基于三维流场计算的液力变矩器特性预测方法

　　液力变矩器特性预测的传统方法的主要理论依据是一维束流理论[1],该方法具有简便性和一定的合理性,因而具有一定的工程实用价值.但是,束流理论中 的诸多假设与液力变矩器的实际流动有很大偏差,且引入很多经验系数,因此在计算特性时,会出现较大的误差;同时,束流理论也无法对叶片形状变化引起的性能 差异进行描述.欲得到准确的特性计算结果,必须考虑液力变矩器内部流场真实流动状态并进行三维粘性流动计算,基于流场数值解计算特性.

　　以W350型变矩器为例,应用现代CFD分析方法对其内流场进行三维数值计算,进一步预测其原始外特性,将预测结果和实验结果进行比较.

　　1　基本控制方程

　　流体有限体积法分析的基本控制方程主要有连续性方程和动量方程.对于液力变矩器来说,将坐标系固定于运动流体上,采用圆柱坐标系比较合理,其圆柱坐标系下的连续性方程和动量方程为

　　连续性方程:

　　divW=0, 　　(1)

　　式中:W为相对速度矢量,ω为旋转速度,F为体积力,p为压力,μ为运动粘度,为哈密尔顿算子^₂为拉普拉斯算子.

　　由于液力变矩器内部流动极其复杂,有明显分离或回流的紊流流动,研究紊流的基本方程是雷诺方程和标准k-ε模型.

　　雷诺方程:

　　式中:ρui′uj′为雷诺应力;ui′uj′为速度在坐标系中的分量扰动.

　　标准k-ε模型中,k为单位质量流体湍流脉动动能,ε为单位质量流体脉动动能的耗散率.

　　k方程:

　　式中:μt为湍流粘性系数,μt=0·09k2/ε;σk为常数;

　　ε方程:

　　式中:c₁、c₂为经验系数.

　　2　CFD数值计算模型

　　2·1几何模型建立

　　W350型变矩器三维模型如图1所示.根据液力变矩器的实际工作状况,考虑到各单元几何结构上的对称性,只对一个流道进行分析计算.

　　选择CFD模块中的Fluid三维流体单元,采用四面体对流道模型进行网格划分.图2为流道网格模型及边界定义.

　　2·2　基本假设和边界条件

　　在进行CFD数值分析时做出基本假设[3],叶轮各构件为绝对刚体;液力变矩器是等温的工作工况,工作介质的内能在工作中没有变化;叶片与变矩器内外环紧密贴合,工作介质只能在流道内流动,不发生渗漏;同一工况下,同一叶轮内的每个流道的流场特性相同.