液力變矩器三維瞬態(tài)流場分析

馬珂婧，何　林2,，何立萍，陳明強

(1.貴州大學(xué)，貴州貴陽550025;2.貴州師范學(xué)院，貴州貴陽550025;3.中國南方航空工業(yè)有限公司，湖南株洲412002)

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液力變矩器三維瞬態(tài)流場分析

馬珂婧1，何林2,1，何立萍3，陳明強1

(1.貴州大學(xué)，貴州貴陽550025;2.貴州師范學(xué)院，貴州貴陽550025;3.中國南方航空工業(yè)有限公司，湖南株洲412002)

摘要：為實現(xiàn)液力變矩器在大型機械中的高效傳動，需對變矩器瞬態(tài)流場特性進行分析研究。建立了液力變矩器各葉輪全流道模型，計算中壓力速度耦合算法采用Coupled 算法、空間離散格式為二階上游迎風(fēng)格式，湍流模型選為 Realizable k - ε模型，利用多流動區(qū)域耦合算法中滑移網(wǎng)格法實現(xiàn)葉輪間流動參數(shù)的實時傳遞。整理計算結(jié)果,得到液力變矩器全流道瞬態(tài)特性曲線，分析變矩器的內(nèi)流場可獲得流場分布特性, 為今后液力變矩器性能的改善和優(yōu)化設(shè)計提供比較科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:液力變矩器瞬態(tài)分析數(shù)值模擬滑移網(wǎng)格

0引言

通過流體傳遞動力的液力變矩器因其在傳動中表現(xiàn)出的優(yōu)越性廣泛應(yīng)用于機械傳動系統(tǒng)中[1-2]。液力變矩器作為機械傳動系的核心部件，對大型機械的動力性和經(jīng)濟性有重要影響。液力變矩器內(nèi)部流動決定外部性能，因此國內(nèi)外諸多專家學(xué)者參與研究其內(nèi)部流動。Hadi Adibi Asl等提出了一個預(yù)測變矩器特性的變矩器動態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究其內(nèi)部流動[3]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的畢強采用CFX軟件對LB46型變矩器進行了內(nèi)流場數(shù)值計算[4]，但是他提取的是變矩器的單流道模型；重慶大學(xué)的謝清樂等采用Fluent軟件對不同導(dǎo)葉開度的LB46型變矩器進行全流道數(shù)值仿真[5]，但是他采用的是MRF技術(shù)，在現(xiàn)有的CFD軟件平臺中出現(xiàn)了諸如多參考系(MRF)、混合平面、滑移網(wǎng)格、動網(wǎng)格技術(shù)，在這些技術(shù)中只有滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格是真正進行動態(tài)模擬，可以給出運動邊界的實時運動狀況下的瞬態(tài)流場[6]。吉林大學(xué)劉春寶等進行了液力變矩器三維瞬態(tài)流場計算[7]，但他沒有對整個變矩器流場壓力分布進行對比分析。

為了更好的把液力變矩器應(yīng)用到大型機械中，對其內(nèi)流場進行研究有著重要意義。本文結(jié)合液力變矩器三維流動理論和計算流體動力學(xué)的發(fā)展，利用Fluent軟件，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，計算液力變矩器流場以得到流場的瞬態(tài)特性。對液力變矩器進行特性預(yù)測，不僅縮短了研發(fā)周期，而且在對其三維瞬態(tài)復(fù)雜流場進行直觀的相關(guān)分析之后，有利于設(shè)計出性能更加優(yōu)越的液力變矩器。

1內(nèi)流場分析的基本控制方程

流體流動遵守物理守恒定律，對復(fù)雜的液力變矩器內(nèi)流場進行數(shù)值分析時，為簡化計算，液力變矩器數(shù)值模擬過程中未考慮溫度變化，因此只須遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和湍流模型方程[8]。

對于不可壓縮均質(zhì)流體流動質(zhì)量守恒方程為：

(1)

其中，u、v、w分別為流動速度矢量V在x、y、z三個坐標(biāo)方向上的分量。

對于本文的定常流動，動量守恒方程為：

(2)

其中，ρ為流體密度，t為時間。

式(1)、(2)合稱為N-S方程組，為絕對坐標(biāo)系下瞬態(tài)流動控制方程。雷諾將N-S方程時均化處理得到雷諾方程，是目前數(shù)值模擬最常用的方法。

為更準(zhǔn)確的計算變矩器瞬態(tài)流動而選擇Realizablek-ε湍流模型。針對變矩器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)流場，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，模型的湍流粘度計算公式引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，并且其可以保持雷諾應(yīng)力與真實湍流的一致性，在計算旋轉(zhuǎn)均勻剪切流以及存在流動分離的流動等復(fù)雜問題時，計算結(jié)果更精確。

2液力變矩器瞬態(tài)流動數(shù)值模擬方法

仿真用的模型葉片部分是由采用環(huán)量分配法和基于UG NX的二次開發(fā)功能制作的參數(shù)化設(shè)計模塊生成。在UG NX中輸入一組特定液力變矩器參數(shù)值后，程序?qū)詣由筛鶕?jù)參數(shù)合理配置的3D葉片實體模型。并和參數(shù)對應(yīng)的變矩器殼體等其它結(jié)構(gòu)進行裝配，建立相應(yīng)的液力變矩器模型后，用ICEM_CFD給幾何體劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。變矩器模型如圖1所示。

圖1　幾何模型和全流道網(wǎng)格模型

應(yīng)用雷諾方程求解瞬態(tài)流場時，應(yīng)實現(xiàn)葉片交互面流動參數(shù)的實時傳遞。在MRF和混合平面法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的滑移網(wǎng)格能描述計算區(qū)域的瞬態(tài)運動，因此，將整個流域劃分成3個計算域，泵輪流域，渦輪流域，導(dǎo)輪流域。在3個計算域之間建立了3對滑移網(wǎng)格交界面實現(xiàn)葉輪間流動參數(shù)的實時傳遞。

圖2　計算流程圖

圖2為CFD中瞬態(tài)流場計算的流程圖。計算中采用Pressure-Based的Coupled求解器，空間離散格式為二階上游迎風(fēng)格式，湍流模型選為Realizablek-ε模型。計算收斂條件為兩次迭代殘差小于10-3。計算中采用的邊界條件有：在葉輪交互面設(shè)置網(wǎng)格分界面，其他邊界都為壁面條件。對變矩器速比在0～1范圍內(nèi)11個均布工況進行CFD 數(shù)值計算。

3流場瞬態(tài)計算結(jié)果與分析

液力變矩器數(shù)值計算中：

時間步長Δt=0.000 076 666 7 s，時間步數(shù)為390。

用以下工作參數(shù)來綜合測量變矩器特性，其中下標(biāo)P和T分別代表泵輪和渦輪。

速比的定義是渦輪旋轉(zhuǎn)速度除以泵輪旋轉(zhuǎn)速度：

(3)

變矩比(TR)的定義是渦輪扭矩與泵輪扭矩之商，代表變矩器改變扭矩的能力：

(4)

液力效率(η)的定義是渦輪輸出功率除以泵輪輸入功率，代表變矩器經(jīng)濟特性：

(5)

泵輪容量系數(shù)C是由尺寸分析導(dǎo)出的，代表泵輪吸收能量的能力：

(6)

計算后獲得了速度和壓力分布并且可以在后處理中查看各個葉輪的扭矩。圖3顯示了仿真得出的變矩器特性曲線，即變矩比、效率和泵輪容量系數(shù)在不同速比SR下的值。

圖3　仿真得出的變矩器特性曲線

圖中顯示隨著SR的減小，TR的值逐漸增大。出現(xiàn)此變化的原因為當(dāng)行駛阻力增大而導(dǎo)致SR減小時，變矩器將會自動輸出大轉(zhuǎn)矩。在實際應(yīng)用中，主要關(guān)注變矩器的工作效率，當(dāng)SR從0增加到0.8時，η逐漸增加。然而，SR超過0.8后，效率又逐漸下降。當(dāng)SR為0.8時，達最大效率0.84。在SR=0.8之后，扭矩比和效率都下降的原因是由環(huán)流和渦流合成的螺旋流沖擊導(dǎo)輪非工作面導(dǎo)致能量損失[9]。由此特性曲線即可預(yù)測液力變矩器重要工作特性，如液力效率、變矩比以及泵輪容量系數(shù)隨速比變化趨勢。

如圖4顯示的是變矩器葉輪在啟動工況時流場的壓力分布，起動工況時,渦輪轉(zhuǎn)速為零,由于離心力和葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力作用，渦輪葉片工作面一側(cè)進口附近因受到泵輪出口高速流主流沖擊，產(chǎn)生了沿徑向分布的細(xì)長帶狀高壓區(qū)域，即整個工作表面承受高壓,而非工作面一側(cè)相應(yīng)區(qū)域此時只受到一小部分壓力。由于該工況的不穩(wěn)定性，導(dǎo)輪的工作面和非工作面壓力分布差異較大，因此出現(xiàn)了明顯的高低壓分界區(qū)。

圖4　SR=0流場壓力分布

圖5為高效工況時的流場壓力分布,此時，由于泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速都較高,離心力較大,流道的外環(huán)壓力明顯高于內(nèi)環(huán)壓力。渦輪流道中工作介質(zhì)的壓力逐步下降,這是因為工作介質(zhì)進入渦輪后,高速沖擊渦輪葉片,使渦輪旋轉(zhuǎn)對外做功,輸出能量,這使得渦輪出口處壓力低于入口處。由于此時螺旋流與導(dǎo)輪葉片幾乎相切，導(dǎo)輪葉片承受均勻低壓。

圖5　SR=0.8流場壓力分布

4結(jié)論

1)通過上述數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值求解，并獲得逼近真實流動的變矩器內(nèi)流場特性曲線和變矩器流場壓力分布，動態(tài)流線圖呈現(xiàn)了變矩器內(nèi)部流體的流動情況，驗證了該數(shù)值模擬方法的合理和可行性。

2)采用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值計算瞬態(tài)、時均化的變矩器三維湍流流動控制方程的計算方法，為變矩器特性預(yù)測提供了有效的數(shù)值模擬方法。

3)計算出了液力變矩器瞬態(tài)流動分布，并結(jié)合三維束流理論和計算流體動力學(xué)擬合該型液力變矩器瞬態(tài)特性曲線，數(shù)值分析的結(jié)果可以作為對某型變矩器的有限元分析的條件，經(jīng)過對比分析典型工況下流場分布，總體了解某型液力變矩器流場的全流道全工況流動情況，為進一步深入了解變矩器內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)和進行葉片的優(yōu)化提供依據(jù)。

參考文獻

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何林(1965-)，男，四川省鹽亭人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為先進加工技術(shù)及裝備、摩擦與表面工程。

何立萍(1963-)，女，湖南省株洲市人，工程師，主要研究領(lǐng)域為航空發(fā)動機失效分析。

3D transient analysis of the flow field in the hydraulic torque converter

MA Kejing，HE Lin，HE Liping，CHEN Mingqiang

Abstract:In order to achieve efficient transmission of the hydraulic torque converter in large machines, the transient characteristics of the flow field in the torque converter need to be studied. In this study, we established a model of all the impeller channels of the torque converter, then adopted the coupled algorithm for pressure-velocity coupling, the second-order upwind format for space discretization, the Realizable k-ε model for turbulent flow, and sliding mesh method(one of the coupling algorithms for multi-flow regions) for the real-time transfer of the flow parameters between impellers. Through the calculation and analysis, we obtained the transient characteristic curve of the impeller channels, and the flow field distribution in the torque converter. This study could help to improve the performance and optimize the design of the hydraulic torque converter.

Keywords:hydraulic torque converter; transient analysis; numerical simulation; sliding mesh

收稿日期：2015-11-08

作者簡介：馬珂婧(1990-)，女，湖南株洲市人，碩士研究生，研究方向：流體機械。

中圖分類號：TP391.9

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0015-04