液力變矩器流場數值計算與特性預測

2014-11-26 03:12:04何延東

機械制造 2014年1期

□ 何延東

遼寧石油化工大學機械工程學院遼寧撫順 113001

液力變矩器廣泛應用于車輛、工程機械、石油、冶金、礦山及化工機械等領域，是車輛自動變速系統的主要部件。液體在液力變矩器工作輪中的流動是黏性、不可壓縮的三維不穩定的復雜流動，提高液力變矩器的性能和效率，關鍵是要深刻認識其內部的流動現象和流動結構，在此基礎上得到變矩器的先進設計理論和方法。本文應用計算流體動力學方法進行流場數值計算和流場分析，以了解其內部的流動狀況，提高設計水平與工作性能。

1 控制方程

液力變矩器內部為湍流流動，故應用連續方程、時均化雷諾方程和k-ε湍流模型，則有：

式中：▽為哈密爾頓算子；V為流體質點速度矢量；εm為渦黏性系數，εm=cμk2/ε；F 為單位質量力；p 為壓力；μ為動力黏度；ρ為工作液體密度；k為湍流能量；ε為湍流能量耗散率；cμ為系數，常取0.09。

通過坐標變換可以得到相對圓柱坐標系下的動量方程和連續性方程［1-2］：

動量方程：

連續性方程：

式中：W為相對速度矢量；ω為旋轉速度；r為旋轉半徑。

由于液力變矩器轉速很快，內部流動復雜，其流道內存在紊流。研究紊流的基本方程是雷諾方程：

2 數值計算

2.1 基本假設

（1）工作介質密度和黏度在工作過程中的變化很小，故假定工作介質的密度恒定，這意味著可用不可壓縮流體控制方程求解液力變矩器內流場。

（2）忽略工作介質的溫度變化。穩態工作時液力變矩器油溫變化不大，因此忽略溫度的影響，僅研究和分析流場的速度和壓力分布。

（3）視液力變矩器中所有的構件為絕對剛體，即：泵輪、渦輪和導輪在工作過程中沒有相對的軸向位移，內、外環及葉片在工作中沒有變形。

（4）除了進口面和出口面外，工作介質不能從任何其它地方進入流道。忽略兩個葉輪間無葉柵區的泄漏，從上游流出的工作油液完全等量地進入下游葉輪［3］。

2.2 CFD建模

每個葉輪只需選取一個流道空間作為計算區域進行分析，該計算區域不僅包括葉片內的流道部分，還包含葉片進口邊之前和出口邊之后的一小段無葉片區，圖1為流道的幾何模型，圖2為CFD計算的網格模型。采用六面體網格，泵輪、渦輪和導輪的網格單元數分別為11 360、137 070、95 600。考慮邊界條件和求解的要求，在壁面周圍、部件結合面、葉片尾部等區域增加網格密度，有助于提高計算的精確性。

2.3 邊界條件

（1）流道的葉片表面以及內、外環表面是不可變形的固體壁面，這些面上的邊界條件為相對邊界內部網格無滑移的壁面條件。

▲圖1 流道幾何模型

▲圖2 流道網格模型

（2）將各葉輪流道的進口邊界條件取為速度邊界條件，出口邊界條件取為壓力邊界條件，在進口面和出口面上分別給出均勻分布的速度和壓力。

（3）液力變矩器各工作輪轉速不同，為將其進行統一計算，采用混合平面理論。混合平面理論是用于計算多級透平機械的一種處理方法，實際問題中，各元件之間的滑動交界面是隨時間變化而改變的，采用混合平面代替滑動交界面之后，通過周向平均的方法將時變性去除便可以進行穩態計算。計算時上游出口面具有壓力邊界條件，而下游進口面具有入口邊界條件，將上游出口面上計算得到的速度分布在同一半徑位置的周向方向上進行面積平均處理，所得到的值作為下游入口邊界條件，同理，將下游入口面上計算得到的壓力分布在同一半徑位置的周向方向上進行面積平均處理，所得到的值作為上游壓力邊界條件。如此在計算過程中反復迭代，直到收斂。

（4）每個葉輪在計算中實際采用了單個流道模型，為了能讓每個流道模型能夠在計算中模擬整個葉輪流動，須在流道的切割面上加上周期性條件。

3 流場分析

3.1 泵輪流場特性分析

圖3與圖4分別為泵輪的壓力與速度分布。從導輪流出的液流其方向基本上是沿著導輪葉片的出口方向，這樣液流就會高速沖擊到泵輪流道的非工作面上，在非工作面附近形成一個高壓區。而進口的工作面處沒有液流直接沖擊到那里，所以出現了一個相對的低壓區。從進口到出口，液體流速逐漸增大，泵輪流道內部出現了大范圍的二次流動，進口附近在工作面上由外環到內環都有逆流現象發生，外環與工作面相交處和出口面附近非工作面與外環的相交處都出現了脫流。流道中部液流速度分布比較復雜，此處葉片曲率變化較大，并且由于部分液流沖擊外環后速度方向有所改變從而影響主流區，使流動惡化，同時因為液流不能沖擊到內環，在內環出現脫流區，可以通過改變泵輪進口角度來改善［4］。在泵輪流道的后半段靠近出口的地方，高速液流主要集中在工作面附近，低速液流主要集中在非工作面附近，在泵輪的非工作面與外環的交角處出現了一個小范圍的逆流區。這部分高速液流和低速液流在流出泵輪流道后，會在無葉柵區發生混合，從而也會帶來能量損失。

▲圖3 泵輪壓力分布

▲圖4 泵輪速度分布

雖然二次流形成較為復雜，但可以從速度梯度角度進行分析，進口液流沖擊到非工作面上，在進口處非工作面附近集中了高速流動的工作油液，而工作面附近速度相對較低，由于速度梯度的存在使工作油液沿外環從非工作面流向工作面，原來工作面處的低速油液被迫沿內環流向非工作面，從而形成二次流動。二次流動的產生會消耗流體本身的能量，這是由于流體質點互相碰撞、摩擦生成熱能而消耗掉的。逆流產生的主要原因是：液流從導輪出口流出后，過流面積增大，該區域的流動可以看作射流擴散，而射流擴散的外邊界會出現低速區甚至逆流。為了改善該區域流動狀況，除了改變循環圓形狀外，也可以通過調整葉型從而改變來流分布情況，從而消除或減弱逆流的發生。二次流與逆流的出現，都是增加流動損失、降低泵輪效率的主要原因之一。

3.2 渦輪流場特性分析

圖5與圖6為渦輪流場的壓力與速度分布。渦輪是液力變矩器3個工作輪中形狀變化最劇烈的一個工作部件，渦輪中出現的流場特征也主要與其流道的形狀有關。液體從泵輪流出后具有一定的速度和壓力，進入渦輪后，憑其動能推動渦輪轉動，輸出動力。因此，渦輪的動力來自液體進入后沖擊渦輪工作面，故入口處的速度最大，壓力也最大。高壓區是由于進口油液入射時受到渦輪葉片前緣的阻滯形成的，可以通過改善渦輪葉片入口處圓角消除［5］。壓力面中后段的靜壓分布逐漸趨于沿徑向比例分布。

▲圖5 渦輪壓力分布

▲圖6 渦輪速度分布

由于渦輪葉片大角度彎曲，曲率變化較大，液體流動方向會經歷近180°改變。液流在流道中流動要受到流道壁面的反作用，迫使液流的流動方向及速度大小發生改變，因此流道曲率變化最大的地方也就是液流變化最劇烈的地方。從泵輪流出的液流沖擊到渦輪葉片進口處工作面附近，形成高速流區，而在內環與非工作面附近出現低速流甚至脫流區。液流進入渦輪流道1/4后，葉片彎曲，流道曲率變化劇烈，出現大范圍脫流，同時在橫向壓差作用下形成二次流。流道中部是渦輪流場最復雜的部分，出現逆流現象，此處是葉片曲率變化最大的地方。

3.3 導輪流場特性分析

圖7與圖8分別為導輪流場的壓力與速度分布。導輪是固定不動的，流道長度較短，角度變化大，它起到改變液流速度方向增大對旋轉軸動量矩的作用。液體從渦輪流出后經過無柵區進入導輪，理論上不對液體的能量產生影響，但由于導輪壁面對液體的束縛等原因，實際上液體經過導輪后速度壓力等均發生變化。從渦輪流出的工作液體流動方向與導輪葉片的進口方向夾角很大，并且略向外環傾斜，使得在進口附近的工作面上受到液流劇烈的沖擊，因而此處的壓力也較大。整個導輪非工作面都處于低壓區，壓力變化較小，總的來說導輪流場壓力的分布是比較均勻的。

速度方面，從渦輪流出的液流高速沖擊靜止不動的導輪，在流道出口靠近工作面一側存在高速流動區域，而在非工作面出現了大范圍的逆流，在逆流與正向流動交界的地方出現了脫流，尤其在進口地方，脫流區域比較大。葉片前緣附近壓力面存在大范圍的回流，它是由于液流經過葉片前緣的黏性繞流而產生的尾流，適當減小導輪進口角并合理設計前緣葉型可改善該區域的流動狀況［6］。影響導輪效率的主要因素是工作面處液流的劇烈沖擊和非工作面處的大范圍逆流，逆流又和正向流動發生沖擊，引發新的沖擊，并出現脫流，因此，在導輪的能量損失中，沖擊損失占主要地位。