度来保证湍流模型对y+的要求，并应当根据三维计算得到的实际y+对第一层网格尺度进行调整并重新完成网格生成和流场计算；可以采用非匹配连接方式及添加等Z线的方式来提高叶轮流道内的网格质量，但在使用非匹配连接方式时，应保证相邻网格块之间的公用网格边上的网格分布不要出现较大的差别，在同一网格线几何尺寸中，应当保证网格线两侧网格数目比例不大于3；对于所生成的三维网格，应当严格控制网格的正交性、长宽比及延展比指标。对于网格正交性，应当保证全局网格的最小正交性角度不小于20度，且尽可能提高正交性角度大于50度的网格数目占总网格数目的比例；对于长宽比，应当保证全局网格最大长宽比小于1000，且应使90%以上的网格单元长宽比小于100；全局网格的最大延展比应控制在5以下，且应保证90%以上的网格单元延展比小于3。3.4压气机蜗壳网格划分技术3.4.1网格拓扑结构由于压气机叶轮出口气流的高度不均匀性，压气机蜗壳内部流动相对较为复杂，二次流现象显著，气流具有较高的旋度，使得对于蜗壳内部流动的准确预测提出了较高的要求。由于网格质量是影响计算精度的重要因素之一，而蜗壳网格几何形状相对较为复杂，这就使得划分蜗壳网格较为困难，如何采用合理的网格拓扑结构以及网格分布以最大限度的保证蜗壳内的网格质量便成为压气机性能预测的一个重要环节。图3-36J60压气机蜗壳三维形状由于车用增压器的压气机蜗壳形状基本相同，因此，本节以J60压气机蜗壳为对象，介绍其内部网格的划分方法。图3-36给出了J60压气机蜗壳三维渲染图。该蜗壳所对应的计算域包括无叶扩压器和蜗壳流道两部分，图3-37给出了蜗壳截面及网格分布示意图。由于采用多块、结构化网格进行蜗壳内部区域的网格划分，因此，对于图中所示的截面形状，在尽可能提高网格质量及控制网格块数目的前提下，应当将计算区域拆分为两个分区，以对无叶扩压器和蜗壳内的流通区域进行分别剖分。如图3-37a所示，在红线A处将无叶扩压器与蜗壳流道拆分为两部分，并分别进行网格剖分。在该图中，同样可以沿蓝线B的方向将流道区域拆分，但在最终网格划分并选定网格块的分界线时，应根据两侧流道的形状来选择合适的分界线，以尽可能使两侧网格块的网格划分及拓扑结构容易实现且可保证较好的网格质量。图3-37b给出了进行网格拆分时网格块顶点的布置，图中顶点1-2-3-4给出了蜗壳流道内的网格块顶点布置，其中1、4顶点对应无叶扩压器出口；顶点1-4-5-6分别对应无叶扩压器流道内的网格控制顶点。对于1-4-5-6所对应的区域，直接采用网格块捕捉即可，对于1-2-3-4所区域，由于其形状接近于圆或椭圆，尤其在顶点2及3两侧，由于几何线光滑，导致该处网格角度接近180度（或最小夹角接近0度），则将给流动计算收敛性带来问题，并且会大幅度降低计算精度。因此，对于此种封闭、光滑型区域，应当采用特殊的网格结构形式对其进行网格拆分。ABAB234156a截面形状b网格拓扑图3-37蜗壳截面形状及网格拓扑结构图3-38蝶形网格示意图DABCE图3-38给出了一圆形（光滑封闭区域）形状及其内部网格剖分的拓扑结构。由该图可以看出，通过该区域内的八条红色线，可以将该图3-38蝶形网格示意图DABCE3.4.2网格块的划分在确定了蜗壳内部流道内的网格拓扑结构之后，便可以对蜗壳及无叶扩压器进行网格块的建立和网格块之间的连接。对于蜗壳的剖分，为了减小网格划分难度，通常沿周向方向将蜗壳拆分成多个子区域，分别对应单独的网格块。AABCDEGF图3-39蜗壳流道网格块划分示意图图3-39给出了蜗壳流道区域的网格块划分：蜗壳出口段，几何变化相对均匀，采用一个网格块（A）即可进行流道的填充；对于蜗壳出口段及0截面之间的区域，同样采用一个网格块进行填充，以进行独立控制；从0截面开始至蜗舌部分，由于流道相对较长，为了便于网格块的的划分以及网格分布的调整，将该区域拆分为5个子区域（C、D、E、F、G）。根据蜗壳流道的网格块划分，决定无叶扩压器流通区域的网格块划分方式。一般情况而言，为了保证较高的计算精度，通常将无叶扩压器沿周向拆分为与蜗壳流道具有相同数目的网格块，并建立与相邻蜗壳流道网格块之间的对等连接。3.4.3蝶形网格的使用对于蜗壳流道内的网格，由于其截面形状为自封闭光滑几何区域，如前面章节所描述的方法，应当在网格划分时采用蝶形网格方式。以下将主要讨论如何进行蝶形网格内部结构的布置以及网格分布控制。BBA图3-40蜗壳网格块示意图BBA图3-41蜗壳内网格块网格拓扑结构图3-41给出了蜗壳内网格块的拓扑结构。从截面A、B图上可以看出，其内部区域被六条内部网格线拆分为5个区域，合理控制这几条网格线的形状可以较好的实现蜗壳内网格质量的控制。在进行内部网格线控制时，应保证与截面边界线相交的四条网格线（绿色线）为直线，并尽可能垂直于截面边界，以最大限度的保证网格的质量。3.4.4蝶形网格的内部加密对于图3-41中所示的网格截面A及B，除红线之外的三条截面线皆对应着蜗壳固壁，因此，根据粘性流动数值模拟对网格的要求，需要在固体壁面附近进行网格的堆积以进行粘性边界层内流动的较准确模拟，而此种网格堆积仅需要对截面上所示的绿色线进行网格加密控制即可实现。将绿色线上的网格沿从内向外方向（假设蜗壳截面中心为零点，则可看作为径向方向）按照一定的加密形式进行控制，可实现整个截面区域内靠近蜗壳固体壁面附近的网格堆积。而对于红色线，由于该线是蜗壳我也与无叶扩压器的连通面，因此原则上该面不需要沿径向进行网格加密。但考虑到红线相邻的两个网格线为蜗壳壁面及蜗壳扩压器壁面，因此，需要对红线进行端点堆积，以确保无叶扩压器壁面附近同样具有足够细密的网格以保证粘性边界层模拟精度。3.4.5网格块之间的连接网格块之间的连接可以有多种方式：公用网格面几何相同、对应网格线上的网格节点数目及分布相同时，可以使用完全匹配连接；而网格节点数目或者分布不相同时则可以使用非匹配连接或者完全非匹配连接；如果两个网格块之间的公用几何面不相同，则网格分布也必定无法相同，此时则只能使用完全非匹配连接的形式。对于完全匹配连接，两个网格块在公用网格面上的流场信息进行点对点的通量传递，此过程不造成额外误差，因此计算精度最高；而对于非匹配连接及完全非匹配连接，则需要按照坐标点及流场信息进行通量插值，此插值过程将造成一定的插值误差，尤其当连接面两侧的网格点数目以及网格分布形式存在较大差异时，此插值误差就更为明显。因此，在进行网格块之间的连接时，在条件允许的情况下，应尽可能使用完全匹配连接。对于相邻网格块皆采用蝶形网格的情况，尽管网格块内部的网格结构相对复杂，但是通过一定的控制方式仍然可以实现它们之间的完全匹配连接。图3-42蝶形网格块之间的完全匹配连接如图3-42中所示，如果两相邻网格块中的其中一个已经使用了蝶形网格的剖分形式，在对于另一个网格块可以采用以下步骤使其与相邻块之间建立完全匹配连接：1)激活蝶形网格控制窗口；2)使用”Copyfromselection”功能，将相邻蝶形网格块的端面上的内部网格线形式和控制点位置拷贝至目标网格块端面；3)将径向网格数目(Numberofradialpoint)设定为与相邻蝶形网格块相同的数目；4)选择相同的径向网格加密规律和加密方式。通过这种方式可以比较方便的实现两个相邻蝶形网格块之间的完全匹配连接。在某些情况下，由于受具体的几何因素及网格数目限制的影响，两个相邻的网格块之间难以建立完全匹配的连接，在这种情况下，可以使用完全非匹配连接方式实现两网格块之间的连接。3.5压气机三维流场仿真计算区域的选择研究在进行增压器压气机三维流场数值模拟时，CFD工程师可以自由对计算域进行选择并可进行一定程度的简化，但是由于计算域的选择对压气机性能及内部流场存在一定程度的影响，因此在设定计算域时，需要对所做的简化所可能带来的影响有客观的认识。以下针对J90增压器压气机，采用数值模拟和试验的方法进行对比分析，以分析计算域的选择方法对压气机性能的影响。3.5.1J90增压器实验测试说明压气机放气阀压气机放气阀燃烧室增压器TC图3-43增压器性能实验台J90增压器的性能测试在北京理工大学涡轮增压实验室增压器性能实验台上完成，图3-43给出了实验台示意图，图3-44则给出了压气机性能测试的示意图。图3-44压气机性能测试示意图由图3-44可以看出，在进行压气机性能测试时，压气机前探针的位置位于压气机叶轮进口上游450mm处，而压气机后探针的位置则位于蜗壳出口下游300mm处。由于本项目中评定CFD结果可信度的标准是基于性能实验数据进行的，因此在进行CFD分析过程中，应尽可能的保证CFD的结果提取与实验测试的结果提取相统一。3.5.2J90压气机几何说明J90压气机几何参数在3.1.1中已经阐述。主叶片及分流叶片数目各为7，实验折合转速为80000rpm。3.5.3J90压气机计算进口边界条件的给定实验过程中，压气机进口采用自然吸气的方式，但由于压气机进口上游存在较长的管道，必然存在着一定程度边界层损失（管损），另外，由于压气机进口参数的测量点在压气机进口上游450mm处，因此，应当考虑实际来流来到达压气机进口处时的实际参数特性。据此，要正确的来捕捉压气机进口处的参数，可以通过预测管道内的边界层厚度的方法来得到，也可以在进行计算时直接将管道置入计算域内进行计算从而捕获准确的管内流动参数。考虑到实际的计算工作量，本项目在实行时选择了第一种方式，即采用CFD方法对管内流动进行模拟，得到压气机进口处的实际流动参数，再作为压气机计算的进口条件来实施数值模拟。图3-45压气机进口处总压分布图3-45给出了采用CFD方法得到的压气机进口处的实际总压分布，可以发现，经过一定长度的管流流动，气流在到达压气机进口处时，边界层厚度发展约为主流的10%，可以明显看出管道两壁面处的总压亏损。计算结果同时显示，管内总温未发生变化（绝热流动）。在以下的数值分析中，此压力分布将作为压气机进口的总压边界条件。3.5.4J90压气机单叶轮计算单叶轮计算是压气机性能预测最简单的方法，可以从一定程度上反映压气机部件的总体性能曲线形式，采用压气机单叶轮性能曲线预测和静止部件（无叶扩压器、蜗壳）的损失经验模型，也可以比较客观的的反映压气机部件的整体性能。但即使在进行单叶轮计算时，也需要考虑计算区域的问题，因为还有诸多几何因素影响单叶轮计算本身的精度。封头后腔封头后腔图3-46压气机单叶轮计算域的选取图3-46给出了本项目在进行单叶轮计算时所选取的计算域。与常规单叶轮计算相比，额外考虑了叶轮封头以及后腔室。封头的存在可能引起叶轮根部前缘上游出现小范围的分离从而导致有效通流面积的减少，同时会导致叶根区域气流角，因此对叶轮的性能可能会存在一定程度的影响；后腔室的存在将使叶轮存在额外的鼓风摩擦损失，对于高速旋转的叶轮，此部分摩擦损失还将处于相当可观的水平。图3-47单叶轮计算压气机叶轮特性曲线图3-47给出了单叶轮计算所得的压气机叶轮流量-效率及流量-总压比特性曲线与实验值的比较。由图可以看出，与实验值相比，单叶轮计算的性能曲线在趋势上整体向右上方偏移。从流量-效率特性看，最高效率点向右上方偏移，随着压气机流量增加，计算值与实验值的偏差也越大。3.5.5J90压气机级计算为进一步研究静叶流通部件对压气机级性能的影响，在单叶轮计算的基础上，进行了压气机级性能的数值预测，计算域为叶轮+无叶扩压器+蜗壳。图3-48给出了级计算域三维渲染图以及计算所得的蜗壳内流动情况示意图。由图可以看出，蜗壳内的流动为强三维涡旋运动，具有较大的沿程损失及二次流损失。随着流量的增加，此部分损失则越大，这也是说明图3-47中所示的单叶轮计算在大流量工况与实验值偏差更大的原因。图3-49给出了压气机级计算所得的性能与实验值比较结果。从图可以看出，与单叶轮计算相比，压气机级计算的性能曲线与实验结果更好的吻合。流量-效率特性线表明，与单叶轮相比，最高效率点位置向左下方偏移，更接近实验值，但与实验值相比，仍然存在一定偏差，即：仍然位于实验最高效率点的右上方。图3-48所示的蜗壳出口处的总压云图显示，在蜗壳出口处，由于气流涡旋运动的存在，导致气流参数分布极度不均匀，这也同时揭示如果采用图3-44中所示的参数测量方法将导致额外的偏差。图3-48压气机级计算三维渲染图及蜗壳内三维流线图图3-49压气机级计算性能与实验值比较3.5.6J90压气机级及出口管道计算图3-48所揭示的蜗壳出口的气流不均匀性说明在数值计算过程中，如果采用蜗壳出口的气流参数来进行压气机性能的计算，将导致与实验结果的较大偏差。为了验证此部分偏差的数值，在压气机级计算的基础之上，对蜗壳出口流动区域进行了延长，并取与实验测量段相同的管道尺寸，进一步进行了压气机级性能的预测。图3-50压气机级＋出口管道计算域示意图图3-50给出了压气机级+出口管道计算域的三维渲染图。蜗壳出口管道长度取300mm，与实验段相同。图3-51压气机级+出口管道计算所得的性能与实验值比较图3-51给出了压气机级＋出口管道计算所得的性能曲线与实验值比较图。由于采用了与实验测试中相同的流通区域，计算所得的性能曲线与实验值进一步吻合，流量-效率特性显示计算所得的最高效率点与实验值相同，并且整体区域良好吻合。3.5.7结论以上通过不同计算域的计算可以看出，计算域的选择对于压气机性能的预测具有非常重要的影响。合理的选择计算区域，并采用合理的评估方法，将是验证计算结果可信性的极为重要的因素，也是CFD工程师在进行压气机性能预估时所首先应该考虑的问题。3.6压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究在给定计算域的条件下，边界条件的给定方法对于计算结果存在着一定程度的影响，合理的赋予计算域的边界条件，对于保证计算结果的精度非常重要。对于压气机三维流场分析而言，常见的边界条件主要包括：进口条件、出口条件、固壁。对于固壁条件，在不考虑流体与固体之间的共轭换热情况下，一般确定为绝热壁，并按照实际的压气机运转情况设定对应固体壁面的转速以及转动方向，因此设定较为简单。以下部分将仅对进、出口边界条件的给定方法进行探讨。3.6.1进口条件对于给定计算域，进口条件可以有以下给定方式：1)给定进口的总参数及气流方向2)给定进口的静参数及气流方向3)给定进口的流量及气流方向对于以上三种给定方法，都需要给定气流方向，但方式比较灵活，可以以总速度方向作为基准，也可以以轴向方向作为基准，同样也可以以流向方向作为基准，但是各种给法对于计算并没有影响，可以按照个人习惯或者最快捷的给法给定即可。对于涡轮增压器压气机部件而言，进口最常用也是最简单的给定方法是给定进口的总参数及气流方向。由于涡轮增压器进口为大气条件，因此其进口总参数即为当地的大气条件，而气流方向则为无预旋形式的轴向进气方向。但在给定进口总参数条件时，仍需要对所给定的进口总参数条件加以注意。在增压器性能测试或者装车运转时，空气在进入压气机之前，流经滤芯或者管道，会带来一定程度的流动损失，以压气机性能试验为例，在进行性能测试时，往往在压气机进口上游安装双扭线流量计以进行流量测试，这样导致空气在进入压气机吸入室之前变存在较明显的边界层损失，使得压气机的进口参数与测试环境的参数有所差异，而在进行计算验证时，往往将计算域选取在压气机叶轮上游较近的位置，如图3-52所示。这将导致试验与计算之间客观上存在一定的差异，在最终进行结果验证时需要考虑到此部分误差。计算域进口位置计算域进口位置图3-52J90压气机单叶轮计算域子午视图图3-52采用两种不同进口总压给定方法时所采用的计算域。进口位置处于前缘上游约20mm处。对于计算域进口处，空气入流方向为轴向进气，总温可认为与大气环境相同。而总压则采用两种给定方法：a)在进口面上按照恒定的值给定b)按照边界层损失结构来给定进口面上的分布。对于a，只需指定进口面上的总压为当地大气压（在此假定为103kPa），而对于b，则按照图3-53所示的分布来给定进口面沿半径方向的压力型。两种不同形式进口总压给定方法时采用的计算网格完全相同，网格总数39万，转速80000rpm。图3-53压气机进口压力型分布图3-54不同类型进口总压给定方法时压气机效率特性图3-55不同类型进口总压给定方法时压气机总压比特性图3-54及3-55分别给出了两种不同进口总压给定方式时计算所得的压气机效率特性与总压比特性，其中实线为总压为常值给法的计算结果，散点为总压采用径向分布形式给法的计算结果。由图可以看出，由于压气机进口采用径向分布形式的总压分布，相当于引入了进口附面层效应，因此对应的压气机效率与进口采用常值时存在一定程度的差异，差异的大小决定于进口附面层的厚度。但对于总压比而言，可以认为，这两种方法结果相同。3.6.2出口条件对于压气机出口，可以采用给定压力或者流量的方法。一般而言，采用压力出口条件具有严格的数学推导和物理背景，而采用流量出口条件则是一种非封闭形式的边界条件，一般不建议采用。但是同样对压气机而言，在特定的工况下，采用流量出口条件会获得比压力出口条件更好的计算收敛性，因此也是常用的方法之一。以下对两种出口边界条件给法计算所得的压气机特性进行对比，以明确二者的差异。图3-56及3-57分别给出了出口给定压力及流量条件时计算所得的压气机效率特性及压比特性。两种条件下网格相同，计算方式为首先采用静压出口条件进行数值计算，得到压气机出口的流量，并依据此流量，在仅改变出口条件类型的前提下进行再次计算以校验二者的区别。图中实线对应出口给定静压力条件，散点对应出口给定流量条件。由结果对比可以看出，采用流量出口条件的计算效率与压比都明显低于出口给定压力条件的情况，其中效率差异达到2个百分点。总压比同样也出现了近2%的差别。由此可以看出，采用流量和压力条件尽管都可作为压气机内流动数值模拟的出口边界条件，但二者的对应的压气机性能却是不同的，即计算所得的压气机工况线并不重合。但对于压气机尤其是跨音速压气机内部的流动数值模拟，在某些工况点下，采用出口给定压力边界的方法无法使计算获得收敛解，例如在当工况点偏离设计点向失速点工况变化时，采用压力出口条件很容易引