液粘摩擦偶合器內(nèi)部流場動態(tài)特性分析*

宋 慧，王 剛，劉 娜，張衛(wèi)星，宋愛利

（1.青島黃海學院，山東青島 266427；2.青島海西重機有限責任公司，山東青島 266530）

0 引言

大型機械設備在啟動或者停車時，往往存在較大的剛性沖擊，對傳動系統(tǒng)有一定的損害。液粘摩擦耦合器作為重要的軟啟動設備，在緩解傳動沖擊性方面有著良好的應用效果[1]。液粘摩擦耦合器在工作時主要依靠油液的摩擦力實現(xiàn)機械部件的傳動，具有安裝方便、安全性高、功能可靠、工作壽命長等優(yōu)點，在采礦、運輸、造船等領域內(nèi)均有著廣泛的應用[2]。

對于液粘摩擦耦合器而言，其內(nèi)部流場特性對于整個設備的工作可靠性[3]有著關鍵的影響，也是關鍵承載部件設計與優(yōu)化的基礎。目前，基于CFD分析方法的流體特性研究在工程中得到廣泛的認可，能夠有效地縮短耦合器的研發(fā)周期。有限元軟件FLUENT作為CFD分析的重要工具，具有良好的數(shù)據(jù)接口，是當代CAE研究中應用最多的流體分析軟件之一。本文作者基于流體分析軟件FLUENT建立渦輪與泵輪之間的流體分析模型，在不同載荷（45%油液載荷和85%油液載）條件下計算模型的壓力場和速度場特性，能夠實現(xiàn)良好的性能預測。

1 流體分析模型的構建

1.1 模型建立與分析步驟

對于液粘摩擦耦合器內(nèi)部流場特性的分析基于有限元計算。一般地，一個完整的流體有限元模型的計算包括基本3部分內(nèi)容：模型建立與前處理、求解器設置和后處理。在流體分析中，建立的模型為流體模型，需要根據(jù)流場的整體布局將實體模型切除得到。模型的建立與前處理、求解器的設置決定了整個流場分析的精度[4]。除此之外，需要對模型的一些物理屬性和邊界條件進行簡化和理想化[5]。在后處理模塊中能夠查看計算結果，并分析流場特性。

在流體分析中，計算效率和收斂性是評判模型建立是否合理的關鍵標準之一。一般情況下，基于CFD的模型求解均為插值迭代法，網(wǎng)格的數(shù)量決定計算效率和精度。網(wǎng)格的形狀畸變程度、流體的物理屬性等參數(shù)將綜合地決定計算收斂性的優(yōu)劣。此時，校驗標準化殘差指標，若數(shù)值減小到三階量級，則表明方程能夠完成精確球球。由于迭代原理為試運算，即數(shù)值的猜測，若的殘差的標度因子較小，整個流體分析往往難以滿足收斂條件。

1.2 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

液粘摩擦耦合器的內(nèi)部結構如圖1所示，機械構件主要包括渦輪、泵輪和外殼。根據(jù)流體三維模型建立的方法，可得出整個流體的三維模型如圖2(a)所示。從形狀上分類，網(wǎng)格的單元類型包括四面體單元、六面體單元、楔形單元以及金字塔形單元等。其中，六面體網(wǎng)格具有較低的網(wǎng)格畸變性，而且同等條件下的計算效率和收斂性更好。將模型導入ICEM軟件中進行分塊和網(wǎng)格劃分，最終得出六面體網(wǎng)格劃分結果如圖2(b)所示，單元數(shù)量為138 260，節(jié)點數(shù)量為140 340。

圖1 液粘摩擦耦合器內(nèi)部結構

圖2 流體模型的建立與網(wǎng)格劃分

1.3 算法與求解器選擇

FLUENT提供的流體計算模型非常多，每種模型適用于不同的流體狀態(tài)。標準k-ε模型在工程中的應用最為廣泛，能夠有效地解決各種湍流問題[6-7]。隨著k-ε模型的發(fā)展，衍生出了RNG模型和Realizable模型。其中，RNG模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術。它和標準k-ε模型很相似，但是有以下改進：

（1）RNG模型在ε方程中加一個條件，有效地改善精度；

（2）考慮到湍流漩渦，提高在這方面的精度；

（3）RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供一個解析公式，而標準k-ε模型為常數(shù)；

（4）RNG理論增加考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析方法，利于更精確地處理近壁區(qū)域。

針對液粘摩擦耦合器內(nèi)部流體介質的物理屬性和流動狀態(tài)，文中選用k-ε RNG二次方程模型。該流體計算模型為充分發(fā)展的湍流模型，一般認為有3層結構：層流底層、湍流邊界層和主流層，而湍流的邊界層又分為緩沖層和湍流核心層。在近壁面位置，流體的粘性作用不可忽略，湍流模型中的假設不再成立，因此需要對湍流模型進行修正。一般地，可采用壁面函數(shù)方法來描述邊界層內(nèi)的流體特性，比如速度、溫度等。

在求解器設置方面，F(xiàn)LUENT主要提供分離式和耦合式兩種類型的求解類型。從原理上講，F(xiàn)LUENT內(nèi)部集成的求解器均采用有限體積算法實現(xiàn)非線性控制方程的計算。由于液粘耦合器的液力作用較大，內(nèi)部葉片的變形作用不可忽略，因此采用二階迎風格式和SIMPLE算法實現(xiàn)控制方程的分離和求解。，其計算步驟主要包括：

（1）根據(jù)當前設定的分析步參數(shù)首次更新流動變量，并作為下一分析步的初始值；

（2）分別求解湍流模型中的速度、壓力參數(shù)，得出場變量，并根據(jù)質量連續(xù)方程更新每個時間步的參數(shù)值；

（3）若步驟（2）無法滿足質量連續(xù)方程，則表明無法正常收斂，此時求解器將根據(jù)動量方程構建一個壓力場的修正模型，并完成該模型的求解，得出修正后的場變量，使其滿足步驟（2）；

（4）若步驟（2）滿足連續(xù)方程，將計算其它參數(shù)量，比如湍動能等；

（5）根據(jù)離散方程的持續(xù)對源項進行更新，若不滿足不收斂準則，返回步驟（1）。

圖3 網(wǎng)格滑移示意圖

1.4 網(wǎng)格運動處理

綜合考慮流體模型的載荷條件和計算效率，選用滑移網(wǎng)格方式來實現(xiàn)壁面運動，如圖3所示。常見的滑移網(wǎng)格處理方法有MRF法、Mesh Motion法等，這兩種方法均需要劃分動區(qū)域和靜區(qū)域。MRF法通過運動坐標系來模擬旋轉流場，是快速有效的定常計算方法[8]；Mesh Motion法運動的不是坐標系，而是物理模型和部分網(wǎng)格，當旋轉區(qū)域及其內(nèi)部物體的相對速度為0時，整個旋轉域作剛體轉動。

2 內(nèi)部流場特性分析

2.1 壓力場計算結果

油液條件為45%時的壓力場云圖如圖4所示，可看出：相比于渦輪內(nèi)的流體壓力分布，泵輪內(nèi)的壓力表現(xiàn)出更顯著的線性變化規(guī)律；液粘摩擦耦合器內(nèi)部流體的壓力值隨著徑向尺寸的增大而增大，這是由于充液率較低，葉片旋轉條件下，油液產(chǎn)生了顯著的離心力，且具有科氏加速度。

圖4 油液條件為45%時的壓力場

油液條件為85%時的壓力場云圖如圖5所示，可以看出：整體的油液壓力更大，而且線性分布更加均衡；液壓最大位置分布于渦輪流道的輸入段與渦輪葉片的交叉部位，這是由于泵輪內(nèi)輸出的高壓油液將直接對渦輪葉片進行沖擊作用，此時，在摩擦力作用下，該位置將承受巨大的粘滯阻力；在渦輪的油液出口處仍表現(xiàn)出壓力的不均衡，這是由于該位置遠離外徑位置，線速度較小，離心力較小，但遠心端旋轉作用造成的流、回流仍會影響近心位置壓力分布，使得局部產(chǎn)生負壓現(xiàn)象；壓力的不均衡效應對于機械部件有著較為嚴重的影響，不但會導致能量的浪費，還會降低設備工作的可靠性，因此，需要通過葉片的結構優(yōu)化降低該效應。

2.2 速度場計算結果

由油液條件為45%時的速度場云圖（圖6）可以看出：相比于渦輪內(nèi)的流體速度分布，泵輪內(nèi)的流體速度梯度更小，因而油液會更加穩(wěn)定；在油液的離心力作用下，速度隨著徑向尺寸增大而增大的現(xiàn)象非常明顯；從油液流動方向上看，與旋轉方向基本一致，未出現(xiàn)顯著的渦流和回流現(xiàn)象。

圖5 油液條件為85%時的壓力場

圖6 油液條件為45%時的速度場

油液條件為85%時的速度場云圖如圖7所示，可以看出：油液的流速也將隨著充液率的增大而增大，而且最大流速位置在渦輪的入口端，并隨著離心力和摩擦力作用，流速逐漸降低；渦輪出口端的流速較低，該現(xiàn)象與油液壓力的分布基本一致，由此可見，充液率的大小對于油液的壓力場和速度場的影響具有相似性，油液載荷的大小不改變總體分布屬性。

2.3 油液體積比例

油液條件為45%時的體積分布云圖如圖8所示，可以看出：該條件下遠心端的油液相較多，氣體較少，近心端的流道中充滿著油液，這是由于離心力相對較小，尚未充滿遠心端的流道。

圖7 油液條件為85%時的速度場

圖8 油液條件為45%時的體積分布比例

圖9 油液條件下85%時的體積分布比例

油液條件為85%時的體積分布云圖如圖9所示，可以看出：該條件下，油液幾乎能夠充滿整個渦輪流道，只有在泵輪流道中殘留少部分氣體相。油液的體積比例分布對于液粘摩擦耦合器承載的穩(wěn)定性有著關鍵的影響，充液率越高，承載能力越強。

3 結語

通過液粘摩擦耦合器內(nèi)部流場特性的分析，能夠得出不同油液載荷條件下渦輪和泵輪造成的速度場、壓力場和油液分布規(guī)律。通過對45%油液載荷和85%油液載荷條件下各個云圖的分析，能夠合理地解釋不同現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，這對于工作可靠性的提升以及機械構件性能的優(yōu)化均有著重要的意義。