基于浸入實(shí)體法的雙渦輪液力變矩器流場仿真*

彭建濤，林騰蛟，劉嘉慧，蔣仁科

(1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引 言

雙渦輪液力變矩器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性扭矩變換器，是液力傳動(dòng)的一種形式，主要起到傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩以及離合作用，具有調(diào)節(jié)范圍寬、起動(dòng)變矩比大、高效區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于載重汽車、裝載機(jī)、推土機(jī)等工程車輛[1]。雙渦輪液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)決定外部性能，開展其內(nèi)部流動(dòng)特性研究具有重要的理論意義及工程價(jià)值。

早期學(xué)者針對(duì)雙渦輪液力變矩器的研究主要集中在流場數(shù)值模擬及臺(tái)架試驗(yàn)分析。Habsieger等[2]研究了液力變矩器速比和質(zhì)量流量間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，采用激光測速法測量了泵輪出口和渦輪入口平面的流速。Yuki等[3]比較不同循環(huán)圓液力變矩器之間的變矩性能，采用CFD分析了高扁平比液力變矩器的外特性。賈雙林、石祥鐘等[4-5]分別對(duì)D315型與YJSW315型雙渦輪液力變矩器中的一渦及二渦的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了兩級(jí)渦輪流動(dòng)狀況對(duì)渦輪效率影響規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展及計(jì)算方法不斷成熟，流場計(jì)算逐漸由穩(wěn)態(tài)發(fā)展到瞬態(tài)。Bois、Yamaguchi等[6-7]對(duì)液力變矩器進(jìn)行瞬態(tài)流場分析，研究了局部流型和速度比的關(guān)系。劉春寶等[8]采用多流動(dòng)區(qū)域耦合算法對(duì)液力變矩器瞬態(tài)控制方程進(jìn)行計(jì)算，得到變矩器外部性能，并與試驗(yàn)作對(duì)比，驗(yàn)證了瞬態(tài)流場數(shù)值計(jì)算方法正確性。目前，關(guān)于雙渦輪液力變矩器的瞬態(tài)流場仿真主要采用動(dòng)網(wǎng)格法建立流體域計(jì)算模型，在進(jìn)行復(fù)雜幾何形狀剛體在流體域內(nèi)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，大量的網(wǎng)格重構(gòu)加大了計(jì)算機(jī)的計(jì)算成本。采用浸入實(shí)體法可有效減少網(wǎng)格重構(gòu)帶來的缺點(diǎn)，但少有學(xué)者采用該方法進(jìn)行變矩器流場的數(shù)值仿真分析。

雙渦輪液力變矩器的每個(gè)工作葉輪內(nèi)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片表面為復(fù)雜曲面，本文基于浸入實(shí)體法對(duì)圖1所示雙渦輪液力變矩器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值仿真，運(yùn)用該方法能便捷地分析變矩器內(nèi)部全域流體動(dòng)力學(xué)性能，研究其內(nèi)部速度場和壓力場分布規(guī)律。

圖1 雙渦輪液力變矩器結(jié)構(gòu)示意圖

1 浸入實(shí)體法基本原理

浸入實(shí)體法將動(dòng)量源項(xiàng)施加在浸入實(shí)體區(qū)域內(nèi)流體，驅(qū)動(dòng)流體速度與固體速度相匹配[9]。建立流場計(jì)算域時(shí)需保證實(shí)體域完全浸沒于流體域，同時(shí)不穿過任何流場邊界或與其他固體間存在碰撞交叉。浸入實(shí)體法原理如圖2所示，其中實(shí)線代表浸入實(shí)體邊界，浸入實(shí)體邊界點(diǎn)IB移動(dòng)迫使流體域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)NW移動(dòng)。

圖2 浸入實(shí)體法原理

浸入實(shí)體法基本公式如下：

(1)

(2)

(3)

y*=max (y*,11.06)

(4)

u+=lny*/κ+C

(5)

(6)

2 模型建立及邊界條件設(shè)置

2.1 計(jì)算域模型建立及網(wǎng)格劃分

雙渦輪液力變矩器主要工作元件為泵輪、一級(jí)渦輪、二級(jí)渦輪及導(dǎo)輪，其流體域模型及實(shí)體域模型如圖3所示，其中四個(gè)工作葉輪的葉片為浸入實(shí)體域，建模時(shí)使其完全浸沒在內(nèi)流道流體域中。

圖3 液力變矩流體域及實(shí)體域三維模型

根據(jù)雙渦輪液力變矩器工作葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用UG軟件建立變矩器的流體域和固體域模型，而后將模型導(dǎo)入到ANSA中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，液力變矩器內(nèi)部流場網(wǎng)格如圖4所示，其中流體域節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 623 875，實(shí)體域節(jié)點(diǎn)數(shù)為563 592。

圖4 葉輪內(nèi)部流場網(wǎng)格

2.2 流場計(jì)算簡化假定

雙渦輪液力變矩器工作葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作介質(zhì)在內(nèi)部的流動(dòng)難以預(yù)測，在對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行分析時(shí)，做出如下簡化假定：

(1) 忽略變矩器工作葉輪葉片與工作介質(zhì)的流固耦合作用，即將工作葉片及工作輪的內(nèi)外環(huán)視為剛體，且各葉輪不產(chǎn)生軸向位移。

(2) 液力變矩器工作介質(zhì)采用GB標(biāo)準(zhǔn)的液力傳動(dòng)油，其密度在工作過程變化很小，可視其密度為定值，即假設(shè)工作介質(zhì)為不可壓縮黏性流體。

(3) 液力變矩器運(yùn)行過程中，忽略因?qū)α鲹Q熱、熱輻射及機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化等造成工作介質(zhì)溫度變化。

(4) 工作介質(zhì)流經(jīng)過兩葉輪間無葉柵區(qū)時(shí)，忽略其泄漏問題，即上游葉輪出口端流出的油液全部進(jìn)入下游葉輪。

2.3 邊界條件設(shè)定

液力變矩器內(nèi)部流場的流動(dòng)是復(fù)雜的湍流問題，工作葉輪葉片旋轉(zhuǎn)造成內(nèi)流道壓力差、流速差及空間容積變化，且流道內(nèi)存在漩渦、回流等流動(dòng)現(xiàn)象，因此內(nèi)部流場計(jì)算選擇RNGk-ε湍流模型，能獲得較為真實(shí)的模擬結(jié)果。浸入實(shí)體法實(shí)體域及流體域網(wǎng)格均采用交錯(cuò)網(wǎng)格，因此壓強(qiáng)速度耦合算法采用SIMPLE算法。流體介質(zhì)為液力傳動(dòng)油，其密度為ρ=899.1 kg/m3，黏度為μ=0.001 89 Pa·s。仿真分析時(shí)葉輪實(shí)體網(wǎng)格按實(shí)際計(jì)算工況定義轉(zhuǎn)動(dòng)，其余邊界均為壁面條件。浸入實(shí)體法計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 浸入實(shí)體法計(jì)算流程

設(shè)置瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步為800步，計(jì)算總時(shí)長為0.6 s，步長為0.000 75 s，計(jì)算收斂條件為兩次迭代殘差小于10-4。液力變矩器瞬態(tài)流場計(jì)算采用全流道模型，上游葉輪出口端與下游葉輪進(jìn)口端緊密相連，油液流動(dòng)情況近似，但兩葉輪轉(zhuǎn)速不同，為了進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，采用混合平面理論，如圖6所示。

圖6 雙渦輪液力變矩器混合平面

3 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)給定邊界條件的計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值仿真，分析液力變矩器變矩器泵輪、兩級(jí)渦輪及導(dǎo)輪內(nèi)部流場流動(dòng)特性。經(jīng)過160步計(jì)算后，進(jìn)出口流量、動(dòng)量殘差均小于10-4，計(jì)算收斂。

3.1 泵輪流場分析

圖7為泵輪流體域壓力分布。泵輪轉(zhuǎn)速較高，產(chǎn)生較大離心力。在離心力作用下，泵輪壓力由泵輪入口向出口逐漸增大，泵輪入口靠近葉片非工作面存在局部低壓區(qū)；從導(dǎo)輪流出的油液主要沿導(dǎo)輪葉片出口方向流入泵輪，沖擊泵輪葉片吸力面，形成局部高速區(qū)域，并在進(jìn)口附近產(chǎn)生渦流，如圖8所示。

圖7 泵輪壓力分布

圖8 泵輪速度矢量分布

3.2 一級(jí)渦輪流場分析

圖9給出了一級(jí)渦輪流體域壓力分布，其進(jìn)口處壓力高于出口處，外環(huán)壓力高于內(nèi)環(huán)，壓力梯度變化較小。一級(jí)渦輪進(jìn)口處流速較大，在靠近內(nèi)環(huán)位置易產(chǎn)生脫流，影響渦輪效率；葉片出口速度分布呈現(xiàn)射流狀態(tài)，且在靠近外環(huán)處出現(xiàn)較高速射流區(qū)，如圖10所示。

圖9 一級(jí)渦輪壓力分布

圖10 一級(jí)渦輪速度矢量分布

3.3 二級(jí)渦輪流場分析

二級(jí)渦輪內(nèi)流道油液流速及壓力略有提升，隨著流動(dòng)的深入，油液壓力及速度逐漸減小，其外環(huán)壓力高于內(nèi)環(huán)壓力；如圖11所示。二級(jí)渦輪進(jìn)口處速度梯度較大，工作面與外環(huán)相交處油液流速較大；油液流入流道后，速度逐漸減小，在流道葉片彎曲較大處易出現(xiàn)脫流，影響二級(jí)渦輪效率，如圖12所示。

圖11 二級(jí)渦輪壓力分布

圖12 二級(jí)渦輪速度矢量分布

3.4 導(dǎo)輪流場分析

導(dǎo)輪內(nèi)流道壓力分布如圖13所示。導(dǎo)輪進(jìn)口端工作油液壓力較出口端壓力大，油液在導(dǎo)輪外環(huán)葉片前端附近形成高壓區(qū)。導(dǎo)輪流道內(nèi)液體速度矢量在各個(gè)面上有較大差異，由于導(dǎo)輪葉片導(dǎo)向作用，工作油液流經(jīng)導(dǎo)輪后流向發(fā)生改變，油液壓力減小，但局部速度值增加，在導(dǎo)輪出口靠近外環(huán)處出現(xiàn)高速區(qū)，如圖14所示。

圖13 導(dǎo)輪壓力分布

圖14 導(dǎo)輪速度矢量分布

4 液力變矩器工作特性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

渦輪葉片受到工作油液高速?zèng)_擊而獲得轉(zhuǎn)矩TT，如圖15所示，液流作用于渦輪上的轉(zhuǎn)矩為：

圖15 渦輪進(jìn)口及出口動(dòng)量矩

TT=ρQ(vuT2rT2-vuT1rT1)

(7)

式中：Q為渦輪流道內(nèi)流量；vuT1、vuT2為渦輪進(jìn)口、出口處絕對(duì)速度的圓周分速度；rT1、rT2為渦輪進(jìn)口、出口處半徑。

渦輪進(jìn)口、出口絕對(duì)速度在三維空間上可分解為牽連運(yùn)動(dòng)速度uT1、uT2與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度wT1、wT2，其中牽連運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算式為：

(8)

式中：nT為渦輪轉(zhuǎn)速。

由圖16所示的渦輪入口及出口速度三角形可知，絕對(duì)速度的分速度計(jì)算式為：

圖16 渦輪進(jìn)口及出口速度三角

(9)

式中：βT1、βT2為渦輪進(jìn)口角及出口角；vmT1、vmT2為渦輪進(jìn)口和出口處軸面分速度。

軸面分速度vmT=Q/Am，式中Am為中間流線垂直的截面積，速度方向與渦輪葉片中間流線相切，其中流量Q及中間流線垂直截面積Am由變矩器三維流場數(shù)值仿真計(jì)算得出。

對(duì)于雙渦輪液力變矩器而言，其主要特性參數(shù)包括變矩比K、泵輪扭矩系數(shù)λB及傳動(dòng)效率η。各特性參數(shù)計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

η=K·i×100%

(12)

式中：T1為輸入轉(zhuǎn)矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定；T2為輸出轉(zhuǎn)矩；TB為泵輪轉(zhuǎn)矩；g為重力加速度；nB為泵輪轉(zhuǎn)速；D為變矩器循環(huán)圓有效直徑。其中，泵輪轉(zhuǎn)矩TB可參照渦輪轉(zhuǎn)矩TT計(jì)算方法計(jì)算得出，輸入轉(zhuǎn)矩T1由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)決定，輸出轉(zhuǎn)矩T2可由下式計(jì)算：

(13)

通過計(jì)算得到雙渦輪液力變矩器特性計(jì)算曲線，與實(shí)測變矩器試驗(yàn)性能曲線對(duì)比，如圖17所示。

圖17 液力變矩器工作特性仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由圖可知，在i=0.1時(shí)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，而在其他工況下，兩者在數(shù)值上及曲線趨勢吻合良好，整體平均誤差為10.58%，因此基于浸入實(shí)體法的雙渦輪液力變矩器的流場數(shù)值分析具有較好準(zhǔn)確性。

數(shù)值計(jì)算時(shí)假設(shè)工作介質(zhì)完全由上游葉輪出口流入下游葉輪進(jìn)口，忽略了兩葉輪之間無葉柵區(qū)的泄漏問題，而實(shí)際上工作介質(zhì)不可避免從間隙中上下游葉輪進(jìn)出口間存在間隙流出，降低變矩器效率，因此仿真結(jié)果效率值比試驗(yàn)結(jié)果效率值略大；液力變矩器工作時(shí)，其內(nèi)部不可避免存在氣化現(xiàn)象，造成變矩器功率損失，而在數(shù)值計(jì)算時(shí)未能考慮這些因素，亦會(huì)產(chǎn)生仿真結(jié)果誤差。

5 結(jié) 語

基于浸入實(shí)體法對(duì)雙渦輪液力變矩器內(nèi)流道壓力、速度分布進(jìn)行仿真分析，得到其內(nèi)流道存在渦流、脫流等現(xiàn)象，降低了變矩器的工作效率。

通過液力變矩器外特性仿真結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比，驗(yàn)證了浸入實(shí)體法仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。采用浸入實(shí)體法進(jìn)行流場計(jì)算，充分利用其網(wǎng)格優(yōu)越性，為雙渦輪液力變矩器流場計(jì)算提供便利。