第二章 涡轮增压器压气机流场计算

2.6.1 全叶片流道及网格的重新划分

    由于采用的是非定常设置，所以叶片的边界条件不能使用周期性边界条件，必须建立全叶片流道的模型，全叶片通道模型如图2-22所示。

图2-22 全叶片通道模型

    与前面章节平均划分网格不同的是，为适应涡轮增压器内部结构的复杂性，采用多块网格生成方法生成高质量网格。考虑到不同流动区域的不同重要性，对旋转叶轮内部、蜗舌壁面附近的网格节点进行了加密控制和非等距处理。其中，进气部分网格节点数为4460个，旋转叶轮部分网格节点数为128000个，蜗壳部分网格节点数为149000个，网格节点总数共计281460个。叶轮进口和旋转扩压器出口2个动静元件交接的界面上，采用了滑移网格方法处理。

2.6.2 选择解的算法

    FLUENT软件可以提供三种不同的算法：分离算法、隐式耦合算法、显式耦合算法。这三种算法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离算法和耦合算法的区别在于：连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离算法是按顺序解，耦合算法是同时解。两种算法都是最后解附加的标量方程。隐式算法和显式算法的区别在于线化耦合方程的方式不同。

    下面对这几种算法做一介绍。

    1.分离算法

    使用该方法，控制方程是顺序解出的，因为控制方程是非线性的，所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。其过程包括：

    1)解的基础上，更新流体属性（如果计算刚刚开始，流体的属性用初始解来更新）。

    2)为了更新流场，动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出。

    3)因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程，所以从连续性方程和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程。然后解出压力校正方程获取压力和速度场以及表面质量流量的必要校正从而满足连续性方程。

    4)在适当时，用前面更新的其他变量的数值解出湍流、能量、组分以及辐射等标量。

    5)当包含相间耦合时，可以用离散相轨迹计算来更新连续相的源项。

    6)检查设定的方程的收敛性。

    2.耦合算法

    该方法同时解连续性、动量、能量以及组分输运的控制方程。因为控制方程是非线性的和耦合的，所以在获取收敛解之前需要进行适当的解循环的迭代。其过程如下：

    1)在当前解的基础上更新流体属性（如果刚刚开始计算则用初始解来更新）。

    2)同时解连续性、动量、能量和组分输运方程。

    3)在适当的地方，用前面更新的其他变量的数值解出如湍流和辐射等标量。

    4)当包含相间耦合时，可以用离散相轨迹计算来更新连续相的源项。

    5)检查设定的方程的收敛性。

    直到满足收敛判据才会结束上述步骤。

    3.隐式和显式线化算法

    在分离和耦合算法中，非线性控制方程被离散、线化为每一个计算单元中相关变量的方程组，然后用线化方程组的解来更新流场。

    控制方程的线化形式可能包括关于相关变量的隐式或显式形式。隐式算法原理为：对于给定变量，单元内的未知值用邻近单元的已知和未知值计算得出。因此，每一个未知值会在不止一个方程中出现，这些方程必须同时解来给出未知量。显示算法原理为：对于给定变量，每一个单元内的未知量用只包含已知量的关系式计算得到。因此未知量只在一个方程中出现，而且每一个单元内的未知量的方程只需解一次就可以给出未知量的值。

    涡轮增压器压气机内为高速可压流动，求解时网格要比较密。由以上方程算法分析，采用分离隐式算法比较合理，并通过计算得到每个时间步的压力和速度数据。