液力缓速器双向流固耦合研究.pdf

2 0 1 5年 1月 第 4 3卷 第 1 期 机 床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J a n 2 01 5 Vo 1 4 3 No 1 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 0 1 0 2 9 液 力缓速 器双向流固耦合研 究 饶银 李长友 黄俊刚 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室 广东广州 5 1 0 6 4 2 摘要 基于双向流固耦合技术 F S I 采用非稳态模型 获得叶片结构变形对流场分布的影响 流场压力和惯性离心 力作用下的叶片变形和等效应力 叶片变形主要是由于介质对叶片的作用力而非惯性离心力的作用 变形作用改变叶片的 压力梯 度 从而改变边界层流动 促进边界层分离 增加流动过程 中的涡黏度 叶片的粗糙度可 以促使边 界层从层 流转为 湍流 抑制边界层分离 文中揭示液力缓速器能量耗时的主要过程 为提高扭矩和轻量化设计中带来的叶片强度问题 提 供设计和校核的理论支持 关键词 液力缓速器 流 固耦合 数 值模 拟 叶片强度 中图分类号 U 4 6 3 5 3 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 卜 l 1 6 7 St ud y o n Two wa y FS I o f Hy dr a u l ic Re t a r de r RAO Yin L I C h a n g y o u HUANG J u n g a n g N a n f a n g A g r ic u l t u r a l Ma c h in e r y a n d E q u i p me n t T e c h n o l o g y J o in t K e y L a b s o f t h e P r o v in c e a n d t h e Min is t ry S o u t h C h i n a A g n c u l t u r a l U n iv e r s i t y G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 2 C h in a A b s t r a c t B a s e d o n t w o w a y F l u id S t r u c t u r e I n t e r a c t io n F S I t e c h n o l o g y a n o n s t e a d y s t a t e m o d e l w a s u s e d t o g e t b l a d e s t r u c t u r a l d e f o r ma t io n o f in fl u e n c e o n d is t ri b u t io n o f fl o w fi e l d p r e s s u r e a n d fl o w fi e l d u n d e r t h e c e n t ri f u g a l f o r c e o f in e r t ia b l a d e d e f o r ma t io n a n d e q u iv a l e n t s t r e s s B l a d e d is t o rtio n wa s ma in l y d u e t o t h e f o r c e o f t h e me d ia o n t h e b l a d e r a t h e r t h an t h e c e n t ri f u g a l f o r c e o f in e r t ia De f o rm a t io n f u n c t io n c h an g e d t h e p r e s s u r e g r a d ie n t o f b l a d e t h e r e b y t h e b o u n d a r y l a y e r fl o w w a s c h a n g e d t o p r o mo t e b o u n d a r y l a y e r s e p a r a t io n a n d t o i n c r e a s e t h e v o r t e x v i s c o s i t y in fl o w p r o c e s s T h e l a min a r fl o w t o t u r b u l e n t b o u n d a r y l a y e r wa s a b l e t o b e p r o mo t e d b y b l a d e r o u g h n e s s in h ib it in g b o u n d a ry l a y e r s e p a r a t i o n T h e m a j o r e n e r gy c o n s u m i n g p r o c e s s o f h y d r a u l i c r e t ard e r w a s r e v e al e d T h e t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r t h e d e s ig n a n d v e ri f i c a t io n w a s p r o v id e d f o r t h e p r o b l e ms in t o r q u e a n d l ig h t we i g h t d e s ig n i n imp r o v in g b l a d e s t r e ng t h Ke y wo r d s Hy d r a u l ic r e t a r d e r F l u id s t r u c t u r e in t e r a c t io n N u me ri e s imu l a t io n Bl a d e s t r e n g t h 0前 言 液力缓速器作为一种辅助制动装置 对其可靠性 要求极高 在结构轻量化和制动扭矩不断提高的过程 中 对液力缓速器流动能量耗散方式及叶片材料强度 进行理论研究非常有必要 液力缓速器的工作过程是把转子传递的动能转换 为热能耗散掉 这与其他透平有明显的不同 在风机 和泵类机械的研究设计中 为了提高工作效率 要尽 量减少流动过程中的能量耗散 而液力缓速器为了增 大功率 要求介质在流动过程把动能转换为热能耗散 掉 能量的耗散主要来源于 以下 3个方面 叶片的边 界层内部的层流和湍流耗散 边界层分离引发的涡流 及进 口射流引发的湍流的作用 在低雷诺数流动中 能量的耗散主要来源于叶片边界层 而在高雷诺数流 动中 能量的耗散主要来源于边界层分离产生的涡 流 叶片 的变形会造 成叶 片上 的压 力梯 度发 生变化 进而影 响边界层分离 的发生 所 以在研究液力缓 速器 内流场的分布时 不可以忽略叶片变形的影响 液力缓速器叶片受力情况较为复杂 主要载荷包 括结构惯性离心力 内部工作介质流动压力载荷以及 消耗产生的热应力I 1 由于稳定工作时温度变化不 大 热应力 一般不考虑 2 因此液力缓速器叶片 的载 荷主要来源于流体压力载荷以及高转速下的惯性离心 力载荷 目前 流固耦合的研究在旋转机械方面取得一定 的成果 但主要以液力变矩器 耦合器及风机等为 主 针对液力缓速器的固耦合研究不多 特别是关于 结构变形对液力缓速器内部流场的作用和对性能影响 的研究相对较少 王峰等人 3 用坐标变换 曲面拟合 法施加流场压强到叶片上实现单向流固耦合 但是这 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 0 4 基金项目 国家自然科学基金 3 1 3 7 1 8 7 1 高等学校博士学科点专项科研基金博导类课题 2 0 1 1 4 4 041 1 0 0 2 1 作者简介 饶银 1 9 8 8 一 硕士研究生 研究方向为机械设计及制造 E m a i l r a o y i n 2 0 0 8 1 2 6 e o m 第 1 期 饶银 等 液力缓速器双向流固耦合研究 1 1 7 种方法实现条件复杂 并且精度有限 过学迅等 4 将 叶片表面离散点 的总压 导入 到 E X C E L中获 得表 面压 强分布 进而进行耦合计算 但流固耦合的计算导人 是 静压而非总压 导致计算结果偏 大 流固耦合按照发展的先后顺序可分为单步耦合 多步耦合 直接耦合 单步耦合是一个解耦的求解方 法 先求解流场的压力分布 然后将压力分布作用在 结 构体上 进而计算结构体 的变 形和应 力 多步耦合 需要在多个时间点上进行交互计算 即每一次计算完 成之后多需要在流体和结构体的交界面上进行载荷和 位移等参数的传递 直接耦合对结构体和流场用统一 的方程进行 描 述 按 照 统一 的 数值 方法 进 行 离散 求 解 从而在时间上实现同步 不存在滞后现象 比较 3种耦合方法 单步耦合法计算量较小 能较快得到 结果 但因为没有考虑结构变形对流场的反作用 不 能反映两种介质之间的传递 直接耦合方法准确直 观 但还需要深入研究 多步耦合 在 目前的条件下 比 较 容易展开研究 并且符合 液力 缓速器流动研究 的需 求 1 计算方法 1 1流 场控 制 方程 在液力缓速器稳定工况下 内部温度变化不大 不考虑热应力的影响 假定流体三维绝热不可压缩黏 性流动 S S T模型综合 了 k e和 k w模型的优点 考虑 了 湍流剪切应力的传输 可以精确的预测流动的开始和 负压力梯度条件下流体的分离量 而且考虑了湍流剪 切应力 从而不会对 涡流粘度造成过度预测 控制方 程如下 南 c 螂 去 I t 一1 O k 一 fl p k t o P o p 毒 篝 卜 m a x o t l cE S F 2 r 一 P F l t a n h a r g I I 5 0 0 v l 4 p k l 1 一m m a x l 两 j m 2 J c 一2 p 1 O k O a 圳 F 2 t a n h a r g i r 2 5 0 0 a r g 2 一 丽 J 式 中 k是湍 动能 P是密度 是 湍 流黏度 P 是 湍流生成速率 是 湍流频 率 F 是 混合 因子 函数 F 在近壁面处为 1 在边 界层 内部为 0 F 是 一个用 来约束壁面层的限制数 S是应变率的一个估算值 Y是第一层 网格 到 避免 的距 离 其 中常数 3 0 0 9 S 1 3 l 0 0 7 5 1 2 盯 l 2 O t 2 0 4 4 3 2 0 0 8 2 8 2 1 2 1 0 8 5 6 1 2 固体 控 制方 程 固体部分 的守恒方程可 以由牛顿第二定律导 出 P d V O s 式 中 P 是 固体 密 度 是柯 西 张量 是 体 积力 矢量 是 固体域当地加速度矢量 1 3流 固耦合 面控 制 方程 同样 流 固耦合遵循最基本 的守恒原则 所 以在 流固耦合交界面处 应满足流体与固体应力 位移等 变量的相等或守恒 f lf f l d f d 式 中 是 流体 应力 是 耦合 界 面流 体法 线 方 向 矢量 是固体应力 i t 是耦合界面固体法线方向 矢量 d 流 固耦 合 界面 上 的流 体位 移 d 流 固耦合 界面上 的结构位移 1 4流固耦合求解过程 流固耦合中的数据传递是指将流体计算结果和固 体结构结果通过交界面相互传递 把耦合面在流场所 受到的正压力及剪应力传递给结构 把结构计算的变 形传递给流场网格 不管是完美对应的流固网格还是 相差很大的非对应网格 通过严格设置 A n s y s 多场 求解器 M F X都能很好完成传递 但是 对于非对应 网格的数据传递 传递前的差值运算是必不可