基于相似理论的有机工质涡轮膨胀机性能研究.pptx

基于相似理论的有机工质涡轮膨胀机性能研究.pptx

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基于相似理论的有机工质涡轮膨胀机性能研究,学生：

陈韬汽04指导教师：

张扬军教授,研究目的及内容已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,研究目的及内容已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,研究内容及方法,研究背景有机工质涡轮的实验条件苛刻，实验台较少，而空气工质涡轮的实验容易进行。

如果用空气实验来测试有机工质涡轮的性能，将会使实验大大简化。

汽车系发动机流动与增压研究室,研究目标依托于973项目高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究，建立基于相似理论的空气介质涡轮改用有机工质时的性能预测方法。

研究内容及方法,技术路线,汽车系发动机流动与增压研究室,研究目的及内容已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,建立基于相似理论的涡轮性能预测方法通过CFD仿真计算得到应用相似理论预测时产生的误差,阶段性成果,汽车系发动机流动与增压研究室,现有叶轮机械相似理论,现有叶轮机械相似理论认为，当涡轮的两个工况满足以下两个条件时，可以认为它们是相似工况：

两个涡轮的各个几何尺寸成比例；决定涡轮流场特性的无量纲数相等。

处于两个相似工况下的涡轮的流场是相似的，进而它们的性能也是相似的。

涡轮主要关注的性能包括：

效率、流量、功率等。

决定流场特性的无量纲数：

现在普遍认为决定涡轮流场特性的无量纲数有两个：

速比（Flowcoefficient），U定义为轮缘速度，为一个假想速度，定义为：

马赫数，它表征了气体的可压缩性对流动的影响。

还有一些学者提出，在马赫数大于1之后，欧拉数的影响比马赫数大，他们取速比和欧拉数作为决定性的无量纲数。

现有叶轮机械相似理论,主要性能参数的无量纲化根据相似理论，相似工况下涡轮的性能相似，也就是性能的无量纲数相等。

主要性能的无量纲化如下：

效率：

流量系数：

功率系数：

性能预测方法,基于相似理论的不同工质涡轮性能预测方法流程图,步骤1：

估计涡轮内流场主要的流动现象，选取两个相似准则数（如：

速比和马赫数）步骤2：

令选定的相似准则数相等，推导出不同工质之间对应的相似工况步骤3：

通过涡轮使用一种工质时的性能曲线，预测对应工况下使用另一种工质时的性能,性能预测准确性验证,针对一款涡轮，通过CFD手段测得其以空气为工质时的性能曲线。

再通过这个性能预测其使用有机工质时的性能曲线。

通过CFD手段测得该涡轮使用真实气体为工质时的实际性能曲线，并将其与之前预测得到的性能进行对比，进而验证这套性能预测方法的准确性。

验证方法：

性能预测准确性验证,选择相似准则数：

考虑到涡轮内部存在跨声速的现象，这里尝试采用两组相似准则来确定相似工况，并对比其预测的准确性。

准则1马赫数准则：

准则2欧拉数准则,相似工况确定马赫数准则,真实气体R123的工况点：

由相似准则1（马赫数准则）推出的相似工况点：

性能预测马赫数准则,空气介质涡轮性能（CFD仿真）：

预测有机工质R123涡轮性能：

性能预测的偏差马赫数准则,预测值与真实值（CFD）对比：

相对偏差,总静膨胀比,总静膨胀比,相似工况确定欧拉数准则,真实气体R123的工况点：

由相似准则2（欧拉数准则）推出的相似工况点：

性能预测欧拉数准则,空气介质涡轮性能（CFD仿真）：

预测有机工质R123涡轮性能：

性能预测的偏差欧拉数准则,预测值与真实值（CFD）对比：

相对偏差,总静膨胀比,总静膨胀比,性能预测方法产生偏差的原因,由空气介质涡轮预测有机工质涡轮的性能时产生偏差的原因主要有一下两个方面：

比热比k不同的理想气体之间的近似相似；真实气体与理想气体之间差别带来的不相似。

比热比本身就是一个无量纲数，所以比热比不同的工质不可能完全相似，只能近似相似，所以选择不同的相似准则数会对预测结果的准确性产生影响。

真实气体的比热比和比热容在涡轮流道内变化较大，这个现象在理想气体中不明显，它会对流场造成一定的影响，导致预测方法的不准确。

减小偏差的方法,选取合适的特征比热比k,相似准则数：

速比,、马赫数,的表达式中,均含有比热比k这个变量，其中而真实气体的比热比在全工况范围内和流道内都是变化的。

所以在这个变化范围内如何选择一个特征比热比将会影响性能预测的准确性。

特征比热比选取对预测偏差的影响,准则1马赫数准则：

准则1马赫数准则：

研究内容已完成进度计划及安排,汽车系发动机流动与增压研究室,汽车系发动机流动与增压研究室,进度完成情况及计划,谢谢！

汽车系发动机流动与增压研究室,下周计划,处理完欧拉数准则的偏差结果采用流场差值来分析流场的偏差待定：

丰富k值寻找其他方法来减小偏差,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,5%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,50%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析流线及熵增,真实气体-R123,95%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,5%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,50%叶高,Eu准则,Ma准则,流场结构分析相对马赫数,真实气体-R123,95%叶高,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,相对速度,流场结构分析转子出口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,绝对速度,流场结构分析转子出口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,相对速度,流场结构分析转子入口速度三角形,Eu准则,Ma准则,真实气体-R123,绝对速度,流场结构分析转子入口速度三角形,Eu准则,Ma准则,涡轮几何模型建立,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,单流道三维网格划分,网格数：

1,355,959最小正交角：

24.231deg最大长宽比：

1036.8最大膨胀比：

2.3646,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,流道三维网格质量,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,真实气体工质导出,CFD准备工作,汽车系发动机流动与增压研究室,