調(diào)速型液力偶合器兩相環(huán)流特性預(yù)測

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(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030021)

引言

隨著現(xiàn)代機械工業(yè)不斷向著高功率、大負荷的方向發(fā)展，面臨著重型機械設(shè)備大慣量、難啟動、沖擊負荷、扭振嚴重且超載的挑戰(zhàn)，液力偶合器作為一種重要的傳動設(shè)備很好的解決了這些難題。調(diào)速型液力偶合器通過改變工作腔中的充液率，在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，達到調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的目的，常用于重型工程機械及礦山機械的傳動系統(tǒng)中。

調(diào)速型液力偶合器作為一種重要的液力傳動裝置，其轉(zhuǎn)矩傳遞特性是液力偶合器選型與設(shè)計的重要依據(jù)[1]。調(diào)速型液力偶合器主機部分主要由泵輪與渦輪組成，泵輪與主動軸剛性連接，由主動軸帶動旋轉(zhuǎn)，進一步帶動工作腔中液體流動進入渦輪，帶動渦輪旋轉(zhuǎn)做功產(chǎn)生機械能，之后再次流回至泵輪，通過這種循環(huán)流動，實現(xiàn)泵輪與渦輪之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。因此液力偶合器內(nèi)流場的環(huán)流特性決定了包括轉(zhuǎn)矩傳遞特性在內(nèi)的各項工作性能，對于液力偶合器的設(shè)計十分重要。

目前國內(nèi)外很多學者已經(jīng)通過成熟的粒子圖像測速(PIV)、激光多普勒測速(LDA)、粒子跟蹤測速(PTV)以及應(yīng)用陣列傳感器等對液力元件內(nèi)流場分布特性進行研究，柴博森等[2]測試了基于PIV技術(shù)的液力偶合器旋渦流場圖像特征捕捉的最佳示蹤粒子濃度，并獲取了主流區(qū)域的渦流流動特征。馬文星等[3]通過PTV試驗驗證了不同開度、不同工況下的導葉可調(diào)式液力變矩器的內(nèi)部流動特性，為研究其內(nèi)部流動狀態(tài)與外特性預(yù)測提供了方法與依據(jù)。武景燕等[4]采用LDA技術(shù)對全透明液力變矩器內(nèi)流場不同部位的軸向速度分布進行了測量，并分析了LDA測試結(jié)果與CFD分析結(jié)果的誤差。DA SILVAA M. J. 等[5]學者研究了桃形腔偶合器的測試模型，并將平面陣列傳感器安裝在葉輪葉片的吸力面?zhèn)?。以水為工作介質(zhì)，通過傳感器直接檢測葉片表面的水液分布狀況。還有很多學者通過在液力元件中應(yīng)用各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集與分析，獲得基于實際工況的準確信息[6]，但由于試驗成本較高，平臺搭建復雜，獲得的數(shù)據(jù)信息有限，難以普遍應(yīng)用于液力元件的選型與設(shè)計中。

隨著計算機運算能力的不斷提升與各種商用有限元軟件的快速發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用成為了目前解決流體計算問題的重要途徑。在液力傳動方面，國內(nèi)外已有很多學者基于CFD技術(shù)進行了針對多種液力元件的數(shù)值計算[7-9]。閆清東等[10]建立了不同卸荷孔參數(shù)的液力變矩器模型，利用CFD技術(shù)研究了不同參數(shù)卸荷孔對液力變矩器軸向力的影響。劉春寶等[11]對比了利用RANS與SRS方法的液力變矩器流場特性預(yù)測的精度，研究了利用尺度解析模擬的液力變矩器特性預(yù)測方法。魏巍等[12]通過對低充液率不同轉(zhuǎn)速下液力緩速器擾流機構(gòu)起效過程流場仿真，分析了不同工況下制動轉(zhuǎn)矩、容積率、擾流柱擋片壓力差的變化趨勢，揭示了低充液率下工作腔內(nèi)氣相主導的流動規(guī)律與降低空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的功率損失，并據(jù)此確定了低充液率擾流柱起效判定方法。馬文星等[13]利用CFD技術(shù)，針對其設(shè)計的新型軸流導葉可調(diào)液力變矩器進行了特性預(yù)測，并對其特性進行了分析。

針對目前調(diào)速型液力偶合器已得到了廣泛的引用，然而我國自主研發(fā)設(shè)計能力仍然十分薄弱的現(xiàn)實。同時國內(nèi)外基于CFD技術(shù)針對液力變矩器、液力緩速器等液力傳動裝置已有了較多研究[14]，但基于CFD的調(diào)速型液力偶合器的研究相對較少。本研究針對某型礦用調(diào)速型液力偶合器，應(yīng)用CFX軟件對不同工況條件下的液力偶合器流場環(huán)流特性進行了研究，分析了流場分布特性的變化規(guī)律與轉(zhuǎn)矩傳遞特性的趨勢原理，為液力偶合器的選型與設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。

1 計算模型

調(diào)速型液力偶合器根據(jù)實際的工作需求及工況條件，常工作于不同的速比和充液率下，定義液力偶合器的速比i=nT/nP，其中nT為渦輪轉(zhuǎn)速，nP為泵輪轉(zhuǎn)速，充液率q為工作腔內(nèi)充注液體體積VL與工作腔容積V之比，即q=VL/V。圖1為調(diào)速型液力偶合器工作原理示意圖。調(diào)速型液力偶合器在泵輪轉(zhuǎn)速一定的條件下，通過調(diào)整內(nèi)流道充液率，實現(xiàn)工作機的軟啟動與平穩(wěn)運行。并在過載時通過水液的急劇汽化，迅速降低輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的保護。

圖1 調(diào)速型液力偶合器工作原理示意圖

循環(huán)圓直徑D=575 mm的礦用雙腔調(diào)速型液力偶合器在輸出端和輸入端分別有一對葉珊結(jié)構(gòu)完全相同的葉輪，該液力偶合器為圓形腔，泵輪與渦輪均為直葉片，并在泵輪與渦輪之間安裝有阻流擋板，以盡量避免轉(zhuǎn)矩傳遞過程中的不穩(wěn)定區(qū)間，阻流擋板外徑為循環(huán)圓最大直徑的0.55倍。由于該調(diào)速型液力偶合器為空間、結(jié)構(gòu)對稱的雙腔結(jié)構(gòu)，因此選取輸出端葉輪作為研究模型，其中泵輪葉片數(shù)量為46，渦輪葉片數(shù)量為45，葉輪與對應(yīng)流場的幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 葉輪與流場幾何模型

根據(jù)葉輪腔體結(jié)構(gòu)，提取與其結(jié)構(gòu)互補的全流道幾何模型，根據(jù)液力偶合器內(nèi)流道循環(huán)對稱的結(jié)構(gòu)特點，為提高計算效率，設(shè)葉輪葉片數(shù)為x，建立其簡化的1/x流場的單流道幾何模型，為之后數(shù)值計算模型的建立做準備。

注:所用藥物統(tǒng)一為:拜阿司匹林為拜耳公司生產(chǎn)的阿司匹林腸溶片;阿托伐他汀鈣為輝瑞制藥有限公司生產(chǎn)的立普妥。

利用ICEM軟件，為了保證流場特性計算的準確性與穩(wěn)定性，采用幾何適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行流道模型的網(wǎng)格劃分，設(shè)定全局網(wǎng)格尺寸為2 mm，建立質(zhì)量較高的流場網(wǎng)格模型，其中泵輪流場網(wǎng)格數(shù)為663193，渦輪網(wǎng)格數(shù)為610824，流道網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖3 單流道模型建立示意圖

圖4 單流道流場網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模擬計算

2.1 控制方程

由于液力偶合器葉輪旋轉(zhuǎn)速度較高，葉輪葉片與液流之間存在劇烈的相互作用，尤其是在葉輪轉(zhuǎn)速差較大時，因此可以判定液力偶合器內(nèi)流場為十分復雜的三維湍流流場，由于工作過程中流場溫度的變化以及溫差對液流循環(huán)特性和轉(zhuǎn)矩傳遞特性的影響較小，因此忽略工作過程中流場溫度的變化以及能量耗散，內(nèi)流場流動滿足動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程[17]。

質(zhì)量守恒方程稱作連續(xù)性方程，在計算流體動力學中所描述的物理意義為：單位時間內(nèi)流入流場微元計算網(wǎng)格中的流體質(zhì)量與對應(yīng)的流出微元中的質(zhì)量相等。其微分方程如下:

(1)

式中，t為時間；ρ為流體密度密度；u，v，w為速度矢量在x，y，z方向上的分量。液力偶合器以水液為工作介質(zhì)，在計算過程中可將其視為不可壓流體，因此密度ρ為常數(shù)，則質(zhì)量守恒方程簡化為：

(2)

動量守恒方程即為Navier-Stokes方程，Navier-Stokes簡稱N-S方程。該方程是牛頓第二定律在流體中的應(yīng)用，對于牛頓流體，方程的張量形式可以表示為：

(3)

式中，δij為克羅內(nèi)克爾(Kronecker)符號；fi為體積力。對于動力黏度為常量的不可壓流體，上式可簡化為：

(4)

2.2 數(shù)值計算條件

1) 邊界條件

根據(jù)調(diào)速型液力偶合器葉輪的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)與單流道流場模型的建立方式，在流場循環(huán)圓軸面建立周期性邊界循環(huán)條件。對泵輪與渦輪流場的交界面采用基于混合平面模型(Mixing Plane-MP)的級聯(lián)法(Stage)對2個流道同時求解，在交界面進行周向平均和交互傳遞，在每一參考框架內(nèi)均可獲得穩(wěn)態(tài)解。對于葉輪與流場交界壁面，采用無滑移邊界條件。根據(jù)液力偶合器實際工作情況與計算要求，作以下假設(shè)：

(1) 忽略工作過程中流場溫度變化及溫差導致的能量損耗；

(2) 忽略空氣與水液的體積與密度變化，不考慮空氣與水液之間的能量交換。

由于液力偶合器工作時葉輪轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)流場為高度湍流流動。為了有效地獲取流場中的細微渦流和邊界層現(xiàn)象以及更加精確的數(shù)值計算結(jié)果，選擇切應(yīng)力輸運SST(Shear Stress Transport)湍流模型對液力偶合器流場模型進行分析[18]。

當液力偶合器充液率低于100%時，內(nèi)流場為復雜的氣-液兩相流動。根據(jù)國內(nèi)外流場分布特性實驗與工程計算經(jīng)驗，采用CFX兩相流模型中的非均一化模型，設(shè)置氣-液表面張力系數(shù)為0.0726。由于液力偶合器以水液為工作介質(zhì)，因此水液對流場特性起決定作用，設(shè)置水液為主相。

2) 工況條件

為了準確分析流場在不同條件下的分布特征與轉(zhuǎn)矩傳遞特性，設(shè)置泵輪轉(zhuǎn)速為1475 r/min選取充液率為10%～100%時以及對應(yīng)不同充液率下速比為0～0.99的流場數(shù)值計算模型進行計算，由于速比由0.9上升至0.99的過程中輸出轉(zhuǎn)矩下降速率較快，同時額定工況點一般分布于0.95速比附近，因此提高了該部分的轉(zhuǎn)矩傳遞特性計算解析度?？偣灿嬎懔?90個工況點，如圖所示，基本覆蓋了該調(diào)速型液力偶合器實際工作過程中可能出現(xiàn)的工況條件。

表1 液力偶合器流場特性計算工況點

3 結(jié)果分析

3.1 體積率分布特性

圖5為單流道流場循環(huán)圓軸面氣液兩相體積率分布特性圖，圖中淺色代表該區(qū)域液相體積率為100%，深色代表該區(qū)域氣相體積率為100%，兩區(qū)域交界的過渡區(qū)域表示存在一定的水-氣混合現(xiàn)象，兩相交界面處則處于兩相混合交互滲透狀態(tài)，并且因為循環(huán)圓軸面處水液未直接受葉片攪動，所以未發(fā)生大面積兩相相互滲透現(xiàn)象，氣-液分層現(xiàn)象較為明顯。

由圖中水液體積的分布變化特點結(jié)合全流道40%充液率下的體積率分布示意圖6可知，在同一充液率下，低速比時泵輪對水液做功，水液被擠壓至渦輪，在渦輪流道內(nèi)循環(huán)流動做功，在向泵輪回流時受到阻流擋板的影響，大部分水液同來自泵輪中的液流匯流至渦輪中，少量水液回到泵輪，并在泵輪的加速下繼續(xù)參與循環(huán)。此時，由于泵輪轉(zhuǎn)速較高，渦輪轉(zhuǎn)速較低，因此水液在泵輪中同時受到較大離心力，在渦輪中離心力相對較小，因此泵輪中流場為分布于循環(huán)圓外側(cè)的小循環(huán)，渦輪中水液為分布整個渦輪流道的大循環(huán)。

隨著速比的增大，渦輪的轉(zhuǎn)速不斷增大，渦輪中水液受到的離心力同時增大，水液環(huán)流范圍逐漸減小，同時環(huán)流中心不斷向循環(huán)圓外環(huán)偏移，環(huán)流中心的氣相體積也隨之減小。在達到一定的速比時，渦輪與泵輪中的水液環(huán)流合為同一環(huán)流，液流循環(huán)在循環(huán)圓外環(huán)處形成，此時泵輪轉(zhuǎn)速仍然大于渦輪，因此泵輪中液流體積小于渦輪，氣-液分界面偏向渦輪傾斜。隨著速比的進一步增大，渦輪與泵輪的轉(zhuǎn)速接近相同，泵輪與渦輪中水液受到的離心力大小不斷接近，泵輪與渦輪中水液分布體積基本相同，兩相分界面趨于與葉輪旋轉(zhuǎn)軸相平行。

圖5 軸面水液體積率分布特性

圖6 40%充液率循環(huán)圓水液體積率分布

隨著充液率的增大，葉輪中水液體積增大，循環(huán)圓軸面上水液面積增大。速比一定時，由于隨著流場中水液體積的增加，渦輪無法提供做夠的離心力使液流保持原有循環(huán)位置，因此渦輪流場中液流循環(huán)中心逐漸向循環(huán)圓內(nèi)環(huán)偏移，在低速比時表現(xiàn)為流場隨充液率升高出現(xiàn)了中心為氣相的渦輪流場大循環(huán)，并在充液率進一步升高時，部分氣相被擠壓至了渦輪流場循環(huán)圓外側(cè)；在高速比時表現(xiàn)為隨著充液率增加，氣液分相界面逐漸向渦輪側(cè)偏斜，并且由于高速比時渦輪流場所受離心力較大，循環(huán)圓外側(cè)氣相分布不明顯，在80%充液率下可以明顯看到隨著速比的增大，渦輪循環(huán)圓外側(cè)氣相分布逐漸減少。

同時可以看到在較高充液率、較低速比時，由于此時泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速差較大，因此葉輪對流場的沖擊比較劇烈，導致了一定的水-氣混合現(xiàn)象，形成了圖中所示的氣液兩相邊界較為明顯的交互滲透狀態(tài)。

3.2 速度流線分布特性

圖7為40%充液率下葉輪流場中液相與氣相速度流線的分布特性，流線表示了流體的流動軌跡，流線不同部位的顏色深度表示了流體在不同位置的流速，液相與氣相流線空間分布上呈現(xiàn)出明顯互補特征。從圖中可以看出，在泵輪與渦輪流場交界面附近，由于泵輪葉片攪動水液使液流得到加速，因此在泵輪出口處液流速度較高。在相同充液率下，低速比時由于泵輪轉(zhuǎn)速遠高于渦輪，泵輪出口處液流速度大于渦輪出口，這種趨勢隨著速比的升高泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速趨于相同而逐漸減??；同時隨著渦輪葉片對水液的沖擊增加，泵輪入口壓力增加，流場整體循環(huán)速度減慢。

3.3 流場交界面速度矢量

為了對流場進出口處流場運動特性進行研究，由于流場靠近循環(huán)圓外環(huán)處在不同充液率時始終有液相存在，并且液流環(huán)繞流道的循環(huán)方向不發(fā)生變化，因此建立垂直于流場交界面，平行于旋轉(zhuǎn)軸線并距軸線垂直距離285 mm的速度矢量監(jiān)測面如圖8所示，并獲取在20%與80%充液率下不同速比時該平面上的速度矢量分布圖如圖9所示。

圖8 速度矢量監(jiān)測面位置示意圖

定義射流角為泵輪出口(渦輪入口)處液流速度矢量方向與流場交界面的夾角,結(jié)合流場流線分布圖分析可知，在同一速比下，充液率較大時水液占據(jù)了流道較大容積，液流循環(huán)范圍較大，外環(huán)液流速度也相對較大。在同一充液率時，隨著速比增大，由于泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速差減小，過泵輪、渦輪流場交界面處液流射流角逐漸增大，同時由于渦輪入口處壓力增加，液流速度逐漸減小。

3.4 轉(zhuǎn)矩特性

圖10為流場在不同充液率時輸出端葉輪的轉(zhuǎn)矩傳遞示意圖，橫坐標為0至0.99速比，縱坐標為偶合器輸出端葉輪輸出轉(zhuǎn)矩。結(jié)合之前的流場內(nèi)特性分析結(jié)論，從圖中可以看出在同一充液率下，隨著速比的增大，由于泵輪出口液流射流角和流速同時減小，輸出轉(zhuǎn)矩整體為下降趨勢，在較低速比時，由于泵輪出口液流射流角過小，液流流出方向接近與流場交界面平行，部分液流沒有直接流入渦輪并沖擊渦輪葉片，即產(chǎn)生了一定的間隙流量泄漏。隨著速比增大，進入渦輪的流量也增大，因此輸出轉(zhuǎn)矩在低速比存在緩慢上升趨勢，這種趨勢在全充液時較為明顯。在同一速比時，隨著充液率的增加，流場中傳遞動能的液流增加，輸出轉(zhuǎn)矩隨之增大。

由于阻流擋板對流場的循環(huán)特性產(chǎn)生了較大的影響，在不同充液率下的輸出轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)了在一速比時的轉(zhuǎn)矩值跌落速率突變現(xiàn)象，結(jié)合流場體積率分布特性可知，在同一充液率時由于隨著速比的增加，液流循環(huán)流動中心逐漸由循環(huán)圓內(nèi)環(huán)向循環(huán)圓外環(huán)移動，在速比較低時液流受阻流擋板影響，轉(zhuǎn)矩下降速率較大，隨著速比的進一步增大，液流循環(huán)在一定的速比時不再受阻流擋板的影響，轉(zhuǎn)矩下降速率降低。隨著充液率的增加，流場循環(huán)范圍也增大，液流循環(huán)脫離阻流擋板影響所需的速比也不斷提高，轉(zhuǎn)矩值下降速率跌落位置出現(xiàn)于更高速比時。特殊地，由于全充液工況時流場始終受限流擋板的影響，因此未出現(xiàn)下降速率跌落現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對某型礦用調(diào)速型液力偶合器，應(yīng)用計算流體動力學軟件CFX對不同工況條件下的流場特性和轉(zhuǎn)矩特性進行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

圖10 輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線

(1) 對比分析了不通工況下流場的體積率、速度流線與流場交界面速度矢量分布特性后得出：隨速比增大，產(chǎn)生了水液向循環(huán)圓外環(huán)處分布的趨勢，泵輪出口處射流角增大，流速降低，在低速比時流場變化情況較復雜；隨著充液率增大，水液分布趨向于循環(huán)圓內(nèi)環(huán)處，泵輪出口處射流角增大，流速增大；阻流擋板影響了流場體積率分布與液流循環(huán)。不同工況下流場分布特性變化較為復雜，但存在一定的規(guī)律，解釋了液力偶合器功能特性產(chǎn)生的內(nèi)部原理，為液力偶合器的流場分析提供了方法，并為液力偶合器內(nèi)流場研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

(2) 對多工況條件的液力偶合器進行了數(shù)值計算，并結(jié)合流場分布特性分析了轉(zhuǎn)矩傳遞特性變化的趨勢特征與內(nèi)在機理。通過轉(zhuǎn)矩傳遞變化特性分析可知：液力偶合器輸出轉(zhuǎn)矩整體趨勢隨速比增大減小，隨充液率升高增大，在阻流擋板的影響下，一定的工況條件下有轉(zhuǎn)矩值下降速率跌落現(xiàn)象。通過轉(zhuǎn)矩傳遞特性的分析結(jié)合流場分布特性，獲得了覆蓋工況較為全面的流場轉(zhuǎn)矩傳遞特性數(shù)據(jù)，為液力偶合器的使用、選型與設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。