（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机技术的液力变矩器叶栅系统仿真分析与设计.pdf

摘要 论文题目：基于虚拟样机技术的液力变矩器叶栅系统仿真分析与设计 学科专业：机械设计及理论 研究生：赵兴旺 指导教师：宋俐教授 摘要 签名： 本课题基于虚拟样机技术和三维流场理论，以y j 3 8 0 型液力变矩器为研究对象，应用p r o e 、 f l u e n t 软件对液力变矩器的内流场进行仿真计算分析。通过改变叶片出口角，研究了这一关键参数 对液力变矩器各种性能的影响，为提高液力变矩器的性能和设计制造水平做了一些工作。 本文主要内容为 第一章概述了国内外液力变矩器的研发现状：阐述了液力变矩器结构设计和分析的重要手段和理论 基础一虚拟样机技术和三维流场理论；介绍了液力变矩器的组成及工作原理以及本文的研究内容、目 的和意义等。 第二章为计算流体力学基础和三维流场计算流程。阐述了计算流体力学的基本控制方程，介绍了有 限体积法( f 、聊) 的基本原理和常用离散格式网格生成技术；提出了三维流场计算的流场假设以及数 值流场计算的流程图。 第三、四、五章以y j 3 8 0 型液力变矩器为基型，对具有不同叶片出口角的液力变矩器的泵轮、涡 轮和导轮的内流场进行数值计算；详细分析了在典型工况、典型叶片出口角时叶轮的入、出口面的速 度和压力变化情况；叶片的压力面和吸力面压力分布状态；最后得到叶片出口角的变化对液力变矩器 性能有重要影响的结论。 第六章进行了泵轮的数值模拟结果和试验结果的对比分析，结果基本吻合表明，基于虚拟样机技术 进行的三维流场的数值模拟分析是可靠的，这一方法是进行流场分析的有效工具。 最后总结了本文的全部研究工作，并根据文中所做的工作提出了液力变矩器的未来研究展望，以 期更准确和清楚地了解液力变矩器的内部流场，更好的完善液力变矩器的设计方法和手段，最终进一 步地提高液力变矩器的工作性能。 关键词：虚拟样机技术液力变矩器内流场 f l u e n t 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd e s i g no fh y d r o d y n a m i ct o r q u e m a j o r ： c o n v e r t e rb l a d es y s t e mb a s e d o nv ir t u a l p r o t o t y p in g t e c h n o l o g y m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：x i n g w a n g z h a o s u p e r v i s o r ：p r o f l i s o n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： b a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n d3 一df l o wf i e l dt h e o r y , t h ei n t e r n a lf l o w f i e l do fy j 38 0m o d e lh y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r t e r ( h t c ) i sa n a l y z e dn u m e r i c a l l yb y s o f t w a r ep r o ea n df l u e n t ：a n de f f e c to fb l a d ea n g l eo fo u t l e to np e r f o r m a n c e so fh t ci s s t u d i e di nt h ep a p e r t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n t s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fh t ci nh o m ea n da b r o a di ss t a t e d e d ；a n d t h e nt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n d3 一df l o wf i e l dt h e o r yt h a ti sb a s i ct h e o r ya n d i m p o r t a n tt o o lt oa n a l y z eh t c a r ee x p a t i a t e d ；t h ec o m p o s i t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fr i t e a r ed e a l e dw i t h ；t h em a i nc o n t e n t s p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hi nt h ep a p e ra r c i n t r o d u c e da sw e l l t h eb a s i ct h e o r yo fc f da n dt h ea n a l y s i n gs t e do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r ei n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ef i n i t ev o l u m em e t h o d a n dt e c h n o l o g yo fc r e a t i n g 酣dd i s c r e t e l ya r ee x p l a n a t e d ；t h ea s s u m p t i o n ，s i m p l i f ya n df l o w c h a r tf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ep u tf o r w o r d t a k i n gt h ey j 3 8 0a sp r o t o t y p e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n t e r i o rf l o wf i e l df o rp u m p ， t u r b i n ea n ds t a t o rw i t hd i f f e r e n tb l a d eo u t l e ts i n g l ea r ec a r r i e do u t t h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e i nt h ei n l e t o u t l e t p r e s s u r es i d ea n ds u c t i o ns i d eo fb l a d e sf o ri m p e l l e r sa tr e p r e s e n t a t i v e w o r k i n gs t a t u sa n db l a d eo u t l e ts i n g l ea r ea n a l y s z e d i ti sc o n c l u d e dt h a tv a r i a t i o no fo u t l e t s i n g l ef o rb l a d ea f f e c t so dt h ep e r f o r m a n c e so ft h eh y d r o d y n a m i ct o r q u ec o n v e r te v i d e n t l y t h en u m e r i c a lr e s u l t so fp u m pi sc o m p a r e dw i t ht h et e s to n e sa n dt h ec o n s i s t e n c ys h o w s t h a tt h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f3 一df l o wf i e l db a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi s r e l i a b l em e t h o da n di ti su s e f u lt o o lt oa n a l y z ef l o wf i e l di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n i no r d e rt oi m p r o v ed e s i g nl e v e la n dp e r f o r m a n c eo fh t c ，s u m m a r ya n de x p e c t a t i o na r e g i v e na tt h el a s t k e yw o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y h t ci n t e r n a lf l o wf i e l df l u e n t l l 独：创眭声一。明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：。本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。：尽我所知，、除特别加以标注和致谢 的地方外，? 论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 一 7 一作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：。- 趣数豇一，一j2 a 勺置年月2 d 日 学位论文使用授权声明 本人盘鉴垦在导师的指导下创作完成毕业论文= 本人已通过论文的答辩，! 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 厶 论文作者签名：盎法豇：导师签名： 锄d 暑年3 月扣日 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 工程机械中，凡是以工作液的动能进行能量的控制与传递称为液力传动吖盯。在 液力传动领域中，液力变矩器是车辆和工程机械自动变速系统中最关键的部件之一。配备 液力变矩器的动力传动系统可以实现平稳起步、自动变速以及变矩。今天，液力变矩器在 交通车辆、工程挖掘机械、电力化工机械等行业和领域得到了越来越普遍地应用。其中， 汽车和工程机械是液力变矩器的最大需求行业。在美国7 0 以上的重型卡车、工程机械 装备有液力变矩器，而在私人轿车、公交汽车、豪华客车等城市交通车辆中，液力变矩器 已成为标准配备装置。其他国家的汽车工业，如德国的奔驰、日本的丰田以及意大利的菲 亚特等公司皆在各自的著名品牌汽车中装配了液力变矩器。 对比国外，我国液力变矩器的研发和制造起步较晚。目前的状况，用在车辆和工程机 械中的液力变矩器品种少、范围窄，而且在部分重型和中型车辆中液力变矩器的应用还尚 未实现零的突破。其主要原因是，液力变矩器是具有封闭流道的多级透平机械，液体在流 道中进行三维、粘性、非定常、湍流流动。液力变矩器传动性能的优劣对整个传动系统及 整车的性能有着至关重要的影响。目前我国的科研机构尚无系统的、完备的现代设计方法 应用与液力变矩器的开发和研制，分析三维流动液流在各个工作元件间流动状态的实验方 法具有很大的局限性和误差。 2 0 世纪8 0 年代以来，计算机技术的发展突飞猛进，机械工程领域随之诞生了一项革 命性的新技术一虚拟样机技术”卜 1 4 1 。该技术的核心是机械系统动力学和运动学仿真、 三维c a d 建模、有限元分析、机电液控制、最优化等富含高科技的技术。运用虚拟样机 技术，可以极大地简化机械产品的设计开发过程，缩短产品的开发周期，减少产品的开发 费用和成本，提高产品的质量和系统级产品性能，获得最优化和创新设计产品。虚拟样机 技术倍受欧美日等发达国家的关注，世界知名大公司，著名科研机构和大学，立足前沿领 域的开发商和制造商把握机遇，将虚拟样机技术引入各自的产品研发和制造中，取得了极 佳的经济效益。 我国制造与自动化领域“十五计划及2 0 1 5 年远景规划十分重视虚拟仿真技术 的应用，将其列为重点攻关的关键技术和推广方向。图1 1 为国际权威人士对机械工程领 域产品性能试验和研发手段的统计和预测，我们可以清晰的看到，计算机仿真技术将愈来 愈多地取代传统的实物试验研究方法。 西安理工大学硕士学位论文 。之 。一 d “p 1 9 9 81 9 9 9 2 的 圈1 1 虚拟仿真的发展趋势j f i g 1 1d e v e l o p i n go f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 2 液力变矩器的组成和工作原理 1 2 1 液力变矩器的组成 液力变矩器主要是由可转动的离心式泵轮、向心式涡轮和固定不动的导轮三个基本元 件组成( 如图1 2 所示) 。根据用途的不同，应用于汽车行业的液力变矩器的工作轮通常 是由钢板冲压焊接制成。而用于工程机械及特种车辆的的工作轮则是由铝合金精密铸造而 成。 圈1 2 液力变矩器剖面示意圈 1 发动机曲轴2 - 壳傩3 涡轮4 泵轮孓导轮6 导轮固定轴套7 从动轴 f i g1 - 2s k e t c hm a po fh t cs e c t i o np l a n e 1 2 2 液力变矩器的工作原理 将液力变矩器循环圆上的中间流线展开成一条直线，使泵轮、涡轮、导轮的叶片形状 和进出口角度在纸面上显示出来。由图1 3 液力变矩器工作轮展开示意图可得到图1 4 的 液力变矩器工作原理图。 2 绪论 图1 3 液力变矩器工作轮展开示意图j b 泵轮w 福轮d 导轮j f i g 1 - 3s p r e a ds k e t c hm a po fh t ci m p e l l e r 假定泵轮转速为常数，即相当于发动机处于额定转速，图1 - 4 ( a ) 为机器启动时， 涡轮转速 w = 0 ，从导轮流出的液流沿导轮叶片流动，冲击泵轮叶片，方向如箭头3 所示。 由于泵轮以n b = 0 等速旋转，液流质点离开泵轮叶片的速度，是沿叶片方向的相对速度国和 圆周方向的牵引速度“的合成速度，其方向如箭头l 所示。由于涡轮还未转动，液流将如 箭头2 所示顺叶片方向流出，冲击导轮叶片并沿着箭头3 导轮叶片的方向流出。 v ca ) 当嘞= 常数 = o 时( b ) 当嘞= 常数= 逐渐增加时 图1 - 4 液力变矩器工作原理图 月l b - 泵轮转速? w - 涡轮转速嵋一泵轮扭矩帆一涡轮扭矩鸩一导轮扭l v 一液流绝对速度 f 嘻l - 4w o r k i n gp r i n c i p l eo f h t c 3 西安理工大学硕士学位论文 如图卜4 ( a ) 所示，设泵轮、涡轮和导轮对液流的作用扭矩分别为心，矾和鸩。根 据液流受力平衡条件有 m j _ = mb 七m d 当机械启动时心和心方向一致，故版 心。因此，液力变矩器具有增加扭矩的 作用。 图卜4 ( b ) 为机器起步后，涡轮转速逐渐增加的情况。由于泵轮转速为常数，液 流离开导轮叶片的方向3 及离开泵轮叶片的方向1 与图( a ) 一致。在涡轮出口处，液流 不仅具有沿叶片方向的相对速度c o ，而且具有沿圆周方向的牵引速度甜。因此，液流冲击 导轮叶片的的绝对速度1 ，是两者的合成速度。由于泵轮的转速不变，即相对速度缈不变， 牵连速度u 则随涡轮转速的增加而逐步增大。机器启动时u = 0 ，此时的合成速度m ，从涡 轮叶片流出的液流冲击导轮叶片的正面，导轮扭矩鸠 o ，( 即心与m 方向相同) ；当涡 轮转速达到一定值时，牵连速度u 与相对速度国的合成速度与导轮叶片的背面相切，导 轮扭矩m a = o ；涡轮转速继续提高，使牵连速度达到屿，其与缈的合成速度屹冲击导轮叶 片背面，导轮扭矩鸩 0 ( 鸩与坛方向相反) ，即液力变矩器的输出转矩反而比输入转 矩小；当涡轮转速增大到与泵轮转速相同时，工作液在循环圆内的循环流动停止， 不再传递动力。 1 3 本课题主要研究内容以及意义和目的 液力变矩器的叶栅系统包括泵轮叶栅、涡轮叶栅、导轮叶栅和在各个叶栅之间循环流 动的工作液。叶轮叶栅的流道相当复杂，流道的内环、外环及叶片的表面都是扭曲的空间 曲面，而且流道本身的变化曲率也很大，这直接造成液流在流线方向、圆周方向和内外环 方向的速度都是变化的。同时，由于液流介质是粘性不可压缩的，且泵轮、涡轮和导轮具 有不同的转速，导致液流在流道内壁上出现边界层以及关联出现的脱流、涡旋和二次流等。 因此，要深入研究液力变矩器内部流场中的三维、粘性、非定常、不可压缩湍流流动，必 须借助于先进的虚拟样机技术。 1 3 1 主要研究内容 本课题的主要研究内容包括 ( 1 ) 使用p r o ew i l d f i r e 2 0c a d 软件，根据液力变矩器的实际工况，在进行了必要假 设的前提下，对液力变矩器进行3 d 简化建模；并将建成的流道三维几何模型，导入c f d 软件f l u e n t 的前置处理器g a m b i t 中进行离散计算网格的划分；之然后在三维内流场 分析软件f l u e n t 中进行液流流场计算分析。 ( 2 ) 立足同一基型，分析具有不同叶片出口角的泵轮叶栅内流场，通过f l u e n t 软 件的计算，分析叶片出口角的变化对液力变矩器叶栅流场的影响。用同样的方法分别对具 4 绪论 有不同叶片出口角的涡轮叶栅、导轮叶栅的内流场进行计算，并分析叶片出口角变化对各 自叶栅流场造成的影响。 ( 3 ) 基于叶栅内流场计算分析结果，进一步得到不同叶片出口角对内流场所造成的 速度和压力的影响，通过对比分析速度和压力变化趋势，揭示各叶轮叶栅内流场的流动规 律。 ( 4 ) 流场分析结果，预测液力变矩器叶片出口角的改变对液力变矩器性能的影响， 探索液力变矩器的设计新方法和新思路。 1 3 2 研究的意义和目的 我国制造与自动化领域“十五 计划及2 0 1 5 年远景规划要求我们在不可再生能 源日益紧张的今天，随着液力变矩器愈来愈广泛的应用于各个行业，降低能耗、提高变矩 器的效率和性能，对国民经济的可持续发展具有举足轻重的重要意义。本文的研究目的就 在于：基于先进的虚拟样机技术，应用计算流体力学理论，进行液力变矩器的流场数值模 拟计算和分析，拟更详细地了解液力变矩器的内流场流动情况，揭示内流场的流动规律和 特性，预测出口角变化为叶轮叶栅内流场所带来的影响，探求先进的设计方法，提高液力 变矩器的设计水平，改善液力变矩器的性能，提高传动效率和能源利用率。 1 4 本课题的理论依据 ( 1 ) 本文所研究的y j 3 8 0 型推土机、叉车用液力变矩器是典型的b t - d 型液力变矩器。 泵轮转矩的计算式为： m b - p q r 岔r o b - q ( 导一号引l ， 式中：p 一工作液密度。 g 一循环圆； ：一泵轮叶片出口半径。 一泵轮角速度； 尾：一泵轮叶片出口角； 4 2 一泵轮出口处流道截面积； 2 一导轮叶片出口半径； 西安理工大学硕士学位论文 泵轮转矩系数计算式： 尾：一导轮叶片出口角； 如：一导轮出口处流道截面积； = 考g 拓p 。u 。 ( 1 2 ) 式中： 刀。一泵轮转速 由( 1 1 ) 式可知， 在循环圆不变的情况下，泵轮转速一定，且y j 3 8 0 型液力变矩器 的：、如：、可以看做是常数，因此转矩变取决于g 、忽：、尾：。事实上循环流 m - q 本身就与尾：、尾：有关。所以，叶片出口角尻：、尾：的选取直接影响液力变矩器泵 轮转矩的大小。 相应的，在( 1 2 ) 式中可知，改变泵轮叶片出口角尾：，或者改变导轮叶片出1 3 角，均可 改变泵轮转矩系数。 ( 2 ) 本文中所研究叶片出1 3 角指的是叶片中间流线上的叶片出口角。角度的大小为叶轮 叶栅在垂直叶轮轴心的平面上的投影。叶片内、外环流线上的叶片角与中间流线的叶片角 存在如下关系： 留房= t g p式中j 代表内、外环参数标示+ ( 3 ) 涡轮叶片出口角对变矩系数k 的影响为 七：兰竺二笠：兰 譬+ 等纽嗽尾- c t g 。, 2 q o 略22 一“ 由上式可知，在导轮出口角固定不变时，变矩系数k 的大小，取决于涡轮叶片出口角 屏，的变化。 在下式中可以看到液力变矩器的传动效率与变矩系数k 、速比i 的关系 ，7 = k i 综上，在液力变矩器具有相同的循环圆q 、有效直径d 的前提下，对变矩器进行改进 设计的产品系列化研发中，工作叶轮叶栅系统的叶片出r a t a 的设计研究具有极其重要的价 值和效益。 6 计算流体力学基础与三维流场计算 2 计算流体力学基础与三维流场计算 2 1 计算流体力学( c f d ) 基本控制方程 流体的流动遵循物理守恒定律，它包括动量守恒、质量守恒和能量守恒定 律。控制方程就是上述守恒定律的数学表达。对于三维不可压缩流体的流动，可 以忽略热量交换，即不考虑能量守恒方程。因此，在工程应用中，大多将连续性 方程与动量方程合并，这就是n a v i e r - s t o k e s 方程组，简称n s 方程组1 5 卜1 盯。 2 1 1 动量守恒方程 动量守恒方程简称动量方程，即微元体中流体的动量对时间的变化率等于 外界作用于该微元体上的所有外力之和。 流体流动的动量守恒方程为 坐：f 一土跏三胛：v 4 - 一= ，一一v ，一，i v 一 式中f _ 流体的体积里矢量；p 压力； v p 一压力梯度； v 2 一“拉普拉斯孵v 2 = 善茵+ 詈 一粘性系数。 在相对坐标系下，动量方程又可表示为： 坐+ 2 缈形+ 国佃) ：，一三即+ ! 胛2 形 d t 1 pp j 式中l 一流体质点位置矢量。 2 1 2 质量守恒方程 质量守恒定律是，单位时间内，微元体中的质量增加量等于同一时间间 隔内流入该微元体的净质量。根据这个定律，对于不可压缩均质流体，流动质 量守恒方程为 v v = 0 式中v 一“哈密尔顿算子 v = ( 云，毒，毒 ； 7 西安理工大学硕士学位论丈 y 一流体质点的绝对速度。 在相对坐标系下，流体流动质量守恒方程表示如下 v w = 0 式中形一流体质点的相对速度。 2 1 3 湍流模型 流体在自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动。只有用湍流流动才能 模拟流体的实际流动过程。模拟湍流流动最根本的方法就是，在湍流尺度的网格 尺寸内求解瞬态三维n a v i e r - s t o k e s ( n s ) 方程。然而，目前的计算机容量和计算 速度还难以实现这一模拟。因此，现在主要用三类方法来进行湍流的数值计算“们 ( 1 ) 雷诺平均法( r a n s )它是b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年针对二维流动提出 的。在各向同性的前提下，将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流 黏性系数的乘积 _ _锄 一p u ，2 鸬_ 卵 推广到三维问题，用笛卡尔张量表示 一p u , v j = 鸬【善+ 鼍) - 詈肚磊 基于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，用此湍流模型给出计算湍流黏性系数“的 表达式。根绝建立模型所需要的微分方程的数目，可分为零方程模型( 代数方程 模型) 、单方程模型和双方程模型。 ( 2 ) 直接数值模拟法它抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力 和其他二阶关联量的输运方程。该方法的优点是，无需对湍流流动做任何简化或 近似，而直接用瞬时n - s 方程对湍流进行计算。但由于该方法对计算机内存空间 和计算速度要求过高，因此目前还无法用于真正意义上的工程计算。 ( 3 ) 大涡模拟法前两类算法均以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进 行统计平均。大涡模拟法把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解经过修 正的n s 方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动仍酌情采用雷诺平均法 或者直接数值模拟法湍流模型。 计算流体力学基础与三维流场计算 2 2 三维流场计算方法 数值模拟的计算方法是现代工程学行程和发展的重要动力之一，大量复杂 的工程问题都可以采用区域离散化的数值计算并借助计算机得到满足工程要求 的数值解。常用的离散化方法有：有限体积法( f v m ) 、有限差分法( f d m ) 和 有限元法( f e m ) 。有限体积法可视为有限差分法和有限元法的折中。三种方法 各有所长，他们的特点是 有限差分法( f d m ) 直观，理论成熟，精度可选，但处理不规则区域繁琐， 且对区域的连续性等要求比较严。使用它的好处在予，易于编程，易于并行。 有限元法( f e m ) 适合处理复杂区域，精度可选，但需要的内存和计算量很 大，并行不如f d m 和f w 直观。但将来用f e m 的并行计算可以解决复杂区域的计 算问题。 有限体积法( f v m ) 适用于流体计算，可以用于不规则网格。它的最大优 点是，得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足， 对整个计算区域，自然也得到满足。 2 2 1 有限体积法控制方程的离散 a 概述 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 又称控制体积法( c o n t r o lv o l u m e m e t h o d ，c ) 。它是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重 复的控制体积。将待解的微分方程对每个控制体积积分，而得到一组离散方程， 其未知数是网格节点上的因变量。有限体积法实际上就是子域法加离散。与用微 分方程表示因变量在无限小控制体积中的守恒定理一样，离散方程的物理意义就 是，因变量在有限大小控制体积中的守恒定律。 b 离散格式 用有限体积法建立离散方程时，需要将控制界面上的物理量及其导数通过 节点物理量差值求出。常用的离散格式有 ( 1 ) 一阶上游迎风格式 概念“迎风 是相对于局部法向速度定义的。迎风格式，就是用上游变量 的值计算本地的变量值。一阶迎风格式( f i r s to r d e ro p w i n ds c h e m e ) 即因对 流造成的界面上的通量值被认为等于上游节点( 迎风侧节点) 的通量值 谚= ( 1 一q ) 九+ + q 丸 其忙器描 7 9 西安理工大学硕士学位论文 该格式考虑了流动的影响。一般来说，在任何条件下，迎风格式都不会引 起解的振荡，是绝对稳定的，因此它应用广泛。 ( 2 ) 中心差分格式 中心差分格式是指，用线性插值法计算控制体边界上的物理量行，即 谚= ( 1 一工) 九+ + 六九 式中工一几何插值参数 与一阶迎风差分格式相比，中心差分格式受到了物理真解的限制。 ( 3 ) 指数格式 指数格式定义，控制体边界上的物理量遵循指数分布规律，但存在两种特殊 情况。当对流起主导作用时，指数格式即相当于一阶迎风格式；当扩散起主导作 用时，指数格式则相当于中心差分格式。 ( 4 ) q u i c k 格式 q u i c k 就是“对流运动的二次迎风插值 ( q u a d r a t i cu p w i n d i n t e r p o l a t i o no fc o n v e c t i v ek i n e m a t i c s 。该格式使用加权和插值的混合形式 给出边界点上的值，它是针对常用的四边形和六面体网格提出的，具有三阶精度。 2 2 2f v m 的求解方法一s l m p l e 算法 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s ) 算法是目前工 程实际中应用最广泛的一种流场计算方法，也是压力修正算法的一种。该方法由 p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出，主要用于不可压缩流场的数值计算。它的 核心是采用“猜测修正 的过程，在交错网格的基础上计算压力场，达到求解 动量方程的目的。 s i m p l e 算法的基本思想是，对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程 而得到速度场。由于假定的压力不一定准确，因此得到的速度场一般不满足连续 性方程，必须对原给定的压力场进行修正。修正的原则是，与修正的压力场相对 应的速度场需满足本次迭代的连续方程。根据这个原则。将满足动量方程的离散 形的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，而得到压力修正方程，再由此 得出压力修正值。根据修正后的压力场，可以得到新的速度场，检查该速度场是 否收敛。若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一轮的计算， 直到收敛为止。 1 0 计算流体力学基础与三维流场计算 s i m p l e 算法的核心问题就是，如何获得压力修正值及根据压力修正值构建 速度修正方程。基于有限体积法的计算流体力学( c f d ) 分析软件f l u e n t 就 是应用s i m p l e 算法求解湍流流场的。 2 3 液力变矩器内流场数值计算 2 3 1f l u e n t 及p r o e 简介 a c f d 软件f l u e n t 简介 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称， 主要用于进行流场分析、计算及预测。借助于c f d 软件，可以仿真分析并直观 显示发生在流场中的各种现象，并透过这些现象预测流体的流动性能。 f l u e n t 是目前国际上主流商用c f d 软件包，目前归入a n s y s 旗下，在 美国的市场占有率为6 0 。f l u e n t 具有丰富的物理模型、先进的数值方法和 强大的前后处理功能，广泛地应用于航空航天、车辆设计、石油天然气和涡轮机 设计等诸多领域，凡与流体、热传递和化学反应有关的行业均可使用它，如石油 天然气工业就用它作燃烧、井下、喷射控制、环境、特别是消散及聚积、多相流 和管道流动等分析5 1 。3 。 f l u e n t 软件包主要由前处理器g a m b i t 、求解器f l u e n t 和后处理器 t e c p l o t 组成。 前处理器g a m b i t 具有超强的组合建构几何模型的能力，在实际应用中， 主要用来划分网格，它可以生成并处理结构化网格以及非结构化网格，主要包括 隶属二维网格的三角、四边形网格和隶属三维网格的楔形、四面体、六面体和金 字塔形网格。g a m b i t 具有灵活且易于操作的人机交互界面，同时可与p r o e 、 u g 等大型三维绘图软件联合建模，大大节省了用户的时间，提高了工作效率。 基于有限体积法的求解器f l u e n t ，主要包括n s ( 纳维一斯托克斯) 方程 组的求解模块，它采用压力修正法( 包括s i m p l e ，s i m p l e c ，p i s o 三种算法) 作 为低速、不可压缩流动的计算方法，f l u e n t 的计算精度和稳定性都优于传统编 程中使用的有限差分法。 本文拟采用f l u e n t 对液力变矩器的叶栅内流场进行仿真计算分析。 b c a d 软件p r o e 简介 p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 是美国p t c 公司推出的大型c a d c a m 参数化软件系 统，其内容包括产品的概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析设计、动 态模拟与仿真、工程图的输出、生产加工等全过程；此外，还拥有诸如电缆及管 道布线、模具设计与分析等应用模块，并且在p r o e 的应用范围还涵盖了航空航 西安理工大学硕士学位论文 天、汽车电子、机械数控加工等诸多领域。由于p r o e 的功能完美而又强大，现 今它已成为c a d c a m 领域中的行业标准。本课题的模型构建，正是借助美国 p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r 系列中的旗舰产品p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 【3 8 1 一1 4 3 l o 2 3 2f l u e n t 的求解流程 1 2 f l u e n t 的求解流程如图2 1 所示： 图2 - 1f i ，u 曰盯求解瓣 f i g 2 1 w o r k i n gs t e p so f f l u e n t 计算流体力学基础与三维流场计算 2 3 8 数值计算的假设 液力变矩器在工作时，流经叶轮叶栅的流体其流动状态是非定常、不可压缩的三维 粘性流体流动，为了便于f l u e n t 进行数值模拟，需要对液力变矩器内部流场做如下假 设 1 采用国标液力传动油，该工作油液是不可压缩的流体，密度、粘度保持恒定不变， 即p = 8 9 9 1 k g m 3 ，= 0 0 0 1 8 9 p a s ； 2 液力变矩器处于稳态工作状态，即在某一工况下工作液油温保持恒定，忽略油温 变化带来的热传递能量损失； 3 叶轮叶栅流道间的流场相对于自旋转参考系是稳定的，忽略各叶轮叶栅流场参数 随时间的变化，即不考虑流道间存在的周期性非稳态流动现象； 4 定义液力变矩器中的所有构件为绝对刚体，它们在工作过程中不发生轴向位移、 各轮叶栅的叶片不发生翘曲变形，以忽略工作液和流道固体壁面之间的相互耦合作用； 5 假设工作液只在叶轮叶栅的进口面和出口面流动，不从其它任何地方进入流道； 6 叶轮之间的无叶栅区处于压力平衡状态，由上游叶轮叶栅出口面流出的液流经过 无叶栅区时，不出现液流的泄露、不发生速度和压力的变化，即工作液完全流入下游叶 轮叶栅的进口面； 7 在稳定状态的某一工况下，假设同一叶轮叶栅所辖的每个流道在流场特性方面都 是完全相同的。因此，在研究叶轮叶栅流道的流场时只需要分析一个流道的流场。这个假 设是将周期性的叶轮叶栅动态流场，简化为与流道位置截取无关的单流道周期循环的基 础。 2 3 4 数值计算模型 本文以y j 3 8 0 液力变矩器为研究对象，图2 2 所示为三个叶轮叶栅的内环、外环和叶 片之间的空间。叶轮叶栅之间的无叶片区构成了液力变矩器的工作流道，即数值模拟的 求解空间。根据前面的假设，只选取一个流道空间作为叶轮叶栅模拟区域进行分析，它 包括叶片内的流道部分以及叶片进口面之前和出口面之后的无叶片区。 西安理工大学硕士学位论文 ( i t ) 涡轮( b ) 导艳 ( c ) 爱轮 圈；2w 3 8 0 筏力嘲的叶艳- 型 f i 9 2 2 i m p e l l e r s m o d e lo f y j 3 $ 0 a 网格生成技术 进行数值计算| ；i 首要任务就是要对计算对象进行网格划分，然后才能进行后续的求 解和处理。网格划分的质量，包括网格的尺寸、节点分布，光滑性歪斜和比率节点密 度和聚集度等对计算精度、速度和稳定性都有很大的影响。用f l u e n t 进行数值计算一 般采用f l u e n t 公司自行开发的前处理软件g a m b i t 进行网格划分。 g a m b i t 的功能包括，构造几何模型、划分网格和指定边界。其中，划分网格并生成 包含有边界信息的网格文件是它的最主要功能。g a m b i t 的功能灵活，用户界面完全集成， 易于操作，依据用户要求自动完成网格划分。g a m b i t 可以提供多种网格单元，生成结构 网格、非结构网格和混合网格等多种类型的网格，具有良好的自适应性，并且能对网格进 行细分、粗化以及生成不连续网格、可变网格和滑移网格。 ( 1 ) 网格单元 g a m b i t 能够为2 d 流动数值计算提供三角形和四边形网格单元，为3 d 流动数值计算提 供四面体、金字塔形、楔形和六面体网格网格单元 格 7 7 一醇 计算流体力学基础与三维流场计算 要采用代数生成法，保角变换法，偏微分方程法，变分法等生成。应用结构网格可以获得 很高的计算精度和效率，并且能够简便准确地处理边界条件。但对于复杂的空间模型，很 难甚至无法划分结构网格。 2 ) 非结构网格 网格单元和节点均没有特定规律，节点的分布极具随意性。非结构网格的划分原则是， 任意一个空间域都可被四面体或三角形单元网格所划分，四面体单元适于三维模型，三角 形单元适于二维模型。常用非结构网格生成法主要有d e l a u n a y 法和阵面推进法。较结构 网格而言，非结构网格具有很强的灵活和适应性，对于边界复杂的流场计算问题可进行自 适应计算，合理分布网格疏密，从而提高计算精度。 3 ) 混合网格 结合使用结构网格与非结构网格，发挥它们各自的优势，同时克服各自的不足。混合 网格技术主要有：适于多部件或多体复杂外形的龙形网格和拉链网格：矩阵网格与非 结构网格的混合网格：针对于粘性计算的混合网格。 对于液力变矩器流道这类具有复杂几何外形的数值计算，在选择网格类型时，还需考 虑初始化的时间，计算花费，数值耗散等问题。其中，数值耗散是液力变矩器流道分析中 主要的误差来源。 b 液力变矩器流道模型在p r o e 和g a m b i t 间的数据转换 用p r o e 建立液力变矩器的流道模型后，需要用g a m b i t 将其划分成网格，燃后将网格 模型导入f l u e n t 才能进行数值计算分析。所以实现p r o e 和g a m b i t 之间的数据转化以及 生成网格是整个计算的关键，转换步骤简要如下： ( 1 ) 建立p r o e 和g a m b i t 之间的数据转换通道； ( 2 ) 启动p r o ew i l d f i r e2 0 将建立的流道模型保存为中性文件备用； ( 3 ) 启动g a m b i t2 2 3 0 。w o r k i n gd i r e c t o r y 设置完毕后，进入g a m b i t 操作界面，实现 p r o e 和g a m b i t 之间的数据转换。 c 网格生成 本文涉及的流道计算属于粘性流体问题，所以选择采用混合网格，求解器s o l v e r 选 用f l u e n t 5 6 ；e l e m e n t s 项选择t e t 4 - i y b r i d ，即网格单元主要由四面体组成，特殊区域可 以为六面体、锥体或楔形体。t y p e 项选择t g r i d ，即用t g r i d 程序来划分四面体网格 对于s p a c i n g 项的选择，要考虑到课题研究所采用的计算机的运算能力，因此在多次试验 比较运算精度以及运算效率之后，本文所涉及到的叶栅流道的网格模型，i n t e r v a ls i z e 设定为0 4 ，此即四面体单元的尺寸。 实际操作过程要特别注意网格类型、网格单元的准确选择及网格尺寸的设定。在完成 网格划分后还需要对网格质量进行检查和修改。只有通过多次设定、比较和修正，才能使 西安理工大学硕士学位论文 后续的数值模拟达到满意的精度要求。 2 3 5 设置f l u e n t 的求解器 基于有限体积法( f v m ) 对控制方程进行离散求解，f l u e n t 提供了耦合式( c o u p l e d ) 、 分离式( s e g r e g a t e d ) 两种求解器。耦合式求解器主要用于高速可压缩流动及由离心力、 浮力等强体积力造成的强耦合流动；分离式求解器主要用于不可压缩流动以及低马赫数可 压缩流动。因为液力变矩器的工作介质是不可压缩流体，本文则采用分离式求解器进行数 值计算。 2 3 6 选取湍流模型、离散算法 a 湍流模型的选择 本文的数值计算选用标准七一s 模型。由于液力变矩器的流道及其复杂，叶栅叶片形状 扭曲，各叶轮转速不等原因，在对液力变矩器三个叶轮叶栅流道进行周期计算时，需要选 用计算精度好、稳定性高、收敛速度快的湍流模型，并且标准七一s 模型的计算精度足够 反映液力变矩器内流场的流动情况。 b 离散算法的选定 f l u e n t 中提供了三种压力与速度的耦合方式，s i m p l e 格式、s i m p l e c 格式和p i s o 格式。根据前面介绍，s i m p l e 算法属于一步修正算法，是最基本、应用最广泛的算法。 s i m p l e c 算法与s i m p l e 算法在思路上基本一致，不同的是s i m p l e c 算法在通量修正 方法上有所改进，加快了计算的收敛速度。而p i s o 算法的基本思路是预测修正一再修 正，它属于两次修正算法，从而加快了单个迭代不中的收敛速度，这种算法从理论上说计 算精度要高一些。综合考虑收敛速度和稳定性两个方面，压力和速度耦合算法本文选择 s i m p l e 算法。 2 3 7 边界条件的设置 边界条件是指，在求解区域的边界上所求