阻流擋板對液力偶合器環(huán)流特性影響規(guī)律分析

張嘉華，崔紅偉，2，常宗旭，2，廉自生，2

(1. 太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2. 太原理工大學煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

1 引言

調(diào)速型液力偶合器作為一種重要的液力傳動裝置，其轉(zhuǎn)矩傳遞特性是液力偶合器選型與設(shè)計的重要依據(jù)。調(diào)速型液力偶合器主機部分主要由泵輪與渦輪組成，泵輪與主動軸剛性連接，由主動軸帶動旋轉(zhuǎn)，進一步帶動工作腔中液體流動進入渦輪，帶動渦輪旋轉(zhuǎn)做功產(chǎn)生機械能，之后再次流回至泵輪，通過這種循環(huán)流動，實現(xiàn)泵輪與渦輪之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。因此液力偶合器內(nèi)流場的環(huán)流特性決定了包括轉(zhuǎn)矩傳遞特性在內(nèi)的各項工作性能，對于液力偶合器的設(shè)計十分重要[1]。

隨著計算機運算能力的不斷提升與各種商用有限元軟件的快速發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用成為了目前解決流體計算問題的重要途徑。在液力傳動方面，國內(nèi)外已有很多學者基于CFD技術(shù)進行了針對多種液力元件的數(shù)值計算[1]。閆清東等[6]利用CFD技術(shù)研究了不同參數(shù)卸荷孔對液力變矩器軸向力的影響。劉春寶[7]等對比了利用RANS與SRS方法的液力變矩器流場特性預(yù)測的精度，研究了利用尺度解析模擬的液力變矩器特性預(yù)測方法。魏巍[8]等通過對低充液率不同轉(zhuǎn)速下液力緩速器擾流機構(gòu)起效過程流場仿真，確定了低充液率擾流柱起效判定方法。馬文星[9]等利用CFD技術(shù)，針對其設(shè)計的新型軸流導(dǎo)葉可調(diào)液力變矩器進行了特性預(yù)測，并對其特性進行了分析。

為了提升液力偶合器轉(zhuǎn)矩傳遞的穩(wěn)定性，在葉輪之間靠近循環(huán)圓內(nèi)環(huán)處安裝阻流擋板，以減小因環(huán)流特性變化導(dǎo)致的不穩(wěn)定工況的產(chǎn)生。為了分析阻流擋板對流場環(huán)流特性與轉(zhuǎn)矩傳遞特性的影響，利用CFD技術(shù)針對不同擋板尺寸下的流場進行了數(shù)值計算與分析，為液力偶合器的設(shè)計與結(jié)構(gòu)改進提供了可靠的理論依據(jù)。

2 計算模型

調(diào)速型液力偶合器根據(jù)實際的工作需求及工況條件，常工作于不同的速比和充液率下，定義液力偶合器的速比i=nT/nP，其中nT為渦輪轉(zhuǎn)速，nP為泵輪轉(zhuǎn)速，充液率FR為工作腔內(nèi)充注液體體積VL與工作腔容積V之比，即FR=VL/V。圖1為調(diào)速型液力偶合器工作原理示意圖。調(diào)速型液力偶合器在泵輪轉(zhuǎn)速一定的條件下，通過調(diào)整內(nèi)流道充液率，實現(xiàn)工作機的軟啟動與平穩(wěn)運行。并在過載時通過水液的急劇蒸發(fā)，迅速降低輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的保護。

圖1 調(diào)速型液力偶合器工作原理示意圖

循環(huán)圓外徑D=575 mm的礦用雙腔調(diào)速型液力偶合器為圓形腔，泵輪與渦輪均為直葉片，并在泵輪與渦輪之間安裝有阻流擋板，以盡量避免轉(zhuǎn)矩傳遞過程中的不穩(wěn)定區(qū)間，阻流擋板外徑d為循環(huán)圓外徑的0.56倍。為了便于計算分析，定義外徑比c=d/D。由于該調(diào)速型液力偶合器為空間、結(jié)構(gòu)對稱的雙腔結(jié)構(gòu)，因此選取輸出端葉輪作為研究模型，其中泵輪葉片數(shù)量為46，渦輪葉片數(shù)量為45。葉輪與對應(yīng)流場的幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 葉輪與阻流擋板結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)葉輪腔體結(jié)構(gòu)，提取與其結(jié)構(gòu)互補的全流道幾何模型，根據(jù)液力偶合器內(nèi)流道循環(huán)對稱的結(jié)構(gòu)特點，為提高計算效率，設(shè)葉輪葉片數(shù)為x，建立其簡化的1/x流場的單流道幾何模型，為之后數(shù)值計算模型的建立做準備。

根據(jù)不同的擋板尺寸建立不同的流場單流道模型，利用ICEM軟件，為了保證流場特性計算的準確性與穩(wěn)定性，采用幾何適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行流道模型的網(wǎng)格劃分，設(shè)定全局網(wǎng)格尺寸為2 mm，建立質(zhì)量較高的流場網(wǎng)格模型，流道網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 單流道流場網(wǎng)格模型

3 數(shù)值模擬計算

3.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程稱作連續(xù)性方程，在計算流體動力學中所描述的物理意義為：單位時間內(nèi)流入流場微元計算網(wǎng)格中的流體質(zhì)量與對應(yīng)的流出微元中的質(zhì)量相等[10]。其微分方程如下

(1)

式中，t為時間，ρ為流體密度密度，u，v，w是速度矢量在x、y、z方向上的分量。液力偶合器以水液為工作介質(zhì)，在計算過程中可將其視為不可壓流體，因此密度ρ為常數(shù)，則質(zhì)量守恒方程簡化為

(2)

動量守恒方程即為Navier-Stokes方程，簡稱N-S方程。該方程是牛頓第二定律在流體中的應(yīng)用，對于牛頓流體，Navier-Stokes方程的張量形式可以表示為

(3)

式中，δij為克羅內(nèi)克爾(Kronecker)符號，f為體積力。對于動力粘度為常量的不可壓流體，上式可簡化為

(4)

3.2 數(shù)值計算條件

3.2.1 邊界條件

根據(jù)調(diào)速型液力偶合器葉輪的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)與單流道流場模型的建立方式，在流場循環(huán)圓軸面建立周期性邊界循環(huán)條件。對泵輪與渦輪流場的交界面采用基于混合平面模型的級聯(lián)法對兩個流道同時求解，在交界面進行周向平均和交互傳遞，在每一參考框架內(nèi)均可獲得穩(wěn)態(tài)解。對于葉輪與流場交界壁面，采用無滑移邊界條件。

由于液力偶合器工作時葉輪轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)流場為高度湍流流動。為了有效地獲取流場中的細微渦流和邊界層現(xiàn)象以及更加精確的數(shù)值計算結(jié)果，選擇切應(yīng)力輸運SST(Shear Stress Transport)湍流模型對液力偶合器流場模型進行分析。當液力偶合器充液率低于100%時，內(nèi)流場為復(fù)雜的氣-液兩相流動，采用CFX兩相流模型中的非均一化模型，設(shè)置氣-液表面張力系數(shù)為0.0726。由于液力偶合器以水液為工作介質(zhì)，因此水液對流場特性其決定作用，設(shè)置水液為主相。

3.2.2 工況條件

為了準確分析阻流擋板對流場的轉(zhuǎn)矩傳遞特性與流場環(huán)流特性的影響規(guī)律，分別針對部分分充液及全充液工況下流場進行數(shù)值分析。在部分充液工況流場分析，選擇40%與70%充液率作為低充液率和高充液率代表工況，對擋板尺寸c=0.56及無擋板(c=0.48)、0至0.99速比時流場進行特性分析。在全充液工況流場分析中，針對擋板尺寸c=0.48至c=0.68，0至0.99速比工況下進行數(shù)值計算。

表1 流場特性計算工況點

4 結(jié)果分析

4.1 部分充液工況分析

為了對比分析部分充液狀態(tài)下阻流擋板結(jié)構(gòu)對液力偶合器水液環(huán)流特性及轉(zhuǎn)矩特性的影響規(guī)律，分別針對采用c=0.65的阻流擋板和無阻流擋板流場模型、40%與70%充液率、不同速比時流場特性進行了分析。

4.1.1 40%充液率流場特性分析

a)速度流線分布特性

從流線總體特性來看，圖4中可以看出，對于液流速度分布，在較低速比時，由于泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速差較大，給予液流的離心力差較大，因此水液在流道中有較大的循環(huán)速度，在圖中體現(xiàn)為流線顏色偏向于色譜紅色端；對于水液循環(huán)空間分布，液流都具有向靠近循環(huán)圓外環(huán)的小循環(huán)變化的趨勢。低速比時無阻流擋板的流場流速高于有阻流擋板，隨著速比的增大，流速差距減小。

圖4 40%充液率速度流線分布

在無阻流擋板結(jié)構(gòu)時，水液環(huán)流特性如圖4(a)所示，由于受到離心力與科氏力的影響，水液在流出泵輪后具有較高的速度，因此圖中渦輪入口處流線顏色偏向于色譜紅色。水液進入渦輪流道后沖擊渦輪葉片做功，因此在渦輪出口處，水液流速降低。之后水液再次循環(huán)進入泵輪，進行下一次循環(huán)。在速比為0.2至0.4時，水液循環(huán)位置靠近流道壁面，為大循環(huán)流動。在速比由0.4降至0.6時，水液由大循環(huán)變?yōu)榭拷h(huán)圓外環(huán)的小循環(huán)，但由于此時泵輪的轉(zhuǎn)速仍然高于渦輪，水液在泵輪中受到的離心力高于渦輪，因此渦輪中水液要多于泵輪，同時由于循環(huán)范圍突然變化，水液的循環(huán)速度也隨之減小。

在增加阻流擋板結(jié)構(gòu)后，水液流線分布如圖4(b)所示。在較速比為0.2時，由于阻流擋板影響了渦輪出口處液流的循環(huán)路徑，此時水液由渦輪流道中的大循環(huán)和泵輪流道靠近循環(huán)圓外側(cè)的小循環(huán)組成，水液主要分布于渦輪中。在0.2至0.4速比時，泵輪與渦輪中的兩個液流循環(huán)逐漸合并為靠近循環(huán)圓外環(huán)處的一個小循環(huán)，水液循環(huán)不再受到阻流擋板的影響。隨著速比的進一步增大，泵輪與渦輪中水液分布趨于均勻。

b)轉(zhuǎn)矩傳遞特性

圖5為40%充液率下，流場輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線圖。從圖中可以看出，由于水液環(huán)流速度隨著速比的升高而降低，因此流場輸出轉(zhuǎn)矩整體為下降趨勢。在無阻流擋板時，輸出轉(zhuǎn)矩在速比由0.4上升至0.6時由于水液環(huán)流形式由大循環(huán)變?yōu)榭拷h(huán)圓外環(huán)處的小循環(huán)，因此輸出轉(zhuǎn)矩下降速率發(fā)生突變，下降速率降低。與之對應(yīng)的，在有阻流擋板0至0.3速比時，擋板直接改變了原有的環(huán)流特性，水液的環(huán)流速度降低、環(huán)流范圍減小，對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩小于無擋板的情況。在速比由0.3上0.4過程中，由于水液循環(huán)由泵輪與渦輪中的小循環(huán)變?yōu)檠h(huán)圓外環(huán)處的小循環(huán)，液流不再受阻流擋板的影響，出現(xiàn)了下降速率的突然降低。在速比大于0.6時，由于擋板對水液的環(huán)流特性影響失效，輸出轉(zhuǎn)矩曲線基本重合。

圖5 40%充液率流場轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線

4.1.2 70%充液率流場特性分析

a)速度流線分布特性

在無阻流擋板結(jié)構(gòu)時，水液流線分布如圖6(a)所示，流場中水液始終為大循環(huán)流動，隨著速比的增大，環(huán)流速度逐漸降低。在增加阻流擋板結(jié)構(gòu)后，水液流線分布如圖6(b)所示，在0.2至0.6速比時，水液為偏向于渦輪側(cè)的大循環(huán)和泵輪、渦輪中的小循環(huán)組成的復(fù)雜循環(huán)流動，同時隨著速比的增大，水液的循環(huán)速度降低，由于阻流擋板對水液循環(huán)的阻擋效果，更多的水液被控制在渦輪中進行循環(huán)流動。在速比由0.6升至0.8時，水液變化為靠近循環(huán)圓外環(huán)處的小循環(huán)。

圖6 70%充液率速度流線分布

b)轉(zhuǎn)矩傳遞特性

由圖7可知，在70%充液率時，有、無擋板的情況下輸出轉(zhuǎn)矩隨水液循環(huán)速度的降低整體處于下降趨勢，有擋板時由于擋板降低了水液環(huán)流流速，輸出轉(zhuǎn)矩始終低于無擋板，同時轉(zhuǎn)矩下降趨勢較無阻流擋板時較平緩，并且在0.6至0.7速比時隨著循環(huán)特性的改變，阻流擋板失效，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的回升現(xiàn)象。

圖7 40%充液率流場轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線

綜合兩種不同充液率下的流場特性可知，在低充液率低速比時通過改變原有液流循環(huán)方式，降低了低速比時的輸出轉(zhuǎn)矩，在液流由大循環(huán)變?yōu)樾⊙h(huán)時，阻流擋板失效，輸出轉(zhuǎn)矩較無擋板時基本不變，通過這種方式，減小了輸出轉(zhuǎn)矩下降趨勢的不穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)矩變化特性更加平穩(wěn)。在高充液率時，無擋板結(jié)構(gòu)時水液始終為大循環(huán)的方式流動，對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩的下降趨勢也相對平穩(wěn)，因此阻流擋板通過改變原有循環(huán)方式，使整體輸出轉(zhuǎn)矩下降趨勢平緩。

4.2 全充液工況分析

全充液工況下，不同擋板尺寸直接影響了液力偶合器額定工況時的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，因此對不同擋板尺寸下的轉(zhuǎn)矩傳遞特性進行了分析。同時，由于此時水液充滿了葉輪流道，根據(jù)水液環(huán)流形式在不同速比時的變化特點，對0.2及0.8速比時速度流線分布作出分析。

4.2.1 速度流線分布特性

圖8為0.2及0.8速比下，無阻流擋板及有c=0.65的阻流擋板結(jié)構(gòu)時的速度流線分布圖。圖中可以看出，速比較大時水液的循環(huán)速度減小，同時水液沿流道壁面的圓周循環(huán)趨勢更加明顯，在流場軸面中心處出現(xiàn)了明顯的渦旋中心，這種現(xiàn)象在存在阻流擋板時更加明顯。同時，有阻流擋板時水液的循環(huán)流速明顯低于無擋板，水液在流道中流線分布較無擋板時較為雜亂。

圖8 全充液工況速度流線分布

4.2.2 轉(zhuǎn)矩特性分析

圖9為采用不同外徑阻流擋板時的全充液工況流場輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線，選取了采用外徑比c為0.48、0.52、0.56、0.60、0.64、0.68時的流場輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線。從圖中可以看出，在不同外徑比下，由于阻流擋板降低了水液環(huán)流流速，改變了原有的規(guī)律性的圓周循環(huán)形式，輸出轉(zhuǎn)矩整體均為下降趨勢，隨著外徑比的增大，轉(zhuǎn)矩隨速比增大的下降速率也不斷降低。同時，隨著擋板外徑比的增大，輸出轉(zhuǎn)矩的下降速率減小，并在較高速比時，阻流擋板對轉(zhuǎn)矩特性的影響較小。

圖9 轉(zhuǎn)矩傳遞特性曲線

5 結(jié)論

因此，針對調(diào)速型液力偶合器，應(yīng)用CFD技術(shù)，對其阻流擋板結(jié)構(gòu)在不同工況下對流場轉(zhuǎn)矩傳遞特性及水液環(huán)流特性的影響規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

1)對比分析了40%及70%充液率下的轉(zhuǎn)矩傳遞與水液速度流線分布特性后得出：40%充液率下輸出轉(zhuǎn)矩整體為下降趨勢，較低速比時受阻流擋板的影響，有阻流擋板時輸出轉(zhuǎn)矩較小，在達到一定速比時，由于水液環(huán)流形式發(fā)生變化，出現(xiàn)了下降速率突然減小的現(xiàn)象，隨著速比進一步增大，阻流擋板對水液環(huán)流影響失效，輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線基本重合。通過分析部分充液工況下阻流擋板對轉(zhuǎn)矩傳遞特性與水液環(huán)流特性的影響，解釋了阻流擋板對流場特性的影響規(guī)律。

2)研究了全充液工況下，不同外徑阻流擋板對流場轉(zhuǎn)矩傳遞特性及速度流線分布特性的變化規(guī)律。通過分析采用不同外徑擋板時的輸出轉(zhuǎn)矩可知：不同阻流擋板外徑時流場輸出轉(zhuǎn)矩隨速比均為下降趨勢，隨著采用的阻流擋板的外徑的增大，輸出轉(zhuǎn)矩減小，對轉(zhuǎn)矩的影響效果減小。結(jié)合部分充液工況下的流場特性影響規(guī)律研究結(jié)果，為阻流擋板的設(shè)計與選用提供了可靠的理論依據(jù)。