限矩型液力偶合器内部两相流动数值模拟

唐欣怡, 李志鹏*,, 王阳, 李铁梅, 孙军红

(1. 长沙理工大学 能源与动力工程学院,长沙 410114; 2. 湖南中特液力传动机械有限公司,湖南益阳 413003)

动压泄液式限矩型液力偶合器主要通过调节其内部充液率实现轻载启动、过载保护、协调多动力机运行等功能,内部流场特性决定了其转矩输出特性,因此研究限矩型液力偶合器内部流场对偶合器内部流道结构优化具有重要指导意义[1]。

目前针对限矩型液力偶合器内部流场的研究方法主要有实验与CFD(Computational fluid dynamics)数值模拟。国内外学者主要通过实验方式对液力偶合器内部流场进行可视化研究,Hampel等[2]通过γ射线断层扫描成像技术对30%充液率不同转速比的偶合器内部流场进行实验,得到其工作腔不同断面的气液两相分布情况。Da Silva等[3]通过在泵轮叶片两面安装平面阵列传感器的方式,得出了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。李兴忠等[4]利用PIV(Particle image velocimetry)技术对偶合器内部流场进行测量,分析了在不同工况条件下不同流道区域的速度场和涡量场。卢秀泉等[5]结合PIV技术对液力偶合器进行了可视化与外部特性同步测试实验,对调速工况下偶合器涡轮内部瞬态流动特性进行了研究。

由于实验周期较长、平台搭建成本较高且操作较为复杂,所以CFD技术在偶合器内部流场模拟研究方面得到了广泛的应用[6]。Bai等[7-8]采用标准k-ε湍流模型,利用Reynolds平均法对矩形流道的液力偶合器内部流场求解,发现仿真结果与实验测试结果吻合度较高,且解释了液力偶合器扭矩传递的物理过程。Huitenga等[9-10]利用CFD研究方法分析了影响限矩形偶合器性能的参数,奠定了将CFD技术运用到液力偶合器优化的基础。Hur等[11-12]利用CFD技术模拟液力偶合器两相瞬态流场,研究了不同充液条件、不同的叶片倾斜角度和速度比下液力偶合器的流动特性,得出叶片角度会影响流场速度分布情况、液相体积分数会影响传动性能的结论。张德生等[13-14]将CFD技术应用到液力偶合器的流道腔型优化中,设计提出优化后的流道结构参数。赵继云等[15]采用VOF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。王阳等[16]利用VOF模型对液力偶合器内部流场进行瞬态分析,总结了其流场结构的变化与规律。卢秀权等[17]利用Mixture模型实现了对限矩形液力偶合器内部流场分布情况的预测,且通过试验获得的外特性对比,对数值模拟方法的适用情况进行评价。

目前,针对限矩型液力偶合器内部两相流的研究主要基于单个两相流模型,不同工况下的偶合器内部气液两相流场差异较大,单一的两相流模型并不能完全适用于全工况限矩型液力偶合器内部流场进行的模拟,因此本文分别利用VOF与Mixture两种两相流模型对YOX500型限矩型液力偶合器工作腔进行瞬态分析,通过VOF模型得到其气液两相分布,通过Mixture模型得到其压力速度场分布,从而揭示其内部流场特性,并得出两种两相流模型的适用性规律,为偶合器内部流场模拟提供方法。

1 物理模型的建立

本文选取YOX500型限矩型液力偶合器为研究对象,对泵轮、涡轮及前辅腔之间工作腔中两相运动情况进行研究。此型号液力偶合器循环圆直径为500 mm,泵轮44枚叶片,涡轮38枚叶片,将其整体流道结构提取如图1a)所示,网格模型如图1b)所示。工作腔内油液为6号液力传动油,设置其密度为860 kg/m3,黏度为0.025 8 Pa·s,油液与空气之间的张力系数设置为0.025 N/m。

图1 几何模型

为实现对YOX500型液力偶合器工作腔内部的数值求解,结合偶合器的工作流场特点,首先假设:

1) 偶合器工作腔为密闭结构,无工作油液的流入流出;

2) 偶合器叶轮为刚体,工作中无变形,流道空间不改变;

3) 工作油液的黏性系数不变;

因为泵轮、涡轮及前辅腔之间存在复杂的耦合运动,为保证数值计算的精度及收敛稳定性,本文使用高质量的六面体网格对偶合器流道进行划分,如图1b)所示,网格数量为6.6×105,网格质量均大于0.56。两相流模型分别选用VOF与Mixture模型,湍流模型采用RNG(Re-normalization group)k-ε方程,压力、速度耦合方式采用PISO(Pressure-implicit with splitting of operators)算法对偶合器瞬态流场进行数值计算。

2 计算分析模型的建立

2.1 两相流模型

限矩型液力偶合器内部的流动是三维的、不可压缩的非定常两相流动,选取的两相流模型是否合适对模拟结果的准确性有着较大影响。本文分别选用VOF模型与Mixture模型对限矩型液力偶合器内部流场进行瞬态分析。

Mixture模型是一种简化的多相流模型,可以通过求解混合物的动量、连续性和能量方程、次相的体积分数方程和相对速度的代数表达式来模拟相。

其连续性方程为

(1)

通过将各相的动量方程求和来获得混合相的动量方程,其可以表示为

(2)

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

(3)

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。

(4)

2.2 滑移网格模型

偶合器在运行过程中始终存在滑差,为了更好地模拟泵轮与涡轮之间的耦合作用,采用滑移网格模型对泵轮与涡轮区域进行数据交换。运用滑移网格时,计算域至少包含两个或多个存在相对运动的子域,每个子域存在一个或多个与其他相邻子域的交界面,称为interface,本文interface设置如图 2所示。

图2 泵轮和涡轮流道的interface示意图

2.3 初始化

在使用VOF模型求解时,因为偶合器内部始终处于部分充液,因此需要对其进行初始化设置。恰当的初始化方法能够加快收敛速度,提高模拟准确度,本文试用了两种初始化方式,并对其收敛情况进行比较。

方法一是以真实初始状态确定初始化气液两相分布,如图3a) 所示。方法二是根据对结果的预估进行初始化设置,定义流道外围为液相,流道内部为气相,如图3b)所示。以转速比0.2充液率50%的情况为例,分别使用两种初始化方法对液力偶合器内部流动进行模拟,并对其收敛速度及结果进行比较。图4a)为运用方法1初始化得到的泵轮转矩图,图4b)为运用方法2初始化得到的泵轮转矩图,可以看出运用方法二模拟所得的泵轮转矩在约在0.175 s时保持稳定,不再发生过大波动,从收敛时间和收敛情况来看都优于方法一所得到的结果。所以为保证模拟准确度和加速收敛过程,本文选用方法二进行偶合器流场初始化。

图3 50%充液率下初始化图

图4 转矩监测曲线

3 流场分析与特性预测

限矩型液力偶合器内部气液两相流动较为复杂,在不同转速比和充液率下,产生不同形态的环流,从而改变偶合器外特性输出。本文模拟了50%、62.5%、80%充液率的偶合器在3种典型工况下的工作腔中流场运动情况,通过分析使用VOF模型模拟得出的气液两相体积分布云图与使用Mixture模型模拟得出的压力分布云图和速度矢量图来揭示限矩型偶合器的流场运动特性。

3.1 启动工况

图5为转速比i=0时的启动工况下,3种典型充液率(q=50%,q=62.5%,q=80%)的气液两相体积分布云图。

图5 3种充液率下轴向截面气液两相体积分布云图(i=0)

图5中蓝色区域为气相,红色区域为液相,其它颜色为不同混合程度的气液混合物。在启动工况下,大部分油液停留在前辅腔中,参与流动的小部分油液由泵轮进入涡轮后,受到涡轮离心压力阻抗的作用很快折回泵轮,且高速流动的油液会受到涡轮叶片的阻碍,在涡轮入口处形成油液混合空气的漩涡,因此涡轮流道内出现大片由液相包裹着的气相区域。随着充液率的增加,液相中夹杂气相的比例降低,气相区域面积随之减小。

启动工况下,泵轮高速旋转,涡轮静止,由图6可以看出,泵轮出入口与涡轮出入口有着明显的压力集中,且此时腔内压力分布不均衡,出现大面积负压区域。此工况下工作腔内的油液做大环流运动,沿壁面处流道有着较高的压力分布,气体被包裹在泵涡轮中部,因此这些区域出现明显的负压,且负压区偏向涡轮侧分布较大。

图6 3种充液率下轴向截面压力分布云图(i=0)

图7为启动工况下的速度矢量图。由于此时泵轮出口、涡轮入口处与涡轮出口、泵轮入口处两侧压力差达到最大,因此这两处速度值也达到最大。偶合器内介质在经过泵轮牵引及离心力的作用下以较高的速度进入涡轮,在经由涡轮外壁做环流运动后大部分进入前辅腔,少部分进入泵轮开始下一轮循环流动。由于高速旋转的泵轮对回流介质产生的阻碍作用,因此在涡轮内形成了一个涡流区域,整个工作腔内呈现出一种大环流的流动状态。

图7 3种充液率下轴向截面速度矢量图(i=0)

3.2 牵引工况

牵引工况时,涡轮转速升高,泵轮与涡轮间的滑差减小,涡轮对油液的离心阻抗减小,如图8所示,3种充液率下工作腔内都出现明显的气液两相分界面。在低充液率时,油液在泵轮腔上部及涡轮腔内大部分区域循环,气体主要分布在前辅腔及泵轮中下部。在充液率为80%时,泵涡轮腔内充满大量油液,随着环流区的扩大,部分油液由涡轮工作腔进入前辅腔形成环流,部分气体与油液混合,分布在流道外沿参与循环。

图8 3种充液率下轴向截面气液两相体积分布云图(i=0.6)

图9为牵引工况下的压力分布云图,图10为速度矢量图。随着转速比的增加,工作腔内的压力逐渐趋向于带状分布,泵轮与涡轮之间的两侧压力差减小,因此最大速度值会相对减小,但最大速度依然会出现在两个压力差较大的地方,即泵轮出口、涡轮入口处与涡轮出口、泵轮进口处。同时转速比的增加使得泵轮与涡轮间的阻碍作用降低,泵轮与涡轮内的涡流减弱,因此,油液在进入涡轮上部大圆弧段速度达到最大值之后受到壁面阻碍,速度逐渐减小,且涡流中心逐渐向工作腔中心移动,环流形态由大环流慢慢向小环流转变,被环流包裹的油液滞流区域逐渐缩小,从速度矢量图可以看出,滞流区随充液率的升高逐渐缩小。

图9 3种充液率下轴向截面压力分布云图(i=0.6)

图10 3种充液率下轴向截面速度矢量图(i=0.6)

3.3 额定工况

当偶合器达到额定工况时,进入涡轮的油液受到涡轮离心压力阻抗很快折回泵轮,此时腔内为小环流形态。如图11所示,3种充液率下偶合器气液分界面都十分明显,且几乎呈现水平,这是由于泵轮与涡轮间滑差很小,液体在泵轮和涡轮中所受离心压力的差值也很小,所以气液分界面没有发生明显倾斜,且可以看出,气体全部位于工作腔内侧,几乎无气液混合物参与循环,此时偶合器已经达到平稳运行状态。

图11 3种充液率下轴向截面气液两相体积分布云图(i=0.96)

图12为额定工况下的压力分布云图。此时腔内油液环流作用减弱,环流形态稳定,压力呈现出基本水平的层状分布,且与工作腔半径呈明显线性关系,并随充液率的升高流道整体压力增大。

图12 3种充液率下轴向截面压力分布云图(i=0.96)

图13为额定工况下的速度矢量图。在额定工况时,泵轮与涡轮趋于同步运转,油液进入涡轮后能量损失较少,所以泵轮出口速度和涡轮出口速度基本相等。此时泵轮与涡轮间压力基本相同,因此工作腔内介质流速较小,且3种充液率下的速度分布和速度值无明显区别。由图13可看出,到达额定工况后,偶合器内部环流区域减小,这是因为内部工作介质从泵轮流出后,由于涡轮此时转速较高,强离心作用使得工作介质较快的折返回泵轮,因此,工作腔内呈现出一种小环流的流动形态。

图13 3种充液率下轴向截面速度矢量图(i=0.96)

3.4 仿真结果分析

如图14所示,实线为Mixture模型下不同充液率的泵轮转矩特性曲线,虚线为VOF模型下不同充液率的泵轮转矩特性曲线。限矩型液力偶合器在发生过载时,内部环流状态会由小环流转变为大环流,其在外特性的表现上主要是会出现力矩的跌落。本文分别采用VOF模型与Mixture两相流模型分别对限矩型液力偶合器50%、62.5%、80%充液率下内部气液两相流场进行分析,可以看出,VOF模型所计算出来的不同充液率下转矩特性曲线在转速比0.4～0.7之间会出现一个转矩跌落区域,VOF模型能够较好地模拟出限矩型液力偶合器内部转矩跌落特性。Mixture模型作为一种简化的两相流模型,在模拟高、低转速比工况时的转矩值仍具有一定的参考价值,但无法模拟出内部因流态变化而导致的转矩跌落现象。

图14 转矩特性曲线

4 结论

1) 本文基于CFD计算,分别用VOF模型和Mixture模型对YOX500型液力偶合器在3种充液率的不同工况下的流场进行模拟。通过使用VOF模型模拟得出的气液两相体积分布云图与使用Mixture模型模拟得出的压力分布云图和速度矢量图可直观地反映出偶合器工作腔内部工作油液的流动状态与规律,为偶合器流道设计及优化提供了参考依据。

2) 在使用VOF模型进行模拟时,分别试用两种初始化方法,发现当采用方法二即油液均匀分布在工作腔外缘时,收敛速度较快,收敛效果好。

3) 对比VOF模型与Mixture模型所得的转矩特性发现,VOF模型可以较好地模拟出由环流状态改变而引起的转矩跌落情况,Mixture模型作为简化的两相流模型并不能模拟出此效果,但在高、低转速比时模拟的转矩值依旧具有参考价值。