基于RANS、LES和HRL方法的YJ280液力變矩器的數(shù)值模擬

戴虎， 袁哲,2， 宋斌， 張?chǎng)螡?/p>

( 1.杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司， 杭州 311203；2.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022 )

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的快速提高，采用CFD計(jì)算葉輪機(jī)械內(nèi)流場(chǎng)的方法越來(lái)越受到學(xué)者們的關(guān)注，尤其是對(duì)液力傳動(dòng)元件的內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬和外特性預(yù)測(cè).例如： Liu和Bu等研究了傳動(dòng)油屬性對(duì)液力緩速器外特性和內(nèi)流場(chǎng)的影響[1-3]； Liu等研究表明大渦數(shù)值模擬LES可以提高液力變矩器外特性的預(yù)測(cè)精度[4-5].劉春寶等設(shè)計(jì)了一種仿生雙曲葉片，該葉片具有良好的流動(dòng)減阻功能[6].閆清東等研究了傳動(dòng)油密度和黏度對(duì)液力變矩器外特性的影響，結(jié)果顯示在不影響油液壽命和密封要求的前提下，提高油溫可改善變矩器的性能[7].Wu等研究發(fā)現(xiàn)雙導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)可以較好地提升液力變矩器在低速比下的外特性[8].目前，基于不同尺度解析方法對(duì)液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)和外特性捕捉能力進(jìn)行比較的研究較少，為此本文對(duì)比分析了RANS、LES、HRL下的5種模型對(duì)液力變矩器流場(chǎng)的解析能力，以期為提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)流場(chǎng)及外特性的預(yù)測(cè)精度提供參考.

1 CFD計(jì)算模型

1.1 計(jì)算域模型

本文選取國(guó)內(nèi)某廠YJ280液力變矩器作為研究對(duì)象，其葉輪均為鋁輪鑄造件.液力變矩器的三維模型通過掃描葉輪實(shí)物生成，如圖1(a)所示.由于葉輪模型中包含許多鑄造倒角，因此在進(jìn)行CFD計(jì)算之前需要對(duì)葉輪模型的倒角進(jìn)行簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)化倒角后抽取出的葉輪全流道模型如圖1(b)所示.

(a)三維模型 (b)全流道模型圖1 YJ280液力變矩器的三維模型和葉輪的全流道模型

根據(jù)全流道模型建立的YJ280液力變矩器的網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 YJ280液力變矩器的網(wǎng)格模型及其網(wǎng)格質(zhì)量

液力變矩器的網(wǎng)格模型的劃分流程為：

1)提取每個(gè)葉輪全流道模型的最小周期單元流道模型.

2)利用網(wǎng)格無(wú)關(guān)性確定單元流道遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的網(wǎng)格尺寸[9].由于整體網(wǎng)格約為400萬(wàn)個(gè)(全局網(wǎng)格尺寸為3 mm)，因此現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力能夠滿足要求.

3)劃分近壁面(葉片周圍)網(wǎng)格.為了保證y+值小于2， 將第1層的網(wǎng)格高度設(shè)置為0.03 mm， 網(wǎng)格增長(zhǎng)率設(shè)置為1.2(共12層網(wǎng)格).

4)使用Quality準(zhǔn)則判斷網(wǎng)格質(zhì)量.由于本文的Quality值大于0.39，因此該值可保證網(wǎng)格單元的有效迭代.

5)獲取葉輪的全流道網(wǎng)格.葉輪的全流道網(wǎng)格由劃分好的每個(gè)葉輪流道的周期單元網(wǎng)格得到.本文共獲得420萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，其中泵輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)個(gè)，渦輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)個(gè)，導(dǎo)輪的網(wǎng)格數(shù)為120萬(wàn)個(gè).

1.2 CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)的參數(shù)設(shè)置

YJ280液力變矩器的全流道瞬態(tài)CFD數(shù)值計(jì)算的參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)的參數(shù)設(shè)定

為了模擬液力變矩器的不同工況，本文將泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min，將渦輪轉(zhuǎn)速設(shè)定在0～1 600 r/min范圍內(nèi)(間隔為200 r/min)，將導(dǎo)輪設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài).泵輪、渦輪內(nèi)外環(huán)壁面及葉片表面采用旋轉(zhuǎn)壁面，葉輪流道之間采用Interface面?zhèn)鬟f流動(dòng)信息，其余壁面均采用靜止墻.YJ280液力變矩器的葉輪葉片數(shù)量見表2.

表2 液力變矩器的葉輪葉片數(shù)量

2 內(nèi)流場(chǎng)機(jī)理分析

2.1 壓力場(chǎng)分析

利用表1中所示的5種湍流模型對(duì)YJ280液力變矩器在零工況(i=0)時(shí)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行迭代計(jì)算.計(jì)算所得數(shù)值達(dá)到收斂后，泵輪和渦輪交界處的壓力流線分布如圖3所示.由圖3可以看出：5種湍流模型對(duì)壓力場(chǎng)分布的捕捉能力基本相似(都可以很好地捕捉壓力場(chǎng)的瞬態(tài)變化，且在泵輪和渦輪交界處出現(xiàn)了多塊低壓區(qū)分布)，且均優(yōu)于SSTk-ω模型；但LES - KET模型出現(xiàn)了過度的壓力分布預(yù)測(cè)，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致液力變矩器的預(yù)測(cè)誤差變大.

圖3 泵輪 渦輪交界處的壓力流線分布圖

2.2 速度場(chǎng)分析

利用表1中所示的5種湍流模型對(duì)YJ280液力變矩器的零工況進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，由此得到的液力變矩器的導(dǎo)輪速度場(chǎng)分布如圖4所示.由圖4可以看出： SSTk-ω模型對(duì)流場(chǎng)渦旋結(jié)構(gòu)的捕捉能力最差，難以觀察到葉輪之間由動(dòng)靜干涉所引起的流場(chǎng)瞬態(tài)效應(yīng)的變化特性；而其余4種模型均能對(duì)導(dǎo)輪吸力面的渦旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的表達(dá)，且均能捕捉到二次渦旋結(jié)構(gòu).

圖4 導(dǎo)輪的速度流線分布圖

2.3 渦量場(chǎng)分析

利用表1中所示的5種湍流模型對(duì)YJ280液力變矩器的零工況進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，由此所得的導(dǎo)輪的渦量分布如圖5所示.由圖5可以看出：SBES、DES - IDDES和LES - KET模型可捕捉到豐富的流場(chǎng)渦量細(xì)節(jié)，特別是LES - KET模型還可以捕捉到在導(dǎo)輪吸力面由逆壓梯度引起的“O”型渦量結(jié)構(gòu)；而 SSTk-ω和LES - WALE模型捕捉到的導(dǎo)輪尾跡渦量細(xì)節(jié)顯著低于上述3種模型，即捕捉能力相對(duì)較差.

圖5 5種模型的導(dǎo)輪渦量分布圖

3 不同尺度解析方法的外特性比較

3.1 YJ280液力變矩器的外特性臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的YJ280液力變矩器的葉輪實(shí)物如圖6所示.

圖6 YJ280液力變矩器的葉輪

YJ280液力變矩器的外特性臺(tái)架試驗(yàn)在杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司的測(cè)試所車間內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示.試驗(yàn)內(nèi)容包括測(cè)量液力變矩器的泵輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、渦輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩.

圖7 液力變矩器的試驗(yàn)臺(tái)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

臺(tái)架試驗(yàn)所得的液力變矩器外特性參數(shù)和利用5種模型計(jì)算所得的液力變矩器外特性參數(shù)如圖8所示.由圖8可以看出， 5種模型均能實(shí)現(xiàn)對(duì)液力變矩器外特性的預(yù)測(cè)，其中對(duì)變距比和效率的預(yù)測(cè)精度在10%以內(nèi)，對(duì)泵輪公稱轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)精度約為14%.另外，在5種模型中SSTk-ω模型對(duì)變距比、效率和低速比的泵輪公稱轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)精度相對(duì)最好，而LES - WALE模型對(duì)高速比的泵輪公稱轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)精度相對(duì)最好.由以上可以看出，SSTk-ω模型預(yù)測(cè)液力變矩器外特性的精度相對(duì)最佳.

圖8 不同模型預(yù)測(cè)液力變矩器外特性的結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用5種模型對(duì)YJ280液力變矩器的內(nèi)流場(chǎng)和外特性進(jìn)行了CFD計(jì)算，并將其結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明： SBES、DES - IDDES模型可捕捉到豐富的液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息，而LES - KET模型捕捉到的渦結(jié)構(gòu)相對(duì)最為完整.5種模型對(duì)變距比和效率的預(yù)測(cè)精度均在10%以內(nèi).在不同速比工況下SSTk-ω模型的預(yù)測(cè)精度在各模型中相對(duì)最佳.本文研究結(jié)果可為正確選擇湍流模型預(yù)測(cè)液力變矩器的外特性和內(nèi)流場(chǎng)的精度提供參考.