限矩型液力偶合器內(nèi)部兩相流動數(shù)值模擬

唐欣怡, 李志鵬*,, 王陽, 李鐵梅, 孫軍紅

(1. 長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,長沙 410114; 2. 湖南中特液力傳動機械有限公司,湖南益陽 413003)

動壓泄液式限矩型液力偶合器主要通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部充液率實現(xiàn)輕載啟動、過載保護(hù)、協(xié)調(diào)多動力機運行等功能,內(nèi)部流場特性決定了其轉(zhuǎn)矩輸出特性,因此研究限矩型液力偶合器內(nèi)部流場對偶合器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義[1]。

目前針對限矩型液力偶合器內(nèi)部流場的研究方法主要有實驗與CFD(Computational fluid dynamics)數(shù)值模擬。國內(nèi)外學(xué)者主要通過實驗方式對液力偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行可視化研究,Hampel等[2]通過γ射線斷層掃描成像技術(shù)對30%充液率不同轉(zhuǎn)速比的偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行實驗,得到其工作腔不同斷面的氣液兩相分布情況。Da Silva等[3]通過在泵輪葉片兩面安裝平面陣列傳感器的方式,得出了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。李興忠等[4]利用PIV(Particle image velocimetry)技術(shù)對偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行測量,分析了在不同工況條件下不同流道區(qū)域的速度場和渦量場。盧秀泉等[5]結(jié)合PIV技術(shù)對液力偶合器進(jìn)行了可視化與外部特性同步測試實驗,對調(diào)速工況下偶合器渦輪內(nèi)部瞬態(tài)流動特性進(jìn)行了研究。

由于實驗周期較長、平臺搭建成本較高且操作較為復(fù)雜,所以CFD技術(shù)在偶合器內(nèi)部流場模擬研究方面得到了廣泛的應(yīng)用[6]。Bai等[7-8]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,利用Reynolds平均法對矩形流道的液力偶合器內(nèi)部流場求解,發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合度較高,且解釋了液力偶合器扭矩傳遞的物理過程。Huitenga等[9-10]利用CFD研究方法分析了影響限矩形偶合器性能的參數(shù),奠定了將CFD技術(shù)運用到液力偶合器優(yōu)化的基礎(chǔ)。Hur等[11-12]利用CFD技術(shù)模擬液力偶合器兩相瞬態(tài)流場,研究了不同充液條件、不同的葉片傾斜角度和速度比下液力偶合器的流動特性,得出葉片角度會影響流場速度分布情況、液相體積分?jǐn)?shù)會影響傳動性能的結(jié)論。張德生等[13-14]將CFD技術(shù)應(yīng)用到液力偶合器的流道腔型優(yōu)化中,設(shè)計提出優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。趙繼云等[15]采用VOF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。王陽等[16]利用VOF模型對液力偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行瞬態(tài)分析,總結(jié)了其流場結(jié)構(gòu)的變化與規(guī)律。盧秀權(quán)等[17]利用Mixture模型實現(xiàn)了對限矩形液力偶合器內(nèi)部流場分布情況的預(yù)測,且通過試驗獲得的外特性對比,對數(shù)值模擬方法的適用情況進(jìn)行評價。

目前,針對限矩型液力偶合器內(nèi)部兩相流的研究主要基于單個兩相流模型,不同工況下的偶合器內(nèi)部氣液兩相流場差異較大,單一的兩相流模型并不能完全適用于全工況限矩型液力偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行的模擬,因此本文分別利用VOF與Mixture兩種兩相流模型對YOX500型限矩型液力偶合器工作腔進(jìn)行瞬態(tài)分析,通過VOF模型得到其氣液兩相分布,通過Mixture模型得到其壓力速度場分布,從而揭示其內(nèi)部流場特性,并得出兩種兩相流模型的適用性規(guī)律,為偶合器內(nèi)部流場模擬提供方法。

1 物理模型的建立

本文選取YOX500型限矩型液力偶合器為研究對象,對泵輪、渦輪及前輔腔之間工作腔中兩相運動情況進(jìn)行研究。此型號液力偶合器循環(huán)圓直徑為500 mm,泵輪44枚葉片,渦輪38枚葉片,將其整體流道結(jié)構(gòu)提取如圖1a)所示,網(wǎng)格模型如圖1b)所示。工作腔內(nèi)油液為6號液力傳動油,設(shè)置其密度為860 kg/m3,黏度為0.025 8 Pa·s,油液與空氣之間的張力系數(shù)設(shè)置為0.025 N/m。

圖1 幾何模型

為實現(xiàn)對YOX500型液力偶合器工作腔內(nèi)部的數(shù)值求解,結(jié)合偶合器的工作流場特點,首先假設(shè):

1) 偶合器工作腔為密閉結(jié)構(gòu),無工作油液的流入流出;

2) 偶合器葉輪為剛體,工作中無變形,流道空間不改變;

3) 工作油液的黏性系數(shù)不變;

因為泵輪、渦輪及前輔腔之間存在復(fù)雜的耦合運動,為保證數(shù)值計算的精度及收斂穩(wěn)定性,本文使用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格對偶合器流道進(jìn)行劃分,如圖1b)所示,網(wǎng)格數(shù)量為6.6×105,網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.56。兩相流模型分別選用VOF與Mixture模型,湍流模型采用RNG(Re-normalization group)k-ε方程,壓力、速度耦合方式采用PISO(Pressure-implicit with splitting of operators)算法對偶合器瞬態(tài)流場進(jìn)行數(shù)值計算。

2 計算分析模型的建立

2.1 兩相流模型

限矩型液力偶合器內(nèi)部的流動是三維的、不可壓縮的非定常兩相流動,選取的兩相流模型是否合適對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有著較大影響。本文分別選用VOF模型與Mixture模型對限矩型液力偶合器內(nèi)部流場進(jìn)行瞬態(tài)分析。

Mixture模型是一種簡化的多相流模型,可以通過求解混合物的動量、連續(xù)性和能量方程、次相的體積分?jǐn)?shù)方程和相對速度的代數(shù)表達(dá)式來模擬相。

其連續(xù)性方程為

(1)

通過將各相的動量方程求和來獲得混合相的動量方程,其可以表示為

(2)

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

(3)

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)。

(4)

2.2 滑移網(wǎng)格模型

偶合器在運行過程中始終存在滑差,為了更好地模擬泵輪與渦輪之間的耦合作用,采用滑移網(wǎng)格模型對泵輪與渦輪區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。運用滑移網(wǎng)格時,計算域至少包含兩個或多個存在相對運動的子域,每個子域存在一個或多個與其他相鄰子域的交界面,稱為interface,本文interface設(shè)置如圖 2所示。

圖2 泵輪和渦輪流道的interface示意圖

2.3 初始化

在使用VOF模型求解時,因為偶合器內(nèi)部始終處于部分充液,因此需要對其進(jìn)行初始化設(shè)置。恰當(dāng)?shù)某跏蓟椒軌蚣涌焓諗克俣?提高模擬準(zhǔn)確度,本文試用了兩種初始化方式,并對其收斂情況進(jìn)行比較。

方法一是以真實初始狀態(tài)確定初始化氣液兩相分布,如圖3a) 所示。方法二是根據(jù)對結(jié)果的預(yù)估進(jìn)行初始化設(shè)置,定義流道外圍為液相,流道內(nèi)部為氣相,如圖3b)所示。以轉(zhuǎn)速比0.2充液率50%的情況為例,分別使用兩種初始化方法對液力偶合器內(nèi)部流動進(jìn)行模擬,并對其收斂速度及結(jié)果進(jìn)行比較。圖4a)為運用方法1初始化得到的泵輪轉(zhuǎn)矩圖,圖4b)為運用方法2初始化得到的泵輪轉(zhuǎn)矩圖,可以看出運用方法二模擬所得的泵輪轉(zhuǎn)矩在約在0.175 s時保持穩(wěn)定,不再發(fā)生過大波動,從收斂時間和收斂情況來看都優(yōu)于方法一所得到的結(jié)果。所以為保證模擬準(zhǔn)確度和加速收斂過程,本文選用方法二進(jìn)行偶合器流場初始化。

圖3 50%充液率下初始化圖

圖4 轉(zhuǎn)矩監(jiān)測曲線

3 流場分析與特性預(yù)測

限矩型液力偶合器內(nèi)部氣液兩相流動較為復(fù)雜,在不同轉(zhuǎn)速比和充液率下,產(chǎn)生不同形態(tài)的環(huán)流,從而改變偶合器外特性輸出。本文模擬了50%、62.5%、80%充液率的偶合器在3種典型工況下的工作腔中流場運動情況,通過分析使用VOF模型模擬得出的氣液兩相體積分布云圖與使用Mixture模型模擬得出的壓力分布云圖和速度矢量圖來揭示限矩型偶合器的流場運動特性。

3.1 啟動工況

圖5為轉(zhuǎn)速比i=0時的啟動工況下,3種典型充液率(q=50%,q=62.5%,q=80%)的氣液兩相體積分布云圖。

圖5 3種充液率下軸向截面氣液兩相體積分布云圖(i=0)

圖5中藍(lán)色區(qū)域為氣相,紅色區(qū)域為液相,其它顏色為不同混合程度的氣液混合物。在啟動工況下,大部分油液停留在前輔腔中,參與流動的小部分油液由泵輪進(jìn)入渦輪后,受到渦輪離心壓力阻抗的作用很快折回泵輪,且高速流動的油液會受到渦輪葉片的阻礙,在渦輪入口處形成油液混合空氣的漩渦,因此渦輪流道內(nèi)出現(xiàn)大片由液相包裹著的氣相區(qū)域。隨著充液率的增加,液相中夾雜氣相的比例降低,氣相區(qū)域面積隨之減小。

啟動工況下,泵輪高速旋轉(zhuǎn),渦輪靜止,由圖6可以看出,泵輪出入口與渦輪出入口有著明顯的壓力集中,且此時腔內(nèi)壓力分布不均衡,出現(xiàn)大面積負(fù)壓區(qū)域。此工況下工作腔內(nèi)的油液做大環(huán)流運動,沿壁面處流道有著較高的壓力分布,氣體被包裹在泵渦輪中部,因此這些區(qū)域出現(xiàn)明顯的負(fù)壓,且負(fù)壓區(qū)偏向渦輪側(cè)分布較大。

圖6 3種充液率下軸向截面壓力分布云圖(i=0)

圖7為啟動工況下的速度矢量圖。由于此時泵輪出口、渦輪入口處與渦輪出口、泵輪入口處兩側(cè)壓力差達(dá)到最大,因此這兩處速度值也達(dá)到最大。偶合器內(nèi)介質(zhì)在經(jīng)過泵輪牽引及離心力的作用下以較高的速度進(jìn)入渦輪,在經(jīng)由渦輪外壁做環(huán)流運動后大部分進(jìn)入前輔腔,少部分進(jìn)入泵輪開始下一輪循環(huán)流動。由于高速旋轉(zhuǎn)的泵輪對回流介質(zhì)產(chǎn)生的阻礙作用,因此在渦輪內(nèi)形成了一個渦流區(qū)域,整個工作腔內(nèi)呈現(xiàn)出一種大環(huán)流的流動狀態(tài)。

圖7 3種充液率下軸向截面速度矢量圖(i=0)

3.2 牽引工況

牽引工況時,渦輪轉(zhuǎn)速升高,泵輪與渦輪間的滑差減小,渦輪對油液的離心阻抗減小,如圖8所示,3種充液率下工作腔內(nèi)都出現(xiàn)明顯的氣液兩相分界面。在低充液率時,油液在泵輪腔上部及渦輪腔內(nèi)大部分區(qū)域循環(huán),氣體主要分布在前輔腔及泵輪中下部。在充液率為80%時,泵渦輪腔內(nèi)充滿大量油液,隨著環(huán)流區(qū)的擴大,部分油液由渦輪工作腔進(jìn)入前輔腔形成環(huán)流,部分氣體與油液混合,分布在流道外沿參與循環(huán)。

圖8 3種充液率下軸向截面氣液兩相體積分布云圖(i=0.6)

圖9為牽引工況下的壓力分布云圖,圖10為速度矢量圖。隨著轉(zhuǎn)速比的增加,工作腔內(nèi)的壓力逐漸趨向于帶狀分布,泵輪與渦輪之間的兩側(cè)壓力差減小,因此最大速度值會相對減小,但最大速度依然會出現(xiàn)在兩個壓力差較大的地方,即泵輪出口、渦輪入口處與渦輪出口、泵輪進(jìn)口處。同時轉(zhuǎn)速比的增加使得泵輪與渦輪間的阻礙作用降低,泵輪與渦輪內(nèi)的渦流減弱,因此,油液在進(jìn)入渦輪上部大圓弧段速度達(dá)到最大值之后受到壁面阻礙,速度逐漸減小,且渦流中心逐漸向工作腔中心移動,環(huán)流形態(tài)由大環(huán)流慢慢向小環(huán)流轉(zhuǎn)變,被環(huán)流包裹的油液滯流區(qū)域逐漸縮小,從速度矢量圖可以看出,滯流區(qū)隨充液率的升高逐漸縮小。

圖9 3種充液率下軸向截面壓力分布云圖(i=0.6)

圖10 3種充液率下軸向截面速度矢量圖(i=0.6)

3.3 額定工況

當(dāng)偶合器達(dá)到額定工況時,進(jìn)入渦輪的油液受到渦輪離心壓力阻抗很快折回泵輪,此時腔內(nèi)為小環(huán)流形態(tài)。如圖11所示,3種充液率下偶合器氣液分界面都十分明顯,且?guī)缀醭尸F(xiàn)水平,這是由于泵輪與渦輪間滑差很小,液體在泵輪和渦輪中所受離心壓力的差值也很小,所以氣液分界面沒有發(fā)生明顯傾斜,且可以看出,氣體全部位于工作腔內(nèi)側(cè),幾乎無氣液混合物參與循環(huán),此時偶合器已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)運行狀態(tài)。

圖11 3種充液率下軸向截面氣液兩相體積分布云圖(i=0.96)

圖12為額定工況下的壓力分布云圖。此時腔內(nèi)油液環(huán)流作用減弱,環(huán)流形態(tài)穩(wěn)定,壓力呈現(xiàn)出基本水平的層狀分布,且與工作腔半徑呈明顯線性關(guān)系,并隨充液率的升高流道整體壓力增大。

圖12 3種充液率下軸向截面壓力分布云圖(i=0.96)

圖13為額定工況下的速度矢量圖。在額定工況時,泵輪與渦輪趨于同步運轉(zhuǎn),油液進(jìn)入渦輪后能量損失較少,所以泵輪出口速度和渦輪出口速度基本相等。此時泵輪與渦輪間壓力基本相同,因此工作腔內(nèi)介質(zhì)流速較小,且3種充液率下的速度分布和速度值無明顯區(qū)別。由圖13可看出,到達(dá)額定工況后,偶合器內(nèi)部環(huán)流區(qū)域減小,這是因為內(nèi)部工作介質(zhì)從泵輪流出后,由于渦輪此時轉(zhuǎn)速較高,強離心作用使得工作介質(zhì)較快的折返回泵輪,因此,工作腔內(nèi)呈現(xiàn)出一種小環(huán)流的流動形態(tài)。

圖13 3種充液率下軸向截面速度矢量圖(i=0.96)

3.4 仿真結(jié)果分析

如圖14所示,實線為Mixture模型下不同充液率的泵輪轉(zhuǎn)矩特性曲線,虛線為VOF模型下不同充液率的泵輪轉(zhuǎn)矩特性曲線。限矩型液力偶合器在發(fā)生過載時,內(nèi)部環(huán)流狀態(tài)會由小環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟓h(huán)流,其在外特性的表現(xiàn)上主要是會出現(xiàn)力矩的跌落。本文分別采用VOF模型與Mixture兩相流模型分別對限矩型液力偶合器50%、62.5%、80%充液率下內(nèi)部氣液兩相流場進(jìn)行分析,可以看出,VOF模型所計算出來的不同充液率下轉(zhuǎn)矩特性曲線在轉(zhuǎn)速比0.4～0.7之間會出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)矩跌落區(qū)域,VOF模型能夠較好地模擬出限矩型液力偶合器內(nèi)部轉(zhuǎn)矩跌落特性。Mixture模型作為一種簡化的兩相流模型,在模擬高、低轉(zhuǎn)速比工況時的轉(zhuǎn)矩值仍具有一定的參考價值,但無法模擬出內(nèi)部因流態(tài)變化而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩跌落現(xiàn)象。

圖14 轉(zhuǎn)矩特性曲線

4 結(jié)論

1) 本文基于CFD計算,分別用VOF模型和Mixture模型對YOX500型液力偶合器在3種充液率的不同工況下的流場進(jìn)行模擬。通過使用VOF模型模擬得出的氣液兩相體積分布云圖與使用Mixture模型模擬得出的壓力分布云圖和速度矢量圖可直觀地反映出偶合器工作腔內(nèi)部工作油液的流動狀態(tài)與規(guī)律,為偶合器流道設(shè)計及優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

2) 在使用VOF模型進(jìn)行模擬時,分別試用兩種初始化方法,發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用方法二即油液均勻分布在工作腔外緣時,收斂速度較快,收斂效果好。

3) 對比VOF模型與Mixture模型所得的轉(zhuǎn)矩特性發(fā)現(xiàn),VOF模型可以較好地模擬出由環(huán)流狀態(tài)改變而引起的轉(zhuǎn)矩跌落情況,Mixture模型作為簡化的兩相流模型并不能模擬出此效果,但在高、低轉(zhuǎn)速比時模擬的轉(zhuǎn)矩值依舊具有參考價值。