溫華兵, 王家昊, 於克良, 郭俊華, 劉紅丹, 劉 揚(yáng)

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212100; 2.重慶江增船舶重工有限公司,重慶 402263)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展,能源危機(jī)與環(huán)境污染的問題日益加劇,綠色、環(huán)保和低碳已成為了當(dāng)今世界社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主流,導(dǎo)致排放法規(guī)日益嚴(yán)格,對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行和排放提出了更高的要求,因此渦輪增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是船用柴油機(jī)能效法規(guī)日益嚴(yán)格的船舶行業(yè)[1-3]。但由于船用柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)燃料燃燒產(chǎn)生的固體顆粒隨高溫高壓的尾氣一同進(jìn)入渦輪,在尾氣的攜帶下加速并撞擊噴嘴環(huán)和葉輪,對(duì)表面造成沖蝕磨損,導(dǎo)致葉片和噴嘴環(huán)表面材質(zhì)剝落,表面粗糙度增加,不僅會(huì)縮短葉片的使用壽命,同時(shí)也會(huì)造成可變幾何渦輪增壓器(variable geometry turbocharger,VGT)和柴油機(jī)運(yùn)行效率的下降。因此探究船用柴油機(jī)尾氣顆粒對(duì)可變渦輪增壓器沖蝕磨損的影響規(guī)律,分析其對(duì)增壓器運(yùn)行效率的影響具有較大的實(shí)際意義。

Shanov等[4]研究了顆粒對(duì)涂層金屬的侵蝕行為,分析了顆粒撞擊角度、顆粒質(zhì)量以及溫度和顆粒速度對(duì)磨損速率的影響。Hamed等[5]在風(fēng)洞中進(jìn)行了渦輪葉片有無涂層時(shí)在不同沖擊條件下的沖蝕試驗(yàn),結(jié)果表明,隨著粒子撞擊角度和尺寸的增大,沖蝕率和表面粗糙度均隨之增大。Evstifeev等[6]在改進(jìn)的風(fēng)洞中對(duì)某壓氣機(jī)葉片進(jìn)行固體顆粒侵蝕試驗(yàn),評(píng)估葉片材料的抗沖蝕性能,并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了臨界顆粒速度與顆粒粒徑的關(guān)系。Panakarajupally等[7]的研究表明,沖蝕速率隨顆粒速度、粒徑和溫度的增加而增大,而且在小沖擊角度下,材料表現(xiàn)出塑性材料的沖蝕模式。Azimian等[8]研究了燃燒產(chǎn)生的顆粒對(duì)徑向渦輪的磨損,發(fā)現(xiàn)靜葉尾緣和動(dòng)葉壓力面的中心區(qū)域磨損最嚴(yán)重。Xiao等[9]通過數(shù)值模擬研究了燃?xì)廨啓C(jī)中固體顆粒對(duì)熱障涂層的沖蝕,發(fā)現(xiàn)渦輪出口壓力、涂層厚度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響涂層可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。Biglarian等[10]研究發(fā)現(xiàn)葉輪眼和葉根處的沖蝕速率較高,與試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀呛陷^好,同時(shí)表明Finnie模型對(duì)于類似工況的壓縮機(jī)的磨損區(qū)域預(yù)測(cè)具有良好的一致性。Finnie[11]通過試驗(yàn)研究了剛體磨料顆粒撞擊塑性材料的沖蝕磨損機(jī)理,對(duì)磨損率與顆粒撞擊材料時(shí)的速度與角度之間的關(guān)系給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式,提出了微切削磨損理論。張鶴等[12]通過數(shù)值模擬研究分析了直徑大顆粒與壁面碰撞。趙睿杰等[13]采用計(jì)算流體力學(xué)與離散單元法相結(jié)合的方法對(duì)粗顆粒磨損的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。閆樂等[14]基于ANSYS CFX軟件,結(jié)合歐拉-拉格朗日方法探究了顆粒對(duì)離心泵葉片造成的磨損情況。關(guān)海達(dá)等[15]研究了支撐結(jié)構(gòu)(角度)和管長(zhǎng)對(duì)薄壁管沖擊微動(dòng)損傷行為的影響,并對(duì)其界面響應(yīng)和磨損機(jī)制進(jìn)行分析。杜明超等[16]針對(duì)顆粒的沖蝕磨損過程建立了基于拉格朗日法的耦合數(shù)值計(jì)算模型,分析了顆粒沖擊延性材料的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為和凹坑輪廓形態(tài)。但目前對(duì)于固體顆粒沖蝕磨損的研究主要集中在固體顆粒對(duì)發(fā)電廠汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各類引風(fēng)機(jī)和壓氣機(jī)的運(yùn)行效率和安全性的影響,以及各種不同涂層的抗沖蝕性能研究,對(duì)船舶柴油機(jī)尾氣顆粒對(duì)可變渦輪沖蝕磨損影響特性的分析研究很少涉及。

本文基于Finnie數(shù)學(xué)模型和歐拉-拉格朗日法,建立可變混流增壓器葉輪葉片沖蝕磨損模型,以提高仿真試驗(yàn)與真實(shí)情況的吻合度。然后根據(jù)數(shù)值仿真所得的噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損率,計(jì)算得到不同運(yùn)行時(shí)間下的表面粗糙度,從而探究表面粗糙度對(duì)渦輪增壓器噴嘴環(huán)氣動(dòng)特性的影響。對(duì)渦輪增壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。

1 理論模型與分析方法

1.1 顆粒的基本假設(shè)和運(yùn)動(dòng)方程

由于船用柴油機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的尾氣中所含顆粒較少,且顆粒體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于10%,屬于稀相流,故采用歐拉-拉格朗日法來模擬顆粒運(yùn)行情況。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,引入以下幾點(diǎn)合理的假設(shè):①由于固體顆粒含量較少,屬于稀相流,故顆粒對(duì)流場(chǎng)的作用可以忽略不計(jì),采用單相耦合;②忽略顆粒的旋轉(zhuǎn)、團(tuán)聚和破裂以及顆粒間的相互碰撞;③將顆粒視作球形顆粒,并且不考慮壁面因顆粒撞擊造成的幾何形狀的變化,即模擬為穩(wěn)態(tài)模擬。

顆粒的運(yùn)動(dòng)方程[17]為

(1)

式中:vp和vf分別為顆粒、氣體速度;ρp,ρf分別為顆粒、氣體密度;CD為黏性阻力系數(shù);g為重力加速度;右式第一項(xiàng)為單位質(zhì)量顆粒所受到的阻力,第二項(xiàng)為單位質(zhì)量顆粒所受重力與浮力之差;Fx為顆粒所受其他力之和,包括Saffman升力、布朗力和其他附加力。由于本文中氣流所含顆粒較少,且氣流與顆粒的密度相差較大,氣流中這些力對(duì)顆粒相的影響很小,可以忽略不計(jì)。

1.2 磨損模型

固體顆粒對(duì)壁面的沖蝕磨損機(jī)理非常復(fù)雜。一方面,沖蝕率與顆粒的撞擊速度、角度、顆粒的物理性質(zhì)有關(guān);另一方面,它與壁面材料的剛度、延性和粗糙度有關(guān)。本文選用Finnie模型[18]研究顆粒對(duì)葉片的沖蝕磨損,該模型反映了顆粒的撞擊速度和角度與葉片表面沖蝕率的關(guān)系,其表達(dá)式為

(2)

式中:E為無量綱質(zhì)量;k為常數(shù);vp為顆粒撞擊速度;γ為撞擊角;f(γ)為撞擊角的無量綱函數(shù)

(3)

磨損量由式(4)計(jì)算

me=ENpmp

(4)

式中:mp為顆粒質(zhì)量流量;Np為撞擊壁面的顆粒數(shù)目。

1.3 表面粗糙度的數(shù)值分析方法

表面粗糙度一般是指由于加工或其他因素導(dǎo)致的表面幾何不平整。本節(jié)對(duì)噴嘴環(huán)和葉輪葉片表面粗糙度的處理采用CFX軟件、壁面函數(shù)法和等效沙粒粗糙度模型,其中壁面函數(shù)法是在Launder和Spalding的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[19]。近壁速度的對(duì)數(shù)關(guān)系為

(5)

其中,

(6)

(7)

式中:u+為近壁速度;uτ為摩擦速度;Uτ為已知的距離壁面Δy處的切向速度;y+為距離壁面的無量綱距離;τw為壁面剪切應(yīng)力,κ為von Karman常數(shù);C為對(duì)數(shù)層常數(shù),取決于壁面粗糙度;ρ為密度。

由于壁面的表面粗糙度會(huì)顯著增加近壁湍流產(chǎn)生項(xiàng),而且又會(huì)反過來造成壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和切應(yīng)力的增加。因此,為了使表面粗糙度的影響與試驗(yàn)結(jié)果吻合的更好,CFX中使用式(8)考慮粗糙度的影響

(8)

式中,B=5.2,偏移量ΔB可以表示為

(9)

式中,等效沙粒粗糙度ks與修正沙粒粗糙度ks的關(guān)系可以寫成

(10)

式中,ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

式(11)給出了等效沙粒粗糙度ks與幾何平均粗糙度Ra的關(guān)系,其關(guān)系由Morini等和Koch等[20]提出

ks=6.2Ra

(11)

由于渦輪噴嘴環(huán)和葉輪葉片涉及表面邊界層分離和轉(zhuǎn)捩等流動(dòng),故使用剪切應(yīng)力傳輸(shear-stress transport,SST)湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。其中求解間歇因子的方程和動(dòng)量厚度雷諾數(shù)方程為

(12)

考慮到粗糙度對(duì)轉(zhuǎn)捩的影響,需對(duì)動(dòng)量厚度雷諾數(shù)進(jìn)行修正

Reθt,rough=Reθt·f(k)

(14)

1.4 渦輪氣動(dòng)性能分析方法

由1.1節(jié)～1.3節(jié)分析可知,噴嘴環(huán)和葉輪葉片的表面粗糙度增大后,噴嘴環(huán)和葉輪葉片尾緣的分離損失增大,吸力面和壓力面的流動(dòng)邊界層厚度、靜熵和湍流動(dòng)能也隨之增大,導(dǎo)致渦輪的運(yùn)行性能下降,因此本節(jié)主要分析表面粗糙度對(duì)渦輪效率的影響。通常使用總壓損失系數(shù)來表征葉柵損失,分析表面粗糙度對(duì)級(jí)內(nèi)損失的影響,總壓損失系數(shù)越高,總壓損失越大。總壓損失系數(shù)的定義如下

(15)

式中:P1t為入口總壓;P2t和P2分別為出口總壓和出口靜壓。需注意進(jìn)出口的總壓力取質(zhì)量加權(quán)平均,因?yàn)樵跍u輪內(nèi)部的流動(dòng)時(shí)是可壓縮的。下面對(duì)不同開度下的噴嘴環(huán)在不同粗糙度下的總壓損失系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 仿真模型與計(jì)算條件

本文對(duì)某型號(hào)的可變混流渦輪增壓器的渦輪端進(jìn)行數(shù)值模擬分析,其幾何模型如圖1所示,包括進(jìn)氣道、渦殼、葉輪、噴嘴環(huán)葉片(按照順時(shí)針方向命名為b1～b24),其主要幾何參數(shù)如表1所示?？勺儨u輪的開度范圍依次為0,25%,50%,75%和100%。其中:0代表噴嘴環(huán)喉口面積最小的情況,即喉口之間的距離最短;100%代表噴嘴環(huán)處于喉口面積最大時(shí)的情況。噴嘴環(huán)開度隨著柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷增加而增大,匹配不同運(yùn)行工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 渦輪主要幾何參數(shù)

圖1 渦輪幾何模型Fig.1 Geometric model of turbine

渦輪的工作介質(zhì)為連續(xù)高速的可壓縮空氣,其中包含燃油燃燒產(chǎn)生的廢氣和顆粒物,其內(nèi)部的流場(chǎng)為典型的湍流流動(dòng),擬采用雷諾時(shí)均N-S方程和SST湍流模型,其中SST模型考慮了湍流切應(yīng)力,適用于含有逆壓梯度的流動(dòng)[21]。

根據(jù)渦輪增壓器實(shí)際工作情況,設(shè)置如下邊界條件:

顆粒相——在渦輪入口處,顆粒的滑移速度為零,即顆粒的入射速度與氣流的入口速度一致,顆粒垂直于渦輪入口進(jìn)入,位置隨機(jī)。顆粒為船用柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的煙灰顆粒,密度為2 000 kg/m3,直徑分布范圍為1～10 μm,顆粒的入口質(zhì)量流量為1×10-3g/kg,指定顆粒的數(shù)目為5 000個(gè)。這里需要注意的是,5 000并不是顆粒的實(shí)際數(shù)量,只是顆粒在空間分布的細(xì)化程度。

2.2 網(wǎng)格劃分及其無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格類型主要有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩種,對(duì)于渦輪的進(jìn)氣道和渦殼,由于其結(jié)構(gòu)不規(guī)則,沿周向曲率變化較大,因非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有較好的適應(yīng)性,故采用四面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分;對(duì)于噴嘴環(huán)和葉輪,使用專業(yè)的渦輪葉片通道網(wǎng)格劃分軟件Turbogrid對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,并對(duì)葉片表面和葉頂間隙進(jìn)行加密處理。噴嘴環(huán)及葉輪網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格Fig.2 Nozzle ring and impeller mesh

通常來說,網(wǎng)格質(zhì)量越高數(shù)量越多,模型的計(jì)算結(jié)果就會(huì)越精確,但是相應(yīng)的需要的計(jì)算資源就越多,為了在保證計(jì)算結(jié)果精確性的同時(shí)又可以避免需要過多的計(jì)算資源,同時(shí)排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。以渦輪在開度25%下,轉(zhuǎn)速為30 000 r/min為例,分別模擬網(wǎng)格數(shù)量為146萬、194萬、240萬和305萬時(shí)的單通道模型,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到240萬以后,各參數(shù)計(jì)算結(jié)果基本趨于穩(wěn)定,考慮到計(jì)算精度與計(jì)算量,選擇240萬左右的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.3 表面粗糙度的設(shè)置

在經(jīng)過一段時(shí)間后,噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損量就是各個(gè)開度下磨損量的總和。然而在渦輪實(shí)際運(yùn)行情況下,渦輪在一段時(shí)間內(nèi)處于不同開度下的運(yùn)行時(shí)間占比并不是固定的,會(huì)隨實(shí)際情況變化。因此參照中國(guó)船級(jí)社出版的《船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南》(2011版)中的用于恒速船用主機(jī)的試驗(yàn)循環(huán)(如表3所示)的加權(quán)系數(shù),對(duì)本章渦輪不同開度的占比比例進(jìn)行設(shè)定,如表4所示。

為了分析比較不同表面粗糙度對(duì)不同開度下渦輪運(yùn)行的影響,分別考慮了渦輪運(yùn)行時(shí)間達(dá)到1 000 h,2 000 h,3 000 h,4 000 h和5 000 h時(shí)的表面粗糙度對(duì)渦輪運(yùn)行的影響。通過數(shù)值仿真所得的噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損率,計(jì)算得到不同運(yùn)行時(shí)間下的表面粗糙度,由于各噴嘴環(huán)和各葉輪葉片的磨損情況不同,計(jì)算得到的表面粗糙度也不同,所以通過總磨損量與噴嘴環(huán)、葉輪葉片的總表面積的商值來設(shè)置幾何平均粗糙度Ra,如表5所示。需指出的是,相同時(shí)間段,不同開度下設(shè)置的幾何平均粗糙度Ra是一樣的。CFX中是通過設(shè)置等效沙粒粗糙度ks和幾何平均粗糙度Ra來模擬表面粗糙度的影響。

目前信息技術(shù)突飛猛進(jìn)，要想推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)效、穩(wěn)健發(fā)展，應(yīng)當(dāng)緊緊抓住網(wǎng)絡(luò)這個(gè)有效工具，應(yīng)當(dāng)依托信息技術(shù)全面整合農(nóng)業(yè)資源，應(yīng)當(dāng)力爭(zhēng)把可持續(xù)發(fā)展思想滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中。應(yīng)當(dāng)依據(jù)地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)狀況，編制部分科學(xué)合理的發(fā)展方略。比如，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)農(nóng)業(yè)種植有關(guān)的土壤、水文等要素加以剖析，能夠?qū)r(nóng)業(yè)發(fā)展有關(guān)信息進(jìn)行深入發(fā)掘，另外給出有效的解決方案。

表5 不同運(yùn)行時(shí)間下的表面粗糙度Tab.5 Surface roughness at different running times

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)模型驗(yàn)證

在進(jìn)行渦輪氣固兩相流模擬之前,需要對(duì)所建模型的準(zhǔn)確性和所選湍流模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合可變渦輪的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),以25%開度時(shí)的情況為例,對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。從圖3中可以看出,模擬與試驗(yàn)的整體吻合度較好,等熵效率的最大相對(duì)誤差為3.93%,相似流量的最大相對(duì)誤差為4.63%。誤差的原因主要是幾何建模時(shí)對(duì)實(shí)體模型有一定的簡(jiǎn)化,而且模擬計(jì)算時(shí)假定壁面是絕熱的,實(shí)際情況是渦輪與周圍環(huán)境一直存在換熱,但是誤差整體小于5%,說明所建模型和所選方法可行。

圖3 25%開度下試驗(yàn)與模擬的相似流量和效率對(duì)比Fig.3 Comparison of similar flow rate and efficiency between test and simulation at 25% opening

3.2 磨損模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所采用磨損模型的準(zhǔn)確性,以文獻(xiàn)[22]中沖蝕磨損試驗(yàn)所用90°彎管為幾何模型,采用Finnie模型對(duì)其進(jìn)行氣固兩相流計(jì)算。彎管幾何模型如圖4所示,模擬條件與文獻(xiàn)試驗(yàn)條件一致。為了更好地將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,將兩者分別進(jìn)行歸一化處理,結(jié)果如圖5所示。所選取的位置為圖4中圓圈標(biāo)注的XZ平面與彎管段壁面的相交線,α為彎管角度(0°～90°),可以看出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合度較高,說明所采用的磨損模型的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。

圖4 彎管幾何模型Fig.4 Geometric model of elbow

3.3 表面粗糙度對(duì)噴嘴環(huán)流場(chǎng)的影響

圖6和圖7分別為開度0和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)流場(chǎng)的速度分布云圖,以噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度分布云圖為例,因?yàn)閲娮飙h(huán)b10為磨損最為嚴(yán)重,即粗糙度最大。

圖6 0開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度云圖Fig.6 Velocity cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖7 100%開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度云圖Fig.7 Velocity cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 100% opening and different roughness

對(duì)比光滑表面和粗糙表面可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴嘴環(huán)表面變得粗糙時(shí),噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的流動(dòng)邊界層厚度均有所增加,這是因?yàn)閲娮飙h(huán)表面在受到顆粒沖蝕磨損后變得粗糙,使得表面摩擦阻力的阻滯作用增大,靠近表面附近的流體流速降低,需要更大的邊界層厚度近壁面處才能達(dá)到主流速度,而且吸力面的邊界層厚度大于壓力面。另外噴嘴環(huán)尾緣處可以觀察到氣流的減速與輕微的分離,這與流動(dòng)邊界層厚度一樣,均隨粗糙度的增加而增大,而且也均會(huì)造成流動(dòng)損失的增大。對(duì)比圖6和圖8可知,上述現(xiàn)象在不同開度下隨粗糙度增大的變化趨勢(shì)相似。

圖8 0開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處?kù)o熵云圖Fig.8 Static entropy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖8和圖9分別為開度0和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10沿50%葉高處的靜熵分布云圖。同一開度下,不同粗糙度下進(jìn)口處的靜熵大致相同,出口處隨粗糙度的增大有所增大,而且噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的靜熵也隨之增大,吸力面的變化更明顯,另外尾緣處的熵增也較為明顯,說明由于噴嘴環(huán)表面粗糙度的增加導(dǎo)致氣體內(nèi)能的增加,致使噴嘴環(huán)出口處氣體溫度上升,造成了渦輪效率的下降。靜熵分布與流場(chǎng)流速分布情況基本一致,且不同開度下區(qū)別也不大。

圖9 100%開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處?kù)o熵云圖Fig.9 Static entropy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 100% opening and different roughness

圖10為開度0,50%和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10沿50%葉高處表面摩擦因數(shù)分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn),在同一開度下,隨著表面粗糙度的增加,表面摩擦因數(shù)隨之增大,導(dǎo)致流動(dòng)邊界層厚度增加,流動(dòng)損失增大,而且吸力面的摩擦因數(shù)整體上大于壓力面,導(dǎo)致吸力面的的流動(dòng)邊界層厚度大于壓力面。另外當(dāng)表面由光滑變?yōu)榇植跁r(shí),表面摩擦因數(shù)增幅較大,隨著粗糙度的增大,摩擦因數(shù)增幅逐漸減小。這主要是因?yàn)楫?dāng)粗糙度較小時(shí),噴嘴環(huán)表面的氣流的水力狀態(tài)處于湍流過渡區(qū),此時(shí)壁面摩擦阻力與雷諾數(shù)和粗糙度有關(guān),所以此時(shí)表面粗糙系數(shù)的增幅較大;當(dāng)粗糙度進(jìn)一步增大時(shí),噴嘴環(huán)表面變?yōu)橥牧鞔植趨^(qū),此時(shí)摩擦阻力只與粗糙度有關(guān),與雷諾數(shù)無關(guān),導(dǎo)致表面粗糙系數(shù)的增速隨粗糙度的增大而減小。

圖10 0,50%和100%開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處表面摩擦因數(shù)分布圖Fig.10 Surface friction coefficient distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height under different roughness

另外從圖8可以發(fā)現(xiàn),處于0開度下,當(dāng)粗糙度Ra=51 μm時(shí),在噴嘴環(huán)吸力面前緣處的靜熵大于其他粗糙度下同一位置處的靜熵。這一點(diǎn)可以從圖10(a)中解釋,因?yàn)樵谖γ嫦鄬?duì)氣流方向的0.1～0.4這段距離內(nèi),粗糙度Ra=51 μm的表面摩擦因數(shù)最大,而且開度50%下也存在這種情況。在不同開度下,噴嘴環(huán)吸力面的表面摩擦因數(shù)分布趨勢(shì)類似,只是數(shù)值隨著開度的增大有所增大,但是壓力面的情況變化較大。對(duì)于開度低于50%時(shí),壓力面的摩擦因數(shù)先是單調(diào)遞增,約在0.95處達(dá)到峰值,然后急劇降低,隨著開度的增大,壓力面的整體變化趨勢(shì)變得平緩,但依然在0.95處達(dá)到最大值。而且噴嘴環(huán)在不同粗糙度下吸力面和壓力面的整體表面摩擦因數(shù)差值隨開度的增大有所減小,這是由于噴嘴環(huán)開度增大,流道橫截面面積增大,使得表面粗糙度對(duì)流動(dòng)的影響有所減小。

圖11和圖12分別為開度0在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處的湍流動(dòng)能分布云圖和變化曲線圖,湍流動(dòng)能是衡量湍流發(fā)展和衰退的重要指標(biāo)。從圖中可以看到,噴嘴環(huán)表面粗糙度增大使得吸力面和壓力面的湍流動(dòng)能增大,吸力面的湍流動(dòng)能峰值向噴嘴環(huán)后緣有所偏移,壓力面則是單調(diào)遞增,在尾緣處達(dá)到最大值,隨后急劇降低,而且吸力面的湍流動(dòng)能整體上大于壓力面。表面從光滑到粗糙度Ra=51 μm的過程中,湍流動(dòng)能大幅增加,而且噴嘴環(huán)尾部的湍流動(dòng)能區(qū)域的面積最大,意味著流動(dòng)邊界層內(nèi)的能量耗散有所增加,流動(dòng)損失增大,導(dǎo)致渦輪效率下降。另外不同開度下噴嘴環(huán)表面的湍流動(dòng)能變化情況類似。

圖11 0開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處湍流動(dòng)能云圖Fig.11 Turbulent kinetic energy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖12 0開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在 50%葉高處湍流動(dòng)能分布圖Fig.12 Turbulent kinetic energy distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

3.4 表面粗糙度對(duì)噴嘴環(huán)靜壓分布的影響

圖13 為開度0,50%和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處的靜壓分布圖,表示了噴嘴環(huán)負(fù)載能力隨粗糙度的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在同一開度下,隨著粗糙度的增大,噴嘴環(huán)吸力面靜壓值隨之減小,壓力面靜壓值隨之增大,但是幅值變化均較小。隨著開度的增大,噴嘴環(huán)吸力面與壓力面的靜壓差值在逐漸減小。圖中靜壓曲線所圍成的面積表示噴嘴環(huán)所承受的結(jié)構(gòu)載荷的大小。同一開度下,隨著粗糙度的增大,靜壓曲線圍成的面積有所增大,說明吸力面和壓力面兩側(cè)的靜壓差增大,意味著作用在噴嘴環(huán)上的結(jié)構(gòu)載荷也隨之增大,可能會(huì)縮短噴嘴環(huán)的使用壽命。

圖13 開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處?kù)o壓分布圖Fig.13 Static pressure distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height under different roughness

3.5 表面粗糙度對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響

圖14分別為開度0,50%和100%在不同開度下不同噴嘴環(huán)總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著開度的增大,噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)逐漸降低,這是因?yàn)殚_度增大,噴嘴環(huán)的流道面積增大,氣流分布更加均勻,葉柵損失有所減小。不同開度下,不同位置的噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)均隨粗糙度增大而增大,但是增加的速率卻隨之減小,趨于平緩。在同一開度下,不同位置的噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化趨勢(shì)一致,但數(shù)值卻有所不同。這主要是因?yàn)闇u輪進(jìn)氣渦殼結(jié)構(gòu)的周向不對(duì)稱性,使得噴嘴環(huán)內(nèi)的流場(chǎng)沿周向分布不均勻,而且不同的噴嘴環(huán)的磨損情況不同,導(dǎo)致粗糙度不同,最終造成噴嘴環(huán)之間的總壓損失系數(shù)的不同。

圖14 0,50%和100%開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化曲線圖Fig.14 Curves showing the variation of total pressure loss coefficient of nozzle ring with roughness of 0, 50% and 100% openings

圖15為不同開度下渦輪在不同運(yùn)行時(shí)間下的效率值,圖16為不同開度下渦輪在不同運(yùn)行時(shí)間下的效率下降值。因?yàn)榇植诙入S運(yùn)行時(shí)間而增大,而且粗糙度的設(shè)置也是根據(jù)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得到,所以以運(yùn)行時(shí)間表示渦輪效率的變化情況更為直觀,更符合實(shí)際需求。

圖15 不同開度下渦輪效率隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線圖Fig.15 Curve of turbine efficiency changing with running time at different opening degrees

圖16 不同開度下渦輪效率下降值隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線圖Fig.16 Curve of variation of turbine efficiency decline value with running time at different opening degrees

從圖中可以看出,不同的開度下,渦輪的運(yùn)行效率隨粗糙度的變化趨勢(shì)是一致的,都隨粗糙度的增大而減小,但是效率下降的速率卻在不斷減小,趨勢(shì)逐漸平緩,這與噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化情況是一樣的。而且粗糙度對(duì)不同開度的影響程度也有所區(qū)別,0開度下的效率下降范圍在2.03%～3.32%,100%開度下為1.43%～2.72%,整體來看,開度越大粗糙度的影響越小。因?yàn)殚_度導(dǎo)致噴嘴環(huán)內(nèi)流道面積不同,流道面積越大,粗糙度的影響越小,氣流流動(dòng)越均勻,而且開度越大,葉輪內(nèi)的氣流分布也更加均勻。但開度25%下下降的效率值卻小于開度50%與75%,這可能是由于開度50%和75%下的渦輪效率高于開度25%的情況,導(dǎo)致粗糙度對(duì)其的影響較為明顯,效率下降得更多。

當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到1 000 h時(shí),渦輪運(yùn)行效率的下降可達(dá)1.4%以上,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為5 000 h時(shí),減少的效率值可達(dá)2.7%以上。雖然隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,渦輪效率降低的速率逐漸減緩,但是減小的幅值依然值得重視。說明尾氣顆粒沖蝕磨損造成的噴嘴環(huán)和葉輪葉片表面的幾何不平整,對(duì)渦輪的運(yùn)行效率的影響較為顯著,從而也會(huì)造成柴油機(jī)運(yùn)行效果的下降。

4 結(jié) 論

本文基于Finnie磨損模型,采用數(shù)值模擬方法分析了尾氣顆粒對(duì)可變混流渦輪噴嘴環(huán)的沖蝕磨損特性。在此基礎(chǔ)上,通過噴嘴環(huán)和葉輪葉片磨損率的計(jì)算結(jié)果,引入渦輪運(yùn)行時(shí)間,分析表面粗糙度對(duì)渦輪內(nèi)部流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的流動(dòng)邊界層厚度、靜熵、湍流動(dòng)能和表面摩擦系數(shù)均隨粗糙度的增大而增大,導(dǎo)致邊界層附近的流動(dòng)損失增大、氣體內(nèi)能增加、能量耗散增大,但是上述參數(shù)增大的速率卻隨表面粗糙度的增大有所降低。

(2)噴嘴環(huán)兩側(cè)的靜壓差隨粗糙度的增大而增大,使得噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)載荷增大,可能會(huì)降低噴嘴環(huán)的使用壽命。

(3)隨著運(yùn)行時(shí)間(表面粗糙度)的增大,渦輪效率隨之降低,但降低速率卻有所減小。運(yùn)行時(shí)間為1 000 h時(shí),渦輪運(yùn)行效率的下降可達(dá)1.4%以上,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為5 000 h時(shí),效率下降可達(dá)2.7%以上。對(duì)不同開度的影響程度也不同,整體上是開度越大,表面粗糙度對(duì)效率的影響越小。0開度下的效率下降范圍在2.03%～3.32%,100%開度下為1.43%～2.72%。

(4)針對(duì)尾氣顆粒沖擊造成的磨損,應(yīng)采取針對(duì)性措施,達(dá)到延長(zhǎng)渦輪增壓器壽命和提高效率的目的。為渦輪增壓器配備先進(jìn)的除塵設(shè)備,減少?zèng)_擊部件情況的產(chǎn)生。提高部件耐磨性,如使用陶瓷耐磨材料。