液力变矩器导轮流场数值模拟与试验

　　引言

　　设计先进的液力变矩器的关键是分析和掌握其内部流场。内流场分析的难点在于其内部流道封闭,泵轮、涡轮和导轮三级叶栅按各自的转速转动,每级叶栅的流道都相当复杂。

　　本文以W305型液力变矩器为例,根据其实际工作状况获取计算区域,建立实体模型,然后利用CFD软件建立网格模型,并施加适合的边界条件,选择适当的松弛因子和求解器进行分析计算。

　　在重点分析了导轮内流场分布特性的基础上,将计算结果与激光多普勒测速系统(LDA)测得的导轮流场试验结果进行比较。

　　1　基本计算方程

　　对不可压缩粘性流体的定常流动,其时均N-S控制方程为[1]

　　式中　x_i、x_j——坐标系坐标,i、j=1,2,3

　　ui、uj——坐标X、Y、Z方向上的速度分量,i、j=1,2,3

　　ρ——密度　　μ——动力粘度

　　μ_t——湍流粘性系数　　p——压力

　　f——单位质量流体的体积力

　　上述时均N-S方程结合标准k-E湍流方程组成了封闭方程组,可以进行求解。

　　2　计算模型建立

　　2.1　几何抽象假设

　　对计算模型作如下假设[2]:叶轮各构件为绝对刚体;工作介质密度恒定,不考虑介质温度变化;除了进口面和出口面,工作介质不能从其他任何地方进入流道;在同一工况下,同一叶轮各个流道的流场特性相同。

　　2.2　网格模型建立

　　根据假设,取泵轮某叶片两相邻流道的中间位置分割流道,夹叶片的两部分流道构成计算区域,同样取得涡轮和导轮的计算区域[3]。计算网格采用非结构四面体网格,网格模型如图1所示。

　　2.3　计算模型边界条件

　　在计算模型中,叶片表面及内、外环面为无滑移的壁面条件(wall);流道的切割面为周期性边界条件(periodic);各流道进、出口面应用稳态交互面相联接,即应用混合平面理论(mixing-planes),使得旋转速度不同的各元件能够统一计算。

　　2.4　混合平面理论

　　混合平面的上游和下游分别属于不同元件,旋转速度也不同。图2为混合平面示意图,其数据处理原理如下[4]:泵轮、涡轮和导轮分别作为稳态流动求解,在指定的时间间隔中,将上游流道出口面的速度值沿周向进行面积加权平均,将所得的值作为下游流道进口面的边界条件;同时将下游进口面的压力值沿周向进行面积加权平均,其值作为上游流道的出口边界条件再进行下一个循环的计算。

　　3　液力变矩器导轮内流场分析