多叶排定常耦合算法的液力变矩器三维流场分析

　　引 言

　　液力变矩器,由于其具有外载荷自动适应、无级变速、减振隔振、过载保护、有效延长整机使用寿命等诸多优点，被广泛应用于汽车、机车、军用车辆、工程机械、石油钻机等行业。目前国内市场上所熟知的“自排”轿车的无级变速性能便来自于液力变矩器及其电控设备。

　　与传统的机械式传动不同，液力变矩器采用的是一种柔性传动，传动介质是液力传动油。发动机驱动泵轮高速旋转，通过带动液力油冲击涡轮叶栅来进行动力的传递，涡轮流出的液力油通过导轮叶栅改变其动量矩而流回到泵轮入口，完成其叶轮增扭、油液循环的过程。

　　长期以来，在国内和国外，使用一维束流理论对液力变矩器进行初步设计计算再辅助以反复的试验修正（cut and try），是工程界普遍采用的技术方案。但是这种设计方法忽略了液体的粘性、叶片的厚度等许多重要的影响因素，设计结果与试验值相差较大，其初始设计的误差可以达到 20%。一直以来，液力变矩器的设计具有很高的难度，投入大、周期长、设计把握性差，而且在修正和改进叶栅系统时只能凭借经验。

　　1 现阶段叶轮机械 CFD 的发展水平

　　液力变矩器内部流场的流动是湍流流动，由于湍流本身的复杂性，时至今日其流动机理仍困扰着全世界的流体理论学家。

　　近年来，由于计算机技术以及离散技术的快速发展，目前采用有限元法、有限体积法对三维流场的N-S 方程进行数值求解已经成为现实。计算流体力学 Computational Fluid Dynamics（CFD）技术在很多领域得到了成功的应用。

　　在叶轮机械领域 CFD 技术也得到了广泛的应用。表 1 列出了现阶段叶轮机械 CFD 的发展水平[1]。

　　可以看出，目前较多使用的是稳态单排叶片的算法。由于受制于多叶轮相干流动理论和计算机计算能力的限制，多叶排非定常计算目前应用较少，逐渐能够接受的是多叶排定常计算方法。

　　本文将在现有变矩器流场分析资料的基础上，对稳态多叶排的流场分析方法进行研究。

　　2 流场计算的基本流程和基本控制方程

　　目前得到广泛应用的流场计算方法是有限体积法，其流场计算的基本流程为：

　　1）基于要求解的问题选择各控制方程，并建立偏微分格式的方程组。

　　2）进行网格的划分，将连续的求解域离散化。

　　3）结合边界条件在离散后的区域内将原偏微分方程组离散，并转化为大量的网格中的代数方程组。

　　4）采用快捷高效的方程组解法对大量的代数方程组进行求解。

　　5）将计算结果反复迭代，直至求解出整个流场的收敛解。