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叶轮设计对车用涡轮增压器压气机的效率及噪声影响的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 增压器分类

1.2.1 机械增压

1.2.2 废气涡轮增压

1.2.3 离心式与轴流式压气机

1.3 课题国内外研究现状

1.3.1 压气机叶轮研究现状

1.3.2 压气机扩压器研究现状

1.3.3 压气机蜗壳研究现状

1.3.4 压气机噪声研究现状

1.4 课题意义

1.5 论文的技术路线和框架

1.6 本文的主要工作

第二章 车用涡轮增压器压气机及噪声理论基础

2.1 离心式压气机基本理论

2.1.1 离心式压气机做功原理

2.1.2 流体速度三角形模型

2.2 噪声理论基础

2.2.1 声强理论

2.2.2 噪声预测模型

2.3 CFD技术基础

2.3.1 CFD技术概述

2.3.2 湍流理论及数值模拟方法

2.4 本章小结

第三章 车用涡轮增压器压气机叶轮参数化建模方案

3.1 车用涡轮增压器压气机性能参数设计

3.2 叶轮气动设计

3.2.1 叶轮入口参数设计

3.2.2 叶轮形式设计

3.2.3 叶轮出口参数设计

3.2.4 叶轮气动设计小结

3.3 叶轮参数设计校核

3.4 本章小结

第四章 车用涡轮增压器压气机叶轮数值仿真

4.1 CFD仿真流程

4.2 叶轮几何模型建立

4.3 网格划分策略

4.3.1 网格划分工具选择

4.3.2 网格划分方式

4.3.3 网格划分质量及优化

4.4 数值求解方案

4.4.1 数值求解工具的选择

4.4.2 湍流模型的选择

4.4.3 噪声模型选择

4.4.4 预处理设置

4.5 求解结果及后处理

4.6 本章小结

第五章 车用涡轮增压器压气机叶轮仿真结果分析及多目标优化

5.1 正交实验

5.1.1 正交实验的设计

5.1.2 正交实验结果

5.1.3 正交实验结果分析

5.2 优化目标与结构参数关系分析

5.2.1.优化目标与叶轮入口轮毂尺寸Dh1关系曲线

5.2.2 优化目标与叶轮入口轮缘尺寸Ds1关系曲线

5.2.3 叶轮入口尺寸对优化目标的影响分析

5.2.4 优化目标与叶轮出口角β2关系曲线

5.2.5 叶轮出口角β2对优化目标的影响分析

5.2.6 叶轮入口角β1与优化目标关系分析

5.2.7 优化目标与叶片数Z关系分析

5.3 双目标优化

5.3.1 直观分析法

5.3.2 综合评分法

5.3.3 优化结果对比分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究成果

6.2 创新点

6.3 后续工作展望

参考文献

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摘要

在汽车保有量不断增高的今天,汽车尾气排放已成为城市污染的主要来源之一。日益严苛的机动车尾气排放限制和高昂的油价使得汽车发动机小型化成为技术发展的大势所趋。而涡轮增压技术正是发动机小型化的核心所在。在车用涡轮增压器中,压气机是压缩空气的做功核心部件,效率和噪音是评价压气机好坏的重要指标。现有的研究多数只关注到其中的某一个优化目标,很少同时对两个目标进行优化。本文通过改变压气机叶轮的结构参数,对不同参数下的压气机模型进行数值模拟仿真,利用仿真得到的结果来探讨叶轮结构参数对压气机效率和噪声的影响并且通过双目标优化得到最优的结构参数组合。
  首先,本文基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)分析工具ANSYS中的组件BladeGen对叶轮模型进行参数化建模,并分别完成不同参数叶轮模型和流道模型的建立;利用TurboGrid完成拓扑结构设计和网格划分,在CFX中设置边界条件、选择湍流模型和噪声模型等仿真参数,并利用CFX-Solver求解器的稳态模型对车用涡轮增压器压气机叶轮的工作进行仿真。
  其次,在合理的叶轮结构参数范围内设计不同参数水平的正交试验。对数值模拟正交试验进行结果整理,通过极差分析法和拟合分析法评价各结构参数对压气机效率、噪声影响的显著性,通过多项式回归的方法,分别拟合各结构参数与效率和噪音的影响效应曲线,给出参数与优化目标间的关系,结合CFX后处理云图、矢量图、迹线图等可视化工具分析各结构参数对于离心式压气机效率和噪声的影响方式和机理。
  最后,用直观分析法和综合评分法进行效率、噪声的双目标优化,得到最优的叶轮参数组合并与初始模型进行对比。
  本文优化得到的最优叶轮参数组合达到设计目标,通过双目标优化方法提升了初始模型的效率和噪声表现;研究过程中得到的分析结果可为车用涡轮增压器压气机的开发提供理论和数据支持,有助于提高并改善车用涡轮增压器压气机的开发成本和设计效果。

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