马珂婧，何　林2,，何立萍，陈明强

(1.贵州大学，贵州贵阳550025;2.贵州师范学院，贵州贵阳550025;3.中国南方航空工业有限公司，湖南株洲412002)



液力变矩器三维瞬态流场分析

马珂婧1，何林2,1，何立萍3，陈明强1

(1.贵州大学，贵州贵阳550025;2.贵州师范学院，贵州贵阳550025;3.中国南方航空工业有限公司，湖南株洲412002)

摘要：为实现液力变矩器在大型机械中的高效传动，需对变矩器瞬态流场特性进行分析研究。建立了液力变矩器各叶轮全流道模型，计算中压力速度耦合算法采用Coupled 算法、空间离散格式为二阶上游迎风格式，湍流模型选为 Realizable k - ε模型，利用多流动区域耦合算法中滑移网格法实现叶轮间流动参数的实时传递。整理计算结果,得到液力变矩器全流道瞬态特性曲线，分析变矩器的内流场可获得流场分布特性, 为今后液力变矩器性能的改善和优化设计提供比较科学的依据。

关键词:液力变矩器瞬态分析数值模拟滑移网格

0引言

通过流体传递动力的液力变矩器因其在传动中表现出的优越性广泛应用于机械传动系统中[1-2]。液力变矩器作为机械传动系的核心部件，对大型机械的动力性和经济性有重要影响。液力变矩器内部流动决定外部性能，因此国内外诸多专家学者参与研究其内部流动。Hadi Adibi Asl等提出了一个预测变矩器特性的变矩器动态数学模型，研究其内部流动[3]。哈尔滨工业大学的毕强采用CFX软件对LB46型变矩器进行了内流场数值计算[4]，但是他提取的是变矩器的单流道模型；重庆大学的谢清乐等采用Fluent软件对不同导叶开度的LB46型变矩器进行全流道数值仿真[5]，但是他采用的是MRF技术，在现有的CFD软件平台中出现了诸如多参考系(MRF)、混合平面、滑移网格、动网格技术，在这些技术中只有滑移网格和动网格是真正进行动态模拟，可以给出运动边界的实时运动状况下的瞬态流场[6]。吉林大学刘春宝等进行了液力变矩器三维瞬态流场计算[7]，但他没有对整个变矩器流场压力分布进行对比分析。

为了更好的把液力变矩器应用到大型机械中，对其内流场进行研究有着重要意义。本文结合液力变矩器三维流动理论和计算流体动力学的发展，利用Fluent软件，采用滑移网格技术，计算液力变矩器流场以得到流场的瞬态特性。对液力变矩器进行特性预测，不仅缩短了研发周期，而且在对其三维瞬态复杂流场进行直观的相关分析之后，有利于设计出性能更加优越的液力变矩器。

1内流场分析的基本控制方程

流体流动遵守物理守恒定律，对复杂的液力变矩器内流场进行数值分析时，为简化计算，液力变矩器数值模拟过程中未考虑温度变化，因此只须遵守质量守恒定律、动量守恒定律和湍流模型方程[8]。

对于不可压缩均质流体流动质量守恒方程为：

(1)

其中，u、v、w分别为流动速度矢量V在x、y、z三个坐标方向上的分量。

对于本文的定常流动，动量守恒方程为：

(2)

其中，ρ为流体密度，t为时间。

式(1)、(2)合称为N-S方程组，为绝对坐标系下瞬态流动控制方程。雷诺将N-S方程时均化处理得到雷诺方程，是目前数值模拟最常用的方法。

为更准确的计算变矩器瞬态流动而选择Realizablek-ε湍流模型。针对变矩器内部的旋转流场，与标准k-ε模型相比，模型的湍流粘度计算公式引入了与旋转和曲率有关的内容，并且其可以保持雷诺应力与真实湍流的一致性，在计算旋转均匀剪切流以及存在流动分离的流动等复杂问题时，计算结果更精确。

2液力变矩器瞬态流动数值模拟方法

仿真用的模型叶片部分是由采用环量分配法和基于UG NX的二次开发功能制作的参数化设计模块生成。在UG NX中输入一组特定液力变矩器参数值后，程序将会自动生成根据参数合理配置的3D叶片实体模型。并和参数对应的变矩器壳体等其它结构进行装配，建立相应的液力变矩器模型后，用ICEM_CFD给几何体划分非结构网格。变矩器模型如图1所示。

图1　几何模型和全流道网格模型

应用雷诺方程求解瞬态流场时，应实现叶片交互面流动参数的实时传递。在MRF和混合平面法基础上发展起来的滑移网格能描述计算区域的瞬态运动，因此，将整个流域划分成3个计算域，泵轮流域，涡轮流域，导轮流域。在3个计算域之间建立了3对滑移网格交界面实现叶轮间流动参数的实时传递。

图2　计算流程图

图2为CFD中瞬态流场计算的流程图。计算中采用Pressure-Based的Coupled求解器，空间离散格式为二阶上游迎风格式，湍流模型选为Realizablek-ε模型。计算收敛条件为两次迭代残差小于10-3。计算中采用的边界条件有：在叶轮交互面设置网格分界面，其他边界都为壁面条件。对变矩器速比在0～1范围内11个均布工况进行CFD 数值计算。

3流场瞬态计算结果与分析

液力变矩器数值计算中：

时间步长Δt=0.000 076 666 7 s，时间步数为390。

用以下工作参数来综合测量变矩器特性，其中下标P和T分别代表泵轮和涡轮。

速比的定义是涡轮旋转速度除以泵轮旋转速度：

(3)

变矩比(TR)的定义是涡轮扭矩与泵轮扭矩之商，代表变矩器改变扭矩的能力：

(4)

液力效率(η)的定义是涡轮输出功率除以泵轮输入功率，代表变矩器经济特性：

(5)

泵轮容量系数C是由尺寸分析导出的，代表泵轮吸收能量的能力：

(6)

计算后获得了速度和压力分布并且可以在后处理中查看各个叶轮的扭矩。图3显示了仿真得出的变矩器特性曲线，即变矩比、效率和泵轮容量系数在不同速比SR下的值。

图3　仿真得出的变矩器特性曲线

图中显示随着SR的减小，TR的值逐渐增大。出现此变化的原因为当行驶阻力增大而导致SR减小时，变矩器将会自动输出大转矩。在实际应用中，主要关注变矩器的工作效率，当SR从0增加到0.8时，η逐渐增加。然而，SR超过0.8后，效率又逐渐下降。当SR为0.8时，达最大效率0.84。在SR=0.8之后，扭矩比和效率都下降的原因是由环流和涡流合成的螺旋流冲击导轮非工作面导致能量损失[9]。由此特性曲线即可预测液力变矩器重要工作特性，如液力效率、变矩比以及泵轮容量系数随速比变化趋势。

如图4显示的是变矩器叶轮在启动工况时流场的压力分布，起动工况时,涡轮转速为零,由于离心力和叶轮旋转产生的科氏力作用，涡轮叶片工作面一侧进口附近因受到泵轮出口高速流主流冲击，产生了沿径向分布的细长带状高压区域，即整个工作表面承受高压,而非工作面一侧相应区域此时只受到一小部分压力。由于该工况的不稳定性，导轮的工作面和非工作面压力分布差异较大，因此出现了明显的高低压分界区。

图4　SR=0流场压力分布

图5为高效工况时的流场压力分布,此时，由于泵轮和涡轮转速都较高,离心力较大,流道的外环压力明显高于内环压力。涡轮流道中工作介质的压力逐步下降,这是因为工作介质进入涡轮后,高速冲击涡轮叶片,使涡轮旋转对外做功,输出能量,这使得涡轮出口处压力低于入口处。由于此时螺旋流与导轮叶片几乎相切，导轮叶片承受均匀低压。

图5　SR=0.8流场压力分布

4结论

1)通过上述数值模拟方法实现了液力变矩器全流道瞬态数值求解，并获得逼近真实流动的变矩器内流场特性曲线和变矩器流场压力分布，动态流线图呈现了变矩器内部流体的流动情况，验证了该数值模拟方法的合理和可行性。

2)采用滑移网格技术数值计算瞬态、时均化的变矩器三维湍流流动控制方程的计算方法，为变矩器特性预测提供了有效的数值模拟方法。

3)计算出了液力变矩器瞬态流动分布，并结合三维束流理论和计算流体动力学拟合该型液力变矩器瞬态特性曲线，数值分析的结果可以作为对某型变矩器的有限元分析的条件，经过对比分析典型工况下流场分布，总体了解某型液力变矩器流场的全流道全工况流动情况，为进一步深入了解变矩器内部湍流结构和进行叶片的优化提供依据。

参考文献

[1]Liu C, Untaroiu A, Wood H G, et al. Parametric analysis and optimization of inlet deflection angle in torque converters[J]. Journal of Fluids Engineering,2014,137(3).

[2]Wu H, Feng L, Zhang H. Computer aided calculation of matching between engine and hydraulic torque converter[C]//2010 2nd International Conference on Future Computer and Communication(ICFCC). IEEE,2010: V2-6-V2-9.

[3]Adibi Asl H, Lashgarian Azad N, McPhee J. Math-based modeling and parametric sensitivity analysis of torque converter performance characteristics[D].SAE,2011.

[4]毕强. LB46型可调式离心涡轮变矩器内流场数值计算及分析[D]. 哈尔滨工业大学，2011.

[5]谢清乐，李奇敏.导叶可调式液力变矩器的内流场数值分析[J].计算机仿真，2013,30(8)：135-138.

[6]江帆.Fluent高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

[7]刘春宝,马文星，朱喜林.液力变矩器三维瞬态流场计算[J].机械工程学报，2010,46(14):161-166.

[8]罗惕乾. 流体力学[M]. 北京: 机械工业出版社，2007.

[9]王欢，吴光强，冀海燕．超扁平化液力变矩器泵轮流场主流特征分析[J]．江苏大学学报(自然科学版)，2009，30(5)：463-466．

何林(1965-)，男，四川省盐亭人，教授，博士研究生导师，主要研究领域为先进加工技术及装备、摩擦与表面工程。

何立萍(1963-)，女，湖南省株洲市人，工程师，主要研究领域为航空发动机失效分析。

3D transient analysis of the flow field in the hydraulic torque converter

MA Kejing，HE Lin，HE Liping，CHEN Mingqiang

Abstract:In order to achieve efficient transmission of the hydraulic torque converter in large machines, the transient characteristics of the flow field in the torque converter need to be studied. In this study, we established a model of all the impeller channels of the torque converter, then adopted the coupled algorithm for pressure-velocity coupling, the second-order upwind format for space discretization, the Realizable k-ε model for turbulent flow, and sliding mesh method(one of the coupling algorithms for multi-flow regions) for the real-time transfer of the flow parameters between impellers. Through the calculation and analysis, we obtained the transient characteristic curve of the impeller channels, and the flow field distribution in the torque converter. This study could help to improve the performance and optimize the design of the hydraulic torque converter.

Keywords:hydraulic torque converter; transient analysis; numerical simulation; sliding mesh

收稿日期：2015-11-08

作者简介：马珂婧(1990-)，女，湖南株洲市人，硕士研究生，研究方向：流体机械。

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0015-04