渦輪增壓
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渦輪增壓的視頻教程
Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題-第二期
Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題-第二期 ——基于混合網格的渦輪增壓器CFD仿真 適用人群：發動機、風機、水輪機等旋轉機械行業的設計，CFD模擬從業者，高校教師及學生。
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渦輪增壓的實例教程
雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現象，串聯一大一小兩只渦輪或并聯兩只同樣的渦輪，在發動機低轉速的時候，較少的排氣即可驅動渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應。
在雙渦輪增壓的汽車上會看到2組渦輪通過串聯或者并聯的方式連接。并聯指每組渦輪負責引擎半數汽缸的工作，每組渦輪都是同規格的,它的優點就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。
使用雙渦輪增壓，就是采用2個相互獨立的渦輪增壓器的增壓系統。當發動機在2個渦輪增壓器的共同作用時，進氣效率大幅提升，增壓效果更加顯著，動力性得到很大提升。在發動機轉速較低時，只有一個低速渦輪工作，這時較少的排氣即可驅動這只渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，當發動機轉速提升以后，高速渦輪工作繼續進入高增壓值的狀態，提供一個連貫的強勁動力。
雙渦輪增壓技術在提高發動機動力性的同時，可以改善渦輪增壓的“遲滯現象”。但是，雙渦輪增壓發動機并不能完全消除“渦輪遲滯”現象，畢竟，渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。在實際使用中，雙渦輪增壓發動機通常都裝備在直列6缸或V型等排量較大的發動機上。
展開 在生活中，人們經常用 turbocharged（渦輪增壓）這個詞來形容一種精神百倍的狀態，比如 turbocharged 咖啡比一杯普通咖啡更加提神。但渦輪增壓器的真正功能不是提升精神，而是提升速度；不是在清晨的咖啡杯中，而是在內燃機中發揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實現強制進氣，它通常使用流體動力軸承作為支撐。然而，軸承會自然產生可導致負阻尼和系統故障的交叉耦合軸承力。借助轉子動力學建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設計帶來的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過迫使額外的空氣進入發動機燃燒室來增加內燃機的效率和功率輸出。這種裝置通常應用于基本交通運輸方式中，例如汽車（包括燃氣動力和柴油車）和摩托車，也應用于大型的交通工具，例如火車、輪船、飛機和航天器。
航天器推進系統中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國宇航局）提供，此作品在美國處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發動機系統中，支撐渦輪增壓器的流體動力軸承中存在的交叉耦合力在轉子中通常起負阻尼作用。負阻尼會增加軸承失效的風險，實際上整個系統的故障風險都會增大。如果車輛發動機中的渦輪增壓器發生故障，汽車可能會起火。
為了設計能夠平穩運行的渦輪增壓器，你可以使用“轉子動力學模塊”進行轉子動力學分析，此模塊屬于“結構力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設計的 2 種研究
該示例中的簡單渦輪增壓器模型包含一個渦輪機、一個壓縮機和兩個流體動力軸承：
“轉子動力學模塊”提供了兩個專用于渦輪增壓器建模的功能，方便用戶創建幾何模型以及物理場和研究設置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉子動力學研究。
展開 另外，使用低排量發動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發動機的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來幫助他們開發新的渦輪增壓器。ACR首席執行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設計工具，近年來人們對技術水平大幅提升的仿真工具越來越有信心。
Kishishita先生和他的團隊最初使用了一家外國公司開發的CFD工具，但沒有將該工具應用到他們的設計過程中，因為操作起來太困難。松岡先生建議使用具有強大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設計高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團隊正在開發一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
圖5：用模擬方法評估渦輪增壓器葉片的幾何形狀。
ACR的工程師使用Cradle CFD來確定渦輪增壓器轉子葉片的最佳幾何形狀，最佳設計產生了一個理想的出口角，以獲得高效率。計算機模型中使用了大約600萬個網格元素(圖5) 。分析結果顯示，渦輪增壓器的效率隨著出口角的減小而增加。通過使出口角達到最小值，使流出損失最小化，這最大限度地減少了摩擦損失和能量轉化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。
展開 蓋世小結：
自上世紀初年瑞士工程師比希發明渦輪增壓以來，渦輪增壓技術從最初應用于飛機和坦克發動機，到上世紀60年代美國通用將渦輪增壓技術引入汽車，再到70年代裝備渦輪增壓的保時捷911的誕生，國外零部件企業對渦輪增壓器的開發比國內要早很多，技術上也更成熟。而據了解，國內渦輪增壓應用領域，除了上汽和奇瑞起步較早，大多數自主品牌在2011年后才啟動汽油渦輪增壓發動機開發項目。而在當前渦輪增壓技術應用的基礎上，如何準確把握未來渦輪增壓發展趨勢，通過材料和工藝的創新緊跟市場發展的步伐，縮小和國外領先技術的差距，值得自主零部件供應商們深思。
來源：蓋世汽車
展開 另外，使用低排量發動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發動機的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來幫助他們開發新的渦輪增壓器。ACR首席執行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設計工具，近年來人們對技術水平大幅提升的仿真工具越來越有信心。
Kishishita先生和他的團隊最初使用了一家外國公司開發的CFD工具，但沒有將該工具應用到他們的設計過程中，因為操作起來太困難。松岡先生建議使用具有 強大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
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