液力偶合器气液两相流动的数值模拟与粒子图像测速

　　0 引 言

　　液力偶合器广泛应用于冶金、石油、矿山、化工、发电等领域，使机组具有节能、吸收振动冲击、良好的起动性能、过载保护性能等优点^[1]。在大多数工作情况下液力偶合器中的流动都是空气和液力传动油两相混合。即使在全充液工况下，偶合器也不是完全被充满的，留有液力传动油热膨胀的空间，因此研究液力偶合器内部气液两相流动状态及其对性能的影响更具有实用价值。液力偶合器内部的气液两相流动是非常复杂的物理过程。两相之间的动量、质量、能量的传递，其物理特性及数学描述比单相流复杂^[2]。此外，流动介质的黏性和不可压缩性影响导致流场非常复杂，难以观察和准确计算。目前，粒子图像测速(particle image velocimetry)技术被认为是测量叶轮机械内部流场最有效的工具^[3]。

　　Paone 等^[4-6]利用PIV 技术获得了全充液的叶轮机械流场速度矢量图。但是利用PIV 技术测量气液两相流还存在很多问题，例如无法区分气泡和示踪粒子，无法去除气泡的散射光等^[7]。Fujiwara^[8]和Lindken^[9]曾经在简单的模型下测量了气液两相流。虽然PIV 技术能够较准确地提取复杂流场的流动速度信息，但它不能提供流场的内部特性^[10-13]，如压力分布、各相体积分布等，而CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法正弥补了PIV 技术在这些方面的不足。

　　本文综合利用PIV 技术和CFD 数值模拟方法研究液力偶合器内部气液两相的流动规律。通过仿真和试验结果的对比分析，对液力偶合器的流场做出较准确、全面地了解。

　　1 CFD 数值模拟

　　1.1 控制方程

　　流体在偶合器内部是三维黏性两相流动的连续方程为

式中，v_m为流入流体的平均速度，，m/s；ρ_m为混合密度，，kg/m³;α_k为第k 相的体积分数;ρ_k为第k 相的密度，kg/m³。

　　动量方程可通过对所有相各自的动量方程求和来获得。它可表示为

式中，n 为相数; F为体积力，N;∇为哈密尔顿算子;m_μ 混合黏度，，Pa⋅s;vdr,k为第k 相的飘移速度，m/s。

　　第p 相的体积分数方程

式中，α_p为第p 相的体积分数;ρ_p为第p 相的密度，kg/m³;d_r, p_v 为第p 相的飘移速度，d_r, p_pmv = v − v，m/s。

　　1.2 模型的建立

　　根据PIV 试验使用的液力偶合器透明模型进行UG(unigraphics)建模，其循环圆有效直径为230 mm，叶片厚度为4 mm。图1a 为偶合器三维模型，为计算更加准确，对整体流道进行数值分析。液力偶合器泵轮和涡轮2个叶轮的壳体与叶片的空间构成偶合器的工作流道，如图1b。由于壳体不参与计算，故将其忽略。网格模型是CFD 模型的几何表达形式，也是其计算与分析的载体。为了得到流道的网格模型，从叶轮的UG模型中取出三维流道模型导入Gambit 中划分网格，生成计算用的流道网格模型，如图1c。液力偶合器的内部流动是非稳态的，而且泵轮流场与涡轮流场之间存在强烈的相互作用，为了便于进行统一计算，泵轮流道与涡轮流道的交界面采用滑动网格理论。设置泵轮与涡轮的交界面为 interface,其他表面均采用壁面边界条件(wall)。对以上模型设置完成后，对输入转速nB=200 r/min 时充液率为75%的制动工况进行了计算。