工程機械液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計方法及應(yīng)用

李凌云

[摘 要] 液力變矩器是一種葉輪機械，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液體在工作輪流道中做黏性不可壓縮三維不穩(wěn)定流動，流場特性比較復(fù)雜，性能預(yù)測分析以及設(shè)計難度很高，研究工程機械液力變矩器的現(xiàn)代設(shè)計方法，對提高液力變矩器性能，延長使用壽命有重要意義。

[關(guān) 鍵 詞] 液力變矩器；三維流動理論；計算流體動力學(xué)

[中圖分類號] G712 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）22-0144-01

一、設(shè)計思路轉(zhuǎn)變

（一）設(shè)計方法創(chuàng)新

傳統(tǒng)的工程機械液力變矩器設(shè)計基于一維束流理論設(shè)計，是一個需要大量經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)的開環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計周期偏長，設(shè)計費用高，性能參數(shù)難以達到最優(yōu)，難以滿足新時期工程機械發(fā)展對液力變矩器設(shè)計工作的要求。近些年國內(nèi)研究人員提出基于三維流動理論進行液力變矩器設(shè)計，應(yīng)用立體力學(xué)CFD技術(shù)以及激光可視流場技術(shù)，開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CAX/CFD集成設(shè)計系統(tǒng)，提供直接面向用戶需求的集成化一體化設(shè)計系統(tǒng)，保證了產(chǎn)品匹配性能以及時效性，同時也為國家工程機械液力變矩器設(shè)計提供了新的方法與理論。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)階段，工程機械液力變矩器設(shè)計主要面臨著流場可視化分析、葉片成型、三維瞬態(tài)流場計算等難題，變矩器內(nèi)部液體不可視，葉片空間曲面復(fù)雜，穩(wěn)態(tài)流場計算精度難以保證，受到TC內(nèi)流場特性認(rèn)知缺乏的影響，CFD計算建?？茖W(xué)性一般。

（三）工程合作

經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)和工程合作，可以快速將研究成果推廣向更多的國內(nèi)TC制造廠商以及工程機械主機廠，在工程機械液力變矩器生產(chǎn)實踐中推動工程機械液力變矩器系統(tǒng)化設(shè)計工作的開展，盡快建立工程機械液力變矩器型號譜系，給液力變矩器開發(fā)設(shè)計以及快速選型工作打好基礎(chǔ)，同時在工程應(yīng)用中進一步豐富設(shè)計方法，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，提高設(shè)計制造水平。

二、工程機械液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用

（一）三維穩(wěn)態(tài)流場計算

傳統(tǒng)的一維束流理論忽視了穩(wěn)態(tài)流場計算的時變性，因而計算精度不高，而三維瞬態(tài)流場計算方法則通過多流動區(qū)域耦合滑動網(wǎng)格法、湍流模型大渦數(shù)值模擬、全流道模型等技術(shù)，更準(zhǔn)確真實地預(yù)測流體流動情況以及渦旋、脫流、分離流動等多種不同的流動現(xiàn)象，更準(zhǔn)確地做出TC使用性能預(yù)測。

1.多流動區(qū)域耦合滑動網(wǎng)格法

TC工作過程中，泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速不一致，循環(huán)流動會導(dǎo)致葉輪交界面上的工作介質(zhì)同時出現(xiàn)流進流出運動，因此數(shù)值計算難以設(shè)定固定進出口邊界條件，瞬態(tài)流場整體模擬比較困難。多流動區(qū)域耦合滑動網(wǎng)格法則通過瞬態(tài)計算，在計算區(qū)域內(nèi)設(shè)置分割網(wǎng)格，對相鄰子區(qū)域按照運動定義在網(wǎng)格分界面上滑移，通過瞬態(tài)分界面通量傳遞完成不同子域之間的瞬態(tài)耦合。

2.渦流模型大渦模擬法

這一方法來自雷諾時間平均算法，改進了雷諾平均方法對湍流細節(jié)的忽視，更準(zhǔn)確地描述流動分離、渦旋、擴散等現(xiàn)象。大渦模擬數(shù)值方法同時具有直接數(shù)值模擬和雷諾平均法的特點，放棄了全尺度范圍內(nèi)渦流瞬時運動的模擬，而是使用瞬態(tài)N-S方程組對湍流大于所有網(wǎng)格尺寸的渦流進行直接模擬，并依據(jù)一定模型將小于網(wǎng)格尺寸渦流對大渦流的影響在大尺寸渦流N-S瞬態(tài)運動中表現(xiàn)出來。

3.全流道模型

傳統(tǒng)的計算方法存在著計算機計算資源應(yīng)用程度不高的情況，只建立單流道模型，不能對液力變矩器內(nèi)部整個流動特性全面反映，應(yīng)用全流道模型則能夠借助滑動網(wǎng)格模擬分析上下游葉輪之間的流動參數(shù)和實時通量，從而實現(xiàn)變矩器湍流瞬態(tài)流動計算，更好地分析變矩器流動特性以及其原因。計算時葉輪均按照運動定義轉(zhuǎn)動網(wǎng)格，各自分界面也隨時間不短變化，使用實時新界面通量傳遞完成葉輪流動參數(shù)實時耦合。

（二）可視化流場分析

1.試驗思路

國內(nèi)研究人員首創(chuàng)使用粒子圖像測速技術(shù)測量液力變矩器內(nèi)部流動，解決了內(nèi)部流場速度標(biāo)定、單幀與連續(xù)幀流速識別提取等一系列難題，實現(xiàn)了液力變矩器內(nèi)部平面測量，全流動參數(shù)精度更高，對TC內(nèi)部流動特性認(rèn)識更加深刻，也給數(shù)值模擬計算結(jié)果驗證提供了可行的試驗方法。粒子圖像測速系統(tǒng)有機械、光學(xué)、視頻同步以及圖像采集四部分功能，使用了透明變矩器實體，并在流場中投放適當(dāng)濃度的示蹤離子，使用激光逆光源照亮流場測量區(qū)域，觀測示蹤離子的運動表征，代表流場流體質(zhì)點運動，并采集示蹤例子流場內(nèi)的流動圖像，識別圖像所反映出的粒子運動信息。

2.單幀PTV流速識別與提取

試驗中示蹤離子濃度一般，可以選擇易于識別的單個例子對其運動軌跡進行跟蹤，進而確定示蹤離子運動速度，記錄流場內(nèi)單個粒子的運動軌跡，單幀三次曝光，將粒子整體運動軌跡劃分為三個不同長度的段落，將最長軌跡線設(shè)置為箭身，次長軌跡線設(shè)置為箭尾，最短軌跡線為箭頭，粒子運動方向為從箭尾向箭頭，依據(jù)速度方向判別準(zhǔn)則，可以利用圖像處理技術(shù)準(zhǔn)確識別粒子三段運動軌跡，進而判斷粒子運動速度。圖像預(yù)處理可以確定粒子位移，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果、曝光時間參數(shù)，可以進而確定粒子平均速度。流場內(nèi)粒子濃度很高，可以使用PIV互相關(guān)方法識別并提取流速，劃分流場測量區(qū)域為大小相等查詢區(qū)域，并對各個查詢區(qū)進行互相關(guān)分析，迭代計算全流場平均流動速度。

綜上所述，主要研究工程機械液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計方法與應(yīng)用，分析了工程機械液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計思路的變化，并對幾種現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用進行了探討。

參考文獻：

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