液力偶合器流场的技术仿真

　　液力偶合器是利用液体的动能进行能量传递的一种液力传动机械,广泛应用于风机水泵的调速节能,目前液力偶合器主要的设计方法包括液力计算法和相似设计法。相似设计法根据相似原理在原有的液力偶合器基础上进行尺寸缩放来满足设计要求,因而无法开发出新的循环圆形式;液力计算法是应用流体力学有关理论研究液力偶合器内部流动情况和压力分布情况,来确定各种不同尺寸参数的循环圆在特定工况下传递的转矩,因此深入研究液力偶合器内部场具有重要意义。

　　由于受计算工具的限制,液力偶合器流场仿真分析方法过去一直基于一维束流理论,与实际三维流动情况差距较大,仿真精度不高,随着计算机技术及CFD技术的快速发展,液力偶合器流场仿真技术也迎来了新的突破,下面在充分进行理论分析的基础上,建立了液力偶合器流场的三维数学模型,并针对某一产品的特定工况进行了仿真分析,仿真结果与试验符合较好。

　　1　理论分析

　　1.1　一维束流理论简介

　　现有文献中对液力偶合器的流场分析大多基于一维束流理论[1-4],该理论对叶轮内流体的流动作以下假定:

　　(1)叶轮的叶片是无限薄无限多的;

　　(2)同一过流断面上液流的轴面速度相等;

　　(3)叶轮流道中的流体运动可以用平均流线上流体质点的运动加以表征;

　　(4)叶轮出口处流体情况与入口无关。

　　对于液力变矩器或有内环的液力偶合器,一维束流理论是基本合适的。现在各种场合应用的液力偶合器都是无内环的,对于无内环的液力偶合器,可以认为其内环退化为一个点,按一维束流理论该点将会出现速度的突然变化,如图1a,显然上面假定2、3是不合理的。文献[5]在束流理论基础上进行了修正,对轴面上速度分布提出了直线分布或抛物线分布的模型假设(见图1b、c),经过修正后避免了在流动的中心位置产生速度突变,较原来的模型更合理。

　　1.2　液力偶合器三维流场描述

　　实际上液力偶合器叶轮的叶片有一定厚度,数量为有限多,而且泵轮和涡轮的出口、入口都没有清晰的分界面,因而不能认为出口流动与入口流动无关,实际的流动是复杂的三维流动。

　　随着研究的深入和计算手段的发展, CFD技术已应用于液力变矩器的流场仿真计算[6, 7],并据以计算了液力变矩器的外特性,能较好地符合试验结果。但公开发表的文献中目前尚无对液力偶合器内流动情况的三维CFD模拟。

　　1. 2. 1　控制方程

　　在满足斯托克斯假设(流体连续、各向同性,剪切应力张量是应变变化率张量的线性函数)的同时,根据液力偶合器中工作油流动特点提出以下4点基本假定: