限矩型液力偶合器气液两相环流特性仿真

王阳，李志鹏，唐欣怡

（长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114）

液力偶合器具有轻载启动、防止过载、减少启动振动与冲击、多机驱动等优异功能，且其结构简单、可靠性较高，无需特殊维护，因此被广泛应用在大惯量、难启动需过载保护的机械设备中[1-2]。限矩型液力偶合器正常工作下始终处于部分充液的状态，在不同工况下，偶合器内部气液两相会呈现出不同的环流状态，从而使限矩型液力偶合器的转矩特性发生改变。因此，弄清限矩型液力偶合器内部气液两相环流特性与转矩特性之间的关系尤为重要。

目前对液力元件内部流场的试验研究主要有粒子图像测速、激光多普勒测速及流体动力探针技术等[3-4]。Hampel等[5]通过γ射线断层扫描成像技术对液力偶合器在30%充液率下，对不同转速比的偶合器内部流场进行试验，得到工作腔不同断面的气液两相分布情况。Silva等[6]通过在泵轮叶片两面安装平面阵列传感器的方式，得出80%充液率下，转速比i= 1、i= 0.6时泵轮叶片上压力面和吸力面的气液两相分布情况。国内学者也利用PIV技术对实现液力偶合器内部流场可视化做了大量研究[7-10]。

虽然试验手段结果较为准确，但试验周期较长，成本较高，操作复杂，因此随着CFD（Computational fluid dynamics）数值模拟技术的发展，国内外学者通过数值模拟的方式对偶合器内部流场做了大量研究。Bai等[11]利用CFD数值方法对矩形流道的液力偶合器内部流场进行了仿真计算，文中采用标准k-ε湍流模型，利用Reynolds平均法对粘性流体运动微分方程进行了求解，将仿真结果与试验测试结果进行了对比，发现二者吻合度较高。Huitenga等[12-13]利用CFD研究方法对矩形腔的限矩型液力偶合器进行了流场分析，并分析影响偶合器性能的参数，对其进行了改进优化。国内张嘉华等[14]利用CFX软件中非均一化模型对不同充液率不同工况下的调速型液力偶合器进行模拟实现了偶合器内部两相流体可视化与转矩传递特性的预测。赵继云等[15]采用VOF两相流模型对阀控充液型液力偶合器在不同工况下的气液两相分布情况进行了模拟，揭示了阀控充液型液力偶合器内部环流变化规律，并分析了挡圈对环流形态的影响。卢秀泉等[16]采用通过VOF模型对带有前辅腔的限矩型液力偶合器进行模拟，得到了其内部气液两相环流特性，并预测了偶合器转矩跌落点，对偶合器过载能力进行了评估。带有后辅腔的限矩型液力偶合器结构较为复杂，环流状态也有所不同，目前，针对带后辅腔的限矩型液力偶合器研究较少。

本文以YOX500型限矩型液力偶合器为研究对象，假定内部气液两相为分层流动。采用VOF两相流模型，Realizablek-ε湍流模型对偶合器两相分布规律进行模拟，揭示其分布规律与环流特性，并结合平面阵列传感器测试结果与外特性试验结果进行对比验证，对该方法有效性与适用性进行评价。

1 几何模型的建立

限矩型液力偶合器主要通过向辅助油室分流，改变工作腔的环流形态从而达到限矩的目的。本文采用的研究模型为YOX500型限矩型液力偶合器，泵轮腔均匀分布着44枚桃型叶片，涡轮腔均匀分布着38枚长圆型叶片，后辅室与工作腔、前辅室通过过流孔相连，其流道模型如图1a）所示。假设运行过程中温度的变化对工作介质的性质不造成影响，设置工作油液相关参数为定值，密度为860 kg/m3，黏度为0.0258 Pa·s，油与空气之间的表面张力为0.025 N/m2。因为该型号限矩型液力偶合器结构较为复杂，因此选择适应性较好的四面体网格进行划分，在导流孔及交界面处进行加密，网格数为177万，所得网格如图1b）所示。在泵轮与涡轮间的无叶栅区设一交界面，其余均设置为壁面，采用滑移网格模型，VOF两相流模型，Realizablek-ɛ紊流方程，对偶合器内部流场进行瞬态模拟。

图1 限矩型液力偶合器全流道模型与网格模型

2 两相流模型与控制方程

VOF模型是在固定欧拉网格下的一种表面跟踪方法。前提是两种或多种流体不会相互混合。在VOF模型中，在连续性方程中引入了相体积分数这一变量，从而实现了对计算单元相界面的追踪。在每个控制体中，将第q相流体的体积分数记为αq，其连续性方程为

式中：ρq为 第q相的密度，kg/m3；vq为第q相的速度，m/s；为 从q相向p相的传质，kg/（m2·s）；为从p相向q相的传质，kg/（m2·s）；Sαq为源项，其默认值为0；∇为算子符号；t为时间，s；

在VOF模型中，求解动量方程所得到的速度场被各相共用，动量方程取决于通过属性 ρ和 μ的所有相的体积分数，即

3 气液两相环流特性分析

针对限矩型液力偶合器在3种典型充液率不同工况的流场进行模拟计算，不同工况下，内部环气液两相分布呈现出不同的形态，偶合器的外特性也会相应改变。

图2为额定工况（i= 0.97）下，轴截面上3种不同充液率下液相体积分布图，其中红色区域占比最高，体积分数为1，即该部分区域全是油液，蓝色区域体积分数为0，表示该部分区域全为气相。由图2可知，在额定工况下，油气两相出现了明显的分层，油液集中在偶合器的外缘，这是由于在额定工况下，泵轮与涡轮转速相差较小，所受离心力较大，因此前辅腔内没有油液存在，油液在进入涡轮后，在涡轮腔中做短暂环流后很快就因较大的离心力而折返回泵轮，呈现出一种小环流的流动形态，由于滑差的存在，泵轮腔的气液分界面略高于涡轮腔。工作腔与后辅腔通过过流孔相连，部分油液会进入后辅腔内，当工作腔内油液所受压力与后辅腔内油液所受压力相等时，后辅腔的充液量保持不变。

图2 额定工况下不同充液率液相体积分布图（i=0.97）

图3 为过渡工况下液相体积分布图，油液充满了整个涡轮腔，少部分油液进入了前辅腔，继而进入后辅腔。在过渡工况下，比转速降低，滑差增大。油液在从泵轮出口进入涡轮后，由于涡轮对油液的离心力降低，涡轮不能及时将油液重新送回泵轮，因此油液在涡轮区域做长距离运动后，少部分油液进入前辅腔，继而进入后辅腔，重新折回到泵轮的油液由于泵轮的较大离心力很快被送出，和由后辅腔进入工作腔的油液一同进入下一个循环流动，因此在涡轮腔内聚集着大量油液，整个油液在工作腔内的循环流动由小环流慢慢转变为大环流。

图3 过渡工况下不同充液率液相体积分布图（i=0.6）

图4 为制动工况下液相体积分布图，制动工况下油液大部分分布在涡轮区域与前辅腔，后辅腔内的油液随着充液率的降低而减少。整个循环过程只有少量油液参与，由于涡轮静止不动，涡轮叶片对油液的阻碍作用使得在涡轮进口出现了一些油气混合的区域，进入涡轮的油液不再受离心阻力的作用，油液直接冲进前辅腔，并迅速充满整个前辅腔，一部分油液通过过流孔进入后辅腔，慢慢再向工作腔进行补充，未能进入前辅腔的油液少部分进入下一次循环，一部分沿着涡轮外壁在涡轮腔中形成涡流，整个涡轮腔呈现出一片油包气的区域，并随着充液率的降低，气体区域逐渐变大。此时，泵轮腔、涡轮腔、前辅腔、后辅腔之间形成了复杂的耦合流动。

图4 制动工况下不同充液率液相体积分布图（i=0）

图5 为50%充液率下，在3种典型工况下泵轮叶片上的气液两相分布图。由图可知，随着转速比降低，泵轮叶片的吸力面与压力面的液相分布逐渐变得不均匀，压力面液相占比逐渐增加，吸力面液相占比逐渐减少，且液相中逐渐融入大量气体，压力面与吸力面液相占比相差逐渐增大，泵轮叶片两侧压力差也逐渐增大，输出转矩增大。

图5 充液率为50%的泵轮叶片上气液两相分布图

文献[6]中采用在泵轮叶片上安装平面阵列传感器的方式得出了泵轮叶片上气液两相分布情况，该文所使用的偶合器的泵轮叶片与本文所用模型都为桃型，为本文提供了一个很好的参照。图6a）与图6b）分别为80%充液率下转速比i= 1、i= 0.6时的液相体积分布试验与模拟对比图。其中红色部分为油液，蓝色部分为气体。当i= 1时，泵轮与涡轮之间没有相对滑移，工作腔相当于一个整体的运动的腔体，各腔体间无耦合作用，因为没有滑差的存在，工作腔油液只受到离心力的作用，叶片两侧无压力差，腔体内没有环流产生，压力面与吸力面上的气液两相分布基本相同。当转速比降为i= 0.6时，泵轮与涡轮之间由于滑差的存在而形成环流，从涡轮折返回的油液受到泵轮较强离心力的作用，迅速被送往泵轮外缘，因此压力面气液两相分界面呈现出一个倾斜的角度。但是由于辅室的原因，充液量相对于试验较高，因此跟试验结果整体略有不同，但气液两相分布交界面趋势基本一致。

图6 充液率为80%下的泵轮叶片液相体积分布对比图

4 模拟结果与试验对比分析

限矩型液力偶合器在不同工况，环流状态会呈现出不同的状态，在大环流向小环流的过渡过程中，力矩也会产生相应的变化，图7为试验与模拟转矩特性对比曲线图，由图可知，力矩特性曲线存在跌落区，该区域即意味着限矩型液力偶合器内部环流特性发生了突变，即从大环流向小环流进行了过渡，说明了VOF模型对限矩型液力偶合器环流特性预测的有效性。通过转矩特性对比可知，在低转速比的条件下，VOF模型所得结果与试验相差较大，转速比较高时，与试验结果吻合较好，这是由于在低转速比时，偶合器内部流动较为复杂，存在着一些油气混合物，而此种状况并不适合采用VOF模型，因此误差较大，高转速比时，油液在偶合器内部呈现小环流的状态，油气分层明显，因此VOF模型较为合适，误差较小。

图7 试验与模拟转矩特性对比曲线图

5 结论

1）本文对YOX500型限矩型液力偶合器进行模拟计算，得到了3种不同充液率下3种典型工况的气液两相分布情况。当转速比不变时，随着充液率的增加，工作腔内部的循环流量增加，转矩增大；充液率不变时，随着转速比的降低，偶合器内部环流状态由小环流慢慢转变为大环流，且泵轮压力面液相逐渐增多，吸力面液相逐渐减少。

2）通过对限矩型液力偶合器内部气液两相交界面进行追踪模拟，得到泵轮叶片吸力面与压力面的液相体积分布，并通过与文献中的试验结果进行对比，发现其与试验结果较为吻合，表明了VOF模型在偶合器内部两相流动研究中的可行性。

3）将模拟所得的转矩特性曲线跟试验结果进行对比，环流状态发生改变所处工况点与力矩跌落工况点基本一致，验证了该方法的有效性。从所得转矩特性曲线来看，该方法在低转速比时误差较大，高转速比时与试验结果吻合较好。