戴虎， 袁哲,2， 宋斌， 張鑫濤

( 1.杭州前進齒輪箱集團股份有限公司， 杭州 311203；2.吉林大學 機械與航空航天工程學院， 長春 130022 )

近年來，隨著計算機性能的快速提高，采用CFD計算葉輪機械內(nèi)流場的方法越來越受到學者們的關注，尤其是對液力傳動元件的內(nèi)流場數(shù)值模擬和外特性預測.例如： Liu和Bu等研究了傳動油屬性對液力緩速器外特性和內(nèi)流場的影響[1-3]； Liu等研究表明大渦數(shù)值模擬LES可以提高液力變矩器外特性的預測精度[4-5].劉春寶等設計了一種仿生雙曲葉片，該葉片具有良好的流動減阻功能[6].閆清東等研究了傳動油密度和黏度對液力變矩器外特性的影響，結果顯示在不影響油液壽命和密封要求的前提下，提高油溫可改善變矩器的性能[7].Wu等研究發(fā)現(xiàn)雙導輪結構可以較好地提升液力變矩器在低速比下的外特性[8].目前，基于不同尺度解析方法對液力變矩器內(nèi)流場和外特性捕捉能力進行比較的研究較少，為此本文對比分析了RANS、LES、HRL下的5種模型對液力變矩器流場的解析能力，以期為提高旋轉機械內(nèi)流場及外特性的預測精度提供參考.

1 CFD計算模型

1.1 計算域模型

本文選取國內(nèi)某廠YJ280液力變矩器作為研究對象，其葉輪均為鋁輪鑄造件.液力變矩器的三維模型通過掃描葉輪實物生成，如圖1(a)所示.由于葉輪模型中包含許多鑄造倒角，因此在進行CFD計算之前需要對葉輪模型的倒角進行簡化.簡化倒角后抽取出的葉輪全流道模型如圖1(b)所示.

(a)三維模型 (b)全流道模型圖1 YJ280液力變矩器的三維模型和葉輪的全流道模型

根據(jù)全流道模型建立的YJ280液力變矩器的網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 YJ280液力變矩器的網(wǎng)格模型及其網(wǎng)格質(zhì)量

液力變矩器的網(wǎng)格模型的劃分流程為：

1)提取每個葉輪全流道模型的最小周期單元流道模型.

2)利用網(wǎng)格無關性確定單元流道遠場區(qū)域的網(wǎng)格尺寸[9].由于整體網(wǎng)格約為400萬個(全局網(wǎng)格尺寸為3 mm)，因此現(xiàn)有計算機的計算能力能夠滿足要求.

3)劃分近壁面(葉片周圍)網(wǎng)格.為了保證y+值小于2， 將第1層的網(wǎng)格高度設置為0.03 mm， 網(wǎng)格增長率設置為1.2(共12層網(wǎng)格).

4)使用Quality準則判斷網(wǎng)格質(zhì)量.由于本文的Quality值大于0.39，因此該值可保證網(wǎng)格單元的有效迭代.

5)獲取葉輪的全流道網(wǎng)格.葉輪的全流道網(wǎng)格由劃分好的每個葉輪流道的周期單元網(wǎng)格得到.本文共獲得420萬個網(wǎng)格，其中泵輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬個，渦輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬個，導輪的網(wǎng)格數(shù)為120萬個.

1.2 CFD數(shù)值計算時的參數(shù)設置

YJ280液力變矩器的全流道瞬態(tài)CFD數(shù)值計算的參數(shù)設置如表1所示.

表1 CFD數(shù)值計算時的參數(shù)設定

為了模擬液力變矩器的不同工況，本文將泵輪轉速設定為2 000 r/min，將渦輪轉速設定在0～1 600 r/min范圍內(nèi)(間隔為200 r/min)，將導輪設置為靜止狀態(tài).泵輪、渦輪內(nèi)外環(huán)壁面及葉片表面采用旋轉壁面，葉輪流道之間采用Interface面?zhèn)鬟f流動信息，其余壁面均采用靜止墻.YJ280液力變矩器的葉輪葉片數(shù)量見表2.

表2 液力變矩器的葉輪葉片數(shù)量

2 內(nèi)流場機理分析

2.1 壓力場分析

利用表1中所示的5種湍流模型對YJ280液力變矩器在零工況(i=0)時的內(nèi)流場進行迭代計算.計算所得數(shù)值達到收斂后，泵輪和渦輪交界處的壓力流線分布如圖3所示.由圖3可以看出：5種湍流模型對壓力場分布的捕捉能力基本相似(都可以很好地捕捉壓力場的瞬態(tài)變化，且在泵輪和渦輪交界處出現(xiàn)了多塊低壓區(qū)分布)，且均優(yōu)于SSTk-ω模型；但LES - KET模型出現(xiàn)了過度的壓力分布預測，該現(xiàn)象會導致液力變矩器的預測誤差變大.

圖3 泵輪 渦輪交界處的壓力流線分布圖

2.2 速度場分析

利用表1中所示的5種湍流模型對YJ280液力變矩器的零工況進行CFD數(shù)值計算，由此得到的液力變矩器的導輪速度場分布如圖4所示.由圖4可以看出： SSTk-ω模型對流場渦旋結構的捕捉能力最差，難以觀察到葉輪之間由動靜干涉所引起的流場瞬態(tài)效應的變化特性；而其余4種模型均能對導輪吸力面的渦旋結構進行很好的表達，且均能捕捉到二次渦旋結構.

圖4 導輪的速度流線分布圖

2.3 渦量場分析

利用表1中所示的5種湍流模型對YJ280液力變矩器的零工況進行CFD數(shù)值計算，由此所得的導輪的渦量分布如圖5所示.由圖5可以看出：SBES、DES - IDDES和LES - KET模型可捕捉到豐富的流場渦量細節(jié)，特別是LES - KET模型還可以捕捉到在導輪吸力面由逆壓梯度引起的“O”型渦量結構；而 SSTk-ω和LES - WALE模型捕捉到的導輪尾跡渦量細節(jié)顯著低于上述3種模型，即捕捉能力相對較差.

圖5 5種模型的導輪渦量分布圖

3 不同尺度解析方法的外特性比較

3.1 YJ280液力變矩器的外特性臺架試驗

試驗所用的YJ280液力變矩器的葉輪實物如圖6所示.

圖6 YJ280液力變矩器的葉輪

YJ280液力變矩器的外特性臺架試驗在杭州前進齒輪箱集團股份有限公司的測試所車間內(nèi)進行，試驗臺如圖7所示.試驗內(nèi)容包括測量液力變矩器的泵輪轉速轉矩、渦輪轉速轉矩.

圖7 液力變矩器的試驗臺

3.2 試驗結果對比

臺架試驗所得的液力變矩器外特性參數(shù)和利用5種模型計算所得的液力變矩器外特性參數(shù)如圖8所示.由圖8可以看出， 5種模型均能實現(xiàn)對液力變矩器外特性的預測，其中對變距比和效率的預測精度在10%以內(nèi)，對泵輪公稱轉矩的預測精度約為14%.另外，在5種模型中SSTk-ω模型對變距比、效率和低速比的泵輪公稱轉矩的預測精度相對最好，而LES - WALE模型對高速比的泵輪公稱轉矩的預測精度相對最好.由以上可以看出，SSTk-ω模型預測液力變矩器外特性的精度相對最佳.

圖8 不同模型預測液力變矩器外特性的結果

4 結論

本文利用5種模型對YJ280液力變矩器的內(nèi)流場和外特性進行了CFD計算，并將其結果與臺架試驗結果進行了對比分析.結果表明： SBES、DES - IDDES模型可捕捉到豐富的液力變矩器內(nèi)流場渦結構的細節(jié)信息，而LES - KET模型捕捉到的渦結構相對最為完整.5種模型對變距比和效率的預測精度均在10%以內(nèi).在不同速比工況下SSTk-ω模型的預測精度在各模型中相對最佳.本文研究結果可為正確選擇湍流模型預測液力變矩器的外特性和內(nèi)流場的精度提供參考.