液力變矩器三維瞬態流場分析

馬珂婧，何　林2,，何立萍，陳明強

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

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液力變矩器三維瞬態流場分析

馬珂婧1，何林2,1，何立萍3，陳明強1

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

摘要：為實現液力變矩器在大型機械中的高效傳動，需對變矩器瞬態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格式，湍流模型選為 Realizable k - ε模型，利用多流動區域耦合算法中滑移網格法實現葉輪間流動參數的實時傳遞。整理計算結果,得到液力變矩器全流道瞬態特性曲線，分析變矩器的內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化設計提供比較科學的依據。

關鍵詞:液力變矩器瞬態分析數值模擬滑移網格

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出的優越性廣泛應用于機械傳動系統中[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濟性有重要影響。液力變矩器內部流動決定外部性能，因此國內外諸多專家學者參與研究其內部流動。Hadi Adibi Asl等提出了一個預測變矩器特性的變矩器動態數學模型，研究其內部流動[3]。哈爾濱工業大學的畢強采用CFX軟件對LB46型變矩器進行了內流場數值計算[4]，但是他提取的是變矩器的單流道模型；重慶大學的謝清樂等采用Fluent軟件對不同導葉開度的LB46型變矩器進行全流道數值仿真[5]，但是他采用的是MRF技術，在現有的CFD軟件平臺中出現了諸如多參考系(MRF)、混合平面、滑移網格、動網格技術，在這些技術中只有滑移網格和動網格是真正進行動態模擬，可以給出運動邊界的實時運動狀況下的瞬態流場[6]。吉林大學劉春寶等進行了液力變矩器三維瞬態流場計算[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用到大型機械中，對其內流場進行研究有著重要意義。本文結合液力變矩器三維流動理論和計算流體動力學的發展，利用Fluent軟件，采用滑移網格技術，計算液力變矩器流場以得到流場的瞬態特性。對液力變矩器進行特性預測，不僅縮短了研發周期，而且在對其三維瞬態復雜流場進行直觀的相關分析之后，有利于設計出性能更加優越的液力變矩器。

1內流場分析的基本控制方程

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

對于不可壓縮均質流體流動質量守恒方程為：

(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，為絕對坐標系下瞬態流動控制方程。雷諾將N-S方程時均化處理得到雷諾方程，是目前數值模擬最常用的方法。

為更準確的計算變矩器瞬態流動而選擇Realizablek-ε湍流模型。針對變矩器內部的旋轉流場，與標準k-ε模型相比，模型的湍流粘度計算公式引入了與旋轉和曲率有關的內容，并且其可以保持雷諾應力與真實湍流的一致性，在計算旋轉均勻剪切流以及存在流動分離的流動等復雜問題時，計算結果更精確。

2液力變矩器瞬態流動數值模擬方法

仿真用的模型葉片部分是由采用環量分配法和基于UG NX的二次開發功能制作的參數化設計模塊生成。在UG NX中輸入一組特定液力變矩器參數值后，程序將會自動生成根據參數合理配置的3D葉片實體模型。并和參數對應的變矩器殼體等其它結構進行裝配，建立相應的液力變矩器模型后，用ICEM_CFD給幾何體劃分非結構網格。變矩器模型如圖1所示。

圖1　幾何模型和全流道網格模型

應用雷諾方程求解瞬態流場時，應實現葉片交互面流動參數的實時傳遞。在MRF和混合平面法基礎上發展起來的滑移網格能描述計算區域的瞬態運動，因此，將整個流域劃分成3個計算域，泵輪流域，渦輪流域，導輪流域。在3個計算域之間建立了3對滑移網格交界面實現葉輪間流動參數的實時傳遞。

圖2　計算流程圖

圖2為CFD中瞬態流場計算的流程圖。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：在葉輪交互面設置網格分界面，其他邊界都為壁面條件。對變矩器速比在0～1范圍內11個均布工況進行CFD 數值計算。

3流場瞬態計算結果與分析

液力變矩器數值計算中：

時間步長Δt=0.000 076 666 7 s，時間步數為390。

用以下工作參數來綜合測量變矩器特性，其中下標P和T分別代表泵輪和渦輪。

速比的定義是渦輪旋轉速度除以泵輪旋轉速度：

(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，代表變矩器經濟特性：

(5)

泵輪容量系數C是由尺寸分析導出的，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。出現此變化的原因為當行駛阻力增大而導致SR減小時，變矩器將會自動輸出大轉矩。在實際應用中，主要關注變矩器的工作效率，當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流和渦流合成的螺旋流沖擊導輪非工作面導致能量損失[9]。由此特性曲線即可預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,渦輪轉速為零,由于離心力和葉輪旋轉產生的科氏力作用，渦輪葉片工作面一側進口附近因受到泵輪出口高速流主流沖擊，產生了沿徑向分布的細長帶狀高壓區域，即整個工作表面承受高壓,而非工作面一側相應區域此時只受到一小部分壓力。由于該工況的不穩定性，導輪的工作面和非工作面壓力分布差異較大，因此出現了明顯的高低壓分界區。

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，由于泵輪和渦輪轉速都較高,離心力較大,流道的外環壓力明顯高于內環壓力。渦輪流道中工作介質的壓力逐步下降,這是因為工作介質進入渦輪后,高速沖擊渦輪葉片,使渦輪旋轉對外做功,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輪葉片幾乎相切，導輪葉片承受均勻低壓。

圖5　SR=0.8流場壓力分布

4結論

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

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

3)計算出了液力變矩器瞬態流動分布，并結合三維束流理論和計算流體動力學擬合該型液力變矩器瞬態特性曲線，數值分析的結果可以作為對某型變矩器的有限元分析的條件，經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部湍流結構和進行葉片的優化提供依據。

參考文獻

[1]Liu C, Untaroiu A, Wood H G, et al. Parametric analysis and optimization of inlet deflection angle in torque converters[J]. Journal of Fluids Engineering,2014,137(3).

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[3]Adibi Asl H, Lashgarian Azad N, McPhee J. Math-based modeling and parametric sensitivity analysis of torque converter performance characteristics[D].SAE,2011.

[4]畢強. LB46型可調式離心渦輪變矩器內流場數值計算及分析[D]. 哈爾濱工業大學，2011.

[5]謝清樂，李奇敏.導葉可調式液力變矩器的內流場數值分析[J].計算機仿真，2013,30(8)：135-138.

[6]江帆.Fluent高級應用與實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[7]劉春寶,馬文星，朱喜林.液力變矩器三維瞬態流場計算[J].機械工程學報，2010,46(14):161-166.

[8]羅惕乾. 流體力學[M]. 北京: 機械工業出版社，2007.

[9]王歡，吳光強，冀海燕．超扁平化液力變矩器泵輪流場主流特征分析[J]．江蘇大學學報(自然科學版)，2009，30(5)：463-466．

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

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

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

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0015-04