基于CFD技术的液力减速器性能预测研究

　　引 言

　　液力减速器作为一种重要的辅助制动装置，在国外已被普遍使用。在国内，由于人们对车辆行驶安全性的日益重视，近年来，许多最新研制和投入使用的载重汽车、城市公交车、旅游客车及工程车辆也已将其作为标准配置所应用。但是，就国内来说，液力减速器的设计理论还不完善，现有产品多以仿制为主，或直接引进国外产品，分析计算则仍以束流理论为基础。虽然束流理论简单直观，能够在一定程度上反映宏观性能与设计参数之间的关系，但是它对流体机械内流场作了一系列简化假设[1]，不足以全面揭示流场的内部特性以及内外特性之间的变化规律。随着计算机技术和计算流体动力学的快速发展，CFD 技术在流体机械领域得到了广泛应用[2]。为了进一步研究液力减速器的内、外特性，本文基于CFD 技术，对液力减速器进行了三维流场数值模拟分析。

　　1 CFD 数值模拟

　　计算流体动力学，简称 CFD（CFD，Computational FluidDynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD收稿日期：2006-01-28 修回日期：2006-04-12作者简介：王峰(1979-), 男, 浙江绍兴人, 博士生, 研究方向为流体传动与控制的基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[3]。

　　采用 CFD 方法分析稳态工况下的液力减速器内流场，就是从其具体的几何边界条件和物理边界条件出发，在流动基本方程（质量守恒方程，动量守恒方程）控制下对流动的数值模拟，得到复杂的三维流场内各个基本物理量的分布规律，并据此进行后处理，得到所关心的物理量，如转矩、轴向力等，其基本过程如图 1 所示。

　　1.1 控制方程

　　由于液力减速器动轮的高速旋转，以及工作轮与工作介质之间的剧烈相互作用，其内部是复杂的三维紊流流场。忽略工作过程中工作介质温度的变化以及温差造成的能量耗散，其流动受到质量守恒方程和动量守恒方程的约束。

　　设介质为不可压流体，密度 ρ 为常数，则质量守恒方程简化为：

　　计算流体动力学认为，无论紊流运动多么复杂，瞬态的动量守恒方程（即 N-S 方程）对于湍流的瞬时运动仍然是适用的，但是由于在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维 N-S方程的全模拟计算工作量过大，考虑到计算效率问题，采用基于时均化的 N-S 方程的模拟方法。即把湍流运动看作由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动，这样将脉动分离出来，便于处理和求解。利用 Reynolds 平均法对瞬态 N-S 方程进行时均化，即得到 RANS 方程，如下所示：