调速型液力偶合器两相环流特性预测

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(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 煤矿综采装备山西省重点实验室，山西 太原 030024；3.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030021)

引言

随着现代机械工业不断向着高功率、大负荷的方向发展，面临着重型机械设备大惯量、难启动、冲击负荷、扭振严重且超载的挑战，液力偶合器作为一种重要的传动设备很好的解决了这些难题。调速型液力偶合器通过改变工作腔中的充液率，在输入转速不变的情况下，达到调节输出转速的目的，常用于重型工程机械及矿山机械的传动系统中。

调速型液力偶合器作为一种重要的液力传动装置，其转矩传递特性是液力偶合器选型与设计的重要依据[1]。调速型液力偶合器主机部分主要由泵轮与涡轮组成，泵轮与主动轴刚性连接，由主动轴带动旋转，进一步带动工作腔中液体流动进入涡轮，带动涡轮旋转做功产生机械能，之后再次流回至泵轮，通过这种循环流动，实现泵轮与涡轮之间的转矩传递。因此液力偶合器内流场的环流特性决定了包括转矩传递特性在内的各项工作性能，对于液力偶合器的设计十分重要。

目前国内外很多学者已经通过成熟的粒子图像测速(PIV)、激光多普勒测速(LDA)、粒子跟踪测速(PTV)以及应用阵列传感器等对液力元件内流场分布特性进行研究，柴博森等[2]测试了基于PIV技术的液力偶合器旋涡流场图像特征捕捉的最佳示踪粒子浓度，并获取了主流区域的涡流流动特征。马文星等[3]通过PTV试验验证了不同开度、不同工况下的导叶可调式液力变矩器的内部流动特性，为研究其内部流动状态与外特性预测提供了方法与依据。武景燕等[4]采用LDA技术对全透明液力变矩器内流场不同部位的轴向速度分布进行了测量，并分析了LDA测试结果与CFD分析结果的误差。DA SILVAA M. J. 等[5]学者研究了桃形腔偶合器的测试模型，并将平面阵列传感器安装在叶轮叶片的吸力面侧。以水为工作介质，通过传感器直接检测叶片表面的水液分布状况。还有很多学者通过在液力元件中应用各种传感器进行数据采集与分析，获得基于实际工况的准确信息[6]，但由于试验成本较高，平台搭建复杂，获得的数据信息有限，难以普遍应用于液力元件的选型与设计中。

随着计算机运算能力的不断提升与各种商用有限元软件的快速发展，CFD技术的应用成为了目前解决流体计算问题的重要途径。在液力传动方面，国内外已有很多学者基于CFD技术进行了针对多种液力元件的数值计算[7-9]。闫清东等[10]建立了不同卸荷孔参数的液力变矩器模型，利用CFD技术研究了不同参数卸荷孔对液力变矩器轴向力的影响。刘春宝等[11]对比了利用RANS与SRS方法的液力变矩器流场特性预测的精度，研究了利用尺度解析模拟的液力变矩器特性预测方法。魏巍等[12]通过对低充液率不同转速下液力缓速器扰流机构起效过程流场仿真，分析了不同工况下制动转矩、容积率、扰流柱挡片压力差的变化趋势，揭示了低充液率下工作腔内气相主导的流动规律与降低空转状态下的功率损失，并据此确定了低充液率扰流柱起效判定方法。马文星等[13]利用CFD技术，针对其设计的新型轴流导叶可调液力变矩器进行了特性预测，并对其特性进行了分析。

针对目前调速型液力偶合器已得到了广泛的引用，然而我国自主研发设计能力仍然十分薄弱的现实。同时国内外基于CFD技术针对液力变矩器、液力缓速器等液力传动装置已有了较多研究[14]，但基于CFD的调速型液力偶合器的研究相对较少。本研究针对某型矿用调速型液力偶合器，应用CFX软件对不同工况条件下的液力偶合器流场环流特性进行了研究，分析了流场分布特性的变化规律与转矩传递特性的趋势原理，为液力偶合器的选型与设计提供了可靠的理论依据。

1 计算模型

调速型液力偶合器根据实际的工作需求及工况条件，常工作于不同的速比和充液率下，定义液力偶合器的速比i=nT/nP，其中nT为涡轮转速，nP为泵轮转速，充液率q为工作腔内充注液体体积VL与工作腔容积V之比，即q=VL/V。图1为调速型液力偶合器工作原理示意图。调速型液力偶合器在泵轮转速一定的条件下，通过调整内流道充液率，实现工作机的软启动与平稳运行。并在过载时通过水液的急剧汽化，迅速降低输出转矩，实现对传动系统的保护。

图1 调速型液力偶合器工作原理示意图

循环圆直径D=575 mm的矿用双腔调速型液力偶合器在输出端和输入端分别有一对叶珊结构完全相同的叶轮，该液力偶合器为圆形腔，泵轮与涡轮均为直叶片，并在泵轮与涡轮之间安装有阻流挡板，以尽量避免转矩传递过程中的不稳定区间，阻流挡板外径为循环圆最大直径的0.55倍。由于该调速型液力偶合器为空间、结构对称的双腔结构，因此选取输出端叶轮作为研究模型，其中泵轮叶片数量为46，涡轮叶片数量为45，叶轮与对应流场的几何关系如图2所示。

图2 叶轮与流场几何模型

根据叶轮腔体结构，提取与其结构互补的全流道几何模型，根据液力偶合器内流道循环对称的结构特点，为提高计算效率，设叶轮叶片数为x，建立其简化的1/x流场的单流道几何模型，为之后数值计算模型的建立做准备。

注:所用药物统一为:拜阿司匹林为拜耳公司生产的阿司匹林肠溶片;阿托伐他汀钙为辉瑞制药有限公司生产的立普妥。

利用ICEM软件，为了保证流场特性计算的准确性与稳定性，采用几何适应性较强的非结构四面体网格进行流道模型的网格划分，设定全局网格尺寸为2 mm，建立质量较高的流场网格模型，其中泵轮流场网格数为663193，涡轮网格数为610824，流道网格模型如图4所示。

图3 单流道模型建立示意图

图4 单流道流场网格模型

2 数值模拟计算

2.1 控制方程

由于液力偶合器叶轮旋转速度较高，叶轮叶片与液流之间存在剧烈的相互作用，尤其是在叶轮转速差较大时，因此可以判定液力偶合器内流场为十分复杂的三维湍流流场，由于工作过程中流场温度的变化以及温差对液流循环特性和转矩传递特性的影响较小，因此忽略工作过程中流场温度的变化以及能量耗散，内流场流动满足动量守恒方程和质量守恒方程[17]。

质量守恒方程称作连续性方程，在计算流体动力学中所描述的物理意义为：单位时间内流入流场微元计算网格中的流体质量与对应的流出微元中的质量相等。其微分方程如下:

(1)

式中，t为时间；ρ为流体密度密度；u，v，w为速度矢量在x，y，z方向上的分量。液力偶合器以水液为工作介质，在计算过程中可将其视为不可压流体，因此密度ρ为常数，则质量守恒方程简化为：

(2)

动量守恒方程即为Navier-Stokes方程，Navier-Stokes简称N-S方程。该方程是牛顿第二定律在流体中的应用，对于牛顿流体，方程的张量形式可以表示为：

(3)

式中，δij为克罗内克尔(Kronecker)符号；fi为体积力。对于动力黏度为常量的不可压流体，上式可简化为：

(4)

2.2 数值计算条件

1) 边界条件

根据调速型液力偶合器叶轮的循环对称结构与单流道流场模型的建立方式，在流场循环圆轴面建立周期性边界循环条件。对泵轮与涡轮流场的交界面采用基于混合平面模型(Mixing Plane-MP)的级联法(Stage)对2个流道同时求解，在交界面进行周向平均和交互传递，在每一参考框架内均可获得稳态解。对于叶轮与流场交界壁面，采用无滑移边界条件。根据液力偶合器实际工作情况与计算要求，作以下假设：

(1) 忽略工作过程中流场温度变化及温差导致的能量损耗；

(2) 忽略空气与水液的体积与密度变化，不考虑空气与水液之间的能量交换。

由于液力偶合器工作时叶轮转速较高，内流场为高度湍流流动。为了有效地获取流场中的细微涡流和边界层现象以及更加精确的数值计算结果，选择切应力输运SST(Shear Stress Transport)湍流模型对液力偶合器流场模型进行分析[18]。

当液力偶合器充液率低于100%时，内流场为复杂的气-液两相流动。根据国内外流场分布特性实验与工程计算经验，采用CFX两相流模型中的非均一化模型，设置气-液表面张力系数为0.0726。由于液力偶合器以水液为工作介质，因此水液对流场特性起决定作用，设置水液为主相。

2) 工况条件

为了准确分析流场在不同条件下的分布特征与转矩传递特性，设置泵轮转速为1475 r/min选取充液率为10%～100%时以及对应不同充液率下速比为0～0.99的流场数值计算模型进行计算，由于速比由0.9上升至0.99的过程中输出转矩下降速率较快，同时额定工况点一般分布于0.95速比附近，因此提高了该部分的转矩传递特性计算解析度。总共计算了190个工况点，如图所示，基本覆盖了该调速型液力偶合器实际工作过程中可能出现的工况条件。

表1 液力偶合器流场特性计算工况点

3 结果分析

3.1 体积率分布特性

图5为单流道流场循环圆轴面气液两相体积率分布特性图，图中浅色代表该区域液相体积率为100%，深色代表该区域气相体积率为100%，两区域交界的过渡区域表示存在一定的水-气混合现象，两相交界面处则处于两相混合交互渗透状态，并且因为循环圆轴面处水液未直接受叶片搅动，所以未发生大面积两相相互渗透现象，气-液分层现象较为明显。

由图中水液体积的分布变化特点结合全流道40%充液率下的体积率分布示意图6可知，在同一充液率下，低速比时泵轮对水液做功，水液被挤压至涡轮，在涡轮流道内循环流动做功，在向泵轮回流时受到阻流挡板的影响，大部分水液同来自泵轮中的液流汇流至涡轮中，少量水液回到泵轮，并在泵轮的加速下继续参与循环。此时，由于泵轮转速较高，涡轮转速较低，因此水液在泵轮中同时受到较大离心力，在涡轮中离心力相对较小，因此泵轮中流场为分布于循环圆外侧的小循环，涡轮中水液为分布整个涡轮流道的大循环。

随着速比的增大，涡轮的转速不断增大，涡轮中水液受到的离心力同时增大，水液环流范围逐渐减小，同时环流中心不断向循环圆外环偏移，环流中心的气相体积也随之减小。在达到一定的速比时，涡轮与泵轮中的水液环流合为同一环流，液流循环在循环圆外环处形成，此时泵轮转速仍然大于涡轮，因此泵轮中液流体积小于涡轮，气-液分界面偏向涡轮倾斜。随着速比的进一步增大，涡轮与泵轮的转速接近相同，泵轮与涡轮中水液受到的离心力大小不断接近，泵轮与涡轮中水液分布体积基本相同，两相分界面趋于与叶轮旋转轴相平行。

图5 轴面水液体积率分布特性

图6 40%充液率循环圆水液体积率分布

随着充液率的增大，叶轮中水液体积增大，循环圆轴面上水液面积增大。速比一定时，由于随着流场中水液体积的增加，涡轮无法提供做够的离心力使液流保持原有循环位置，因此涡轮流场中液流循环中心逐渐向循环圆内环偏移，在低速比时表现为流场随充液率升高出现了中心为气相的涡轮流场大循环，并在充液率进一步升高时，部分气相被挤压至了涡轮流场循环圆外侧；在高速比时表现为随着充液率增加，气液分相界面逐渐向涡轮侧偏斜，并且由于高速比时涡轮流场所受离心力较大，循环圆外侧气相分布不明显，在80%充液率下可以明显看到随着速比的增大，涡轮循环圆外侧气相分布逐渐减少。

同时可以看到在较高充液率、较低速比时，由于此时泵轮与涡轮转速差较大，因此叶轮对流场的冲击比较剧烈，导致了一定的水-气混合现象，形成了图中所示的气液两相边界较为明显的交互渗透状态。

3.2 速度流线分布特性

图7为40%充液率下叶轮流场中液相与气相速度流线的分布特性，流线表示了流体的流动轨迹，流线不同部位的颜色深度表示了流体在不同位置的流速，液相与气相流线空间分布上呈现出明显互补特征。从图中可以看出，在泵轮与涡轮流场交界面附近，由于泵轮叶片搅动水液使液流得到加速，因此在泵轮出口处液流速度较高。在相同充液率下，低速比时由于泵轮转速远高于涡轮，泵轮出口处液流速度大于涡轮出口，这种趋势随着速比的升高泵轮与涡轮转速趋于相同而逐渐减小；同时随着涡轮叶片对水液的冲击增加，泵轮入口压力增加，流场整体循环速度减慢。

3.3 流场交界面速度矢量

为了对流场进出口处流场运动特性进行研究，由于流场靠近循环圆外环处在不同充液率时始终有液相存在，并且液流环绕流道的循环方向不发生变化，因此建立垂直于流场交界面，平行于旋转轴线并距轴线垂直距离285 mm的速度矢量监测面如图8所示，并获取在20%与80%充液率下不同速比时该平面上的速度矢量分布图如图9所示。

图8 速度矢量监测面位置示意图

定义射流角为泵轮出口(涡轮入口)处液流速度矢量方向与流场交界面的夹角,结合流场流线分布图分析可知，在同一速比下，充液率较大时水液占据了流道较大容积，液流循环范围较大，外环液流速度也相对较大。在同一充液率时，随着速比增大，由于泵轮与涡轮转速差减小，过泵轮、涡轮流场交界面处液流射流角逐渐增大，同时由于涡轮入口处压力增加，液流速度逐渐减小。

3.4 转矩特性

图10为流场在不同充液率时输出端叶轮的转矩传递示意图，横坐标为0至0.99速比，纵坐标为偶合器输出端叶轮输出转矩。结合之前的流场内特性分析结论，从图中可以看出在同一充液率下，随着速比的增大，由于泵轮出口液流射流角和流速同时减小，输出转矩整体为下降趋势，在较低速比时，由于泵轮出口液流射流角过小，液流流出方向接近与流场交界面平行，部分液流没有直接流入涡轮并冲击涡轮叶片，即产生了一定的间隙流量泄漏。随着速比增大，进入涡轮的流量也增大，因此输出转矩在低速比存在缓慢上升趋势，这种趋势在全充液时较为明显。在同一速比时，随着充液率的增加，流场中传递动能的液流增加，输出转矩随之增大。

由于阻流挡板对流场的循环特性产生了较大的影响，在不同充液率下的输出转矩均出现了在一速比时的转矩值跌落速率突变现象，结合流场体积率分布特性可知，在同一充液率时由于随着速比的增加，液流循环流动中心逐渐由循环圆内环向循环圆外环移动，在速比较低时液流受阻流挡板影响，转矩下降速率较大，随着速比的进一步增大，液流循环在一定的速比时不再受阻流挡板的影响，转矩下降速率降低。随着充液率的增加，流场循环范围也增大，液流循环脱离阻流挡板影响所需的速比也不断提高，转矩值下降速率跌落位置出现于更高速比时。特殊地，由于全充液工况时流场始终受限流挡板的影响，因此未出现下降速率跌落现象。

4 结论

针对某型矿用调速型液力偶合器，应用计算流体动力学软件CFX对不同工况条件下的流场特性和转矩特性进行了数值模拟研究，得到如下结论：

图10 输出转矩特性曲线

(1) 对比分析了不通工况下流场的体积率、速度流线与流场交界面速度矢量分布特性后得出：随速比增大，产生了水液向循环圆外环处分布的趋势，泵轮出口处射流角增大，流速降低，在低速比时流场变化情况较复杂；随着充液率增大，水液分布趋向于循环圆内环处，泵轮出口处射流角增大，流速增大；阻流挡板影响了流场体积率分布与液流循环。不同工况下流场分布特性变化较为复杂，但存在一定的规律，解释了液力偶合器功能特性产生的内部原理，为液力偶合器的流场分析提供了方法，并为液力偶合器内流场研究提供了可靠的数据基础；

(2) 对多工况条件的液力偶合器进行了数值计算，并结合流场分布特性分析了转矩传递特性变化的趋势特征与内在机理。通过转矩传递变化特性分析可知：液力偶合器输出转矩整体趋势随速比增大减小，随充液率升高增大，在阻流挡板的影响下，一定的工况条件下有转矩值下降速率跌落现象。通过转矩传递特性的分析结合流场分布特性，获得了覆盖工况较为全面的流场转矩传递特性数据，为液力偶合器的使用、选型与设计提供了可靠的理论依据。