液力变矩器内部三维流动计算方法

　　0　引　言

　　液力变矩器的内部三维流动模拟计算一直是人们关心的问题[1]。国外专家曾尝试将各工作轮联合在一起进行计算,但计算过程和方法特别复杂,对计算机配置的要求也相当高,且效果并不十分理想[2]。由于多个动叶轮的相干流动机理和流场计算方法的研究处于起步阶段,目前还没有准确的数学方法专门来解决像液力变矩器这样包含多个动叶轮的流体机械的流场计算问题[3]。

　　作者在进行合理假设的前提下,建立了三元件向心式液力变矩器内部流场计算模型,提出了其内部流场模拟计算解决方案[1-5]。其核心思想是先假定液力变矩器各工作轮之间不互相影响,将各叶轮分离开来,逐个进行CFD计算,然后以上游工作轮的出口流动参数作为下游工作轮的进口条件来考虑它们之间的影响,通过反复计算,最终解算出一个工况下的整个流场。作者以ANSYS/FLOTRAN有限元CFD分析软件为工具,模拟计算了液力变矩器的内部流动,揭示了其流场的压力和速度分布规律,由此可计算出扭矩和流量,进而预测液力变矩器的性能。并以YJ355液力变矩器为例论述了其内部三维流动的计算方法。

　　1　数学模型

　　计算中采用NEWk2ε湍流模型(NKE),它是一种标准k2ε模型的改进形式,该模型适合计算高湍流流动问题。在湍流动能方程(k方程)和湍流动能耗散率方程(ε方程)中都含有湍流涡黏系数μt=Cμρk2/ε,标准k2ε模型中Cμ=0.09为常数,而NEWk2ε模型中Cμ为变数。

　　使用以张量形式表示的变形张量Sij=125vi5xj+5vj5xi和旋转张量Wij=125vi5xj+5vj5xi+CrΩmεmij(其中:Cr为与紊流模型有关的常数;εmij为置换符号;Ωm为坐标系统的旋转角速度)来定义两个参数η=kε2SijSij和ξ=kε2WijWij。NEWk2ε湍流模型在两方面对标准k2ε模型进行了改进:①系数Cμ采用变数Cμ=14+1.5η2+ξ2;②ε方程的源项中的C1εkΦ被替换为ρC12SijSijε,系数C1被修改为C1=max0.43,55+η,Φ为紊流脉动动能的产生项Φ=μt5vi5xj+5vj5xi5vi5xj。

　　2　叶轮流道有限元模型

　　第一步,根据液力变矩器各叶轮的几何数据,利用Pro/E软件进行流道的几何造型,建立几何模型[5]。因认为各叶片之间的流动都是相同的,所以采用一个叶片间流道进行计算。第二步,利用iges格式文件,将Pro/E中建立的几何模型导入ANSYS中,生成ANSYS中的几何模型。第三步,建立有限元模型(见图1),即进行有限元网格划分。由于叶片间流道几何形状不规则,选用FLUID142四节点四面体立体单元。考虑到各叶轮应具有相同的计算精度,压力和流速在各处应具有等量级的作用效果,以利于液力变矩器性能参数的预测计算,所以采用了均匀网格自动划分方式。另外,还要考虑计算机的计算速度和内存容量,如果将网格划分太细,微机运算则太慢。这里,对型号为YJ355的泵轮和涡轮的叶片间流道单元边长取0. 006 m,导轮的叶片间流道单元边长取0. 003 m,实际计算表明这样选取比较合适。导轮流道单元边长取得较小,是因为其流道狭窄,如果网格划分较粗,其出口流速和流量计算就不准确,而影响到整个计算精度。另外在进行不同工况计算时,导轮需要试算的次数较少,将其网格划分的细一些不会影响计算效率。