Assessment of Flow Unsteadiness in Turbocharger Compressor

Le turbocompresseur est un dispositif ajouté aux moteurs à combustion interne utilisé pour améliorer leur ratio poids-puissance. Il extrait l'énergie des gaz d'échappement du moteur pour pré-comprimer l'air d'admission grâce à un compresseur centrifuge et une volute. Une meilleure prédiction et compréhension des phénomènes aérodynamiques complexes associés avec la géométrie asymétrique du compresseur peut mener à la conception de turbocompresseurs plus efficaces. Un test d'un rouet à aubes avec deux carters de compresseurs ayant des diffuseurs différents et des géométries de volutes variées, effectué dans des conditions à proximité du pompage (là où les instationnarités de l'écoulement sont attendues), a permis de trouver une différence significative en termes de rendement adiabatique du compresseur qui ne peut être décelé par des simulations préliminaires de dynamiques des fluides numérique (CFD) en régime permanent. L'objectif du présent projet est d'évaluer les capacités des simulations CFD instationnaires à détecter et à quantifier la différence en rendement adiabatique, puis d'identifier la nature et les sources des phénomènes instationnaires qui n'ont pas été saisies lors des précédentes simulations en régime permanent. Les simulations CFD ont été effectuées en utilisant le logiciel ANSYS CFX pour les deux modèles de carters de compresseur, en régimes permanent et transitoire, à différents débits massiques pour lesquelles des données expérimentales sont disponibles. Différentes valeurs de pas de temps et de conditions limites ont aussi été appliquées aux simulations en régime transitoire. Bien que les simulations instationnaires détectent un comportement oscillatoire de l'écoulement et améliorent la prédiction de la valeur absolue du rendement adiabatique, elles n'ont pu permettre l'amélioration nette de la prédiction de l'écart d'efficacité remarqué entre les deux compresseurs telle que remarquée expérimentalement. Un petit pas de temps et une condition limite avec une sortie contrôlée par un papillon des gaz permettent une meilleure prédiction du rendement adiabatique et de la fréquence des oscillations. Une analyse des champs d'écoulement indique que le décrochage rotatif dans le diffuseur est à l'origine même des oscillations perçues dans l'écoulement dans les simulations et le rendement adiabatique. Toutefois, son effet mène uniquement à une augmentation de l'amplitude d'oscillation s'il peut induire un déversement intermittent dans la sortie de la volute à partir du diffuseur. Un modèle et un critère basés sur un seuil de vitesse radiale à la sortie du diffuseur sont proposés pour expliquer l'absence observée et contre-intuitive d'amplitude élevée dans le rendement dans un des cas simulés.

Abstract

The turbocharger is a practical device for improving the power-to-weight ratio of piston engines. It extracts power from hot engine exhaust to pre-compress the intake air with a centrifugal compressor and volute. A better prediction and understanding of the complex aerodynamics associated with this asymmetric compressor can lead to turbochargers that are more efficient. Rig test of an impeller with two compressor housings with different diffuser and volute geometry near surge (where flow unsteadiness is expected) found a significant difference in compressor adiabatic efficiency that cannot fully be captured by preliminary steady-state computational fluid dynamics (CFD) simulations (used for design). The objective of the current project is to evaluate the ability of unsteady CFD simulations to capture this measure difference in adiabatic efficiency and to identify the nature and source of the flow unsteadiness not captured by steady-state CFD simulations. CFD simulations were carried out using ANSYS CFX for the full-annulus of the two compressors in both steady and unsteady modes at different mass flow values for which with the measured efficiencies are available. Different time step sizes and exit boundary conditions were also applied to the unsteady simulations. While the unsteady simulations capture significant flow oscillations and improve the prediction of the adiabatic efficiency, they did not provide a significant improvement in the prediction of the efficiency discrepancy between the two compressors. A small time step and a throttle exit boundary condition allow for better capture of efficiency and frequencies of oscillations. An analysis of the unsteady flow field indicates that rotating stall in the diffuser is at the source of the flow oscillations seen in the adiabatic efficiency. However, its effect only leads high amplitude of oscillation in adiabatic efficiency if it can induce intermittent flow spillage from the diffuser exit directly into the volute exit. A model and criterion based on a threshold radial velocity at the diffuser exit is proposed that can explain the counter-intuitive absence of high-amplitude oscillation in efficiency seen in one of the simulated cases.