基于Fluent的液力变矩器内流场数值计算

　　引言

　　液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一,其主要作用是由发动机向传动系统平稳传递动力。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、变速。

　　液力变矩器是流道封闭的多叶轮透平机械,它以油液作为工作介质,利用油液循环流动过程中机械能与液体能之间的转化来传递动力。流道的内环、外环以及叶片的表面都是复杂的曲面,由于流道的曲率变化非常大,叶片的形状也是三维的,这就造成了液流沿着流线方向、圆周方向以及从内环到外环的方向都是变化的。此外泵轮、涡轮和导轮分别以不同的转速运动,各工作轮之间的油液相互干扰,而且工作介质是有粘性的,这就必然会在流道壁面上产生边界层,由此还会引起二次流、脱流和旋涡等。因此,变矩器内部的流动是非定常、不可压缩的三维粘性流动,对变矩器内流场进行三维计算十分困难。

　　随着计算流体力学和计算机技术的发展,各种CFD软件日趋成熟,使得对变矩器内流场进行三维计算变成可能。本文将借助于Fluent软件对030122A型液力变矩器的内流场进行数值计算和分析。

　　1　控制方程

　　控制方程一般包括连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程,由于本文研究的是不可压缩流体,其热交换量很小,甚至可忽略不计,因此可以不考虑能量守恒方程。

　　连续性方程

　　动量守恒方程

　　2　分析过程

　　2.1　假设

　　①液力变矩器的各工作叶片为刚体,在工作过程中没有变形。②工作介质在工作过程中处于等温状态,即其内能没有变化,工作介质的物理化学性质恒定,与工作轮叶片之间没有内能交换。且工作介质为不可压缩流体。③叶片与变矩器内外环紧密贴合,即在工作过程中工作介质不能从其他任何地方进入流道。④在两流道之间的无叶栅区,流体处于压力平衡状态,即工作介质从前一个工作轮的流道流入后一个工作轮的流道的过程中速度和压力均不发生改变:泵轮的出口速度、压力分别等于涡轮的入口速度、压力,涡轮的出口速度、压力分别等于导轮的入口速度、压力,而导轮的出口速度、压力也分别等于泵轮的入口速度和压力。也可以说工作介质从上游流道的出口流出后,完全等量地流入下游流道。⑤在同一工况下,同一工作轮每个流道的流场特性相同。

　　2.2　建模和划分网格

　　由于CAD软件的强大建模能力,本文将选用UG进行三维建模。图1是泵轮、涡轮和导轮的三维模型图。

　　建完模后,使用GAMBIT进行网格划分。GAMBIT是目前CFD分析中最好的前置处理器之一,它包含功能强大的几何建模能力以及先进的网格划分工具,可以划分出包含边界层等有特殊要求的高质量的网格。GAMBIT可以生成并处理结构化网格或者非结构化网格,主要包括的二维网格有三角形和四边形网格,三维网格有四面体、六面体、楔形和金字塔形网格。借助功能灵活,完全集成且易于操作的用户界面,GAMBIT可以大大缩短用户在CFD应用过程中建立几何模型和划分网格所需要的时间。由于液力变矩器流道的周期性,故每个工作轮只抽取一个流道进行分析。为了提高计算的精度,采用六面体网格。图2为划分的流道网格图。