当涡轮增压发生流动特性时，内部的离心泵又有着怎样的运动机制？
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前言
随着涡轮增压技术的出现，它更好地推动内燃机的发展，提高了汽车发动机的工作效率，增大了汽车输出动力功率，能满足高标准的排放要求。
通过采用涡轮增压技术，可有效地提高了发动机的动力性、排放性和燃油经济性。涡轮增压器在汽车上成功推广应用被称为内燃机发展史上第二座里程碑。
目前，汽车涡轮增压器的技术研究还处于发展阶段，需要不断对其进行设计改进和计算机辅助工程分析，获得流场特性，为进一步优化设计提供依据。许多国家开始了对涡轮增压的研发进程。
国内外研究现状
国外对大型离心泵内流场的分析研究比国内早，研究的主要方法是利用计算机对大型涡轮离心泵进行自动流场测量分析。20世纪60年代中后期，一些发达国家已经利用电子计算机对大型径流式喷气涡轮飞机进行了空气气流动力学与三维流场的综合分析。
到了20世纪70年代，蜗壳壳体内流场的力学数值分析计算研究兴起，多年来采用的方法是有限元法、有限元的容积积分法和有限差分法进行求解。
在实际分析假设过程中，为了方便理论研究，数学假设模型库的建立主要目的是在二维或三维空间进行数学假设，还有重要的一点是，假设中的气体为理想气体，不需要考虑理想流体的力学粘性。
为此技术人员提出了关于三维蜗壳内部对流场磁力流动的三维蜗壳数学物理模型，分析表明，三维蜗壳的整体形状对蜗壳出口的磁场流动以及物理状态均存在重要影响。
由于环境条件的严重限制，蜗壳内的气体流动特性很多都只能适用于进行稳态流动的基本假设，这样的方式计算所得结果准确性不高。
这些年来，随着计算机硬件技术的提高以及计算流体力学软件模拟精度不断提高，现如今已经可以对压气机蜗壳内部的流场运动进行三维瞬态运动模拟计算。
由于国内涡轮增压技术研究起步比较晚，相比国外还存在一定的差距。但是随着国内需求的日益增加和政策、环境等因素的多重推动，国内各大院校、研究机构和相关厂商都加大了对涡轮增压技术的研究。
研究机构采用数值模拟的方法，对压气机叶轮流场进行分析，并对叶轮进行改进设计，改善整个流道内的流场，减少压力损失，提高压气机效率。
扩压器内部流场混乱是压气机失稳的重要原因，然而想要揭示流动特性，还需要采用计算CFD的方法进一步揭示涡轮增压器压气机内部的流动特性。
涡轮增压器压气机工作原理
涡轮废气增压驱动技术的核心部件是涡轮增压器，涡轮增压器主要由压气机和涡轮这两大部分结合组成，其工作原理主要是将从发动机内部排出的废气通过推动增压涡轮高速运转，压气机叶轮和涡轮安装在同一根传动轴上。
涡轮转动会带动叶轮转动，压气机对直接进入发动机的空气部分进行气动压缩，增大汽车单位运转时间内的进气量，提高空气和汽车燃料的油气混合比，使汽油燃料可以燃烧得更加充分，提高能源的综合利用率、发动机的最大输出功率，减少汽车废气的排放。
涡轮增压发动机与其他传统普通发动机系统相比，在普通发动机整体结构一样的实际情况下， 增压发动机在很大程度上提高最大输出功率与燃油经济性，减少汽车尾气的排放，既提高能源利用率，又有效降低其对环境的危害。
涡轮增压器压气机模型的建立
为了能更好的了解涡轮增压器，研发人员在ANSYS 2020 R2软件平台Workbench中选择Vista Composite Design模块进行叶片设计，进入Blade Design模块指定旋转速度为1250 r/min；指定体积流率为250m3/h；指定叶片数为7。
叶片厚度为0.02 m，其他参数选用系统默认值。经过计算，可以得出离心泵的工作效率。
随后进入下一模块BladeGen对叶片进行修改，指定出口位置坐标为（0,163.45），另外一个出口坐标为（-37.685, 163.45），指定叶片形状为椭圆形（Ellipse），压气机的几何形状如图1所示。
在模块BladeGen的基础上添加TurboGrid 模块，指定inlet和outlet边界面的方法为完全伸展FullyExtend，进而生成网格，进入MeshData的属性框进行参数设置，设置MeshSizeBoundaryLayerRefinementControlMethod为接口规范法First element offset。
SpanwiseBladeDistributionParametersMethod为ElementCountandSize，进入模型节点TopologySet，进而生成网格，如图2所示。
在TurboGrid模块的基础上添加ICEMCFD模块，对叶轮网格进行复制，从而形成全泵体结构的网格。删除图2中的高亮边界，设置网格变换参数，旋转轴为Z轴，旋转角度为51.4285°，旋转次数为6次， 旋转复制完毕后，形成网格泵体。
如图3所示。 研发人员又在VistaCPD的基础上添加Volute，形成Model，可在此进行蜗壳几何的修改或进行修改网格，如图4所示。
不仅如此，他们还在ICEM模块基础上添加CFX模块，搭建 Model与CFX流程，进入Setup进行添加计算区域离心泵和蜗壳。设置Rotor区域参数Location为PASSAGE-MAIN，流体为空气，温度为25℃，旋转角速度(Angular velocity)为1250 r/min。
设置Rotor区域湍流模型参数，设置湍流模型为剪切力输运，不考虑热传递的情况。
设置Stator区域参数，进入TurboModel模式，基础设置信息采用默认值，连接信息采用默认参数，物理条件参数流体空气为25 ℃，压力为0，温度为300K，最大流动速率(MassFlowRate)为69.44 kg/s。
分界定义采用默认值，检查边界定义。进入StatorOutlet边界，指定最大流动速率区域Mass Flow Rate Area为As Specified,指定迭代次数为1000，其他计算参数采用默认值，点击Update进行计算。
涡轮增压器压气机流动特性分析
不仅如此，本研究还打算采用ANSYSCFX的软件对涡轮增压器内部非定常态的流场情况进行数值模拟，并选取1250r/min转速工况进行分析。
通过分析该工况下的非定常流场，得出该压气机基本的内部流场信息，压气机表面的总压、速度、速度矢量、流线分布和涡流粘度，为涡轮增压器的优化设计提供很好的参考。
蜗壳内的压力变化如图5所示，首先分析离心泵内部的压力，叶轮的进口处压力处于最小值，气体进入离心泵内部后，压力有逐渐递增的趋势。
从压力变化梯度中可以看出，离心泵的叶轮叶片压力面的压力高于吸力面的压力，叶轮叶片表面压力从压力分布图中可以看出呈梯度分布。蜗壳内部的压力随着流道截面的增大而相对应地增大，蜗壳出口处出现最大值。
压气机内部流体的速度分布如6图所示，而从速度分布图中我们可以看出，叶轮进口速度比较小，叶片吸力面和压力面的速度都比较小，最小值出现在吸力面。
蜗壳的速度分布呈梯度分布，蜗壳的速度分布随着流道截面积的增大流动速度逐渐降低，在蜗壳出口处出现最小值。结合图6在蜗壳内部分布可以看出，随着压力的升高，速度有下降的趋势。
叶轮速度运动矢量如图7所示，可以看出，气体在叶轮内的快速流动比较复杂，空气快速进入叶片的叶轮流道后，被叶轮带动着沿叶轮旋转方向运动，使得叶轮气体运动流速不断增加。
在叶轮离心力的推动作用下，气体被快速抛向叶轮的末端边缘，但气体流动的速度变化比较均匀， 速度沿径向逐渐增大，到达叶轮外缘达到最大。因为叶片间的通道是作扇形扩张，空气的相对速度逐渐减小，所以叶片间流道内部压力增大。
因此综上所述，图中可大致反映空气中气流真实的运动情况。从流线分布可以看出，虽然气流在叶轮中的流场比较复杂，但是流场中的流线形状和叶轮的几何形状比较吻合，没有回流产生，涡流损失不大，如图8所示。
随后研究人员又对压气机涡流粘度计算结果进行了分析，并为此提出了涡流散射黏性和脉动粘度混合散射效应，而涡流散射黏性和脉动粘度混合散射效应指的是，当随机运动流体最大级联流动散射速度远远处于高速级联湍流基团运动散射状态时。
由于随机运动流体最大脉动粘度散射效应，造成的强烈复杂级联涡流基团涡流散射粘度扩散和复杂级联涡流散射混合排列，看起来就像其他随机流体一样使它具有很大的复杂涡流散射粘性。
图9为涡流粘度流线分布，进口的位置涡流粘度出现最小值，沿着气体流动的方向，涡流粘度逐渐增大，在叶片附近出现最大值，在叶片附近的涡流粘度偏高，出口的粘度大小不一样，蜗壳的外壁的粘度大于内侧。
图10为涡轮的进口湍动能分布，因此可以明显看出，涡轮叶片进口处湍动能的平均值比较小，沿着涡轮叶片运动方向，湍流中的动能逐渐增大，在叶片附近出现最大值。
沿着气体流动方向，湍动能出现逐渐减少的现象，出口和入口的湍动能都比较小，出现最小值，在叶片附近出现最大值。
结论
本文主要采用ANSYS 2020 R2软件进行叶片 的设计、泵的几何设计，指定边界条件，划分叶 轮网格、蜗壳网格，进行CFX数值计算等工作，最后参照计算结果，从总压、速度、速度矢量、流线分布和涡流粘度流线等方面对涡轮增压的压 气机内部进行流动特性的分析。
得出的主要结论如下：（1）蜗壳内部的压力随着流道截面的增大而 相对应地增大，蜗壳出口处出现最大值。沿着气 体流动的方向，涡流粘度逐渐增大，在叶片附近 出现最大值；出口和入口的湍动能都比较小，出 现最小值，在叶片附近湍动能出现最大值。
（2）蜗壳速度呈梯度分布，蜗壳速度分布随 着流道截面积的增大流动速度逐渐降低，在蜗壳 出口处出现最小值。叶轮内气体流动的速度变化比较均匀，速度沿径向逐渐增大，到达叶轮外缘达到最大。流场中的流线形状和叶轮的几何形状比较吻合，没有回流产生，涡流损失不大。
本文的分析结果可为下一步涡轮增压器优化 设计提供参考，如选取叶片的厚度和叶片的个数 作为优化对象，优化目标是减少蜗壳内流场能量 的损失，从而提高压气机的工作效率。