限矩型液力偶合器氣液兩相環(huán)流特性仿真

王陽，李志鵬，唐欣怡

（長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，長沙 410114）

液力偶合器具有輕載啟動、防止過載、減少啟動振動與沖擊、多機驅(qū)動等優(yōu)異功能，且其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，無需特殊維護，因此被廣泛應(yīng)用在大慣量、難啟動需過載保護的機械設(shè)備中[1-2]。限矩型液力偶合器正常工作下始終處于部分充液的狀態(tài)，在不同工況下，偶合器內(nèi)部氣液兩相會呈現(xiàn)出不同的環(huán)流狀態(tài)，從而使限矩型液力偶合器的轉(zhuǎn)矩特性發(fā)生改變。因此，弄清限矩型液力偶合器內(nèi)部氣液兩相環(huán)流特性與轉(zhuǎn)矩特性之間的關(guān)系尤為重要。

目前對液力元件內(nèi)部流場的試驗研究主要有粒子圖像測速、激光多普勒測速及流體動力探針技術(shù)等[3-4]。Hampel等[5]通過γ射線斷層掃描成像技術(shù)對液力偶合器在30%充液率下，對不同轉(zhuǎn)速比的偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行試驗，得到工作腔不同斷面的氣液兩相分布情況。Silva等[6]通過在泵輪葉片兩面安裝平面陣列傳感器的方式，得出80%充液率下，轉(zhuǎn)速比i= 1、i= 0.6時泵輪葉片上壓力面和吸力面的氣液兩相分布情況。國內(nèi)學(xué)者也利用PIV技術(shù)對實現(xiàn)液力偶合器內(nèi)部流場可視化做了大量研究[7-10]。

雖然試驗手段結(jié)果較為準(zhǔn)確，但試驗周期較長，成本較高，操作復(fù)雜，因此隨著CFD（Computational fluid dynamics）數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬的方式對偶合器內(nèi)部流場做了大量研究。Bai等[11]利用CFD數(shù)值方法對矩形流道的液力偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行了仿真計算，文中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，利用Reynolds平均法對粘性流體運動微分方程進(jìn)行了求解，將仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)二者吻合度較高。Huitenga等[12-13]利用CFD研究方法對矩形腔的限矩型液力偶合器進(jìn)行了流場分析，并分析影響偶合器性能的參數(shù)，對其進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。國內(nèi)張嘉華等[14]利用CFX軟件中非均一化模型對不同充液率不同工況下的調(diào)速型液力偶合器進(jìn)行模擬實現(xiàn)了偶合器內(nèi)部兩相流體可視化與轉(zhuǎn)矩傳遞特性的預(yù)測。趙繼云等[15]采用VOF兩相流模型對閥控充液型液力偶合器在不同工況下的氣液兩相分布情況進(jìn)行了模擬，揭示了閥控充液型液力偶合器內(nèi)部環(huán)流變化規(guī)律，并分析了擋圈對環(huán)流形態(tài)的影響。盧秀泉等[16]采用通過VOF模型對帶有前輔腔的限矩型液力偶合器進(jìn)行模擬，得到了其內(nèi)部氣液兩相環(huán)流特性，并預(yù)測了偶合器轉(zhuǎn)矩跌落點，對偶合器過載能力進(jìn)行了評估。帶有后輔腔的限矩型液力偶合器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，環(huán)流狀態(tài)也有所不同，目前，針對帶后輔腔的限矩型液力偶合器研究較少。

本文以YOX500型限矩型液力偶合器為研究對象，假定內(nèi)部氣液兩相為分層流動。采用VOF兩相流模型，Realizablek-ε湍流模型對偶合器兩相分布規(guī)律進(jìn)行模擬，揭示其分布規(guī)律與環(huán)流特性，并結(jié)合平面陣列傳感器測試結(jié)果與外特性試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，對該方法有效性與適用性進(jìn)行評價。

1 幾何模型的建立

限矩型液力偶合器主要通過向輔助油室分流，改變工作腔的環(huán)流形態(tài)從而達(dá)到限矩的目的。本文采用的研究模型為YOX500型限矩型液力偶合器，泵輪腔均勻分布著44枚桃型葉片，渦輪腔均勻分布著38枚長圓型葉片，后輔室與工作腔、前輔室通過過流孔相連，其流道模型如圖1a）所示。假設(shè)運行過程中溫度的變化對工作介質(zhì)的性質(zhì)不造成影響，設(shè)置工作油液相關(guān)參數(shù)為定值，密度為860 kg/m3，黏度為0.0258 Pa·s，油與空氣之間的表面張力為0.025 N/m2。因為該型號限矩型液力偶合器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此選擇適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在導(dǎo)流孔及交界面處進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)為177萬，所得網(wǎng)格如圖1b）所示。在泵輪與渦輪間的無葉柵區(qū)設(shè)一交界面，其余均設(shè)置為壁面，采用滑移網(wǎng)格模型，VOF兩相流模型，Realizablek-?紊流方程，對偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行瞬態(tài)模擬。

圖1 限矩型液力偶合器全流道模型與網(wǎng)格模型

2 兩相流模型與控制方程

VOF模型是在固定歐拉網(wǎng)格下的一種表面跟蹤方法。前提是兩種或多種流體不會相互混合。在VOF模型中，在連續(xù)性方程中引入了相體積分?jǐn)?shù)這一變量，從而實現(xiàn)了對計算單元相界面的追蹤。在每個控制體中，將第q相流體的體積分?jǐn)?shù)記為αq，其連續(xù)性方程為

式中：ρq為 第q相的密度，kg/m3；vq為第q相的速度，m/s；為 從q相向p相的傳質(zhì)，kg/（m2·s）；為從p相向q相的傳質(zhì)，kg/（m2·s）；Sαq為源項，其默認(rèn)值為0；?為算子符號；t為時間，s；

在VOF模型中，求解動量方程所得到的速度場被各相共用，動量方程取決于通過屬性 ρ和 μ的所有相的體積分?jǐn)?shù)，即

3 氣液兩相環(huán)流特性分析

針對限矩型液力偶合器在3種典型充液率不同工況的流場進(jìn)行模擬計算，不同工況下，內(nèi)部環(huán)氣液兩相分布呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，偶合器的外特性也會相應(yīng)改變。

圖2為額定工況（i= 0.97）下，軸截面上3種不同充液率下液相體積分布圖，其中紅色區(qū)域占比最高，體積分?jǐn)?shù)為1，即該部分區(qū)域全是油液，藍(lán)色區(qū)域體積分?jǐn)?shù)為0，表示該部分區(qū)域全為氣相。由圖2可知，在額定工況下，油氣兩相出現(xiàn)了明顯的分層，油液集中在偶合器的外緣，這是由于在額定工況下，泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速相差較小，所受離心力較大，因此前輔腔內(nèi)沒有油液存在，油液在進(jìn)入渦輪后，在渦輪腔中做短暫環(huán)流后很快就因較大的離心力而折返回泵輪，呈現(xiàn)出一種小環(huán)流的流動形態(tài)，由于滑差的存在，泵輪腔的氣液分界面略高于渦輪腔。工作腔與后輔腔通過過流孔相連，部分油液會進(jìn)入后輔腔內(nèi)，當(dāng)工作腔內(nèi)油液所受壓力與后輔腔內(nèi)油液所受壓力相等時，后輔腔的充液量保持不變。

圖2 額定工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0.97）

圖3 為過渡工況下液相體積分布圖，油液充滿了整個渦輪腔，少部分油液進(jìn)入了前輔腔，繼而進(jìn)入后輔腔。在過渡工況下，比轉(zhuǎn)速降低，滑差增大。油液在從泵輪出口進(jìn)入渦輪后，由于渦輪對油液的離心力降低，渦輪不能及時將油液重新送回泵輪，因此油液在渦輪區(qū)域做長距離運動后，少部分油液進(jìn)入前輔腔，繼而進(jìn)入后輔腔，重新折回到泵輪的油液由于泵輪的較大離心力很快被送出，和由后輔腔進(jìn)入工作腔的油液一同進(jìn)入下一個循環(huán)流動，因此在渦輪腔內(nèi)聚集著大量油液，整個油液在工作腔內(nèi)的循環(huán)流動由小環(huán)流慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟓h(huán)流。

圖3 過渡工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0.6）

圖4 為制動工況下液相體積分布圖，制動工況下油液大部分分布在渦輪區(qū)域與前輔腔，后輔腔內(nèi)的油液隨著充液率的降低而減少。整個循環(huán)過程只有少量油液參與，由于渦輪靜止不動，渦輪葉片對油液的阻礙作用使得在渦輪進(jìn)口出現(xiàn)了一些油氣混合的區(qū)域，進(jìn)入渦輪的油液不再受離心阻力的作用，油液直接沖進(jìn)前輔腔，并迅速充滿整個前輔腔，一部分油液通過過流孔進(jìn)入后輔腔，慢慢再向工作腔進(jìn)行補充，未能進(jìn)入前輔腔的油液少部分進(jìn)入下一次循環(huán)，一部分沿著渦輪外壁在渦輪腔中形成渦流，整個渦輪腔呈現(xiàn)出一片油包氣的區(qū)域，并隨著充液率的降低，氣體區(qū)域逐漸變大。此時，泵輪腔、渦輪腔、前輔腔、后輔腔之間形成了復(fù)雜的耦合流動。

圖4 制動工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0）

圖5 為50%充液率下，在3種典型工況下泵輪葉片上的氣液兩相分布圖。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速比降低，泵輪葉片的吸力面與壓力面的液相分布逐漸變得不均勻，壓力面液相占比逐漸增加，吸力面液相占比逐漸減少，且液相中逐漸融入大量氣體，壓力面與吸力面液相占比相差逐漸增大，泵輪葉片兩側(cè)壓力差也逐漸增大，輸出轉(zhuǎn)矩增大。

圖5 充液率為50%的泵輪葉片上氣液兩相分布圖

文獻(xiàn)[6]中采用在泵輪葉片上安裝平面陣列傳感器的方式得出了泵輪葉片上氣液兩相分布情況，該文所使用的偶合器的泵輪葉片與本文所用模型都為桃型，為本文提供了一個很好的參照。圖6a）與圖6b）分別為80%充液率下轉(zhuǎn)速比i= 1、i= 0.6時的液相體積分布試驗與模擬對比圖。其中紅色部分為油液，藍(lán)色部分為氣體。當(dāng)i= 1時，泵輪與渦輪之間沒有相對滑移，工作腔相當(dāng)于一個整體的運動的腔體，各腔體間無耦合作用，因為沒有滑差的存在，工作腔油液只受到離心力的作用，葉片兩側(cè)無壓力差，腔體內(nèi)沒有環(huán)流產(chǎn)生，壓力面與吸力面上的氣液兩相分布基本相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速比降為i= 0.6時，泵輪與渦輪之間由于滑差的存在而形成環(huán)流，從渦輪折返回的油液受到泵輪較強離心力的作用，迅速被送往泵輪外緣，因此壓力面氣液兩相分界面呈現(xiàn)出一個傾斜的角度。但是由于輔室的原因，充液量相對于試驗較高，因此跟試驗結(jié)果整體略有不同，但氣液兩相分布交界面趨勢基本一致。

圖6 充液率為80%下的泵輪葉片液相體積分布對比圖

4 模擬結(jié)果與試驗對比分析

限矩型液力偶合器在不同工況，環(huán)流狀態(tài)會呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，在大環(huán)流向小環(huán)流的過渡過程中，力矩也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，圖7為試驗與模擬轉(zhuǎn)矩特性對比曲線圖，由圖可知，力矩特性曲線存在跌落區(qū)，該區(qū)域即意味著限矩型液力偶合器內(nèi)部環(huán)流特性發(fā)生了突變，即從大環(huán)流向小環(huán)流進(jìn)行了過渡，說明了VOF模型對限矩型液力偶合器環(huán)流特性預(yù)測的有效性。通過轉(zhuǎn)矩特性對比可知，在低轉(zhuǎn)速比的條件下，VOF模型所得結(jié)果與試驗相差較大，轉(zhuǎn)速比較高時，與試驗結(jié)果吻合較好，這是由于在低轉(zhuǎn)速比時，偶合器內(nèi)部流動較為復(fù)雜，存在著一些油氣混合物，而此種狀況并不適合采用VOF模型，因此誤差較大，高轉(zhuǎn)速比時，油液在偶合器內(nèi)部呈現(xiàn)小環(huán)流的狀態(tài)，油氣分層明顯，因此VOF模型較為合適，誤差較小。

圖7 試驗與模擬轉(zhuǎn)矩特性對比曲線圖

5 結(jié)論

1）本文對YOX500型限矩型液力偶合器進(jìn)行模擬計算，得到了3種不同充液率下3種典型工況的氣液兩相分布情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速比不變時，隨著充液率的增加，工作腔內(nèi)部的循環(huán)流量增加，轉(zhuǎn)矩增大；充液率不變時，隨著轉(zhuǎn)速比的降低，偶合器內(nèi)部環(huán)流狀態(tài)由小環(huán)流慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟓h(huán)流，且泵輪壓力面液相逐漸增多，吸力面液相逐漸減少。

2）通過對限矩型液力偶合器內(nèi)部氣液兩相交界面進(jìn)行追蹤模擬，得到泵輪葉片吸力面與壓力面的液相體積分布，并通過與文獻(xiàn)中的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其與試驗結(jié)果較為吻合，表明了VOF模型在偶合器內(nèi)部兩相流動研究中的可行性。

3）將模擬所得的轉(zhuǎn)矩特性曲線跟試驗結(jié)果進(jìn)行對比，環(huán)流狀態(tài)發(fā)生改變所處工況點與力矩跌落工況點基本一致，驗證了該方法的有效性。從所得轉(zhuǎn)矩特性曲線來看，該方法在低轉(zhuǎn)速比時誤差較大，高轉(zhuǎn)速比時與試驗結(jié)果吻合較好。