液力变矩器的宽度比敏感性数值研究

　　传统液力变矩器设计的束流理论对循环圆轴向尺寸是通过对大量已有变矩器进行测绘所得经验公式确定的,也就是说束流理论无法对只作宽度参数变化的液力变矩器性能做出准确预测[1].融合叶片三维造型设计和流场数值模拟的三维设计则可以将设计和计算完全结合,使任一参数的变化都能直接体现在数值模拟的结果上[2-4].

　　变宽度循环圆设计理论基础完善[5],可以在一定范围内连续调节变矩器宽度,不受经验系数限制,但目前对于此类研究很少.

　　为降低研制成本,对设计做可信的性能预测,作者对传统设计方法和几种宽度比的变宽度设计方法得到的实体模型进行CFD分析,以揭示宽度比对系统性能的影响趋势;为加强对比效果,还对用传统方法设计的变矩器进行了外特性试验验证[6-7].

　　1 控制方程与计算模型

　　旋转坐标系下守恒型三元欧拉方程组可表示为

　　式中:

　　V为控制体体积;A为控制体表面积;vr为相对速度;v为绝对速度;F为体积力;Q为密度;p为压强.

　　其宽度比分别采用变宽度设计方法的0121,0125以及传统设计方法的0131,并分别记以R21,R25和R31,定义宽度比为rw=B/Dmax.

　　除宽度比变化外,其它所有设计参数保持不变.如取轴面面积与最大直径处轴面面积比f=4A/PD2max=0123,并取最小与最大径向尺寸比为rH=Dmin/Dmax=0146,在二维轴面投影图上各参数几何关系如图1所示.其它主要设计参数分别如表1所示.

　　模型采用全隐式多网格耦合粘性计算,用有限体积法对模型做离散化处理,近壁处速度场计算采用壁面函数,湍流模型为标准k-E方程模型,采用SIMPLEC压力校正算法.方程的空间步长离散由HYBRID格式、二阶上游差分格式和三阶QUICK格式结合实现.首先用HYBRID差分格式模拟流动的初始生成阶段;然后用二阶上游差分格式模拟整个生成阶段;用三阶QUICK格式模拟流体的逆向流动.各叶轮都施加对应的周期边界条件,在叶轮交互区采用混合平面法,将前一叶轮出口各参数做周向平均施加于下一叶轮,并且为便于H/J型结构化网格划分,各叶轮的入出口均有一定延伸.

　　各宽度比变矩器流道模型具有相同的拓扑结构,为加速分析,单一叶轮网格数取2万个,模型网格总数为6万个,计算网格模型如图2所示.

　　2 计算结果与分析

　　性能计算工况:速比i分别为0,012,014,016,018,输入泵轮转速为1 800 r/min.取R31和R21对起动工况各参量分布做详细说明,参见图3.

　　从速度轴面投影上可以看到,用传统方法设计的R31的速度从内环到外环的分布具有类势流分布,而R21则具有类等速流分布,并且泵轮内流速度轴向分量小.在同样速比为0的起动工况下,R31的最高速度为6111 m/s,大于R21的4515 m/s.