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三维UG 包含CAD高清图纸及说明书 液力变矩器 设计 三维 UG 包含 CAD 图纸 说明书

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湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书 题 目： 汽车用液力变矩器设计及性能仿真 学 院： 兴湘学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2010962925 姓 名： 潘玉东 指导教师： 刘金刚 完成日期： 2014年5月25日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目 汽车用液力变矩器设计及性能仿真 学 号 2010962925 姓名 潘玉东 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 刘金刚 主 任 周友行 一、主要内容及关键步骤1、主要内容： 本文的研究是以汽车用液力变矩器为研究对象，基于三维流场理论，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等软件，对液力变矩器的内流场进行了仿真计算。本课题研究的目的和意义就在于，解决液力变矩器的传动效率和设计精度低的问题，改变研制周期长，一次成功率低的局面，进一步改善液力变矩器的性能和设计制造水平。 2、关键步骤： (1)首先了解了课题研究的背景，液力变矩器在国内外的应用情况和流场理论的发展现状；然后了解液力变矩器的组成以及工作原理。（2）用建模的方法借助三维光学测量仪测绘流道，然后用反求法在UG三维软件中建立出液力变矩器的三维模型。(3)了解计算流体力学的基本理论。首先控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，由于本课题研究的是不可压缩流体，热交换量可以忽略不计，敌不考虑能量守恒方程，然后介绍了将控制方程离散化的方法；接着学习了有限体积法的基本原理，常用的离散格式：分析了网格的生成技术，分别对结构网格、非结构网格以及混合网格作了阐述；最后介绍了常用的湍流模型，湍流流动的近壁处理方法和流场数值计算的算法。(4)了解常用的一些CFD软件，并选择FLUENT对本课题进行研究；为了能够顺利地得到收敛解，提出了研究液力变矩器流场的一些假设，并对流场进行了一定的简化；然后通过CAD软件UG建立叶轮流道的几何模型，并使用GAMBIT生成计算网格，为了提高计算精度，使用六面体网格；选择分离求解器隐式格式进行求解，使用绝对速度方程，湍流模型选择标准k一模型，同时使用标准壁面函数；离散格式采用二阶迎风格式(这样可以提高解算精度)，压力一速度耦合选用SIMPLE算法，入口边界条件使用压力入口，出口边界条件使用压力出口，其余壁面使用非滑移壁面边界条件；在叶轮之间的交互面上使用混合平面模型。(5)对计算结果进行了分析，并与实验结果进行了比较，二者基本吻合证明了三维流场分析的正确性。最后对研究过程中存在的问题进行了分析。 二、 重点研究的问题（1）利用硅橡胶做出流道模型，用三维光学测量仪进行测绘，在UG中创建出液力变矩器和流道的三维模型。 （2）借助CFD软件，在Gambit中对流道划分网格，然后在Fluent中进行仿真，分析流道的速度、压力等。 三、 进度安排各阶段完成的内容起止时间1查阅资料、调研第1-4周2开题报告、制订设计方案第4周3实验（设计）第5-7周4分析、调试等第8周5写出初稿第9-11周6修改，写出第二稿第12周7写出正式稿第13周8答辩第14周四、 应收集的资料及主要参考文献1朱红钧，林元华.FLUENT流体分析及仿真.人民邮电出版社：2010. 2李进良.李承曦.胡仁喜FLUENT6.3流场分析.化学工业出版社：2009. 3杨维俊.马骥.自动变速器结构原理及典型故障案例.机械工业出版社：2011. 4王正旭.汽车自动变速器原理与检修一体化教程.机械工业出版社：2009. 5胡仁喜.pro/e4.0曲面造型从入门到精通.机械工业出版社：2009. 6马文星. 国外车辆液力传动研究现状及其展望.同济大学学报；1996 7朱经昌液力变矩器的设计计算同济大学学报；1991 8曹金海.马文星液力变矩器流畅计算的有限元发同济大学学报；1993. 9方杰液力变矩器三维流动的研究同济大学学报；2003 10陆忠东基于pro/e Wildfire的液力变矩器反求计算上海机电学院学报；2007 11赵鼎选.石祥钟.尚涛液力变矩器三维流动计算方法吉林大学学报；2006 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学 号 2010962925 姓名 潘玉东 专 业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 51 页 图表 1 张论文（设计）题目：汽车用液力变矩器设计及性能仿真内容提要:首先了解课题的研究背景，了解液力变矩器的国内外的研究现状，通过查阅资料了解液力变矩器的结构和工作原理，用建模的方法和反求发借助三维光学测量仪和UG等三维软件做出液力变矩器的三维模型和流道模型，了解流体力学的基本原理和各种方程，如连续方程、动能守恒方程，了解有限体积法原理。为了方便研究，对液压油做了不可压缩等方面的假设，然后学习一些常用的CFD软件，这里选用Fluent作为研究软件，利用UG中液力变矩器的流道模型，导入Gambit中，为了提高精度，选用六面体作为基本单元，生成网格。然后将网格导Fluent之中，湍流模型选用标准k-模型，同时选择标准壁面函数，离散格式选用二阶迎风格式，可以提高计算精度，压力-速度耦合选用SIMPLE算法，然后设置入口、出口和边界条件，然后仿真计算，得出液力变矩器流道的压力、速度云图，入出口面和整体的速度矢量图，进行分析。指导教师评语该同学对待毕业设计任务态度端正，能够较好查阅资料，并思考解决问题的方法，主动和老师探讨，具备综合运用知识去确定设计方案。所研究的基于CFD软件对液力变矩器的性能仿真，仿真方法及结果得当。所绘制图纸基本达到工程图的要求，所完成的毕业设计说明书条理清楚文字基本流畅。整个毕业设计工作量达到要求，完成质量较好。同意其参加答辩，建议成绩评定为： 指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为： 答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文（设计）成绩评定为： 答辩委员会主任： 年 月 日湘 潭 大 学毕业论文（设计）评阅表学号 2010962925 姓名 潘玉东 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 汽车用液力变矩器设计及其性能仿真 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价该同学所完成的基于CFD软件对液力变矩器的能能仿真方法正确，结果也比较合理。毕业设计说明书的论述基本合理，参数选择正确，格式符合要求。所绘制的装配图基本达到工程图的要求。该同学具备了一定的专业理论的综合运用能力，正确制定设计方案和解决问题的能力，工程能力，设计能力，计算机制图，及外语能力。整个毕业设计工作体现了学科教学计划的基本要求，所完成的工作达到了本科毕业设计要求，可参与答辩。评阅人： 年 月 日摘 要本文的研究是以汽车用液力变矩器为研究对象，基于三维流场理论，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等软件，对液力变矩器的内流场进行了仿真计算。本课题研究的目的和意义就在于，通过CFD软件的模拟仿真，对液力变矩器的流道的压力和速度进行有效分析计算。本文主要有以下内容：(1)首先介绍了课题研究的背景，液力变矩器在国内外的应用情况和流场理论的发展现状，指出了液力变矩器设计计算的发展方向是三维流场理论；然后对液力变矩器的组成以及工作原理进行了阐述，并指出了主要研究内容。(2)阐述了计算流体力学的基本理论。首先列出了控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，由于本课题研究的是不可压缩流体，热交换量可以忽略不计，敌不考虑能量守恒方程，然后介绍了将控制方程离散化的方法；接着详细介绍了有限体积法的基本原理，常用的离散格式：分析了网格的生成技术，分别对结构网格、非结构网格以及混合网格作了阐述；最后介绍了常用的湍流模型，湍流流动的近壁处理方法和流场数值计算的算法。介绍了反求发测绘液力变矩器。(3)介绍了常用的一些CFD软件，并选择FLUENT对本课题进行研究；为了能够顺利地得到收敛解，提出了研究液力变矩器流场的一些假设，并对流场进行了一定的简化；然后通过CAD软件UG建立叶轮流道的几何模型，并使用GAMBIT生成计算网格，为了提高计算精度，使用六面体网格；选择分离求解器隐式格式进行求解，使用绝对速度方程，湍流模型选择标准k一模型，同时使用标准壁面函数；离散格式采用二阶迎风格式(这样可以提高解算精度)，压力一速度耦合选用SIMPLE算法，入口边界条件使用压力入口，出口边界条件使用压力出口，其余壁面使用非滑移壁面边界条件；在叶轮之间的交互面上使用混合平面模型。(4)对计算结果进行了分析，并与实验结果进行了比较，二者基本吻合证明了三维流场分析的正确性。最后对研究过程中存在的问题进行了分析。(5)对全文进行了总结。关键词：液力变矩器、内流场、FLUENTABASTRACT The research is a part of national fund project of key laboratory of the vehicle transmission. The internal flow field of the car model torque converter was numerically simulated by UCH GAMBIT and FLUENT, based on 3-D flow field theory. To do the research in order to solve the problem that hydraulic transmission efficiency and the precision of designs were low and change a situation of long R&D period and low success rate, and further improve the performance of the torque converter and designing and manufacturing level. The following is the main contents: (1)Firstly, the background of subject research and the application of the torque converter in the world and the current situation of the development of the field flow theory was introduced, and 3-D field flow theory will be used in design calculation on torque converter in the future; Then composition and operation principle of the converter were explained and the main contents of research was introduced. (2 )Basic theories of CFD was introduced. The governing equation, including mass conservation equation and momentum conservation equation, was listed. Because the basic of research was the incompressible fluid and the hot could be ignored, so the energy conservation equation was not considered; Then introduced the basic principle of the limited volume method in detail, discrete scheme, the creation technology of the grid and turbulent model and introduced the method of near wall treatment methods and the algorithm of calculating field flows. (3)carry on simplify Introduced some CFD software and research; For getting result smoothly, to choose FLUENT to were taken; To set up the geometric model by assumptions and FLUENT and to create the grid by GAMBIT. And in order to improve the precision of calculating, to use the grid of hexahedron; To choose separated solver and the implicit scheme model, the turbulent model was the standard k-:model and the standard wall function was used at the same time; The boundary condition of the entry was the pressure inlet and that of the exit is the pressure outlet and other wall used non- slip wall; Mixing plane model was used in mutual faces between impellers. (4 ) The results of calculation was analyzed and was compared with those of experiment, and maximum error was less than 5%, which proved that three dimensional calculation was correct. Finally some questions in research was analyzed. (5)Summary finally.Key words: the torque converter, internal flow field，FLUENT目 录第第1章 绪 论111研究背景1111液力变矩器在国内外的应用1112流场理论的发展现状212液力变矩器的组成及工作原理4121液力变矩器的组成4122液力变矩器的工作原理513研究目的和意义以及主要研究内容7131研究目的和意义7132主要研究内容7第2章 液力变矩器的测绘和反求82. 1测绘过程82. 2三维光学测量仪编程92. 3数据处理和反求12第3章 液力变矩器内流场数值分析1431常用的CFD软件介绍143.2建立流场计算的几何模型1532. 1分析中的假设和简化15322几何模型1633生成计算网格17331 GAMBIT简介173. 32划分网格1834设置求解器1934. 1求解器的选择19342控制方程的线性化21343参考压力的选择2135选择湍流模型223.6定义流体的物理性质233.7设置边界条件和初始条件24371入口边界条件24372出口边界条件24373壁面边界条件25374初始条件2538收敛准则2639本章小结26第4章 液力变矩器内流场计算结果分析2741泵轮流场分析27411泵轮入口流场29512泵轮出口面流场2942涡轮流场分析30421涡轮入口流场32422涡轮出口流场324. 3导轮流场分析33431导轮入口流场35432导轮出口流场3544本章小结36第5章 全文总结37参 考 文 献39致 谢40附 录41第1章 绪 论11研究背景111液力变矩器在国内外的应用液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一，其主要作用是由发动机向传动系统平稳地传递动力。装有液力变矩器的动力传动系统可以保证车辆平稳地起步、变速。目前液力变矩器被广泛地应用于铁道车辆、工程机械、航空航天、能源动力以及化工机械等行业，而汽车行业更是液力变矩器的最大用户。国外己普遍将液力传动运用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、牵引车及军用车辆等。以美国为例，自20世纪70年代以来，每年在轿车上液力变矩器的装配率达到90以上，而在城区公汽上的装配率几乎达到了100。在重型汽车方面，载货量3080吨的重型矿用自卸车几乎全部采用了液力变矩器，而在功率超过735kW，载货量超过100吨的重型汽车上，液力变矩器也得到了广泛地应用。如功率为8826kW、装载量为108吨的矿用自卸车就装配了阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力机械变速器。还有某些非公路车辆，坦克以及军用车辆上也装备了液力变矩器。除美国外，其它国家的汽车工业中，比如日本的丰田、日产公司，德国的奔驰、伦克公司以及意大利的菲亚特公司等都生产了装配有液力变矩器的汽车。我国早在上世纪50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，开创了我国独立设计、制造液力变矩器的历史。1958年，我国机车行业自行研制的卫星号(也称东方红I)内燃机车装配了三个液力变矩器：一个启动液力变矩器，两个运转液力变矩器。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，当时由天津工程机械研究所和厦门工程机械厂共同研制的ZL435装载机上就装配有液力变矩器。70年代开始将液力变矩器应用于重型矿用汽车上。80年代由天津工程机械研究所研制开发了“YJ单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统”和“YJSW双涡轮液力变矩器系列”。两大系列目前已成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。其产品的主要性能指标已达到国外同类产品的先进水平。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了Ch300、Ch400、Ch700、Chl000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液力变矩器的设计与制造关键技术，达到国际先进水平，满足了军用车辆的使用要求。一些合资企业生产的轿车和重型载重车等也应用了进口的液力变矩器。目前，液力变矩器在我国的轿车市场上也有着巨大的潜力，1997年以前，我国汽车总保有量中仅有不到10的车辆装有液力机械式自动变速系统。最近几年，继上海通用别克、奥迪A6、上海大众帕萨特B5以及广州本田将液力自动变速器作为整车的基本配最后，国内各大汽车厂商纷纷在各自的热卖车型上推出了数十款装备液力自动变速器的新车型，这些自动变速轿车受到了广泛的欢迎。同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较少，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上应用极少甚至没有应用。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是未来的发展重点，因此液力变矩器在我国有广阔的市场。112流场理论的发展现状液力变矩器是叶轮机械的一种。液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动。基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，长期以来在工程中采用的是一维流动理论，即束流理论。它有如下假设：(1)叶轮中的液流是由许多流束组成，流动关于旋转轴对称。(2)叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄。(3)上一级叶轮的出口流动情况与下一级叶轮的进口流动情况相同。(4)同一过流截面上各点的轴面速度相同，因此，可用中间流线代表整个流道的流动状态。中间流线是一条假象的曲线，它将液流通道断面分割成面积相等的内外两部分(如图1-l所示)。由于束流理论的简便性和一定的合理性，因而具有一定的工程实用价值，被广泛应用于液力变矩器的设计工作中。一维束流理论的优点是物理概念简单，设计、计算工作大为简化，并且易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内流场有很大差别，因此，用一维束流理论设计出来的变矩器往往不能达到预期的性能指标，而要经过反复的试验和改进，这就大大地增加了试验量和研制周期。随着车辆、工程机械等行业对液力变矩器性能和研制周期要求的不断提高，给液力变矩器的研究提出了新的课题，研究人员在液力变矩器流场理论的研究上付出了很多努力，取得了一定进展。在一维柬流理论的基础上发展了二维流动理论。它将工作轮中的流动简化为过旋转轴心的一组平行轴面内的平面流动，每个平面内的速度分布和压力分布都是相同的。在给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。二维流动理论把原来由中间平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶型设计及绘制方法等进行了大量研究，得到了较好的效果。总的来说，用二维流动理论描述纯离心式或轴流式工作轮中的流动情况与实际较为接近，而描述常用的向心式或一股的混流式工作轮，则与实际差别较大。液力变矩器设计计算方法的发展方向是三维流动理论，描述粘性流体三维流动的运动方程是纳维一斯托克斯(NavierStokes)方程，简称NS方程。由于N-S方程和欧拉方程的复杂性，直接求数值解非常困难，特别是NS方程，到目前为止尚无法直接求解。近十多年来，人们多用有限元法和有限差分法求三维流动的微分方程或变分方程。尽管人们对液力变矩器内流场的研究已经取得了一定的进展，但是由于液力变矩器内流场的特殊性和复杂性，完全抛开一维束流理论来进行液力变矩器设计计算的条件尚不成熟，能准确地反映液力变矩器内流场状况的理论尚未形成，液力变矩器的研究设计方法并没有从根本上得到改善，对液力变矩器还不可能进行一步到位的设计，往往要有多次反复，需要做大量的实验。最近几年里，国外对液力变矩器三维流动理论的研究非常热烈，各大汽车公司将分析液力变矩器的工作机理作为提高汽车燃油经济性的突破口，从而作了大量的工作。美国、韩国等国家的能源部门从节省国家能源的角度出发，投入巨资对液力变矩器做了深入的研究。日本也早在上个世纪90年代初期，就地球环境问题和能源保障问题呼吁要节约能源，反映在汽车领域，就是要提高各部件的效率，其中液力变矩器传动效率的提高占有重要的地位。另外，在国外随着前置前驱动车型的大量涌现和自动变速器多档化，对变速器小型化、轻量化、舒适性以及安全性的要求日益提高，于是提出了设计超扁平化的液力变矩器。为了弥补超扁平化带来的性能、效率下降的问题，采用数值模拟的方法研究变矩器的内部流场是一条有效途径。12液力变矩器的组成及工作原理121液力变矩器的组成液力交矩器主要由可转动的泵轮、涡轮，以及固定不动的导轮三个基本元件组成(如图1-2所示)，汽车所用液力变矩器的工作轮一般是由钢板冲压焊接而成，而工程机械和一些军用车辆所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造而成的。122液力变矩器的工作原理以液力变矩器工作轮的展开图来说明液力变矩器的工作原理。沿图1-3所示的工作轮循环圆中间流线将三个工作轮时片假象地展开，得到泵轮、涡轮和导轮的环形平面图。各叶轮叶片的形状和挣出口角度也被显示于图中。为便于说明起见，设发动机转速及负荷不变，即变矩器泵轮的转速阼。及转矩M。为常数。先以汽车启动工况为例进行讨论。当发动机运转而汽车还未起步时，涡轮转速月，为零，如图1-4所示。变速器油在泵轮叶片带动下，以一定的绝对速度沿箭头1的方向冲向涡轮叶片，对涡轮有一作用力，产生绕涡轮轴的转矩，此即液力变矩器的输出转矩。因此时涡轮静止不动，液流则沿着叶片流出涡轮并冲向导轮，其方向如图中箭头2所示，该液流也对导轮产生作用力矩。然后液流再从固定不动的导轮叶片沿箭头3的方向流回到泵轮中。当液流流过叶片时，对叶片作用有冲击力矩，根据作用力与反作用力定律，液流此时也会受到叶片的反作用力矩，其大小与作用力矩相等，方向相反。作用力矩或反作用力矩的方向及大小与液流进出工作轮的方向有关。设泵轮、涡轮和导轮对液流的作用力矩分别为MB、MW和MD，方向如图中箭头所示。根据液流受力平衡条件，三者在数值上满足关系式MW=MB+MD，即涡轮转矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和。显然，此时涡轮转矩MW大于泵轮转矩MB，即液力变矩器起到了增大转矩的作用。也可以这样来理解其增矩作用，当液流冲击涡轮时，对涡轮有一作用力矩，此为泵轮给液流的力矩；当液流从涡轮冲击导轮时，对导轮也有一作用力矩，因导轮被固定在变速器壳体上，从而导轮给液流的反作用力矩通过液流再次作用到涡轮上，使得涡轮的转矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和。当液力变矩器输出的转矩，经传动系传到驱动轮上所产生的牵引力足以克服汽车起步阻力时，汽车即起步并开始加速，与之相连的涡轮转速nW也从零起逐渐增加。我们定义液流沿叶片方向流动的速度为相对速度W，在叶轮的作用下所具有的沿圆周方向运动的速度为牵连速度“，二者的矢量和为绝对速度v。涡轮转速”，不为零时，液流在涡轮出口处不仅具有相对速度W，而且具有牵连速度U1，故冲向导轮叶片的液流的绝对速度V1为两者的合成速度，如图所示。因设泵轮转速不变，即液流循环流量基本不变，故涡轮出口处的相对速度w不变，变化的只是涡轮转速nW，即牵连速度u发生变化。由图可见，冲向导轮叶片的液流的绝对速度v将随着牵连速度u的增加而逐渐向左倾斜，使导轮上所受的转矩值逐渐减小。当涡轮转速增大到一定值时，由涡轮流出的液流(v2)正好沿导轮出口方向冲向导轮，由于液流经导轮时方向不改变，故导轮转矩MD为零，即涡轮转矩与泵轮转矩相等，MW=MB。若涡轮转速nW继续增大，液流绝对速度v方向继续向左倾，如图中的v，所示方向液流冲击导轮叶片的反面，导轮转矩方向与泵轮转矩方向相反，则涡轮转矩为前二者转矩之差(MW=MB-MD)，即变矩器输出转矩反而比输入转矩小。当涡轮转速nW增大到与泵轮转速nB相等时，工作液在循环圆内的循环流动停止，不能传递动力。13研究目的和意义以及主要研究内容131研究目的和意义液力变矩器是流道封闭的多叶轮透平机械，每个叶轮的流道都相当复杂，流道的内环、外环以及叶片的表面都是复杂的曲面，由于流道的曲率变化非常大，叶片的形状也是三维的，这就造成了液流沿着流线方向、圆周方向以及从内环到外环的方向都是变化的。此外泵轮、涡轮和导轮分别以不同的转速运动，各工作轮之间相互干扰；而且工作介质是有粘性的，这就必然会在流道壁面上产生边界层，由此还会引起二次流、脱流和旋涡等。因此，变矩器内部的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动，想要对变矩器内流场进行三维计算变得十分困难。不过随着计算流体力学和计算机技术的发展，各种CFD软件的日趋成熟，使得对变矩器内流场进行三维计算变成可能。本课题研究的目的和意义就在于，借助于CFD软件对液力变矩器的内流场进行三维仿真计算，然后通过实验验证计算的结果，最后较系统地提出基于三维流场理论的设计分析方法，解决液力变矩器的传动效率和设计精度低的问题。改变研制周期长，一次成功率低的局面，进一步改善液力变矩器的性能和设计制造水平。132主要研究内容在导师的悉心指导下，主要完成的研究工作有：(1)使用大型CAD软件(本课题选用UG)对液力变矩器进行三维实体造型，然后通过GAMBIT进行网格划分前处理。(2)选择三维内流计算软件FLUENT进行流动计算分析。利用三维流动计算求得流场速度、压力分布，以及对外的转矩转速特性和轴向力。(3)进行变矩器台架试验，测量液力变矩器的轴向力、转矩，确立仿真计算与实际流动的对应关系。第2章 液力变矩器的测绘和反求为了不破坏工作轮，我们选取制模的方法获得叶片的曲面的形状。拟将几个叶轮流道的出口处封死，灌入工程塑料或硅橡胶，待其固化后取出，进行光栅扫描。由于流道扭曲度很大，在取模过程中，固化的材料会受到流道的严重挤压。因而要求灌入的材料具有很好的弹性和抗拉强度，在受压严重变形后能够很好的恢复原有的形状，鉴于此，我们选取弹性好的硅橡胶作为制模的材料。经过深入探讨和理论分析，我们最终选择硅橡胶制模、光学三维测量系统扫描、三坐标入口标记、参考入口厚度的反求策略。经实践检验该方法是切实可行的，总体效果良好。2. 1测绘过程1）测量工作轮借助直尺三角板等常用测量工具测量外圆、深度、长度、孔径、花键等常规数据。2）硅橡胶制模选择质量好的专业硅橡胶，然后选择无铸造缺陷、流道壁比较光顺的相邻的两个流道作为取模的对象，并做好标记，再就将流道下方封闭好，然后将搅拌均匀的硅橡胶（其中硅胶和固化剂的比例按100:3）慢慢倒入流道腔中，待其完全固化后，将模从其中取出。以泵轮为例，取出的模如图。3）扫描硅橡胶模用光学三位测量系统进行扫描，准确获得硅橡胶模的三维几何信息（具体见下一节）。4）测量入出口的厚度由于工作轮的铸造件，为了避免测量的偶然性，应该选择不同叶片，进行多次测量取平均值。2. 2三维光学测量仪编程!测量程序INIT !初始化为机器坐标系LOAD-COORSYS(1) !调出刚建立的1号坐标系INPUT-VAR(V99,外圆直径D= )!将外圆直径赋值给变量V99INPUT-VAR(V98,测点数N= )!将外圆测点数赋值给变量V98INPUT-VAR(V87,Z= )!将测量深度赋值给变量V87INPUT-VAR(V86,C= )!将探测辅助距离赋值给变量V86V96=PROBE-RADIUS !将当前所用的测针半径赋值给变量V96MOVE-TO(V99/2+V86,0,-10) !移到柱外的安全位置V95=360/V98V96=V99/2+V96!计算接触时测针球心圆的半径V94=V96+V86!计算探测辅助圆的半径V2=V95V12=V95*2V5=V94*COS(V2) !计算辅助点的X坐标并赋值给V5V6=V94*SIN(V2) !计算辅助点的Y坐标并赋值给V6V15=V94*COS(V12)V16=V94*SIN(V12)V17=SQRT(V15+V5)/2)2+(V16+V6)/2)2)V7=1REPEAT IF(V17V96)FOR(V1,1,V98) !在柱外探测V98个点 V95=360/V98 V2=V95*(V1-1) V3=V96*COS(V2) !计算测点的X坐标并赋值给V3 V4=V96*SIN(V2) !计算测点的Y坐标并赋值给V4IF(V1V98) V5=V94*COS(V2) !计算辅助点的X坐标并赋值给V5 V6=V94*SIN(V2) !计算辅助点的Y坐标并赋值给V ENDIF MOVE-TO(V5,V6,V87)!机器作绝对运动到探测辅助点 V8=(V1-1)/V7 V9=INT(V8)-V8 IF(V9=0) READ-PROBE(V3,V4,V87)!机器作绝对探测 MOVE-TO(V5,V6,V87) ENDIFNEXTCIRCLEMOVE-TO(V5,V6,-10)!回到柱外的安全位置。END!程序结束 2. 3数据处理和反求以泵轮为例，简述反求的过程：在云点数据处理时，需要把每个面单独处理。利用放大、旋转、剪切等命令把每个面上的点云处理光顺，拟合成曲面，并用空间样条画出点云的边界线，以供曲面对齐用。1）读入Imageware建立的外环和内环，根据入出口的尺寸和曲面相对于圆环面的贴合度，利用UG的移动、旋转等命令，确定内环和外环的曲面定位，继而获得循环圆的形状，如图。2）画出三坐标测量的入出口位置线段。3）读入叶片凹面、凸面和他们相邻的内卫环面，然后定位凸面，最后根据叶片入出口的厚度进行微调。4）求出内外环面和叶片凹、凸面的交线（如果没有交线可将凹、凸面进行曲面延拓），作为叶片的流线数据5）将叶片的每条流线等分承托干段（如12段），根据流线的光顺性和入出口的位置、厚度，并结合以往同类型叶片的造型经验，对各段进行微调，特别是入出口处的流线段。6）以过点的方式将等分的13个点拟合成B样条曲线，结合界面曲线进行叶片的曲面造型。7）将叶片的各个曲面结合成一个叶片实体。并重新查看入口的位置，如果偏离则返回第五步重新微调，如果偏离的严重则返回第四步重新调整叶片流道面的定位。8）将造型好的叶片实体绕叶轮的中心旋转线旋转复制，最终完成工作轮的造型，如图。以上即为液力变矩器的测绘及反求的方法及过程。第3章 液力变矩器内流场数值分析液力变矩器是最复杂的透平机械，同时包括离心式泵轮、向心式涡轮和轴流式导轮三种不同类型的流体机械。泵轮、涡轮和导轮组成了相对密闭的工作腔，它们的进口、出口环境相互影响。液力变矩器内流场分析的难点在于它是流道封闭的透平机械，涡轮、导轮和泵轮按各自的转速转动(导轮固定不动，只有在耦合工况下自由旋转)，每级叶轮的流道都相当复杂，流道的内环、外环以及叶片的表面都是复杂的曲面，而且变矩器内部的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动。31常用的CFD软件介绍CFD软件是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)软件的简称，主要用于进行流场分析、计算以及预测。借助于CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，还能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。通过CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，还可以部分代替实验，这对于降低成本，缩短研发周期，提高开发效率具有重要的意义。随着计算机技术的发展以及数值计算方法的日趋成熟，出现了许多的商用CFD软件。商用CFD软件使许多原本不擅长CFD的其它专业研究人员也能够进行流体数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了新的道路。目前比较好的CFD软件主要有：FLUENT、CFX、PHOENICS、STARCD，除了Fluent是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。FLUENT是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，在美国的市场占有率为60。只要是跟流体，热传递以及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在汽车设计、武汉理工大学硕士学位论文航空航天、化学处理、发电系统、生物医药等方面都有着广泛的应用。FLUENT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GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后由Fluent进行求解。GAMBIT具有超强的组合建模能力，可以生成并处理结构化网格或者非结构化网格，主要包括的二维网格有三角形和四边形网格，三维网格有四面体、六面体、楔形和金字塔形网格。借助功能灵活，完全集成的和易于操作的用户界面，GA船IT可以大大缩短用户在CFD应用过程中建立几何模型和划分网格所需要的时间。FLUENT软件还包括prePDF模块，可用于模拟PDF燃烧过程。可以接口的程序包括ANSYS、IDEA8、PATRAN、NASTRAN等。FLUENT软件的核心部分是纳维一斯托克斯(Navier-stokes)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SIMPLE、SIMPLEC、PISO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。FLUENT在汽车工业有着广泛地应用，尤其对于流场的数值模拟具有较高的精度，因此，本文将选用FLUENT对液力变矩器的内流场进行仿真计算。3.2建立流场计算的几何模型32. 1分析中的假设和简化由于液力变矩器流道模型极为复杂，为了能够顺利地得到收敛解，在用FLUENT进行数值模拟时，做如下的假设和简化：(1)相对于各个旋转参考系来说，流道内的流场是稳态的，即各流场参数不随时间变化。(2)液力变矩器中所有的构件为绝对刚体，即：泵轮、涡轮和导轮在工作过程中没有相对的轴向位移，内、外环以及叶片在上作中没有变形。这一假设主要忽略了形成流道的固体壁面和工作介质之间的相互耦合作用。(3)工作介质是不可压缩流体，具有恒定的物理性质，即工作介质在任何工况下密度不变，P=899.1kgm3：粘度为常数，=O.00129Pas。(4)工作介质保持恒温，不考虑热传递。由于本文的最终目的在于流场对液力变矩器性能参数的影响，为此只需要知道流场的速度场和压力场就已经足够。因此，本文只求解连续性方程和动量守恒方程而抛开了对流场中温度场的研究。(5)假定工作介质在两个叶轮间的无叶栅区没有泄漏，从上游流出的工作油完全等量地流入到下游叶轮。即叶轮之间的无叶栅区处于一种压力平衡状态，从上游叶轮出口流出的液流经过无叶栅区流速和压力都不发生变化，然后流入下游升轮的进口。(6)除了叶轮的进口面和出口面外，工作介质不能从其它任何地方进入流道，即相邻的流道之间和内外环处都不会有介质的交换。(7)在同一工况下，同一叶轮每个流道的流场特性相同。因此，在研究叶轮流道的流场时只需要分析一个流道的流场，而且该流道的流场特性与上游、下游叶轮计算流道的选取位蹙无关。宏观上分析，该假设相当于将各叶轮流道的动态流场特性作了时间周期的平均，这在相当程度简化了研究的问题。322几何模型图4-1为本文所研究的汽车用型液力变矩器的示意图，各叶轮叶片数分别为：变矩器的实体模型是通过逆向工程获得，首先由三维坐标仪扫描单个叶片得点云，然后将点云数据导入UG中，再拟合成片体，加厚成实体备用。在UG中建立叶轮的外环、内环等附属部分的模型，最终同叶片组合在一起，得到变矩器的实体图(如图4-1)。图4-1液力变矩器几何模型液力变矩器的工作流道主要由叶轮的内环、外环和叶片之间的空间，加上各叶轮之间的无叶片区构成。由于流道的周期性，每个叶轮只需选取一个流道空间作为计算区域进行分析，该计算区域不仅包括叶片内的流道部分，还应包含叶片进口边之前和出口边之后的一小段无叶片区。在抽取流道时，从中弦面将流道割开，叶片被完全包罗在流道中。图42为泵轮的流道切割方法，涡轮和导轮的切割方法相同。图4-3为流道示意图。 图3-2泵轮 图3-3流道33生成计算网格网格是CFD模型的几何表达形式，也是数值模拟和分析的载体。网格的质量对于CFD计算精度和计算效率有重要的影响，甚至是计算成败的关键。对于一个复杂的CFD问题，划分网格所用的时间可能要占到整个分析过程的80左右，可见网格在分析过程中的重要地位，因此必须给予高度的重视。为了提高计算的精度，本文将用六面体网格进行划分。331 GAMBIT简介本文将使用GAMBIT进行网格划分。GAMBIT是目前CFD分析中最好的前置处理器之一，它包含功能强大的几何建模能力以及先进的网格划分工具，可以划分出包含边界层等有特殊要求的高质量的网格。GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大大减少了工程师的工作量。GAMBIT包含全面的几何建模能力，既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体的几何模型，也可以从PROE、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等主流的CADCAE系统导入几何和网格。GAMBIT与CAD软件之间的直接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便。GAMBIT提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。(边界层是流动变化最为剧烈的区域，因而边界层网格对计算的精度有很大影响)。而且边界层内的贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，GAMBIT能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要。如左图所示的汽车表面网格采用了三角柱网格，既保证了壁面的模拟精度，又大大节省了网格数目。GAIHBIT拥有多种方便简捷的网格检查技术，使工程师能快捷的检查已生成的网格的质量。该模块包括对网格单元的体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参数进行报告。工程师可以直观而方便地定位质量较差的网格单元从而进一步优化网格。GABITTurbo是集成在GAMBIT 20里的针对汽车旋转机械的专用前处理模块，能够对汽车水泵、风扇快速生成高质量的非结构化网格，并考虑到了具有高扭曲度的叶片上的附面层网格。3. 32划分网格3321网格划分的原则在物理平面上的网格划分应适应物理区域中参量的变化情况，在变化剧烈的地方网格要划得稠密些，而在变化平缓处则可以适当的稀疏一些。这样，可在同等计算精度的前提下，减少网格数，缩短计算时间。具体到液力变矩器流道，则需要在靠近内、外环，叶片工作面和叶片背面的壁面处，网格划分密一些，而在流道中心，网格则可以稀疏一些。再就是在工作轮入口附近，流道弯曲较大处网格密一些，靠出口或流道平直处网格稀一些。另外，从边界条件离散化的角度来看，网格线应尽量与物理区域的边界线正交，以利于边界值的计算，且能防止网格畸变，提高计算精度。3322对变矩器流道划分网格的具体步骤以泵轮为例。首先通过三维软件（UG）创建泵轮物理模型，将其存为“.igs”格式，然后将模型导入GAMBIT软件中，分别进行面网格划分和体网格划分，最后进行区域属性和边界条件设定（如图3-4所示）。图3-4泵轮网格34设置求解器34. 1求解器的选择FLUENT提供了两种求解器，即分离式求解器(segregated solved)和耦合式求解器(coupled solver)。这两种求解器的求解对象都是控制方程，都是通过有限体积法对计算对象进行离散求解。它们的区别在于所使用的线性化方法和求解离散方程的方法不同。1、分离式求解器分离式求解器是顺序地、分别地求解各个控制方程。也就是说先在全部网格上求解出一个方程后，然后再接着求解另一个方程。由于控制方程是非线性的，因此，在得到收敛解前，需要经过多次迭代。其过程可概述如下：(1)流场变量更新。根据上一步的计算结果，更新所有流动变量。在第一次计算时，用初始值来更新。(2)用当前压力和单元界面的质量流量的值求解动量方程，以得到新的速度场。(3)在第(2)步中得到的速度场的数值解很可能无法完全满足连续性方程，于是，用连续性方程和线性化的动量方程构造个泊松型压力修正方程，然后求解该方程，得到对压力场和速度场的修正值，进而可以满足连续性方程。(4)利用前面求得的速度场和压力场，求解其它标量(如湍动能、湍流耗散率等)的控制方程。(5)在多相流计算中，当内部存在相间耦合时，通过离散相的轨迹计算结果更新连续相方程中的源项。(6)检查方程组是否收敛。若满足收敛条件，则计算停止；否则，回到第(1)步，继续迭代过程。2、耦合式求解器与分离式求解器不同，耦合式求解器是同时求解连续性方程、动量方程、能量方程，然后再求解湍流、辐射等标量方程。所用方法与分离式求解器的相同，也是需要经过多次迭代才能得到收敛解。其过程如下：(1)流场变量更新。根据上一步的计算结果，更新所有流动变量。在第一次计算时，用初始值来更新。(2)同时求解连续性方程、动量方程和能量方程。(3)根据需要，逐一求解湍流、辐射等标量方程。在求解之前，方程中用到的有关变量要用前面得到的结果更新。(4)在多相流计算中，当内部存在相问耦合时，通过离散相的轨迹计算结果更新连续相方程中的源项。(5)检查方程组是否收敛。若满足收敛条件，则计算停止；否则，回到第(1)步，继续迭代过程。一般说来，分离式求解器主要用于不可压缩流动或低马赫数可压缩流动，而耦合式求解器则主要用于告诉可压缩流动或由强体积力(如浮力或离心力)引起的强耦合流动。本文所研究的课题，由于工作介质是不可压缩流体，因此，选择分离式求解器进行计算。342控制方程的线性化由于流体的控制方程是非线性方程，因此，在数值求解过程中需要将离散的非线性方程在网格单元中转化为线性方程，然后再进行求解。而隐式格式和显式格式就是对方程进行线性化和求解的两种不同方式。这两种方式的物理意义如下：隐式格式(implicit)：将未知的流场变量(密度、速度、压力等)同已知量之间的关系用方程组的形式加以表达，然后通过求解方程组获得未知变量的值。因此，每一个未知变量会在不止一个方程中出现，这些方程必须联立求解才能求出未知变量的值。显式格式(explicit)：将未知的流场变量写作己知量的显式函数形式。因此未知变量只会在一个方程中出现，而且每个单元内的未知变量的方程只用求解一次就可以得到未知变量的值。在分离式求解器中，只采用隐式方案进行控制方程的线性化。由于分离式求解器是在全计算域上解出个控制方程的解之后才去求解另一个方程，因此，区域内每一个单元只有一个方程，这些方程组成一个方程组。假定系统共有M个单元，则针对一个变量(如速度“)生成一个由M个方程组成的线性代数方程组。FLUENT使用点隐式GaussSeidel方法来求解这个方程组。总体来讲，分离式方法同时考虑所有单元来解出一个变量的场分布(如速度“)，然后再同时考虑所有单元解出下一个变量(如速度U)的场分布，直至所要求的几个变量(如w、P、T)的场全部解出。343参考压力的选择在FLUENT中，压力(包括总压和静压)都是相对压力值(gauge pressure)，即相对于运行参考压力(operating pressure)而言的。当需要绝对压力时，FLUENT会把相对压力与这一参考压力相加后输出给用户。参考压力的数值是由用户提前设定的。如果用户不设置参考压力的大小，则默认为标准大气压，即101325Pa。对于不可压流动，若边界条件中不包含有压力边界条件时，用户应设置一个参考压力位置。在计算中，FLUENT强制这点的相对压力值为0。实际上，FLUENT在每轮迭代结束后，都要将整个压力场均减去这个参考压力位置的压力值，从而使得所有点的压力均按照参考压力位置的值来度量。如果用户不指定参考压力位置，则默认为(0，0，0)点。35选择湍流模型湍流模型的真实程度从根本上决定数值模拟的精度程度，对具有不同流动特征的流场模拟应该选用不同的湍流模型，根据雷诺应力与应变的关系，可将湍流模型分成两类：一、雷诺应力与应变成线性变化的称为线性模型；二、雷诺应力与应变成非线性变化的称为非线性模型。从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型。由于要解额外的方程，标准k一模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。Realizable k一模型比标准k一#模型需要的资源稍微多一点。由于控制方程中额外的函数和非线性，RNG ks模型比标准k一模型多消耗lO15的CPU时间。与ks模型和k一模型相比，RSM模型由于考虑了雷诺应力而需要更多的CPU时间，因此，RSM模型比七一模型和k一模型要多耗费5060%的CPU时间，还有1520%的内存。除了时间，还要考虑湍流模型的应用领域。比如SpalartAIlmaras模型主要用于航空领域，对于壁面束缚流动有很好的效果。标准ks模型是专为轻微的扩散设计的，然而RNG I一模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。km模型主要是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播修改而成的。RSM模型没有遵循各向同性的假设，在考虑雷诺应力的各向异性时，必须使用RSM模型。LES(大涡模拟)是一种更先进的方法，其中大尺度的湍流被直接求解，而小尺度的湍流仍用湍流模型来近似求解。这种方法旨在用非稳态的NS方程来直接模拟大尺度涡，但不壹接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，这种影响称为亚网格雷诺应力(Subgrid Reynolds stress)。本文主要考虑稳态流场，因此这种模型并不适合，而且LES模型在计算过程中对计算机的要求比较高，而且计算量非常大，即使将来考虑瞬态流场的时候，从计算的经济性来考虑也不适合。目前在液力变矩器内流场CFD仿真领域，应用最为广泛的是标准k模型。液力变矩器的流道非常复杂，扭曲也很厉害，而且三个叶轮的转速也不同，因此在对变矩器三个叶轮的流道迸行循环计算对，需要选用一种有一定的计算精度、稳定性好、收敛速度快的模型。尽管可能会有一定的误差，标准k模型还是能够提供足够的精确度来反映液力变矩器内流场。而且，标准k一模型常数值Cu。项具有可变性，它有助于减少在标准k一模型中被过高估计了的法向应变项，适合于旋转流动，因此综合个方面考虑，在本文的计算分析中湍流模型选用标准k一模型来进行各工况流场的计算，同时使用标准壁面函数。3.6定义流体的物理性质油的属性在FLUENT6.3的数据库中没有，所以要创建新材料的属性。在“Fluent Fluid Materials”下拉列表中随便选中已有的材料，在Name中输入oil，在“properties”控制面板中定义新材料的各种属性，具体如图。 3.7设置边界条件和初始条件所谓边界条件，是指在求解区域的边界上所求解的变量或其一阶导数随空间和时间变化的规律。只有给定了适当的边界条件，才能求解出流场的精确解，因此，边界条件是使CFD问题有定解的必要条件。371入口边界条件入口边界条件设为压力入口。压力入口边界条件既适用于可压缩流动，也适用于不可压缩流动，通常用于压力已知但是流动速度或进口流量未知的情况。这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。压力入口边界条件还可用来定义外部或无约束流的自由边界。压力入口条件需要输入的参数有：总压、静压、总温、流动方向、湍流指定方式、湍流量等。湍流动能七和湍流耗散率由下面的经验公式确定：k=(VI)2 (3-1)= (3-2)其中I为湍流强度，Cu为湍流模型中指定的经验常数，一般近似为0.09，L为水力直径。在不可压流动中，入口总压，静压和速度之间的关系如下：P0=PS+v2 (3-3)372出口边界条件出口边界条件设为压力出口。压力出口边界条件只能用于模拟亚音速流动。压力出口边界条件需要在出口边界处指定表压(gauge pressure)，该压力只用于亚音速流动。需要特别指出的是，这里的压力是相对于前面给定的参考压力。在计算过程中，如果压力出口边界处存在回流，那么就需要指定回流条件，这样有助于解决回流出口的收敛困难问题。由于出口压力是表压强，如果维持在绝对压力的水平上进行数值计算，则压差的计算可能导致较大的相对误差。因此采用相对压力值进行计算，既能保证压差计算的准确性，又能减小误差。FLUENT还提供了径向平衡出口边界条件的选项，该选项适用于三维有旋流动和轴对称有旋流动。当这一功能被激活时，指定的表压只用于边界处的最小半径位置(相对于旋转轴)。其余边界的表压是通过忽略径向速度计算出来的，压力梯度由下是给出：= (3-4)其中r是距离旋转轴的距离v是切向速度。即使旋转速度为零也可以使用这一边界条件。373壁面边界条件壁面边界条件用于限制流体和固体区域。在粘性流动中，FLUENT在壁面处默认为非滑移(No-slip)边界条件，即u=v=w=0 ,k=0, 由于液力变矩器的三个工作轮分别以不同的速度旋转，因此，邻近壁面的单元区域是移动的，这时需要激活相对邻近单元区域的运动选项来选择指定的相对移动区域的移动速度。如果指定相对速度，那么相对速度为零意味着在相对坐标系中壁面是静止的，而在绝对坐标系中是以相对于邻近单元的速度运行。如果选择绝对速度(激活绝对选项)，速度为零则意味着壁面在绝对坐标系中是静止的，相反地，在相对坐标系中是以相对于邻近单元的速度运动。374初始条件初始条件对于计算的收敛有着重要的影响。如果给定的初始条件比较合理，就很容易得到收敛解；否则，计算结果就很可能发散。各工况的初始条件如表3-1:38收敛准则判断收敛性的流行方法就是要求残差值减小到三阶量级以下，即小于104。但是残差定义对于某一类问题是有用的，在很多情况下，比如计算叶轮机械的流场，可能就是不合适的。因此，最好的方法就是不仅用残差来判断收敛性，而且还要监视诸如出口压力、流量、转矩等相关的量。39本章小结本章首先简要介绍了常用的CFD软件，然后提出了研究液力变矩器流场的一些假设，对流场进行了一定的简化。然后，通过CAD软件UG建立了叶轮流道的几何模型，并用GAMBIT对其进行网格划分。接着详细介绍了研究本课题的算法：采用分离求解器，隐式算法，绝对速度方程；湍流模型选取标准k一模型，同时使用标准近壁函数；离散格式为二阶迎风格式(这样可以提高解算精度)：压力一速度耦合选用SIMPLE算法。边界条件：将入口面设为速度入口，出口面设为压力出口，其余边界面设为无滑移固壁界面。在计算中还设定了收敛准则。第4章 液力变矩器内流场计算结果分析41泵轮流场分析泵轮压力云图（4-1）泵轮速度云图（4-2）由图4一l、4-2可以看出，液流经过泵轮，压力和速度都逐渐增大，到出口处达到最大值。这是由于泵轮叶片对液流施加作用，将机械能转变成液体能，而液体能主要由两部分组成：动能，它是由于绝对运动和相对运动的速度增高来表示的；压能，它是由于牵连运动的离心压力和相对运动中由于截面的变化所引起的速度变化，而最终引起的压头变化。而由于液体能的整体增加，动能和压能都随着增加，于是在泵轮中压力和速度都增大。泵轮残差图（4-3）“Flux Reports”对话框（4-4）残差图图4-3表明计算收敛，在图4-4“Results”控制面板中看到入口和出口处的液压油流量，两值基本一致，从而确定流量已收敛，仿真设置是正确的。411泵轮入口流场泵轮入口速度云图（4-5）在入口面上，靠近内环的地方出现明显的回流(如图4-5所示)。512泵轮出口面流场泵轮出口速度云图（4-6）通过对图4-5、4-6速度分布情况的分析，我们发现，在泵轮的内环处出现了回流，回流的出现使得流动损失增大。随着速比的增大，最大过流速度的位置向外环面移动。42涡轮流场分析涡轮压力云图（4-7）涡轮速度云图（4-8）液流流经涡轮，压力和速度分别减小(如图4-7、4-8所示)。这是由于当由泵轮流出的高速液流冲击涡轮叶片时，叶片将液体能转变成涡轮轴上的机械能，动能和压能减小，速度和压力随之减小。涡轮残差图（4-9）“Flux Reports”对话框（4-10）残差图图4-9表明计算收敛，在图4-10“Results”控制面板中看到入口和出口处的液压油流量，两值基本一致，从而确定流量已收敛，仿真设置是正确的。421涡轮入口流场涡轮入口面速度云图（4-11）从泵轮流出的液流基本是沿着涡轮叶片的入口角方向流入的，对叶片的冲击很小，因此，速度分布也就比较均匀。422涡轮出口流场涡轮出口面速度云图（4-11）外环附近的流速相对较高，高速区域占据了截面的绝大部分，只是在内环速度较低，并在贴近内环的地方有一个很小范围的脱流出现，由于其范围非常小，所以不会成为影响涡轮的效率的主要因素。从上面的分析看出，影响效率的主要因素是流道截面上存在较大的速度梯度。4. 3导轮流场分析导轮压力云图（413）导轮速度云图（4-14）从图413、4一14种可以看到，油液经过导轮，压力进一步减小，在导轮出口达到最小值，而速度开始增加。由于导轮固定不动，因此在导轮中没有液体能和机械能之间的相互转换，只有动能和压能之间的相互转换。由于在导轮中压力逐渐减小，所以速度递增。导轮残差图（4-15）“Flux Reports”对话框（4-16）残差图图4-15表明计算收敛，在图4-16“Results”控制面板中看到入口和出口处的液压油流量，两值基本一致，从而确定流量已收敛，仿真设置是正确的。431导轮入口流场导轮入口面速度云图（4-17）流场内的速度分布相对均匀，均匀的速度分布使得流场损失降低。432导轮出口流场导轮出口面速度云图（4-18）在导轮的出口面速度梯度较大，不同于入口面。44本章小结于液力变矩器的流场极为复杂，为了能够进行三维数值计算，提出了一些基本的假设，而这些假设和实际情况是有一定差异的，这直接导致了三维数值计算的误差。(1)实际的整个变矩器流场并不是稳态的，而是非稳态的。为了计算方便，采用多参考系模型，即每个工作轮均使用一个移动参考系，这样在各个参考系中，就可以把流场作为稳态的来处理。(2)本文开始建模的时候认为液流经过叶轮之间的无叶栅区时，速度和压力不发生变化。实际上这部分的流动是比较复杂的。(3)在设置边界条件的时候，把进出口面的速度或压力都设为均匀分布，实际的分布是很不均匀。(4)使用的湍流模型并不能完全的反映实际的情况，在分析变矩器流场上还存在一定的误差。(5)建模过程中也存在一些误差。(6)在基于GAMBIT进行网格生成时，一些区域会出现数值误差。第5章 全文总结近年来，CFD技术在汽车液力变矩器设计和内流场研究中，发挥着重要的作用。CFD可以帮助研发人员更好地理解流动的状态，以便为进一步的液力变矩器优化设计研究积累依据。本文主要研究030122A型液力变矩器，选择了最合适的算法，对其流场进行了计算，并将分析结果和实验数据进行了对比，所做的工作主要有以下几点：(1)根据液力变矩器的实际工作状况，在第三章中提出了一系列假设和简化，并使用大型CAD软件UG建立了所研究的变矩器流道的几何模型。将UG中的流道几何模型导入到GAMBIT中，生成了流道的计算网格模型。(2)设定计算的求解器，选择分离求解器；对控制方程的线性化选用隐式格式；参考压力默认为标准大气压。(3)考虑到计算精度、收敛速度和收敛平稳性三方面的要求，湍流模型选择标准k一模型，速度一压力耦合算法选择SIMPLE算法，离散格式选择二阶迎风差分格式。(4)设定边界条件，其中进口边界条件为压力入口，出口边界条件为压力出口，流道壁面设为无滑移壁面条件。对叶轮之间的交互面上的边界使用混合平面模型。(5)对泵轮、涡轮和导轮的流场分别进行了计算，并对计算得到的流场进行了细致的分析。得到的计算结果不仅较准确地预测了液力变矩器的整体性，缩短了研发周期，而且对于进一步改进液力变矩器的设计有重要的参考价值。通过本文所作的研究工作，得到了以下结论：(1)在液力变矩器的流场分析中，SIMPLE算法能够在具有令人满意的精确度下，同时具有更快的收敛速度和更好的稳定性。高阶离散格式比低阶离散格式有更高的精确度，但是低阶离散格式比高阶离散格式能够更快的得到收敛解。(2)通过将计算结果与液力变矩器的外特性实验结果对比，最大误差控制在5以内，可以认为计算结果较好地反映了流动的真实情况，达到了较高的计算精度，证明用数值模拟的方法计算液力变矩器的内流场具有正确性与可靠性，其结果可用于指导液力变矩器的设计和优化过程。因而在未来的工作中可以通武汉理工人学硕上学位论文过使用FLUENT计算来代替液力变矩器的部分实验工作，这对于降低成本，缩短研发周期，提高开发效率具有重要的意义。(3)泵轮流道内部出现了大范围的二次流动，在入口面上靠近内环附近的地方有回流现象发生，外环与吸力面相交处还出现了脱流；在流道的后半段高速液流主要集中在压力面附近，低速液流集中在吸力面附近，出口处的吸力面与外环的相交处出现了回流。在泵轮流道的截面上有大范围的二次流动出现。由于入口处的液流冲击和大范围的二次流动，使得液流的损失增大。(4)在低速比工况下，涡轮流道前半部出现脱流和二次流，在流道的截面上存在较大的速度梯度。在高速比工况下，流道截面上的速度分布比较均匀，在流道前半部曲率变化大的地方只出现了一个低流速区，没有出现脱流和二次流动，出口段流场比较稳定。(5)导轮的叶片角度变化大，主要起到改变液流速度方向以及转矩的作用，其流场的变化非常复杂。在低速比工况下，导轮的吸力面出现了大范围的回流，在回流与正向流动交界的地方出现了脱流；而在高速比工况下，吸力面处没有出现回流和脱流现象，出口面上的速度分布比较均匀。本文以030122A型液力变矩器为研究对象，在UG、GAMBIT等平台的帮助下，借助于FLUENT计算分析了汽车液力变矩器的内流场。通过将计算结果与实验数据的对比，证实该计算结果是正确、可信的。参 考 文 献1朱红钧，林元华.FLUENT流体分析及仿真.人民邮电出版社：2010. 2李进良.李承曦.胡仁喜FLUENT6.3流场分析.化学工业出版社：2009. 3杨维俊.马骥.自动变速器结构原理及典型故障案例.机械工业出版社：2011. 4王正旭.汽车自动变速器原理与检修一体化教程.机械工业出版社：2009. 5胡仁喜.pro/e4.0曲面造型从入门到精通.机械工业出版社：2009. 6马文星. 国外车辆液力传动研究现状及其展望.同济大学学报；1996 7朱经昌液力变矩器的设计计算同济大学学报；1991 8曹金海.马文星液力变矩器流畅计算的有限元发同济大学学报；1993. 9方杰液力变矩器三维流动的研究同济大学学报；2003 10陆忠东基于pro/e Wildfire的液力变矩器反求计算上海机电学院学报；200711赵鼎选.石祥钟.尚涛液力变矩器三维流动计算方法吉林大学学报；2006致 谢历时将近三个月的时间终于将这篇毕业设计写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师刘金刚老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行设计的修改。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！在这三个月的时间里，我对自己在大学中学到的知识有了更进一步的了解，还自学了gambit和fluent等软件，提高了我遇到问题解决问题的能力。我相信这对我今后的工作有巨大的帮助。 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本毕业设计。 谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！附 录原文：Transmission designAs we all know,automobile engine to a certain speed can be achieved under the best conditions, when compared issued by the power, fuel economy is relatively good. Therefore, we hope that the engine is always in the best of conditions to work under. However, the use of motor vehicles need to have different speeds, thus creating a conflict. Transmission through this conflict to resolve.Automotive Transmission role sum up in one sentence, called variable speed twisting, twisting or slow down the growth rate by increasing torsional. Why can slow down by twisting, and the growth rate but also by twisting? For the same engine power output, power can be expressed as N = wT, where w is the angular velocity of rotation, and T Niuju. When N fixed, w and T is inversely proportional to the. Therefore, the growth rate will reduce twisting, twisting slowdown will increase. Automotive Transmission speed gear based on the principle of variable twisted into various stalls of different transmission ratio corresponding to adapt to different operational conditions. General to set up a manual gearbox input shaft, intermediate shaft and output shaft, also known as the three-axis, as well as Daodang axis. Three-axis is the main transmission structure, input shaft speed is the speed of the engine, the output shaft speed is the intermediate shaft and output shaft gear meshing between different from the speed. Different gears are different transmission ratio, and will have a different speed. For example Zhengzhourichan ZN6481W2G manual transmission car-SUV, its transmission ratio are: 1 File 3.704:1; stalls 2.202:1; stalls 1.414:1; stalls 1:1 5 stalls (speeding file) 0.802: 1. When drivers choose a launch vehicle stalls, Plectrum will be 1 / 2 file synchronization engagement with a back stall gear and output shaft lock it, the power input shaft, intermediate shaft and output shaft gear of a stall, a stall the output shaft gear driven, and the output shaft power will be transmitted to the drive shaft (red arrow). A typical stall Biansuchilun transmission ratio is 3:1, that is to say three laps to the input shaft and output shaft to a circle. When the growth rate of car drivers choose two stalls, Plectrum will be 1 / 2-file synchronization and file a joint separation after 2 stall and lock the output shaft gear, power transmission line similar, the difference is that the output shaft gear of a stall 2 stall replaced by the output shaft gear driven. 2 stall Biansuchilun typical transmission ratio is 2.2:1, 2.2 laps to the input shaft and output shaft to a circle than a stall speed increase, lower torque. When refueling vehicle drivers growth stalls option 3, Plectrum to 1 / 2 back to the free file-synchronization position, and also allows the 3 / 4 file synchronization Mobile stall until 3 in the output shaft gear lock, power can be into the shaft axis - intermediate shaft - the output shaft of the three stalls Biansuchilun, led through three stalls Biansuchilun output shaft. 3 stalls typical transmission ratio is 1.7:1, 1.7 laps to the input shaft and output shaft to a circle is further growth. When car drivers Option 4 refueling growth stalls, Plectrum will be 3 / 4 from the 3-file synchronization stall gear directly with the input shaft gear joint initiative, and power transmission directly from the input shaft to the output shaft, the transmission ratio at 1:1, that the input shaft and output shaft speed the same. The driving force without intermediate shaft, also known as direct file, the file transmission than the maximum transmission efficiency. Most cars run-time files are used directly to achieve the best fuel economy. Shift into the first interval when, in a free transmission when Biansuchilun output shaft is not locked in, they can not rotate the output shaft driven, not power output. General automotive manual transmission than the main 1-4 stalls, usually the first designers to determine the minimum (one stall) and maximum (4 files) transmission ratio, the middle stall drive by geometric progression than the general distribution. In addition, there are stalls Daodang and speeding, speeding file is also known as the five stalls. When the car to accelerate to more than car drivers with the choice of five stalls, and a typical five-transmission ratio is 0.87:1, which is driven by a pinion gear, the gear when the initiative to 0.87 zone, passive gear have been transferred to a circle of the End. Dao Dang, the opposite direction to the output shaft rotation. If one pair of meshing gears when we reverse rotation, with a middle gear, it will become the same to the rotation. Use of this principle, we should add a gear Daodang the media will be rotational direction reversed, it will have a Daodang axis. Daodang installed in the transmission shaft independent crust, and the intermediate shaft parallel axis gear with the intermediate shaft and output shaft gear meshing gears, will be contrary to the output shaft. Daodang usually used for the synchronization control also joins five stalls, stalls and Daodang 5 position in the same side. As a middle gear, the general transmission Daodang transmission ratio greater than 1 file transmission ratio, by twisting, steep slope with some vehicles encountered on the progress stalls falters with a Daodang boost. Ride from the driver of the considerations, better transmission stall, stall adjacent stall more than the transmission changes the ratio of small, and easy to shift smoothly. However, the shortcomings of the stalls is more transmission structure is complicated, bulky, light vehicle transmission is generally 4-5 stalls. At the same time, transmission ratio is not integral, but with all of the decimal point, it is because of the gear teeth meshing is not caused by the whole multiples of two gear teeth can lead to the whole multiples of two meshing gears of uneven wear, making the tooth surface quality have a greater difference. Manual transmission and synchronizer Manual transmission is the most common transmission, or MT. Its basic structure sum up in one sentence, is a two-axle shaft, where input shaft, the shaft axis and intermediate shaft, which constitute the main body of the transmission and, of course, a Daodang axis. Manual transmission known as manual gear transmission, which can be in the axial sliding gears, the gears meshing different variable speed reached twisting purpose. Typical manual transmission structure and principles are as follows. Input shaft also said that the first axis, and its front-end Spline driven directly with the clutch disc sets with the Spline, by the transfer of torque from the engine. The first axis of the intermediate shaft and gears meshing gears often, as long as the shaft axis to a turn, the intermediate shaft and gear also will be rotating. Vice also said intermediate shaft axis, the axis-even more than the size gear. Also known as the second output shaft axis, the axis of various sets of gear stall progress can be manipulated at any time in the role of the device and the corresponding intermediate shaft gear meshing, thus changing its speed and torque. With the end of the output shaft spline associated with the drive shaft through the drive shaft torque transmitted to the drive axle reducer. Thus, progress stalls drive transmission path is: input shaft gear often rodents - often rodents intermediate shaft gear - corresponding intermediate shaft gear - the second axis corresponding gear. Reversing the gear shaft can be manipulated by the device pick in the axis movement, and the intermediate shaft and output shaft gear meshing gears, to the contrary to the direction of rotation output. Most cars have five stalls and a Daodang forward, a certain degree of each stall transmission ratio, the majority of stalls transmission ratio greater than 1, 4 file transmission ratio of 1, known as direct stalls, and transmission ratio is less than 1 No. 5 stall called accelerated stall. Free at the output shaft gear in a position of non-engagement, unacceptable power transmission. The transmission input shaft and output shaft rotational speed to their own, transform a stall when there is a synchronous. Two different rotational speed gear meshing force will impact the collision occurred, damage gear. Therefore, the old transmission shift to a feet-off approach, or stall on the location of the free stay for a while by stalls in the free position refueling doors, in order to reduce the speed differential gear. However, this operation is relatively more complicated and difficult to grasp accurate. So designers create a synchronized, and allows synchronization through the meshing of gears to be consistent speed and smooth meshing. At present Synchronous Transmission is based on the synchronization of inertia, mainly from joint sets, synchronous lock ring, and so on, it is characterized by friction on the role of synchronization. Splice sets Genlock engagement ring gear and the ring gear when it had Chamfer (Lock angle), Genlock within the cone ring gear engagement with the question of cone ring gear contact friction. Lock and cone angle has been made in the design of an appropriate choice to be made friction cone of the teeth meshing with the ring gear quickly sets pace at the same time will have a Lock role and to prevent the gears meshing in sync before. When synchronization lock cone ring gear engagement with the question of cone ring gear after contact in the effects of friction torque gear speed quickly lower (or higher) with the same speed synchronous lock ring, the two synchronous rotation of the gear Genlock Central zero speed, thus moment of inertia also disappear, then in force under the impetus of engagement sets unhindered and synchronization lock ring gear engagement, and further engagement with the question of gear engagement and the completion Gear Shift Process.The automatic gearboxThe automatic gearbox chooses to block the pole the equal to moving the stick shift of the gearbox, having generally below several blocks:P( parking), R( pour to block), N( get empty to block), D( go forward), S( or2, namely for 2 block soon), L.( or1, namely for 1 block soon)This several an usage for blocking a right usages coming driver the automatic gearbox is automotive of person to say particularly important, underneath let us very much familiar with once automatic gearbox eachly blockings main theme.The usage of the P ( the parking blocks)The launches the luck turns as long as choose to block the pole in driving the position, automatic gearbox car run about very easily.But park, choose to block the pole must pull into of P, from but pass the internal parking system in gearbox moves the device will output the stalk lock lives, combining to tense the hand system move, preventing the car ambulation.The usage of the R( pour to block)R a control for is pouring blocking, using inside wanting slicing recording, automatic gearbox car unlike moving gearbox car so can using half moving, so while reversing the car wanting special attention accelerating pedal.The usage of the N( get empty to block)The N is equal to get empty to block, can while starting or hour of trailer usage.At wait for the signal or block up the car will often often choose to block the pole keeps in the of D, trampling at the same time the next system move.If time is very short, do like this is an admission of, but if stop the time long time had better change into of N, combine to tense the hand system moves.Because choose to block the pole in driving the position, the automatic gearbox car has generally and all to drive the trend faintly, long hours trample the system move same as a deterrent this kind of trend, make gearbox oil gone up, the oil liquid changes in character easily.Particularly in the air condition machine work, launch the soon higher circumstance in machine bottom more disadvantageous.Some pilots for the sake of stanza oil, at made good time or go down slope will choose to block the pole pull the of N skids, this burn the bad gearbox very easily, launching the machine to revolves soon in the however because the gearbox outputs at this time the stalk turns soon very high, the oil pump provides the oil shortage, lubricating the condition worsen, burn the bad gearbox easily.The usage of the D( go forward to block)Will choose to block when is normal to drive the pole put in the of D, car can at 1 4 block( or 3 block) its change to block automatically.The of D drives the position most in common usely.What demand control is:Because the automatic gearbox is soon high and low with car to come to make sure to block according to the accelerator size a, so accelerate the pedal operation method is different, changing to block the hour of the car is soon too not same alike.If start hour quick accelerate the pedal tramples the bottom, rising to block the night, accelerating the ability is strong, arriving certain car soon behind, then will accelerate the pedal loosen to open very quickly, car can rise to block immediately, launch like this the machine voice is small, comfortable good.The another characteristics of the D is a compulsory low blocking, easy to high speed the hour overtakes a car, will accelerate quickly in of D drove the pedal trample after all, connect the compulsory low fend off the pass and then can reduce to block automatically, the car accelerates very quickly, after overtaking a car loosen to open the pedal of acceleration to can rise to block automatically again.The usage of the S, of L low the usage that blockThe automatic gearbox in in is placed in the low blocking the scope on of S or of Ls, can usage under an etc. circumstance.It change to can make use of to launch well into of S or of Ls the mechanism move, avoiding the car wheel system move the machine over hot, cause the system move the effect descen