基于CFD的泵轮叶栅关键参数对液力变矩器的性能影响预测

    前言

    液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一,装有液力变矩器的动力传动系统可以保证车辆平稳地起步和变速[1]。液力变矩器泵轮流道是由内环、外环及许多叶片表面构成的空间曲面。由于流道的曲率变化复杂,液体介质的黏性及其不可压缩性使液体在流道内的运动不断地发生变化,液体在流场中的流动状态直接影响泵轮的性能,因此改善液力变矩器结构参数是提高泵轮工作效率的关键。文献[2]基于三维流场分析了液力变矩器结构参数如叶片厚度比、卷轴角等对液力变矩器性能的影响。文献[3]和文献[4]利用液力变矩器一体化设计,通过变化不同参数生成叶栅模型进行对比分析,总结出叶栅角度等对液力变矩器性能影响的基本规律,并获得最优参数进行改型设计。文献[5]主要从液力变矩器流场分析的角度指导叶栅设计。

    多重参考系(multiple reference frame, MRF)技术是一种重要的处理多旋转区域耦合问题的稳态计算方法[6],该方法将整个计算区域分成一个独立的静止坐标系区域和一个或数个旋转参考坐标系可动区域,各区域没有重叠,不需要内外迭代,可直接通过交界面上的插值来实现速度匹配和信息交换。MRF方法计算稳定性好,求解收敛速度较快。考虑到液力变矩器结构、液体流动的复杂性以及仿真模型的工程应用,文中借助CAD/CFD软件并应用MRF技术,通过对某型液力变矩器内流场的特性分析,总结出泵轮叶栅关键参数变化对液力变矩器的工作性能影响。

    1　液力变矩器内流场的三维仿真计算

    1·1　控制方程

    由于研究的是三维黏性不可压缩液体流动且不考虑液体的温度变化,故控制方程只考虑连续性方程(也称质量守恒方程)和动量守恒方程[7]。

    连续性方程为

式中:V为体积流量;ρ为流体密度;Δ为哈密顿算子。由于不可压缩流体为均质,即ρ为常数,故Δ·V=0,在直角坐标系中为,其中u、v、w为V在x、y、z方向的分量。

    动量守恒方程为

式中:f为微元体上的体积力;fx、fy、fz为f在x、y、z方向的分量;p为流体微元体上的压力;Δ2为拉普拉斯算子;μ为运动黏度。

    1·2　计算假设条件

    在工作状态时,液力变矩器叶栅流道内是不可压缩、非定常的三维黏性工作液体,利用FLUENT软件进行数值模拟时,对内流场做如下简化和假定[8]。

    (1)液力变矩器的所有构件均视为绝对刚体,忽略工作液和流道壁面之间的耦合作用。

    (2)各工作轮之间的无叶栅区处于压力平衡状态,除进口和出口外,工作液不从其它任何地方进入流道。

    (3)液力变矩器采用不可压缩、密度和黏度保持恒定不变的液力传动油,ρ=800kg/m3,动力黏度υ=0·00 422Pa·s。