基于CFD的液力變矩器內(nèi)部流場分布特征研究

， ，2， 　， 　，2(.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京　0008； 2.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　0008)

引言

液力變矩器內(nèi)部流道形狀復(fù)雜，工作液體的運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，基于束流理論的傳統(tǒng)分析計(jì)算方法與實(shí)際情況有較大差距。近年來隨著CFD技術(shù)的發(fā)展成熟，基于CFD求解的液力變矩器特性已經(jīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)差距非常小，并且液力變矩器內(nèi)部流場也可以通過CFD仿真分析能夠很直觀的表現(xiàn)出來。本研究對某型液力變矩器進(jìn)行仿真并分析液力變矩器內(nèi)部流場分布規(guī)律。首先通過原始特性對仿真的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，然后獲取流道內(nèi)部流場分布，分析并得出變矩器二次流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的分布規(guī)律。

1　液力變矩器的CFD仿真

1.1　基本假設(shè)及控制方程

液力變矩器實(shí)際工作過程是復(fù)雜的三維紊流流場。為縮短CFD計(jì)算時(shí)間，提高運(yùn)算效率，可以對一些影響很小的因素進(jìn)行簡化忽略。因此作出如下假設(shè)[1,2]：(1) 液力變矩器內(nèi)部流道為相同的周期性流道，可采用單流道模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算;(2) 流體之間以及流體與壁面沒有能量傳遞，流場分析時(shí)不考慮溫度的影響;(3) 流體在流道中封閉循環(huán)，沒有泄漏;(4) 流場中的流體為黏性不可壓縮流體。

基于上述作出的假設(shè)，介質(zhì)為不可壓縮流體，流體密度為常數(shù)。得到連續(xù)性方程簡化為[3]：

(1)

式中：u、v、w分別為絕對速度矢量沿x、y、z方向的三個(gè)分量。

不可壓縮流體的動(dòng)量守恒方程為[1]：

(2)

式中:V為絕對速度矢量；f為體積力；ρ為油液密度；▽為哈密爾頓算子；p為壓力；v為油液運(yùn)動(dòng)黏度；▽2為拉普拉斯算子。

本次數(shù)值分析忽略壁面以及流體間的能量傳遞并且不考慮溫度的變化，因而不用求解能量方程。因此方程組(1)、(2)組成黏性不可壓縮流體的納維-斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組。

1.2　幾何模型

圖1為葉輪模型，圖中從左到右依次為泵輪、導(dǎo)輪、渦輪。模型由三維軟件UG創(chuàng)建。

圖1　葉輪模型

1.3　網(wǎng)格模型

鑒于六面體網(wǎng)格的運(yùn)算時(shí)間與精度均優(yōu)于四面體網(wǎng)格，本次采用六面網(wǎng)格。以泵輪流道為例，將泵輪流道分為14個(gè)塊，并生成相應(yīng)的六面體網(wǎng)格。并保證網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到一定要求，見圖2所示。

完整流道模型的網(wǎng)格模型如圖3所示。

（4）焊接工藝 采用氣體保護(hù)鎢極氬弧焊（GTAW），保護(hù)氣體采用98%Ar與2%N2的混合氣體，使用純氬氣保護(hù)焊絲熔化產(chǎn)生熔池中的氮元素會(huì)形成氮?dú)庖莩觯拔乃龅乜梢栽黾訆W氏體相含量，平衡鐵素體、奧氏體兩相比例，加入1%～5%氮?dú)獾幕旌媳Ｗo(hù)氣體具有較好的工藝性，特別是根部焊縫，氮?dú)獗Ｗo(hù)尤為重要。當(dāng)混合氣體中氮?dú)夂砍^5%時(shí)鎢極易燒損，造成電弧不穩(wěn)定。因此選用98%Ar+2%N2混合保護(hù)氣體鎢極氬弧焊。

1.4　參數(shù)設(shè)置

本次數(shù)值計(jì)算中，泵輪轉(zhuǎn)速為2000 r/min，對不同速比(0、0.1、……0.8)分別進(jìn)行計(jì)算。本次流場數(shù)值模擬采用的湍流模型是標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。流場求解采用一階迎風(fēng)格式，迭代次數(shù)為1000次，計(jì)算精度為壓力流速的均方根值小于10e-4。對于交界面的設(shè)置如下：進(jìn)出口為求解域交界面，內(nèi)外環(huán)面為無滑移壁面，流道周期面為循環(huán)周期面。

圖2　泵輪流道的塊及六面體網(wǎng)格

圖3　單個(gè)完整流道網(wǎng)格模型

2　原始特性曲線對比

液力變矩器進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算之后，提取不同速比下的變矩比K，泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ，變矩器效率η。并將各值與試驗(yàn)進(jìn)行對比，其中Kcfd、λcfd、ηcfd分別為數(shù)值計(jì)算的變矩比、泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率值。Ktest、λtest、ηtest分別為試驗(yàn)的變矩比，泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率值。通過對比得到該型液力變矩器的原始特性對比曲線，見圖4所示。

圖4　原始特性對比曲線

由圖4曲線可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)值和CFD數(shù)值仿真值差別很小，最高誤差小于5%。較大誤差出現(xiàn)在低速比和高速比處，這是由于速比小時(shí)液力變矩器處于開始工作狀態(tài)，變矩器內(nèi)部流體流動(dòng)狀況不穩(wěn)定，所以使得仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。速比較高時(shí)誤差比較大是因?yàn)楫?dāng)速比到達(dá)0.8以上時(shí)，液力變矩器開始進(jìn)入耦合工況，導(dǎo)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使得試驗(yàn)值與仿真值有差距。

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果整體有很好的吻合姓，說明該型變矩器本次仿真模型以及參數(shù)設(shè)置等都與實(shí)際較為符合。此次三維流場計(jì)算是非常準(zhǔn)確的?？梢杂么舜斡?jì)算結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部流場分析。

3　葉輪內(nèi)部流場的分析

本小節(jié)基于CFD的仿真結(jié)果，研究不同工況下該型液力變矩器內(nèi)部流場特別是一些明顯漩渦的變化規(guī)律。

3.1　不同速比下液力變矩器流道的流場分布

泵輪推動(dòng)流體進(jìn)行流動(dòng)，是流體的動(dòng)力源。在渦輪中,液體沖擊葉片，是動(dòng)力輸出端。在葉輪流道中，容易形成漩渦結(jié)構(gòu)。

圖5展示了不同速比下完整流道的流線分布?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著速比的增加，流體沿流道的相對流速是遞減的，從而變矩器循環(huán)流量逐漸降低,導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)逐漸降低。漩渦結(jié)構(gòu)以及二次流現(xiàn)象主要出現(xiàn)在泵輪和導(dǎo)輪中。隨速比的增加，漩渦結(jié)構(gòu)規(guī)模增大，并產(chǎn)生大范圍的低速區(qū)。

圖5　完整流道流線分布

圖6為泵輪流道中的漩渦結(jié)構(gòu)，泵輪是動(dòng)力源，推動(dòng)流體進(jìn)行工作，推動(dòng)流體的葉面稱為壓力面，另一葉面稱為吸力面。葉柵中的兩個(gè)葉面之間存在很大的壓力梯度，該壓能促使流體不斷地由壓力面向吸力面流動(dòng)。在這種壓力梯度的作用下， 流道中形成的漩渦結(jié)構(gòu)會(huì)緊靠吸力面， 并且使得泵輪中漩渦的螺線為逆時(shí)針，即流體在流道流動(dòng)的同時(shí)，在壓力的作用下流向吸力面，繼而形成逆時(shí)針流向的漩渦。

圖6　泵輪的漩渦結(jié)構(gòu)

3.2　不同葉高下液力變矩器流道的流場分布

隨葉高位置的變化，渦的大小以及渦出現(xiàn)的位置也不斷變化。圖7展示了速比0.1時(shí)不同葉高下葉片展開圖的流線分布。葉高方向?yàn)?%，即緊靠內(nèi)環(huán)面處的流場分布展開圖如圖7a，靠近內(nèi)環(huán)面的流體與壁面存在接觸、摩擦，導(dǎo)致流道中的漩渦等現(xiàn)象較為明顯。圖7b為葉高50%處即中間流面，此處不受壁面的影響，所以漩渦結(jié)構(gòu)規(guī)模有所減小?？拷猸h(huán)的流面(葉高方向95%)如圖7c，由于離心力的存在流體相對速度較高，葉輪中不易形成漩渦，從而沒有明顯漩渦出現(xiàn)。在此速比下，3個(gè)輪子中泵輪出現(xiàn)的漩渦結(jié)構(gòu)相對較為明顯。

圖7　速比0.1下不同流面葉片展開流線圖

在圖8中，對于速比為0.5的流場分布，對比圖8a～8c也可以發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。葉高為5%時(shí)，受到壁面影響，此處漩渦規(guī)模較大并伴有大范圍低速區(qū)，面積約占整個(gè)泵輪流道的30%。渦輪導(dǎo)輪也有低速區(qū)的出現(xiàn)。而中間流面，泵輪漩渦結(jié)構(gòu)縮小，約占泵輪流道18%，低速區(qū)也減少。渦輪導(dǎo)輪低速區(qū)消失。在外環(huán)面處，僅泵輪出現(xiàn)小型渦流。

當(dāng)處于高速比0.8時(shí)如圖9所示。內(nèi)環(huán)面流場雜亂，漩渦結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，出現(xiàn)大量二次流現(xiàn)象，泵輪中出現(xiàn)大范圍漩渦，但渦核并不穩(wěn)定。對于中間流面流場二次流規(guī)?？s減，泵輪出現(xiàn)穩(wěn)定雙漩渦結(jié)構(gòu)，規(guī)模約占泵輪流道的50%。外環(huán)面處，漩渦進(jìn)一步縮小，規(guī)模僅占流道15%左右。

可以發(fā)現(xiàn)，從內(nèi)環(huán)面到外環(huán)面漩渦結(jié)構(gòu)的規(guī)模是逐漸變小的，并且由漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的低速區(qū)也縮小。

圖8　速比0.5不同流面葉片展開流線圖

圖9　速比0.8不同流面葉片展開流線圖

4　流體速度矢量及湍動(dòng)能分布

本小節(jié)研究不同截面速度矢量，以及對應(yīng)截面湍動(dòng)能的分布。

4.1　不同弦面速度矢量的分布

液力變矩器的能量傳遞介質(zhì)是流體，因此流體的速度矢量分布對于變矩器的工作性能有很大影響。在流道中我們稱垂直于流體流向的面為弦面,如圖10所示。

圖10　泵輪的弦面

理想的速度矢量應(yīng)該是垂直于弦面，沿主流方向流動(dòng)，但是一些流體會(huì)與主流脫離，形成二次流。液力變矩器流道中的二次流動(dòng)現(xiàn)象主要包括射流-尾流，二次環(huán)流和脫流逆流等[4]。二次流會(huì)損失一部分能量，從而降低液力變矩器工作效率。

我們研究變矩器高效區(qū)(速比0.7)泵輪的速度矢量分布情況，如圖11所示。對于泵輪，是動(dòng)力來源，我們研究泵輪進(jìn)、出口弦面的速度矢量。

圖11　速比0.7泵輪不同截面的速度矢量

在泵輪入口面圖11a，在內(nèi)環(huán)和壓力面處存在大范圍的脫流區(qū)域。當(dāng)流體沿導(dǎo)輪內(nèi)環(huán)進(jìn)入泵輪內(nèi)環(huán)附近時(shí)，由于流道突然擴(kuò)大，導(dǎo)致泵輪入口面處內(nèi)環(huán)附近形成脫流現(xiàn)象。這種脫流現(xiàn)象會(huì)形成黏性流動(dòng)損失。導(dǎo)輪是靜止的，而泵輪是高轉(zhuǎn)速，所以使得由導(dǎo)輪流出的油液相對速度低，進(jìn)而矢量方向指向泵輪葉片的壓力面，形成流向壓力面的脫流。這種脫流會(huì)導(dǎo)致流體與壓力面形成沖擊損失。在泵輪的出口處圖11b，由于泵輪出口處存在漩渦結(jié)構(gòu)，所以在靠近吸力面處，存在大范圍的二次環(huán)流現(xiàn)象，這種流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生黏性流動(dòng)損失，并且使得沿流體流線方向的速度分量降低，傳遞給渦輪的能量減少。

4.2　湍流動(dòng)能分布

湍流動(dòng)能是湍流速度漲落方差與流體質(zhì)量乘積的1/2, 是反映變矩器湍流脈動(dòng)重要的參數(shù)之一。湍動(dòng)能的變化可以反映變矩器流道中能量損失的情況[5]。圖12為速比0.7時(shí)泵輪的湍動(dòng)能分布曲線。因?yàn)樵诒幂喨氤隹诖嬖跊_擊損失和黏性流動(dòng)損失，導(dǎo)致泵輪流道中進(jìn)出口處的湍動(dòng)能較大[6]。

對于其他速比下(如圖12中速比0.1和0.5湍動(dòng)能曲線)的泵輪湍動(dòng)能也可以發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，在進(jìn)出口處的湍動(dòng)能較大，也就說明在進(jìn)出口處的能量損失較大[7]。

對比不同速比，速比為0.5時(shí)的湍動(dòng)能小于速比0.1時(shí)湍動(dòng)能，而隨著速比繼續(xù)增加，速比0.7時(shí)的湍動(dòng)能急劇增加。可以發(fā)現(xiàn)隨速比增加時(shí)，泵輪流道中的湍流損失有先減小，后增大的趨勢。

圖12　泵輪湍動(dòng)能分布

對于渦輪，是動(dòng)力源的輸出端，要考慮流體在渦輪的入口和工作區(qū)域的狀態(tài)。因此我們研究進(jìn)口處的流動(dòng)狀態(tài)和中間弦面的狀態(tài)，如圖13所示。

圖13　速比0.7渦輪不同截面的相對速度矢量圖

在渦輪入口面13c，并沒有明顯二次流現(xiàn)象出現(xiàn)，速度矢量方向指向渦輪葉片的壓力面，推動(dòng)渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在渦輪的中間弦面，由于流道逐漸變窄，流道曲率變大，在靠近外環(huán)面處有小型二次環(huán)流情況的發(fā)生，在靠近內(nèi)環(huán)處有射流現(xiàn)象的發(fā)生。

速比為0.7時(shí)的渦輪湍動(dòng)能曲線見圖14，在渦輪入口處湍動(dòng)能較高，但在中間流道處，由于射流和二次環(huán)流的出現(xiàn)湍動(dòng)能迅速增大。

圖14　渦輪湍動(dòng)能分布

對于不同速比下的渦輪湍動(dòng)能分布規(guī)律與泵輪流道相似，即隨速比增加，湍流損失的能量有先減小，后增大的趨勢。

5　結(jié)論

基于CFD數(shù)值模擬對液力變矩器進(jìn)行仿真計(jì)算，然后對某型液力變矩器內(nèi)部流場進(jìn)行分析。通過仿真的原始特性結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)的誤差已非常小，一定程度反映變矩器實(shí)際工作狀態(tài)。通過對某型液力變矩器內(nèi)部流場的分析發(fā)現(xiàn)：

(1) 該型液力變矩器在工作時(shí)漩渦結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在泵輪出口處，緊靠葉片吸力面；

(2) 隨速比增加，該型液力變矩器流道中漩渦的規(guī)模增加。同速比下，隨葉高的增加(內(nèi)環(huán)到外環(huán))，漩渦結(jié)構(gòu)規(guī)模逐漸縮??；

(3) 在泵輪進(jìn)出口和渦輪中間弦面，有脫流，二次環(huán)流、射流和尾流等二次流現(xiàn)象的發(fā)生；

(4) 隨速比的增加，湍流動(dòng)能先減少后增加。并且在葉輪進(jìn)出口以及流道面積變化時(shí)，湍流損失的能量較多。

該型液力變矩器的流場分布規(guī)律可以指導(dǎo)變矩器設(shè)計(jì)優(yōu)化。合理設(shè)計(jì)葉片角以及葉型對減少漩渦、二次流等現(xiàn)象，降低湍流損失，提高液力變矩器的效率有重要意義。

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