液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真分析

侯天柱 李松山 常震羅 吳 凡

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

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液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真分析

侯天柱 李松山 常震羅 吳 凡

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

液粘調(diào)速離合器是依靠液體剪切力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的新型傳動(dòng)裝置?？勺鳛槔硐氲恼{(diào)速、穩(wěn)速、功率分配以及柔性啟動(dòng)裝置。本文應(yīng)用流體仿真軟件STAR-CCM+對(duì)液粘調(diào)速離合器摩擦副的內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)建立模型、生成網(wǎng)格、物理模型參數(shù)和邊界條件設(shè)置、仿真計(jì)算，獲得流場(chǎng)出口平均油溫，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)獲得的溫度場(chǎng)和流速場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)摩擦片油槽方向?qū)ι嵝Ч绊懞艽?，建議結(jié)合離合器的旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)油槽方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

液粘調(diào)速離合器 摩擦副散熱 流場(chǎng)仿真 摩擦片設(shè)計(jì)

0 前言

液粘調(diào)速離合器是國(guó)外在二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)并得到應(yīng)用的新型傳動(dòng)裝置，它是依靠液體剪切力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的新型傳動(dòng)裝置，通過(guò)多重閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。可作為理想的調(diào)速、穩(wěn)速、功率分配以及柔性啟動(dòng)裝置。理論上具備在0～100%輸入轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速的能力，能長(zhǎng)期帶滑差工作，也可無(wú)滑差運(yùn)行。具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、維護(hù)方便、重量輕，摩擦片工作壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

液粘調(diào)速離合器長(zhǎng)期帶滑差工作，摩擦片和對(duì)偶片又稱(chēng)摩擦副，它們之間高速相對(duì)滑動(dòng)，摩擦產(chǎn)生熱量，然后通過(guò)冷卻油將帶走生成的熱量，使離合器內(nèi)部建立熱平衡，使離合器正常工作。摩擦副是否得到冷卻充分，散熱是否及時(shí)，直接關(guān)系到摩擦副的熱平衡，對(duì)液粘調(diào)速離合器的性能起到關(guān)鍵作用，因此深入研究液粘調(diào)速離合器摩擦副的散熱以及內(nèi)部液體流場(chǎng)具有重要意義。

隨著研究的深入和計(jì)算手段的發(fā)展，CFD技術(shù)已應(yīng)用于液力變矩器、液力偶合器的流場(chǎng)仿真計(jì)算，并據(jù)以計(jì)算了液力偶合器的外特性曲線，能較好地符合試驗(yàn)結(jié)果。本文嘗試使用CFD技術(shù)對(duì)液粘調(diào)速離合器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬仿真，以掌握液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱情況，以提高液粘調(diào)速離合器的設(shè)計(jì)水平。

1 液粘調(diào)速離合器摩擦副內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 流動(dòng)控制方程

流體在流動(dòng)中必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三個(gè)客觀規(guī)律，根據(jù)這三個(gè)規(guī)律應(yīng)用于一定控制容積中的流體可得到流體流動(dòng)的控制方程方程組，對(duì)于不可壓流動(dòng)動(dòng)量方程與能量方程是非耦合的，只需聯(lián)立求解質(zhì)量方程和動(dòng)量方程就可得到流場(chǎng)的分布。

液粘調(diào)速離合器采用的工作介質(zhì)70℃時(shí)其密度為870kg/m3，動(dòng)力粘度為0.024975Pa·s，正常工作情況其壓縮性很小，可視為不可壓流動(dòng)，即密度不隨時(shí)間變化，同時(shí)其粘性變化也很小，可認(rèn)為粘性是常數(shù)。對(duì)液粘調(diào)速離合器而言不存在質(zhì)量源項(xiàng)，但由于旋轉(zhuǎn)離心力以及體積力(重力)的作用存在動(dòng)量源項(xiàng)。

由這些條件質(zhì)量方程簡(jiǎn)化為：

(1)

動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為：

(2)

1.2 能量方程求解

(3)

其中，cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.3 質(zhì)量方程求解

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律。該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

(4)

引入矢量符號(hào)div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z,式(1.3)寫(xiě)成:

(5)

其中，ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向的分量。

1.4 離散及求解

確定流動(dòng)的控制方程之后，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域以及偏微分方程進(jìn)行離散以適用于數(shù)值求解。計(jì)算區(qū)域離散過(guò)程就是進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過(guò)程。

采用有限體積法離散偏微分方程，它能保證在每個(gè)控制體積上質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。離散方程求解的常用算法是壓力修正算法，其基本思想是在進(jìn)行迭代求解的任一層次上，可以給定一個(gè)壓力場(chǎng)，它可以是假定的初始值或上一層次的結(jié)果。但根據(jù)這樣給定的壓力場(chǎng)計(jì)算而得的速度場(chǎng)未必能滿(mǎn)足連續(xù)性方程，因此要對(duì)給定的壓力場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)，即進(jìn)行修正，原則是：與改進(jìn)后的壓力場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)能滿(mǎn)足這一層次上的連續(xù)性方程。據(jù)此得到壓力的修正值與速度的修正值，并以修正后的壓力與速度開(kāi)始下一層次的迭代計(jì)算。

2 液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真計(jì)算

本文以YT16型液粘調(diào)速離合器為例，采用STAR-CCM+軟件對(duì)液粘調(diào)速離合器摩擦副中冷卻油的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。選擇摩擦副散熱最?lèi)毫拥墓r：輸入轉(zhuǎn)速1500r/min，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速為1000r/min，冷卻油流量60L/min，入口油溫50℃。以摩擦副的壁面溫度為邊界條件，計(jì)算出流道出口油液的平均溫度與試驗(yàn)值對(duì)比，對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 模型簡(jiǎn)化

為了便于仿真計(jì)算，本文對(duì)模型進(jìn)行了必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1)假設(shè)液體為不可壓縮流體，粘度在一定溫度范圍內(nèi)為常數(shù)；

(2)忽略摩擦片和對(duì)偶片之間的油膜厚度，兩者直接接觸，但保持相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

(3)忽略摩擦片內(nèi)部的溫度分布，只計(jì)算冷卻油流場(chǎng)的流動(dòng)及溫度分布；

(4)忽略冷卻油在花鍵配合縫隙間的流動(dòng)，冷卻油只通過(guò)導(dǎo)流槽在各摩擦副之間流動(dòng)；

(5)工作過(guò)程中工作介質(zhì)不發(fā)生滲漏，只在流道內(nèi)流動(dòng)；

2.2 建立網(wǎng)格模型

本文采用全流道建模方式， 直接導(dǎo)入在其它CAD軟件中生成的YT16型液粘調(diào)速離合器的幾何模型。由于幾何模型尺寸跨越3個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦片上的油槽只有0.2mm，而有的部分則有200m，整體生成模型難度較大，我們將整個(gè)模型切割為八個(gè)部分，不同部分的網(wǎng)格采用Interface功能連接起來(lái)。最終得到Y(jié)T16型液粘調(diào)速離合器的網(wǎng)格模型如圖1所示，體網(wǎng)格單元數(shù)總計(jì)2137萬(wàn)個(gè)。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.1 mesh model of HVD

2.3 物理模型和邊界條件設(shè)置

物理模型是仿真軟件和用戶(hù)進(jìn)行交互的重要界面，仿真計(jì)算的參數(shù)大多都包含在物理模型中，正確的設(shè)置物理模型是仿真軟件正確計(jì)算的基礎(chǔ)。工作介質(zhì)可認(rèn)為是不可壓流體，在計(jì)算不同工況下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)情況時(shí)，所有外表面均處理成無(wú)滑移邊界。摩擦副的壁面溫度是一個(gè)溫度場(chǎng)，由ABAQUS軟件計(jì)算摩擦副固體生熱獲得，然后再映射入STAR-CCM+軟件中。物理模型如下表1所示，參數(shù)值如表2所示。

表1 物理模型Table 1 physical model

表2 物理模型的參數(shù)值Table 2 parameter value of physical model

2.4 仿真計(jì)算

本文以硬件采用2個(gè)CPU 8個(gè)核，CPU主頻為22.93GHz，32G內(nèi)存的服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，總共迭代次數(shù)18650次后，滿(mǎn)足殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得流道出口油液溫度為78.45℃。收斂曲線如下圖2所示。

圖2 出口溫度收斂曲線Fig.2 outlet temperature monitor curve

3 結(jié)果分析

3.1 流速場(chǎng)分析

從圖3、4可以看出，為了提高摩擦副的散熱效率，應(yīng)該提高高溫區(qū)域(摩擦副)的流速，以改善冷卻效果。

3.2 溫度場(chǎng)分析

整個(gè)模型分為主動(dòng)部分與從動(dòng)部分。從圖5、6可以看出，整個(gè)主動(dòng)部分的油液溫度基本上與入口溫度一致，經(jīng)過(guò)摩擦副之后從動(dòng)部分油液的有較大幅度的升高，尤其在摩擦副的油槽附近。

圖3 整體流速分布情況Fig.3 the whole flow velocity distribution

圖4 截面流速分布情況Fig.4 the section flow velocity distribution

圖5 整體溫度分布情況Fig.5 the whole temperature distribution

圖6 截面溫度分布情況Fig.6 the section temperature distribution

根據(jù)仿真分析結(jié)果，可以通過(guò)提高高溫區(qū)域(摩擦副)的流量，以改善冷卻效果。

3.3 重點(diǎn)區(qū)域局部分析

在摩擦片及對(duì)偶片高速滑動(dòng)過(guò)程中，由于油槽方向與整體旋轉(zhuǎn)方向不一致，造成了局部區(qū)域存在流速過(guò)低，流動(dòng)方向?yàn)闄M向打轉(zhuǎn)，未能沿徑向向外流動(dòng)，導(dǎo)致了此處換熱效果較差，局部溫度較高的情況，如圖7b所示。因此，在摩擦片油槽設(shè)計(jì)時(shí)，可以結(jié)合離合器旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)油槽方向進(jìn)行優(yōu)化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

我所進(jìn)行了液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱試驗(yàn)，搭建的液粘調(diào)速離合器試驗(yàn)臺(tái)，如圖9所示，最終測(cè)得出口平均油溫為77℃。通過(guò)仿真計(jì)算獲得的出口平均油溫為78.45℃，仿真誤差為1.9%，仿真精度比較理想。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)液粘調(diào)速離合器摩擦副內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)理論建模，應(yīng)用STAR-CCM+軟件建立內(nèi)部流體模型、生成網(wǎng)格、物理模型和邊界條件設(shè)置、對(duì)液粘調(diào)速離合器摩擦副散熱穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了內(nèi)部流場(chǎng)出口平均溫度，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的精度。

通過(guò)對(duì)液粘調(diào)速離合器摩擦副內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析，獲得了摩擦片油槽附近的溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)；發(fā)現(xiàn)摩擦片油槽方向?qū)ι嵝Ч绊懞艽?，局部的油槽方向設(shè)計(jì)不合理，造成了局部散熱效果不好，表面溫度較高。建議摩擦片油槽設(shè)計(jì)時(shí)，可以結(jié)合離合器旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)油槽方向進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 第5片摩擦片油槽截面溫度分布情況Fig.7 the section temperature distribution of the oil groove of the fifth friction plate

圖8 第5片摩擦片油槽截面局部速度場(chǎng)Fig.8 the section flow velocity distribution of the oil groove of the fifth friction plate

圖9 液粘調(diào)速離合器試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 the test bench of HVD

[1] 馬文星.液力傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

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Simulation and Analysis on the Steady-flow Field of the Friction Heat Dissipation of the Hydro-viscous Drive

HouTianzhuLiSongshanChangZhenluoWuFan

(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090)

HVD is a new type of transmission device which can transfer the torque and govern the speed by the liquid shear force. It can be used as an speed control, speed stabilization, power allocation and flexible starting device. Using the fluid simulation software STAR-CCM+, the internal flow field model of the HVD friction plate was built and the mesh was generated. Then, physical model parameters and boundary conditions were set. Based on the simulation, the mean oil temperature of the outlet was obtained. The accuracy of simulation was verified by the test. The analysis of the temperature field and the flow velocity field simulation showed that the oil groove direction of the friction plate had a great effect on the heat dissipation. It was suggested that the direction of the oil groove should be optimized based on the rotation of HVD.

fluid-viscous clutch friction heat dissipation flow field friction plate design

1006-8244(2016)03-014-05

侯天柱，

TH137.331

A