多流动区域耦合算法在液力元件中的应用

　　液力变矩器、液力偶合器中叶轮转速不同、叶片及流道形状复杂、动叶轮与静叶轮相互影响等因素造成其内部流动极其复杂,利用数值模拟进行研究是较为现实与经济的方法。随着多流动区域耦合算法的出现,使得液力元件内部流场整体模拟成为可能^[1-3]。作者利用多流动区域耦合算法中的混合平面法和滑动网格法分别对液力变矩器和液力偶合器内部流场进行数值计算,基于三维流动计算结果预测液力变矩器与液力偶合器的性能,将计算性能与试验性能比较后验证了所采用的耦合算法具有较高的准确度。

　　1 多流动区域耦合算法

　　1.1 多运动参考系法

　　多运动参考系法是稳态计算法,它根据不同的转速或移动速度,将整个求解域划分成不同子域,然后在子域建立各自的运动参考坐标系,子域的控制方程也关于对应运动参考坐标系建立。在两子域间的边界,子域控制方程的扩散项及其他项需要邻近子域的速度值,因此在子域的交接面上强制流动速度的连续,以进行子域间信息传递。多运动参考系方法属于近似算法,但在很多时均流场的计算中它提供了合理的模型,如文献^[4]中推进叶片和导向叶片之间交互作用相对较弱、无大范围瞬态作用的搅拌器流场计算;文献^[5]中转子和定子之间相互作用相对较弱的涡轮机械流场计算。多运动参考系法还可用于滑动网格法的初始条件。由于强制流动速度一致,多运动参考系法主要用于计算相邻的子区域边界上的流动状况接近一致的情况,否则用该方法求解将没有意义。

　　1.2 混合平面法

　　当子域边界流动不一致,且应用精确瞬态模拟的滑移网格法不可行时(如多级透平机械、叶轮中具有多种叶片),可应用混合平面法。它也属于稳态计算法。计算时,不同子域具有独立的网格,子域间流动信息通过在相邻子域边界设置的混合平面进行传递。对于多级透平机械的流场数值模拟,混合平面法比较适合。

　　在指定的迭代间隔里,混合平面法通过对设置混合平面的上游出口与下游入口的流动数据做周向平均将时变性去除,以进行稳态计算,计算顺序可描述为:

　　(1)获得混合平面上游出口和下游入口区域的流场求解结果;

　　(2)对上游出口和下游入口区域的边界流动参数作周向平均,获得用于更新边界条件的流动信息;

　　(3)将获得的流动信息传递给混合平面上游出口和下游入口作为新的边界条件;

　　(4)重复(1)~(3)步直到计算收敛。

　　只要混合平面附近没有明显的回流,混合平面法就可以合理近似地求解流体问题。

　　1.3 滑动网格法