液力变矩器内三维非定常动静干涉流动计算

　　0 引言

　　液力变矩器是一种包含离心泵轮、向心涡轮和轴流式导轮的透平机械，它是机械和液力机构的复杂耦合系统，装有液力变矩器的动力传动系统可以使整个系统平稳起步、无级变速和变矩，因此液力变矩器是其中的关键部件之一[1-4]。液力变矩器的流道是由内环、外环及许多叶片构成的空间。液力变矩器工作时，由于流道的几何形状变化复杂、液体介质的黏性及其不可压缩性等，使得液体在流道内的运动不断地发生变化。此外，液力变矩器中泵轮、导轮和涡轮流道间相对运动的产生存在动静干涉的问题，并且各叶轮流道内部的流动情况时刻受相邻叶轮的影响，故其内部流动呈现为非定常的湍流特征。

　　为此，国外学者对叶轮机械中动、静叶轮流道间相互干涉流动等非定常流动问题进行了大量研究，Marathe B V 等[5]采用五孔探针监测在非定常流场中涡轮等对导轮不同位置的压力影响。Dong Y等[6]将五孔探针安装在泵轮旋转流道内监测泵轮内流场流动特征，并分析得出各流动特征的产生机制。

　　Kraus SO等[7]利用激光测速仪测量不同速比下液力变矩器非定常流动的周期性速度，分析泵轮和涡轮交界面流场周期性流动的原因。Schlienger J等[8]通过试验测量转子叶片出口流动，研究轴流式涡轮中涡流–尾流叶片相互干涉等非定常流动机制。Payne S J 等[9]试验研究了在发动机典型工况下高压涡轮级的非定常流动损失，探讨转子叶片相互干涉的影响情况。由于透平机械非定常流动的研究对实验硬件要求非常高，国内的研究还主要局限于数值仿真分析，谢永慧[10]和刘占生等[11]计算分析了透平级三维黏性非定常流动特性以及不同工况下的离心泵叶轮上的稳态和瞬态作用力的变化规律。目前，国内对液力变矩器非定常流动研究的方法相对较少，而且尚未发现基于滑移网格技术来研究液力变矩器内动、静叶轮流道间相互干涉问题的国内外公开文献。因此，本文借助滑移网格技术在各静止和旋转部件间引入交界面，利用 RNG k-ε 湍流模型，建立了液力变矩器三维黏性非定常流动计算模型，基于该模型分析包含 2 排动叶(即泵轮和涡轮)和 1 排静叶(即导轮)的液力变矩器内动、静叶轮流道间相互干涉引起的三维非定常流场特性，以液力变矩器泵轮为研究对象，获得其所受流体压力的主要特征;同时，得到作用于泵轮随时间变化的激振力，通过频谱分析出对泵轮产生影响的主要激振力成分，为研究液力变矩器内三维非定常湍流流动规律以及叶轮的振动响应和疲劳失效提供了理论依据。

　　1 数值方法

　　1.1 控制方程和湍流模型