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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1556液力变矩器说明书,机械毕业设计论文
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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： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 25日 nts 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、 FLUENT nts ABASTRACT 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 ntspressure 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 nts目 录 第 第 1 章 绪 论 . 1 1 1 研究背景 . 1 1 1 1 液力变矩器在国内外的应用 . 1 1 1 2 流场理论的发展现状 . 2 1 2 液力变矩器的组成及工作原理 . 4 1 2 1 液力变矩器的组成 . 4 1 2 2 液力变矩器的工作原理 . 5 1 3 研究目的和意义以及主要研究内容 . 7 1 3 1 研究目的和意义 . 7 1 3 2 主要研究内容 . 7 第 2 章 液力变矩器的测绘和反求 . 8 2. 1 测绘过程 . 8 2. 2 三维光学测量仪编程 . 9 2. 3 数据处理和反求 .12 第 3 章 液力变矩器内流场数值分析 . 14 3 1 常用的 CFD 软件介绍 .14 3.2 建立流场计算的几何模型 .15 3 2. 1 分析中的假设和简化 .15 3 2 2 几何模型 .16 3 3 生成计算网格 .17 3 3 1 GAMBIT 简介 .17 3. 3 2 划分网格 .18 3 4 设置求解器 .19 3 4. 1 求解器的选择 .19 3 4 2 控制方程的线性化 .21 3 4 3 参考压力的选择 .21 3 5 选择湍流模型 .22 3.6 定义流体的物理性质 .23 3.7 设置边界条件和初始条件 .23 3 7 1 入口边界条件 .24 3 7 2 出口边界条件 .24 3 7 3 壁面边界条件 .25 3 7 4 初始条件 .25 3 8 收敛准则 .26 3 9 本章小结 .26 第 4 章 液力变矩器内流场计算结果分析 . 27 nts4 1 泵轮流场分析 .27 4 1 1 泵轮入口流场 .29 5 1 2 泵轮出口面流场 .29 4 2 涡轮流场分析 .30 4 2 1 涡轮入口流场 .32 4 2 2 涡轮出口流场 .32 4. 3 导轮流场分析 .33 4 3 1 导轮入口流场 .35 4 3 2 导轮出口流场 .35 4 4 本章小结 .36 第 5 章 全文总结 . 37 参 考 文 献 . 39 致 谢 . 40 附 录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1 章 绪 论 1 1 研究背景 1 1 1 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 30 80 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 882 6kW、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nts 2 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。 1 1 2 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，nts 3 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 (Navier Stokes)方程，简称 N S 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 N S 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nts 4 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。 1 2 液力变矩 器的组成及工作原理 1 2 1 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。 nts 5 1 2 2 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nts 6 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。 nts 7 1 3 研究目的和意义以及主要研究内容 1 3 1 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。 1 3 2 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。 nts 8 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nts 9 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 V99 INPUT-VAR(V98,测点数 N= )!将外圆测点数赋值给变量 V98 INPUT-VAR(V87,Z= )!将测量深度赋值给变量 V87 INPUT-VAR(V86,C= )!将探测辅助距离赋值给变量 V86 V96=PROBE-RADIUS !将当前所用的测针半径赋值给变量 V96 MOVE-TO(V99/2+V86,0,-10) !移到柱外的安全位置 V95=360/V98 V96=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=V95 V12=V95*2 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 V6 V15=V94*COS(V12) V16=V94*SIN(V12) nts 10 V17=SQRT(V15+V5)/2)2+(V16+V6)/2)2) V7=1 REPEAT 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 V4 nts 11 IF(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) ENDIF NEXT CIRCLE MOVE-TO(V5,V6,-10)!回到柱外的安全位置。 END!程序结束 nts 12 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。 nts 13 以上即为液力变矩器的测绘及反求的方法及过程。 nts 14 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。 3 1 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、 STAR CD，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nts 15 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、 I DEA8、 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 3 2. 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=899.1kg m3：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nts 16 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
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