工程機械液力變矩器現代設計方法及應用

李凌云

[摘 要] 液力變矩器是一種葉輪機械，結構復雜，液體在工作輪流道中做黏性不可壓縮三維不穩定流動，流場特性比較復雜，性能預測分析以及設計難度很高，研究工程機械液力變矩器的現代設計方法，對提高液力變矩器性能，延長使用壽命有重要意義。

[關 鍵 詞] 液力變矩器；三維流動理論；計算流體動力學

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）22-0144-01

一、設計思路轉變

（一）設計方法創新

傳統的工程機械液力變矩器設計基于一維束流理論設計，是一個需要大量經驗和實驗數據的開環系統，設計周期偏長，設計費用高，性能參數難以達到最優，難以滿足新時期工程機械發展對液力變矩器設計工作的要求。近些年國內研究人員提出基于三維流動理論進行液力變矩器設計，應用立體力學CFD技術以及激光可視流場技術，開發出具有完全自主知識產權的CAX/CFD集成設計系統，提供直接面向用戶需求的集成化一體化設計系統，保證了產品匹配性能以及時效性，同時也為國家工程機械液力變矩器設計提供了新的方法與理論。

（二）關鍵技術

現階段，工程機械液力變矩器設計主要面臨著流場可視化分析、葉片成型、三維瞬態流場計算等難題，變矩器內部液體不可視，葉片空間曲面復雜，穩態流場計算精度難以保證，受到TC內流場特性認知缺乏的影響，CFD計算建模科學性一般。

（三）工程合作

經過工業生產和工程合作，可以快速將研究成果推廣向更多的國內TC制造廠商以及工程機械主機廠，在工程機械液力變矩器生產實踐中推動工程機械液力變矩器系統化設計工作的開展，盡快建立工程機械液力變矩器型號譜系，給液力變矩器開發設計以及快速選型工作打好基礎，同時在工程應用中進一步豐富設計方法，拓寬其應用領域，提高設計制造水平。

二、工程機械液力變矩器現代設計方法的應用

（一）三維穩態流場計算

傳統的一維束流理論忽視了穩態流場計算的時變性，因而計算精度不高，而三維瞬態流場計算方法則通過多流動區域耦合滑動網格法、湍流模型大渦數值模擬、全流道模型等技術，更準確真實地預測流體流動情況以及渦旋、脫流、分離流動等多種不同的流動現象，更準確地做出TC使用性能預測。

1.多流動區域耦合滑動網格法

TC工作過程中，泵輪和渦輪轉速不一致，循環流動會導致葉輪交界面上的工作介質同時出現流進流出運動，因此數值計算難以設定固定進出口邊界條件，瞬態流場整體模擬比較困難。多流動區域耦合滑動網格法則通過瞬態計算，在計算區域內設置分割網格，對相鄰子區域按照運動定義在網格分界面上滑移，通過瞬態分界面通量傳遞完成不同子域之間的瞬態耦合。

2.渦流模型大渦模擬法

這一方法來自雷諾時間平均算法，改進了雷諾平均方法對湍流細節的忽視，更準確地描述流動分離、渦旋、擴散等現象。大渦模擬數值方法同時具有直接數值模擬和雷諾平均法的特點，放棄了全尺度范圍內渦流瞬時運動的模擬，而是使用瞬態N-S方程組對湍流大于所有網格尺寸的渦流進行直接模擬，并依據一定模型將小于網格尺寸渦流對大渦流的影響在大尺寸渦流N-S瞬態運動中表現出來。

3.全流道模型

傳統的計算方法存在著計算機計算資源應用程度不高的情況，只建立單流道模型，不能對液力變矩器內部整個流動特性全面反映，應用全流道模型則能夠借助滑動網格模擬分析上下游葉輪之間的流動參數和實時通量，從而實現變矩器湍流瞬態流動計算，更好地分析變矩器流動特性以及其原因。計算時葉輪均按照運動定義轉動網格，各自分界面也隨時間不短變化，使用實時新界面通量傳遞完成葉輪流動參數實時耦合。

（二）可視化流場分析

1.試驗思路

國內研究人員首創使用粒子圖像測速技術測量液力變矩器內部流動，解決了內部流場速度標定、單幀與連續幀流速識別提取等一系列難題，實現了液力變矩器內部平面測量，全流動參數精度更高，對TC內部流動特性認識更加深刻，也給數值模擬計算結果驗證提供了可行的試驗方法。粒子圖像測速系統有機械、光學、視頻同步以及圖像采集四部分功能，使用了透明變矩器實體，并在流場中投放適當濃度的示蹤離子，使用激光逆光源照亮流場測量區域，觀測示蹤離子的運動表征，代表流場流體質點運動，并采集示蹤例子流場內的流動圖像，識別圖像所反映出的粒子運動信息。

2.單幀PTV流速識別與提取

試驗中示蹤離子濃度一般，可以選擇易于識別的單個例子對其運動軌跡進行跟蹤，進而確定示蹤離子運動速度，記錄流場內單個粒子的運動軌跡，單幀三次曝光，將粒子整體運動軌跡劃分為三個不同長度的段落，將最長軌跡線設置為箭身，次長軌跡線設置為箭尾，最短軌跡線為箭頭，粒子運動方向為從箭尾向箭頭，依據速度方向判別準則，可以利用圖像處理技術準確識別粒子三段運動軌跡，進而判斷粒子運動速度。圖像預處理可以確定粒子位移，根據標定結果、曝光時間參數，可以進而確定粒子平均速度。流場內粒子濃度很高，可以使用PIV互相關方法識別并提取流速，劃分流場測量區域為大小相等查詢區域，并對各個查詢區進行互相關分析，迭代計算全流場平均流動速度。

綜上所述，主要研究工程機械液力變矩器現代設計方法與應用，分析了工程機械液力變矩器現代設計思路的變化，并對幾種現代設計方法的應用進行了探討。

參考文獻：

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