液力缓速器内流场三维瞬态数值模拟及特性预测

李雪松 程秀 苗丽颖 刘春宝
吉林大学

刘中华
中国第一汽车集团公司技术中心

摘要 采用滑动网格理论，将液力缓速器定子和转子之间的接合面定义为网格分界面来传递不同子域间的流动参数。采用标准k-ε模型及SIMPLEC算法，利用FLUENT软件对全充液工况液力缓速器的内流场进行了三维瞬态数值模拟，得到了液力缓速器内流场的速度、压力分布特性。基于流场数值解计算了制动扭矩，其结果与试验结果吻合很好，验证了流场计算方法的正确性。

主题词 液力缓速器 瞬态流场 数值模拟 特性预测

l 前言

现代汽车的行车制动器均为摩擦制动式，即靠工作部件之间摩擦力的作用产生制动力，并将汽车的动能和位能转换为热能。然而，随着时间的增长，车轮制动器摩擦面温度升高，制动力矩随之急剧下降，因此车轮制动器并不适合长时间连续工作。为了解决该问题，必须在汽车上加装辅助制动系统。液力缓速器作为一种辅助制动装置，依靠工作轮内液流的作用将车辆动能转化为液体热能，再通过冷却器散热的方式实现车辆制动。液体在液力缓速器的工作腔内作粘性、不可压缩的三维不稳定流动。过去无论是试验研究还是理论方法研究，都不足以全面揭示流场的内部特性以及内外特性之间的变化规律。本文结合计算机技术及计算流体力学（CFD）发展，基于CAD/CFD技术平台对D295液力缓速器进行了建模，并利用FLUENT软件对其内部流场进行了三维瞬态数值模拟和分析。

在进行CFD数值模拟计算时做了如下的假设和简化：

a．根据GB、ISO、SAE各标准对液力传动油的要求，工作介质密度和粘度在工作过程中的变化很小，可假设为常数，这意味着液力缓速器中的工作介质为典型的不可压缩粘性流体；

b．叶片与壳体为刚体；

c．液力缓速器内部工作油液处于不断冷却循环的油路中，因此忽略温度的影响，仅研究流场的速度和压力分布；

d．工作腔内充满油液；

e．一般情况下，冷却油路流量小于循环流量的0.2%，各叶轮之间的液流泄漏相比于循环流量也很小，因此均可以忽略。

目前，在CFD数值模拟中应用最为广泛的仍然是SIMPLE系列算法，其中包括SIMPLE、SIMPLEC、SIMPLER和PISO。本文采用的是收敛速度比SIMPLE快30％～50％的SIMPLEC算法，并使用了标准k-ε模型作为湍流模型。

液力缓速器的内部流动是非稳态的，其循环流动会造成工作介质在叶轮交接面上流进、流出都存在，因此为了对转子和定子进行统一计算，对转子和定子的接合面采用了滑动网格理论。滑动网格法属于瞬态计算方法，其用到两个或更多的单元区域，相邻单元区域的分界面互相联系形成“网格分界面”，计算中相邻子域将按照各自运动定义沿网格分界面进行滑移。滑动网格模拟的瞬态问题大部分是时间周期性的，即计算区域的速度是周期复现的。

设T是瞬态计算的周期，在计算区域的一些流动特性函数Φ为：

4 数值计算结果分析

图5为计算出来的液力缓速器转子速度为1200r/min时内流场分布情况。从图5中可以看出，在转子流道中速度由入口到出口逐渐增加，在出口靠近外环处达到最大值；在定子流道中速度由入口到出口逐渐降低，并在出口处达到最小值，这与束流理论的分析结果吻合。另外，由于液流的循环流动，在循环圆中部出现了涡旋，使转子和定子的出入口交界线不是很清晰．并伴有回流出现。

4.1 网格分界面

图6和图7分别为不同转速下液力缓速器网格分界面的速度矢量和压力分布。网格分界面将整个流动区域分成两部分，即定子流场和转子流场。对于无内环的液力缓速器来说，液体在流道内进行循环流动时两个叶轮的入口区域和出口区域都在网格分界面上，在该分界面上存在流场不同区域的相互交互作用，故掌握网格分界面的流动情况就相当重要。

为了准确看清液体在网格分解面的流动方向，图8给出了不同转速下的液力缓速器网格分界面局部速度矢量分布，从图8中可以看到，下部区域为液流入口区域，上部为出口区域。液流在转子流道内的速度不断增加，即出口区域的速度大于进口区域。下部区域的流动方向与转子的旋转方向相反。液体从网格分界面的下部区域进入转子时，既有轴向的速度，又有随转子叶片一起旋转的径向速度。而为了避免缓速器在工作中两叶轮相碰，在转子与定子端面间通常留有一定的间隙（即无叶栅区），此间隙以网格分界面为中心对称分布。当叶轮之间产生滑移时，间隙内的液流受到叶片的径向作用相对较小，故由于惯性力的作用这一间隙的液流方向与转子旋转方向相反。同时，在进、出口交接区域出现了漩涡，与图9所示的局部静压分布联合分析来看，其原因在于此处存在一个低压区，流体迫于周围流场的限制，流速下降，发生回流。

从图9中可以看出，转速升高，最大静压值也增大，低压区出现在进出口交接区域，高压区出现在外环，此处是转子出口和定子的入口区域，液流的能量较高，压力也较大。

4.2 弦面

图10和图11分别为液力缓速器不同径向尺寸的弦面相对速度矢量和静压力分布图。

从图10可以看出，随着径向尺寸增加，转子相对速度逐渐增大，在两个叶轮外弦面的交接面达到最大，而定子的相对速度逐渐减小。这说明液体进入转子吸收能量导致速度增加，使得在出口处的外弦面流速最大，而高速液流进入定子后冲击定子叶片产生冲击损失使得流速降低。

从图11中可以看出，随着转速升高，静压值也逐渐增大，静压力最大值和最小值均出现在中间弦面。由于液力缓速器无内环，因此中间弦面是液流进出口区域的交接区域，十分特殊。

为了掌握中弦面的流动规律，图12和图13分别给出了中弦面局部相对速度矢量和静压力分布情况。

从图12中可以看出，高转速时，相对速度最大值也较大，并且随着转速的增加，转子上部分的出口流速增大，流线方向趋于集中，因而更有利于冲击定子叶片形成制动扭矩。另外，在定轮流道靠近外环处出现了涡旋，并且随着转速升高涡旋也更加明显，这主要是由于高速液流冲击定轮外环及叶片，造成由外环到循环圆中心处产生较大速度梯度而引起的。

从图13中可以看出，两个工作轮的压力变化具有相同的趋势，压力分布显示出明显的层状分布特性，即从转子和定子的分界面到外环，压力逐渐增大，在靠近外环与叶片压力面夹角处达到最大。与速度矢量分布图对比分析，不难发现这里为主要液流冲击处，因此在缓速器的结构设计上此处应该适当增加圆角使其过渡均匀。此外，因为涡旋的影响，使得定子的低压区比转子的范围大一些。

5 性能预测与试验对比

本文对液力缓速器内部流场作了瞬态三维数值模拟，最终的目的是要计算出制动转矩。

在流场中选择一个控制体V，设t瞬时控制体内任意位置上的质点速度为ν、密度为p，则整个质点系的动量定理为：

图15中可以看出，图中试验和数值计算两条曲线的走向是相同的，制动扭矩随转速单调递增，符合二次曲线的变化规律，这与束流理论分析的结果一致。从制动扭矩随转子转速的变化趋势来看，数值计算结果与试验结果基本吻合，最大相对误差为5％左右，说明了采用的数值计算方法的正确性，可以比较准确预测液力缓速器的性能。

6 结束语

采用标准k-ε模型及SIMPLEC算法，同时利用滑动网格法处理转子和定子之间的流动参数传递，可以比较准确模拟出流场中的流动状态，并预测液力缓速器性能。数值模拟结果与试验结果基本吻合，因此可以用软件计算来代替液力缓速器的部分试验工作，快速、经济地设计或优化液力缓速器。