（车辆工程专业论文）基于cfd分析的液力减速器设计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文依托“车辆传动国家重点实验室基金项目 高效液力减速器优化设 计，首先介绍了论文的研究背景，液力减速器的发展以及国内外应用情况；介绍 了液力减速器目前存在的问题和今后的发展趋势；对液力减速器的设计方法发展 历程进行了简要的概述，目前液力减速器设计开发主要是依赖一维束流理论，这 种方法无法研究液力减速器内部的流动及规律，本文以d 3 7 5 型液力减速器为研 究对象，采用c f d 软件f l u e n t 对液力减速器内流场进行了数值模拟分析。 首先利用流体一维束流理论和相似原理对叶片倾角为3 0 。、4 0 。、4 5 。的三种 液力减速器进行了特性初算，并得出了参考结论。 使用u g 建立了三维实体模型，对流道进行了一定的简化处理后建立了流道 模型，利用映射法生成了液力减速器周期流道网格。在计算中采用了混合平面模 型，计算分析中湍流模型选用标准k 一模型，速度一压力耦合算法选择s i m p l e 算法，离散方法选择最简单的一阶迎风格式。根据束流理论，以等过流截面积原 则确定了动轮和定轮的出、入口边界。迭代计算时对制动力矩进行监视，待制动 力矩稳定后，得到了制动力矩的大小。 对比一维束流理论计算结果与c f d 数值计算结果，选定了叶片倾角，对液力 减速器的相关几何参数与结构进行了优选，对叶片厚度进行了优选，利用有限元 分析软件进行了叶片强度校核；对动轮叶片叶形进行了改进，提高了液力减速器 充液效率；对原有的降低鼓风损失装置进行改进，使得降低鼓风损失装置更加新 颖，更加合理，工作更加可靠；最后对液力减速器花键连接进行了强度校核。 本文对液力减速器的设计开发过程进行了探讨，初步建立了一套以c f d 分析 为主，一维束流理论为辅的液力减速器设计方法。为提高液力减速器的设计水平 做出了贡献。 关键词：液力减速器，一维束流理论，数值模拟，f l u e n t 武汉理工大学硕上学位论文 a bs t r a c t t h ev e h i c l et r a n s m i s s i o n - - o p t i m a ld e s i g n o fe f f i c i e n th y d r o d y n a m i cr e t a r d e r f i r s t l yi nt h i sp a p e r , t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e h y d r o d y n a m i cr e t a r d e ri nt h ew o r l dh a db e e ni n t r o d u c e d t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h ec u r r e n tp r o b l e m so fh y d r o d y n a m i cr e t a r d e ra n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d si nt h e f u t u r e t h ed e v e l o p m e n to ft h ed e s i g nm e t h o d so fh y d r o d y n a m i cr e t a r d e rw a s s u m m a r i z e d a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no fh y d r o d y n a m i cr e t a r d e ri sb a s e do nt h e o n e - d i m e n s i o nf l o wt h e o r y , w h i c hc a nn o ts t u d yt h ei n t e r n a lf l o wa n dp r i n c i p l eo f h y d r o d y n a m i cr e t a r d e r i nt h i sr e s e a r c h ，t h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h eh y d r o d y n a m i c r e t a r d e rd 3 7 5w a ss i m u l a t e db yc f ds o f t w a r ef l u e n t t h et h e o r i e so fo n e d i m e n s i o nf l o wa n ds i m i l i t u d ep r i n c i p l ew e r eu s e df o rt h e c h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o no ft h r e et y p e sh y d r o d y n a m i cr e t a r d e rw i t hd i f f e r e n tb l a d e a n g l e s3 0 。、4 0 。、4 5 。t h er e s u l t so fc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o nw e r eu s e df o rt h e r e f e r e n c ec o n c l u s i o n t h eg e o m e t r i cm o d e lw a sc r e a t e db yu gb a s e do ns o m ea s s u m p t i o n sa n d p r e d i g e s t i o n s t h eg r i dw a sc r e a t e db ym a p p i n gm e t h o d m i x i n gp l a n em o d e lw a s u s e di nm u t u a lf a c e sb e t w e e ni m p e l l e r s t h et u r b u l e n tm o d e lw a st h es t a n d a r d k 一 m o d e l s i m p l ev e l o c i t y p r e s s u r ec o u p l i n ga l g o r i t h ma n dt h ef i r s to r d e ru p w i n d s c h e m eh a db e e nc h o s e nf o rt h e ，c a l c u l a t i o n b o u n d a r yc o n d i t i o n sh a db e e ns e tu p b a s e do nt h eo n e - d i m e n s i o nf l o wt h e o r y b r a k et o r q u ew a sm o n i t o r e dw h e nt h e i t e r a t i v ec a l c u l a t i o nw a si nt h ep r o c e s s w h e nt h ec o n v e r g e n c ea c h i e v e d ，t h es i z eo f b r a k et o r q u ew a sa c h i e v e d # t h er e s u l t sb y 。f l u e n t h a db e e na n a l y z e da n d c o m p a r e d - w i t ht h o s eo ft h e o n e d i m e n s i o nf l o wt h e o r y b l a d ea n g l eh a db e e nc h o s e nb yt h ec o m p a r i s o n s o m e i m p r o v e m e n t si nt h ed e s i g no fl o c a lp a r t so fh y d r o d y n a m i cr e t a r d e rw e r em a d e t h i c k n e s so ft h eb l a d ew a so p t i m i z e d t h es t r e n g t hc h e c ko fb l a d eh a db e e ne x e c u t e d a c c o r d i n g t ot h es u e s sa n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d ；i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fl i q u i d - f i l l e d ，t h es h a p eo fp u m pb l a d e sw a si m p r o v e d i no r d e rt om a k et h ed e v i c e w h i c hu s e df o rr e d u c i n gt h ea i rb l a s tl o s sm o r ei n n o v a t i v e ，m o r er e a s o n a b l ea n d m o r e r e l i a b l e ，t h ed e v i c ew a si m p r o v e d t h es t r e n g t hc h e c ko fs p l i n eh a db e e ne x e c u t e da t i i 武汉理工人学硕上学位论文 l a s t t h ed i s s e r t a t i o nh a dd o n es o m er e s e a r c ho nt h ep r o c e s so fh y d r o d y n a m i c r e t a r d e rd e s i g na n ds e tu pap r e l i m i n a r yh y d r o d y n a m i cr e t a r d e rd e s i g nm e t h o do f c f d b a s e d ，o n e d i m e n s i o n a lf l o wt h e o r ya sas u p p l e m e n t t h i sr e s e a r c hh a dm a d e c o n t r i b u t i o n st oe n h a n c et h ed e s i g nl e v e lo fh y d r o d y n a m i cr e t a r d e r k e yw o r d s ：h y d r o d y n a m i cr e t a r d e r , o l l e - d i m e n s i o nf l o wt h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l u e n t l l i 独创性! 声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：邋日期：勿口号1 2 - 予二 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蝉导师签名：啦日 期：2 0 0 8 1 2 z z 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 车辆和设备的限速和制动是极为重要的，它涉及车辆行驶和设备的运行安 全。为使车辆和设备在规定的速度下运行，必须限制系统的加速转矩，即吸收使 之构成加速的那部分动能。常用的吸收动能的减速制动有摩擦制动、液压制动、 液力制动等方式。 具体针对车辆而言，在山区公路上行驶的车辆，下坡时为了限制车速，往往 需要频繁使用制动器，造成车辆行车制动器的负荷很大，长时间的制动会使制动 器产生大量的热量，引起过热现象，从而导致摩擦系数降低，使制动效能下降。 因此，对于常在山区公路上行驶的大型客货车以及一些要求制动距离短、反应灵 敏迅速的特种车辆而言，为保证车辆的安全行驶和良好的制动性能，除行车制动 器外，还应装备辅助制动装置，以减少摩擦片的磨损和制动鼓的过热，从而使得 车辆具有更优良的行驶性能。 目前，用于车辆的辅助制动装置主要有以下几种川： 1 ) 液压辅助制动：依靠液流节流对液压泵轴产生的制动力矩来实现制动。 液压制动装置使能量通过对液体的节流转化为热能，再通过冷却器由冷却介质带 走。液压制动可从高速一直到零速起作用，在其间任意点均可提供可靠的恒力矩 制动。它的缺点是液压泵自身有机械磨损，随着使用年限的延长，其制动性能由 于液压泵效率的降低而下降；再就是随着制动功率的上升，元件尺寸增长较快， 并使柱塞间隙密封更加困难。目前功率在5 0 0 - - - 6 0 0 k w 以上的液压泵很少见，因 而液压制动只能在中小功率范围使用。 2 ) 发动机排气制动：在发动机排气管中装置阀门，当阀门关闭时，把发动 机作为空气压缩机来工作。在排气冲程中，排气歧管中的空气受到压缩，发动机 获得负功，从而产生制动力。发动机排气制动方式还能防止发动机过冷，以减少 其磨损。但是，这种制动方式应用于汽油发动机时，必须在化油器和进气歧管间 装设一空气旁通管路，并在旁通管路内设置阀门，以便这一阀门和排气管阀门联 动。这比柴油机排气制动器结构复杂，效果也较差实际应用不广。另外，排气 制动会使车辆行驶时的噪音有较大增加。 3 ) 电涡流式制动：电涡流式减速制动器是由转动的圆盘和固定的磁极、线 圈组成。线圈在通电后产生磁场，由于圆盘在这一磁场中转动，因此有电涡流流 过，电涡流和磁场间因相互作用而产生制动力矩。其中随电涡流而产生的热量由 武汉理工人学硕士学位论文 装设在圆盘上的散热片散发到大气中。这种减速制动器一般利用力向节装在变速 箱和后桥之间。电涡流式减速制动器在车轴转速小于5 0 0 r m i n 时，制动扭矩很 快变小：在高于7 0 0 r m i n 时，制动扭矩达到最大值并随转速升高而稍有下降，但 基本保持恒定。这种制动方式所能提供的制动扭矩相对较小。如：用于3 5 - - 6 吨 车辆上的电涡流式减速器，其重量约有9 0 k g ，而所提供的制动扭矩只有大约 5 0 0 n t o 。 4 ) 液力辅助制动：即液力减速制动器，也称液力减速器，液力减速器是液 力偶合器的一个派生类型，在结构上与液力偶合器类似，它是工作在液力偶合器 制动工况的耗能元件。 液力减速器是以液体为介质的液力传动机械，它依靠工作轮内液流的作用将 设备的机械能转换成液体的热能，再通过冷却器散热的方式实现设备制动。液力 减速器在公路车辆上应用时，可大大改善制动和传动品质：在长大坡道下行时， 它能够准确而可靠地连续提供控制下行速度的阻力，保证行车安全；在平路制动 时，它能够平稳地、无磨损地提供车辆所需约9 0 的制动力，最后靠摩擦制动使 车辆停车。在整个制动过程中，速度均匀变化，不出现冲击现象。另外，由于车 辆的平稳制动，减少对地面的损伤，因而可减少路面维修工作量。因此，拥有自 己研制开发生产液力减速器的能力，对我国的经济发展具有重大的意义。 本文根据车辆传动国家重点实验室基金项目“高效液力减速器优化设计研 究 的要求，借助蓬勃兴起的c f d 技术，对d 3 7 5 型液力减速器进行内流场数值模 拟研究，预测其原始特性，将仿真结果与一维束流理论计算和台架实验的结果对 比分析，更加深入的了解其内部流动规律，找出影响其性能的重要因素，然后对 几何模型相关参数进行修改，再次进行仿真计算，找出这些因素的影响规律，从 而使得液力减速器的相关几何参数与结构得到优选与改进，初步建立一套以c f d 分析为核心的液力减速器设计方法，对今后自主研发生产液力减速器有一定的帮 助，对我国的经济发展也具有重大意义。 1 2 液力减速器的发展、国内外应用状况 液力减速器是液力偶合器的一个派生类型，虽然它不是一个传动元件，而是 一个耗能减速的制动元件，但在许多方面与液力偶合器( 变矩器) 有着不可分割 的联系。谈到液力减速器的应用及发展就不得不说一下液力变速器的发展情况。 自本世纪初德国的盖尔曼费丁格尔首创液力传动至今，由于它所具有的其它传 动元件无可替代的优良特性，如：自动适用性、无级变速、良好稳定的低速性能、 抗过载能力、强减振隔振及无机械磨损等，目前，国外已普遍将液力传动应用于 轿车、大型公共汽车、重型汽车、某些牵引车、军用车辆以及非公路用工程车等 武汉理工大学硕上学位论文 车上。液力自动变速器由于其操作简便省力，变档传动平稳等优点，在各类车辆 上得到广泛采用。 。 在国外，伴随着自动变速器的发展和应用，液力减速器也已有较为广泛的应 用，安装在大型公共汽车、旅游车、重型运输汽车以及军用车辆、坦克等车辆上， 大大提高了这些车辆韵行驶性能和操纵灵活性。 前西德规定，5 t 以上的公共汽车和9 t 以上的载重汽车都必须配备正常制动 以外的辅助制动，这种辅助制动装置大都采用液力减速制动。在北欧、美国西部、 日本等多山地丘陵地区，许多公共汽车、工程用车、重型运输汽车上都装备了液 力减速制动器。 德国z f 公司生产的整体式液力减速器，使减速器与液力自动变速器有机连 接在一起，共用同一套液压油路和循环散热系统，简化了液压油路和散热系统的 设计，使车辆的传动系统结构更加紧凑，性能更加可靠，提高了操纵的合理性，并 减少了减速器占用的空间，减轻了车辆的重量。这种液力减速器设计了多个不同 的制动减速度系列，可以根据车辆的不同行驶速度和路面状况以及驾驶员对车辆 行驶速度的要求来决定采用哪个系列进行制动。它还可适用于特殊的车辆行驶路 面环境( 如工程用车、军用车辆和坦克等车辆行驶经常遇到的盘山公路等) 下的减 速制动行驶情况。根据z f 公司在3 6 0 h p 型车辆和5 0 0 h p 型车辆上做的试验表明：安 装了液力减速器的车辆在相同情况下，能以较高速度行驶在上下坡道路上而丝毫 不降低车辆的行驶性能和操纵安全性。 在美国，通用汽车公司的a l l is o n 系列液力减速器已发展了近5 0 年时 间，a 1 l i s o n 液力减速器现在已经成功应用在各种公路用车辆和非公路用车辆上， 并已使其产品系列化。1 9 9 5 年，通用汽车公司开发出非整体式液力减速器a t 系 列并应用在公路用车辆上，女i a t 5 4 5 r 型液力减速器、a t 5 4 2 r 型液力减速器等。 据资料显示，目前美国的大部分非公路用车辆( 军用越野车辆、坦克、工程用车辆 等) 都装备了液力减速器作为辅助制动装置以配合主制动器( 一般为机械摩擦制 动) 使用，在一些多山地区，液力减速器也已经被广泛安装在公路用车辆上。例如， 弗吉尼亚0 佛罗里达以及加利福尼亚等州，为了使乘客乘坐舒适、车辆行驶安全 以及减少刹车时对路面造成的损坏，几乎全部公共汽车和专门用于接送学生的 校车以及部分私人轿车上都安装了液力减速器。 - 现在我国在液力减速器方面也已有所研究，少数厂家也拥有了自己的产品。 如原上海的s h 3 8 0 型汽车就装备了液力减速器作为辅助制动设备。但产品种类少， 且应用极少，技术上也不成熟。相比来说我国在液力制动器的生产和应用上都大 大落后于国外。部分特种车辆上采用的液力减速器己研制成样机，还需完成定型 考核。 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 液力减速器简介 1 3 1 液力减速器工作原理和特点 液力减速器是液力偶合器的一个派生类型，在结构上与液力偶合器类似，它 是工作在液力偶合器制动工况的耗能元件，主要由动轮、定轮以及壳体组成( 动 轮和定轮也称为转子和定子) ，如图1 - 1 所示。定轮固定在壳体上不转动，动轮 与传动轴相连。液力减速器通常安装在变速器与传动轴之问，也可置于变速器中。 驾驶员操纵按钮和气动阀门便可控制液力减速器的充液量，按需要施加不同的制 动力矩来限制下行速度或减速制动，从而确保车辆在山区道路的安全行驶，并在 刹车过程中平稳减速。 l 2 图卜1 液力减速器简图 1 、壳体2 、动轮( 转子) 3 、定轮( 定子) 4 、传动轴 当工作轮内充有液体时，动轮将输入的机械能转变为液体动能，液体以较高 速度冲击定轮叶片，以此产生制动力矩并将液体动能全部转化为热能。液力减速 器中所产生的热量，可由油水热交换器散热，热水再通过发动机前的水冷却器进 行冷却。当工作轮内没有液体时，动轮旋转时只有空气阻力。 液力减速器动轮旋转时所产生的制动力矩m 为 m i l l 腭抽2 d 5 ( 1 1 ) 式中，p 一工作轮内介质的密度，( 液体或空气) ； g 一重力加速度； 入一制动力矩系数，与液力减速器结构形式有关； n 一动轮旋转速度； 4 武汉理t 人学硕十学位论文 卜液力减速器工作轮有效直径。 液力减速器在应用于军用车辆和重型工程车辆以及大型公共汽车上时有以 下几个主要优点嘲嘲： 1 ) 适应于高速大功率车辆 车辆在使用液力减速器时，其制动力矩计算公式为，m p g a u n 2 d 5 ，与车 辆的转速平方和减速器工作腔有效直径的五次方成正比。其制动功率计算公式 为，n p g a m n 3 d 5 ，与车辆转速的三次方和减速器工作腔有效直径的五次方成 正比。因此对于高速行驶的大功率车辆，在相同情况下，使用液力制动比使用其 它制动方式能提供更大的制动力矩，能在短时间内起到快速制动的作用。并且制 动器本身的尺寸也小的多。安装时更加灵活方便。 2 ) 适用于连续长时间制动 液力减速器采用液力制动方式，元件无机械磨损，生成的热量少，且有循环 冷却装置可以将油液的热量带走消耗。因此能长时间连续对车辆提供制动能力。 尤其是当车辆在长大坡道下行时，这是其它制动方式如机械摩擦制动等难以做到 的。 3 ) 提高下坡行驶速度 由于液力减速器能提供长时间的恒定制动力矩来平衡车辆下坡时由于自重 而引起的加速度，因此使用液力减速器能使车辆以恒定的匀速度下坡行驶，而匀 速下行的速度大小可由液力减速器的充液量多少来控制。相关资料表明，使用液 力减速器的车辆能比在相同情况下使用其它制动器的车辆提高下坡速度约2 0 左 右。 4 ) 减少机械磨损，提高减速器使用寿命 液力减速器在工作时很少有机械磨损，它可提供车辆高速行驶时的全部制动 以及8 0 0 5 以上的制动力，从而辅助机械摩擦制动，使摩擦制动只在车辆低速行驶 阶段起制动作用，减少摩擦制动器的磨损，提高其使用寿命。 ” 1 3 2 液力减速器目前存在问题与今后发展趋势 ： 1 3 2 1 目前存在的问题 液力减速器同样也存在一些问题，主要是n 1 ： 1 ) 低速制动能力差 由液力减速器的特性所决定，当车速下降时其制动力矩下降很快。在传动轴 5 武汉理t 人学硕士学位论文 转速低于5 0 0 r m i n 时，制动力矩有波动，在转速为零时完全失去制动能力。故需 与其它制动配合使用。先通过液力减速器使车速降低，再施以摩擦制动予以完全 制动。 2 ) 空转损失大 当液力减速器内不充入油液时，不产生制动力矩。但由于液力减速器的动轮 是与车辆传动系统相连，被其驱动而旋转，使动轮和定轮内的空气产生循环流动， 从而产生一定的能量损失，该损失被称为鼓风损失，其值约为所传递功率的4 左 右，因此必须尽量降低。 3 ) 控制要求高 液力减速器是依靠改变充液量来控制制动力矩的。在部分充液时，为了维持 制动力矩稳定，就必须保持液力减速器内油液量的动态平衡，这给控制系统带来 相当的难度。其次，当车辆在高速行驶条件下进行紧急制动，从驾驶员开始踩下制 动器至车速为零，全部时间不过3 - 4 s 。而在这段时间内，液力减速器必须从无油 到充满油，这要求液压系统必须具有大流量和动态响应快。 1 3 2 2 今后发展趋势 从国外液力减速器的研究和应用来看，大致有3 个发展趋势： 1 ) 小型化集成化 液力减速器通常以分离元件的形式装在变速器后的传动轴上，因轴的转速 低，为获得较大的制动力矩，减速器的尺寸往往较大。而现在为了达到减轻重量 或与自动变速器一体化设计的目的，常将其小型化，并对动轮采用齿轮增速传 动，以便在小尺寸的结构下得到同样大的制动力矩，如德国z f 公司生产的整体 式液力减速器i n t a r d e r 。俄罗斯近年已研制成功液力变矩器和液力减速器一体化 的装置，这几乎是“一器二用，整体尺寸大大减低。 2 ) 节能化 即降低非工作时段由空气所产生的能耗。目前国外新产品采用的方法基本上 是设置自动开启装置，在非制动工作时起到破坏空气环流的作用。如在定轮每个 工作流道的顶部安装活动阀片，非制动状态时，阀片在弹簧的作用下关闭，挡住 部分空气流道，减小空气阻力损失；在制动状态时，油液将阀片推开，进入定轮流 道。这种方法能降低鼓风损失近5 0 。 3 ) 控制电子化 为使下坡车速稳定，液力减速器既要维持恒制动转矩，又要保证油不过热， 一般液压控制系统难以胜任。德国z f 公司的i n t a r d e r 采用微机控制的电液比例流 量阀进行闭环控制，同时解决了这两个问题。 此外，装有液力减速器的车辆往往又装有电控式自动变速器或a b s 。因此，其 6 武汉理【大学硕上学位论文 控制系统不再是简单的液压控制系统，而是与自动变速器、a b s 的控制系统协调 工作的电子控制系统。 1 4 液力减速器设计方法发展历程 1 4 1 传统设计方法 相似设计法。以某种性能比较理想的液力减速器作为设计基础，循环圆形状、 工作轮布置、叶型等均以该减速器为依据，用相似理论确定几何参数；相似理论 是液力元件进行放大和缩小设计，以及通过模型或基准型试验来确定实物和系列 化产品性能的理论基础。要使模型或基准型液力元件与放大和缩小后的实物液力 元件之间具有相同的性能，必须保证两液力元件几何相似、运动相似和动力相似。 经验设计法。以统计资料中所归纳出的规律、图标为基础，运用自身的设计 经验进行综合分析，从而确定液力减速器的结构和参数； 理论设计法。所依据的理论主要是束流理论，通过反复设计、试验和修正环 节才能最终定型。 传统的设计方法中，所采用的设计理论主要有两种： 一维束流理论。一维束流理论建立在以下一些假设的基础上： 1 ) 工作轮中的叶片数无穷多，叶片的厚度无限薄。出口液流方向决定于叶 片出口角，与进口流动无关； 2 ) 工作轮中的液流是无限多单元液流( 束流) 组合而成的，且其流动轴对 称： 3 ) 同一过流断面上各点轴面速度相等，所有计算可按平均流线进行。 经过以上一些假设，流动参数成了仅随中间流线变化的一元函数。采用一维 束流理论进行计算，方法简单，计算量小，设计周期短，具有比较强的工程实用 性。其不足之处在于该理论的假设与实际有差别：实际上叶片不是无穷多、叶片 也有一定厚度，液流也并非轴对称，该理论也无法全面揭示流场内部特性以及内 外特性之间的变化规律，且往往需要大量试验数据来对经验参数进行修正，过多 依赖设计人员的经验。 二维流动理论。在束流理论的基础上发展得到的设计方法。这种理论认为， 工作轮中的流动，只在垂直于旋转轴线的一组平行轴面内进行，且其中每一平面 的速度分布和压力分布都是相同的，即流动参数是两个空间坐标的函数。在给定 了叶片的边界形态和流量后，即可用数学物理方程求出该平面上任一点的流动参 数分布。二维流动理论对纯离心式或轴流式工作轮的计算能得到与实际相近似的 武汉理工大学硕上学位论文 结果，由于液力减速器工作轮多为混流式，所以采用此种方法进行计算与实际流 动仍有比较大的差别。 1 4 2 现代设计方法 液力减速器现代设计计算方法是三维数值计算法，也称c f d 数值模拟h 1 ，c f d 是c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 的缩写，直译应为计算流体动力学，计算流 体动力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学 科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数 值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点，建 立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与了传热问题提供了有效的计 算技术。 c f d 的基本思想可归结为陌3 ：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定 的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解 代数方程组获得场变量的近似值。采用c f d 方法分析稳态工况下的液力减速器内 流场，就是从其具体的几何边界条件和物理边界条件出发，在流动基本方程( 质 量守恒方程，动量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟，得到复杂的三维流场内 各个基本物理量的分布规律。 1 5f l u e n t 软件简介嘲 f l u e n t 软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件g a m b i t 模块，并可以与 c a d 连接使用，同时备有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较先进的 离散技术和计算精度控制技术，如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等， 数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现，该软件在模 拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以得到较好的模拟计算结果，且具有 一定的计算精度。f l u e n t 软件包主要具有常用的6 种湍流数学模型辐射数学模 型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模型、 多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孔泵模型等。 f l u e n t 软件的核心部分是纳维一斯托克斯( n a v i e r - _ s t o k e s ) 方程组的求解模 块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括s i m p l e 、s i m p l e c 、p i s o 三种算法。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都要优于传统编程中 使用的有限差分法。而对可压缩流动采用耦合法，即将连续性方程、动量方程以 及能量方程联立求解。 8 武汉理t 大学硕士学位论义 f l u e n t 软件主要由前处理、求解器以及后处理三大模块组成。采用自行研 发的g a m b i t 前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后由f l u e n t 进行求解。 f l u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图卜2 所示。 g i m b i t 设置几何形状 生成2 d 或3 d 网格 p i ) f 程序 b r e p d f p d f 查表 几何形状或网格 i2 d 或3 d 网格 烹 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理网格 边 界 网 格 图1 - 2f l u e n t 软件的程序结构 1 6 本文研究目标和主要研究内容 1 6 1 本文研究目标 其他软件包，如 c a d 、t h e 等 边 界 和 或 v 体 网 格 t g r i d 2 d 三角网格 3 d 四面体嘲格 2 d 和3 d 混合网格 从液力减速器的三维建模开始，然后利用相关软件对其内部流场进行精确的 模拟计算，优选液力减速器的相关几何参数与结构，使之达到使用要求，从而初 步建立一套以c f d 分析为核心的液力减速器设计方法，为提高液力减速器的设计 水平做出贡献。 1 6 2 本文主要研究内容 本文选用d 3 7 5 型液力减速器进行研究，首先利用一维束流理论进行初算， 然后建立液力减速器较精确三维模型并抽取流道，利用a n s y si c e m 软件进行网 格划分，利用f l u e n t 软件进行数值模拟计算，! 分析内部流场特性，优选相关几 何参数，对相关结构进行改进设计。具体研究的内容有 1 ) 利用c a d 软件u g 建立不同叶片倾角( 3 0 。、4 0 。、4 5 。) 的液力减速器动 轮、定轮和壳体模型，并完成三者之间的装配； 2 ) 利用一维束流理论分别对3 0 。：4 0 。、4 5 。叶片倾角的液力减速器进行计 算，估算出在规定转速下的制动力矩与循环流量，以供后续研究工作参考； 3 ) 抽取液力减速器三维模型流道，导入c f d 前处理软件a n s y si c e m 中进行 9 武汉理t 大学硕l ：学位论文 网格划分； 4 ) 将流道网格模型导入流体分析软件f l u e n t 中进行三维数值模拟计算，得 到液力减速器的速度场和压力场的基本分布情况； 5 ) 基于数值模拟的结果，分析液力减速器内部流场的分布规律，得出液力 减速器的制动力矩等参数，绘出转速转矩曲线图，并分析几何参数，尤其是叶片 倾角对结果的影响； 6 ) 将由一维束流理论计算的结果与用f l u e n t 数值模拟计算的结果进行比 较，确定相关参数； 7 ) 对液力减速器相关结构进行改进设计，使液力减速器具有效率更高，在 空转时鼓风损失小、节省材料、加工工艺简单等优点。 1 0 武汉理t 人学硕士学位论文 第2 章计算流体力学基本理论 2 1 基本控制方程 流体的流动都要受到物理守恒定律的控制，守恒定律包括质量守恒定律、动 量守恒定律以及能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍 流输运方程。控制方程则是这些守恒定律的数学描述。对于不可压缩流动而言， 热交换量很小以至于可忽略不计，因此可以不考虑能量守恒方程。 2 1 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体 微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定 律，可以得出质量守恒方程h 1 ： 一a p + a ( p u ) + 堂堕+ 塑! 。0 ( 2 1 ) 8 t搬 a y a z 引入矢量符号d i v ( a ) = a a ，缸+ o a ，砂+ a 口：a z ，式2 - - 1 写成 i a p + d i y ( ) 。o ( 2 2 ) 有的文献使用符号v 表示散度，即v 口一饿 ，( 口) ia a ，a x + a a ，砂+ o a ：a z ，这样， 式( 2 一1 ) 写成： i o p + v ( 肛) ：0 ( 2 3 ) 优 在上式中，p 是密度，t 是时间，u 是速度矢量，以、v 和w 是速度矢量u 在x 、 y 和z 方向的分量。 上面给出的是瞬态三维可压流体的质量守恒方程。若流体不可压，密度p 为 常数，式( 2 1 ) 变为： 丝+ 翌+ 坐；o( 2 4 ) 缸 砂 缸 ； 若流动处于稳态，则密度p 不随时间变化，式( 2 1 ) 变为： a ( p u ) + 型+ a ( p w ) 。0( 2 5 ) 缸 妙 缸 质量守恒方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 常称作连续方程。 武汉理工大学硕上学位论文 2 1 2 动量守恒方程 动量寸但定律也是仕侧流动郡必须满足明基本疋律o 该疋律口j 衣还为：，傲兀 体中流体的动量在时间上的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该 定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定律，可导出x 、y 和z 一个方向的动量 守恒方程： 掣砌v ( 彳小一警+ 鲁+ 鲁+ 鲁+ e 6 ) 掣+ m v ( 胛) 一一詈+ 鲁+ 鲁+ 誓+ e 7 ) 型+ d i v ( p w u l ，一a p + 监+ 蔓+ 监+ 只 ( 2 8 ) a t a z 酞 酗 o z 式中，p 是流体微元体上的压力。、和k 等是因分子粘性作用而产生 的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；尼、e 和e 是流体微元体积力，若 体积力只有重力且沿z 轴向下，则只一- p g ，e c - o 。 式( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 对于任何类型的流体都适用，包括粘性应力z 与流 体的变形率不成线性关系的非牛顿流体。对于牛顿流体，粘性应力f 与流体的变 形率成正比，可简化为： 掣m ( p u “) “v ( 舯dp ) 一罢q ( 2 _ 9 ) 掣+ d i v ( 舢) = d i v ( i tg r a dv ) 一詈+ & ( 2 _ l o ) 掣+ d i v ( p w u ) 训v ( j c l g r a dw ) 一望a z + s w ( 2 - 上式中是动力粘度，g r a d o a o a x + a o a y + a o l a z ，符号昧s 和s 是 动量守恒方程的广义源项，瓯e + 文，s vte + s y ，s 。一e + s z ，而其中的、 s 和的表达式如下： 邑- 面ai ( - 面a u 一 、峰) + 静詈) + 丢( ) ( 二2 - 1 2 ) s - 去( 号) + 专( 詈) + 丢卜号) + 专c 删，( 2 - 1 3 ) 武汉理工人学硕上学位论文 最l 丢( 弘尝) + * 芸) + 鲁( 警) + 扣咖) ( 2 - 1 4 ) 一般情况下，s 、s 和岛是小量，对于粘性为常数的不可压流体， s x1s ，l js z1 0 。， 方程( 2 - - 9 ) 、( 2 - - 1 0 ) 、( 2 - - 1 1 ) 还可写成展开形式： a ( p u ) + a ( p u u ) + a ( p u v ) + a ( p u w ) a f缸 妙 a z ( 2 1 5 ) 一丢c 罢，+ 专伽号，+ 昙c 詈，一罢+ 瓯 a ( p v ) + a ( p v u ) + a ( p w ) + a ( p v w ) a t溉 谚 a z 一去c 肛+ 专c 爹+ 鲁c 肛尝，一万a p + s v ( 2 - 1 6 ) a ( p w ) + a ( p w u ) + a ( p w v ) + a ( p w w ) 函 觑 砂 耙 ( 2 1 7 ) 一丢c 罢，+ 专c 詈，+ 昙c 苦，一詈+ & 广义源项中只包括体积力。式( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 是动量守恒方程，简 称动量方程。也称作运动方程，还称作n a v i e r s t o k e s 方程( 胚方程) 。 2 2 湍流附加方程 2 2 1 湍流流动的特性 流体实验表明，当雷诺数小于某一临界值时，相邻的流体层彼此有序的流动， 这种流动称作层流。当雷诺数大于临界值时，会出现一系列复杂的变化，最终导 致流动特性的本质变化，流动呈无序的混乱状态。这时，即使是边界条件保持不 变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随时变化，这种状态称为湍流。液力 减速器在工作时，内部工作液的流动属于湍流。 湍流中不仅仅是速度存在着随机性，压力等物理参量随时间和空间都以很不 规则很不光滑的方式变化着l 这种变化常称为脉动。在湍流中流体的各种物理参 数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。湍流中流体质点的 轨迹杂乱无章，互相交错，而且变化迅速，流体微团( 或称涡旋) 在顺流向运动 的同时，还作横向和局部逆向运动，并与它周围的流体发生掺混。 武汉理t 大学硕士学位论文 当层流向湍流转变时，会发生一系列复杂的事件，并导致流动特点的急剧变 化，最终流动形态是随机和混沌的；即使施加定常边界条件，流动本质上是非定 常的，速度和其他流动量以随机的和混沌的方式变化，这种流态是湍流的典型特 征。这时某点速度测量可能表现出随机脉动信号的典型特征，如图( 2 一1 ) 所示。 图2 - 1 湍流的速度测量 2 2 2 湍流的数值模拟方法 总体而言。目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数 值模拟方法，所谓直接数值模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程。而非直接 数值模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的简 化和近似。依赖所采用的简化和近似的方法不同，非直接数值模拟可以分为大涡 模拟、统计平均法和雷诺时均法。 统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论，主要用相关函数和普分析的方 法来研究湍流结构，统计理论主要涉及小尺度涡的运动。这种方法在工程上应用 不是很广泛，这里不予介绍。下面对直接数值模拟方法、大涡模拟方法、雷诺时 均法作简要介绍。 ， 1 ) 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 。 直接数值模拟就是直接用瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行计算。这种 方法的最大好处就是无需对湍流流动作任何简化和近似，理论上可以得到相对准 确的计算结果。 7 但是，实验测试表明，在一个o 1 0 1 ，1 2 大小的流动区域内，在高雷诺数的 湍流中包含尺度为l o u m 一1 0 0 m 的涡，要描述所有尺寸的涡，则计算的网格节 点数将高达1 0 9 到1 0 1 2 。同时，湍流脉动的频率约为1 0 k h z ，因此，必须将时间 的离散步长取为l o o p s 一下，在如此微小的空间和时间步长下，才能分辨出湍流 中详细的空间结构及变化激烈的时间特性。对于这样的计算要求，现有的计算机 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 能力还是比较困难的。d n s 对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用 于真正意义上的工程计算，但大量的探索工作正在进行之中。随着计算机技术， 特别是