液力偶合器額定工況流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

何延?xùn)|

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧撫順113001)

0 引言

液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)為非常復(fù)雜的粘性、三維、非定常氣液兩相流動(dòng)，本文借助CFD軟件平臺(tái)對(duì)調(diào)速型液力偶合器額定工況下不同充液率的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到偶合器內(nèi)部速度與壓力分布，以及不同充液率下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化及兩相分布情況，揭示其流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律和特性。

1 控制方程

偶合器內(nèi)部為湍流流動(dòng)，故應(yīng)用連續(xù)方程、時(shí)均化雷諾方程和k-ε湍流模型，則有:

式中:εm——渦粘性系數(shù)；

V——流體質(zhì)點(diǎn)速度矢量；

F——單位質(zhì)量力；

p——壓力；

μ——?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

k——湍流能量；

ε——湍流能量耗散率；

cμ——系數(shù)，常取 0.09。

k和ε的運(yùn)輸方程為:

其中

式中常數(shù)一般取:σk=1.0；C1ε=1.44；C2ε=1.92；σε=1.3。

流體在偶合器內(nèi)作氣液三維粘性兩相流動(dòng)的連續(xù)方程為:

其中:

vm—質(zhì)量平均速度；

ρm——混合密度；

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù)。

兩相流動(dòng)的動(dòng)量方程可以通過(guò)對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來(lái)獲得。可表示為:

其中

n——相數(shù)；

G——體積力；

?——哈密爾頓算子；

μm——混合粘性。

第二相p的體積分?jǐn)?shù)方程為:

2 CFD建模

根據(jù)已有的偶合器有機(jī)玻璃模型進(jìn)行三維建模，圖1為CFD計(jì)算模型和網(wǎng)格模型。

圖1 流道的計(jì)算模型和網(wǎng)格模型

液力偶合器的內(nèi)部流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的，而且泵輪流道與渦輪流道之間存在強(qiáng)烈的相互作用，為統(tǒng)一計(jì)算，對(duì)泵輪流道與渦輪流道的交界面采用滑動(dòng)網(wǎng)格理論，將泵輪流道和渦輪流道統(tǒng)一計(jì)算。

滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)是一種非定常計(jì)算方法，它用到兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域至少有一個(gè)邊界的分界面，該分界面區(qū)域與另一網(wǎng)格區(qū)域相鄰。相鄰網(wǎng)格區(qū)域的分界面相互聯(lián)系形成“網(wǎng)格分界面(Grid-interface)”，簡(jiǎn)稱Interface(交界面)，如圖2所示。計(jì)算過(guò)程中，單元區(qū)域沿著網(wǎng)格分界面相對(duì)滑動(dòng)，而兩個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，泵輪與渦輪網(wǎng)格區(qū)域相對(duì)Interface產(chǎn)生滑移，交界面上信息按照滑移理論進(jìn)行傳遞。

3 流場(chǎng)分析

3.1 整體流場(chǎng)分析

圖2 滑動(dòng)網(wǎng)格邊界設(shè)置

3.1.1 整體流場(chǎng)壓力分布

圖3為不同充液率液力偶合器整體流場(chǎng)的壓力分布圖。額定工況下泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速差很小，相應(yīng)的循環(huán)流量也很小，因此泵輪與渦輪流道的壓力分布非常具有規(guī)律性，沿徑向成比例逐漸增加，在泵輪出口與渦輪入口處達(dá)到最大。同時(shí)流道內(nèi)循環(huán)流量較小，速度的變化也較小，使得速度對(duì)壓力變化的作用降低；粘性作用與偶合器的液力損失有關(guān)，額定工況下，能量損失很小，因此粘性作用對(duì)壓力變化的作用也不大。綜上所述，額定工況下后兩者的作用逐漸降低，那么離心力的作用就越來(lái)越重要，因此壓力的分布會(huì)呈現(xiàn)沿徑向比例分布的趨勢(shì)。在離心力的作用下，葉片的高壓區(qū)出現(xiàn)在葉片上部與外環(huán)的交界區(qū)域。小充液率時(shí)的低壓區(qū)高于大充液率，二者的高壓區(qū)分布大小相近。額定工況下壓力值比較小，而且壓力分布比較均勻，充液率的不同對(duì)壓力值有較大影響。

圖3 整體流場(chǎng)壓力分布圖

3.1.2 整體流場(chǎng)速度分布

圖4為不同充液率下的整體流道速度分布。由圖4可以看到，此時(shí)液流為大循環(huán)流動(dòng)。泵輪與渦輪的速度分布非常具有規(guī)律性，速度值沿徑向成比例逐漸增加，流道中心處流速較低，泵輪出口與渦輪入口處為流道的高速區(qū)。與壓力分布不同的是，兩種充液率下的速度分布相近。對(duì)比不同充液率下偶合器的流場(chǎng)速度分布，可見(jiàn)充液率的不同對(duì)速度的大小沒(méi)有較大影響。額定工況下泵輪與渦輪的速度相差不大，這樣使得二者的流動(dòng)較為順暢，沒(méi)有出現(xiàn)不規(guī)則流動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 整體流場(chǎng)速度分布圖

3.1.3 液相體積分布

圖5所示為液力偶合器在不同充液率下的液相體積分布。對(duì)比圖5(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，充液率為40%時(shí)，液體全部集中在偶合器的外環(huán)上部，流道的大部分空間被氣相所占據(jù)，充液率為80%時(shí)，氣體只集中在流道的中心區(qū)域。

圖5 液相體積分布圖

3.2 軸面流場(chǎng)分析

3.2.1 葉片壓力面流場(chǎng)分析

圖6所示為不同充液率時(shí)泵輪與渦輪葉片壓力面的壓力分布情況。從圖6中可以看出，葉片壓力面的分布比較有規(guī)律，其值沿徑向逐漸增大，在泵輪出口與渦輪入口處壓力值達(dá)到最大。小充液率時(shí)的低壓區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大充液率時(shí)的低壓區(qū)。大充液率的壓力分布由葉片下部向上部非常規(guī)律的沿徑向逐漸增加。對(duì)比圖6(a)、(b)發(fā)現(xiàn)充液率的不同對(duì)壓力大小有較大影響，充液率大的壓力差較大。

圖6 壓力面壓力分布圖

圖7 為葉片壓力面的速度矢量分布情況?？梢钥闯?，兩種充液率下的速度分布相同，下部液流速度小于上部，整體速度分布都逐漸趨于沿徑向成比例分布。泵輪與渦輪的速度分布比較平穩(wěn)，沒(méi)有二次流等不規(guī)則流動(dòng)的出現(xiàn)。

圖7 壓力面速度分布圖

3.2.2 葉片吸力面流場(chǎng)分析

圖8與圖9分別為額定工況下葉片吸力面壓力和速度分布圖。

圖8 吸力面壓力分布圖

圖9 吸力面速度分布圖

從圖中可以看出葉片吸力面的壓力分布與速度分布和壓力面的分布相同，泵輪與渦輪流道的壓力與速度分布具有一定的規(guī)律性，壓力值與速度值沿徑向成比例逐漸增大，均在泵輪出口與渦輪入口處達(dá)到最大。

3.2.3 中間軸面流場(chǎng)分析

如圖10所示，分別在泵輪與渦輪流道內(nèi)的軸面內(nèi)作剖面A-A、B-B，該剖面能夠顯示泵輪與渦輪中間軸面方向上的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)。

圖11與圖12分別為額定工況下中間軸面的壓力和速度矢量分布圖。

圖10 中間軸面示意圖

圖11 中間軸面壓力分布圖

圖12 中間軸面速度分布圖

從圖11中可以看出，額定工況下能量損失降低，粘性作用對(duì)壓力變化的作用也降低，離心力的作用越來(lái)越重要，因此壓力分布會(huì)呈現(xiàn)沿徑向比例分布的趨勢(shì)，且呈帶狀分布，在離心力的作用下葉片的高壓區(qū)出現(xiàn)在葉片上部與Interface的交界區(qū)域。低充液率下中間軸面的低壓區(qū)較大。

從圖12中可以看出，不同充液率下的速度分布沿徑向逐漸增加。由于額定工況下泵輪與渦輪速度轉(zhuǎn)速差較小，可以看到中間軸面的速度方向?yàn)楸幂喤c渦輪的旋轉(zhuǎn)方向，沒(méi)有出現(xiàn)偏向渦輪的分速度。不同的是，低充液率下的高速區(qū)分布范圍大于高充液率。

3.3 Interface流場(chǎng)分析

圖13與圖14分別為不同充液率Interface的壓力和速度分布情況。

圖13 Interface壓力分布圖

圖14 Interface速度分布圖

圖13 中(a)、(b)對(duì)比可知，高壓區(qū)出現(xiàn)在 Interface的外環(huán)，即泵輪出口與渦輪入口區(qū)域，低壓區(qū)出現(xiàn)在內(nèi)環(huán)，即渦輪出口與泵輪進(jìn)口區(qū)域。不同的充液率對(duì)Interface的壓力分布有較大影響，充液率小時(shí)低壓區(qū)域明顯多于大充液率區(qū)域，因此大充液率的總體壓力值較大。

從圖14中可以看出，不同充液率下Interface的速度分布完全相同，且沿徑向逐漸增大，在Interface的內(nèi)環(huán)速度最小，外環(huán)速度最大，即泵輪出口區(qū)域和渦輪入口區(qū)域的速度達(dá)到最大值。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)調(diào)速型液力偶合器額定工況下不同充液率時(shí)葉輪葉片與整體流道的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，初步揭示了偶合器在額定工況兩相流場(chǎng)的速度和壓力分布情況，數(shù)值模擬的結(jié)果基本反映了流道內(nèi)部流動(dòng)的基本特征。CFD計(jì)算可以應(yīng)用于液力偶合器的設(shè)計(jì)，從而改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需多次試制方可定型的弊端，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，達(dá)到準(zhǔn)確、省時(shí)和省力的目的。

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