液粘摩擦偶合器內部流場動態特性分析*

宋 慧，王 剛，劉 娜，張衛星，宋愛利

（1.青島黃海學院，山東青島 266427；2.青島海西重機有限責任公司，山東青島 266530）

0 引言

大型機械設備在啟動或者停車時，往往存在較大的剛性沖擊，對傳動系統有一定的損害。液粘摩擦耦合器作為重要的軟啟動設備，在緩解傳動沖擊性方面有著良好的應用效果[1]。液粘摩擦耦合器在工作時主要依靠油液的摩擦力實現機械部件的傳動，具有安裝方便、安全性高、功能可靠、工作壽命長等優點，在采礦、運輸、造船等領域內均有著廣泛的應用[2]。

對于液粘摩擦耦合器而言，其內部流場特性對于整個設備的工作可靠性[3]有著關鍵的影響，也是關鍵承載部件設計與優化的基礎。目前，基于CFD分析方法的流體特性研究在工程中得到廣泛的認可，能夠有效地縮短耦合器的研發周期。有限元軟件FLUENT作為CFD分析的重要工具，具有良好的數據接口，是當代CAE研究中應用最多的流體分析軟件之一。本文作者基于流體分析軟件FLUENT建立渦輪與泵輪之間的流體分析模型，在不同載荷（45%油液載荷和85%油液載）條件下計算模型的壓力場和速度場特性，能夠實現良好的性能預測。

1 流體分析模型的構建

1.1 模型建立與分析步驟

對于液粘摩擦耦合器內部流場特性的分析基于有限元計算。一般地，一個完整的流體有限元模型的計算包括基本3部分內容：模型建立與前處理、求解器設置和后處理。在流體分析中，建立的模型為流體模型，需要根據流場的整體布局將實體模型切除得到。模型的建立與前處理、求解器的設置決定了整個流場分析的精度[4]。除此之外，需要對模型的一些物理屬性和邊界條件進行簡化和理想化[5]。在后處理模塊中能夠查看計算結果，并分析流場特性。

在流體分析中，計算效率和收斂性是評判模型建立是否合理的關鍵標準之一。一般情況下，基于CFD的模型求解均為插值迭代法，網格的數量決定計算效率和精度。網格的形狀畸變程度、流體的物理屬性等參數將綜合地決定計算收斂性的優劣。此時，校驗標準化殘差指標，若數值減小到三階量級，則表明方程能夠完成精確球球。由于迭代原理為試運算，即數值的猜測，若的殘差的標度因子較小，整個流體分析往往難以滿足收斂條件。

1.2 三維模型建立與網格劃分

液粘摩擦耦合器的內部結構如圖1所示，機械構件主要包括渦輪、泵輪和外殼。根據流體三維模型建立的方法，可得出整個流體的三維模型如圖2(a)所示。從形狀上分類，網格的單元類型包括四面體單元、六面體單元、楔形單元以及金字塔形單元等。其中，六面體網格具有較低的網格畸變性，而且同等條件下的計算效率和收斂性更好。將模型導入ICEM軟件中進行分塊和網格劃分，最終得出六面體網格劃分結果如圖2(b)所示，單元數量為138 260，節點數量為140 340。

圖1 液粘摩擦耦合器內部結構

圖2 流體模型的建立與網格劃分

1.3 算法與求解器選擇

FLUENT提供的流體計算模型非常多，每種模型適用于不同的流體狀態。標準k-ε模型在工程中的應用最為廣泛，能夠有效地解決各種湍流問題[6-7]。隨著k-ε模型的發展，衍生出了RNG模型和Realizable模型。其中，RNG模型來源于嚴格的統計技術。它和標準k-ε模型很相似，但是有以下改進：

（1）RNG模型在ε方程中加一個條件，有效地改善精度；

（2）考慮到湍流漩渦，提高在這方面的精度；

（3）RNG理論為湍流Prandtl數提供一個解析公式，而標準k-ε模型為常數；

（4）RNG理論增加考慮低雷諾數流動粘性的解析方法，利于更精確地處理近壁區域。

針對液粘摩擦耦合器內部流體介質的物理屬性和流動狀態，文中選用k-ε RNG二次方程模型。該流體計算模型為充分發展的湍流模型，一般認為有3層結構：層流底層、湍流邊界層和主流層，而湍流的邊界層又分為緩沖層和湍流核心層。在近壁面位置，流體的粘性作用不可忽略，湍流模型中的假設不再成立，因此需要對湍流模型進行修正。一般地，可采用壁面函數方法來描述邊界層內的流體特性，比如速度、溫度等。

在求解器設置方面，FLUENT主要提供分離式和耦合式兩種類型的求解類型。從原理上講，FLUENT內部集成的求解器均采用有限體積算法實現非線性控制方程的計算。由于液粘耦合器的液力作用較大，內部葉片的變形作用不可忽略，因此采用二階迎風格式和SIMPLE算法實現控制方程的分離和求解。，其計算步驟主要包括：

（1）根據當前設定的分析步參數首次更新流動變量，并作為下一分析步的初始值；

（2）分別求解湍流模型中的速度、壓力參數，得出場變量，并根據質量連續方程更新每個時間步的參數值；

（3）若步驟（2）無法滿足質量連續方程，則表明無法正常收斂，此時求解器將根據動量方程構建一個壓力場的修正模型，并完成該模型的求解，得出修正后的場變量，使其滿足步驟（2）；

（4）若步驟（2）滿足連續方程，將計算其它參數量，比如湍動能等；

（5）根據離散方程的持續對源項進行更新，若不滿足不收斂準則，返回步驟（1）。

圖3 網格滑移示意圖

1.4 網格運動處理

綜合考慮流體模型的載荷條件和計算效率，選用滑移網格方式來實現壁面運動，如圖3所示。常見的滑移網格處理方法有MRF法、Mesh Motion法等，這兩種方法均需要劃分動區域和靜區域。MRF法通過運動坐標系來模擬旋轉流場，是快速有效的定常計算方法[8]；Mesh Motion法運動的不是坐標系，而是物理模型和部分網格，當旋轉區域及其內部物體的相對速度為0時，整個旋轉域作剛體轉動。

2 內部流場特性分析

2.1 壓力場計算結果

油液條件為45%時的壓力場云圖如圖4所示，可看出：相比于渦輪內的流體壓力分布，泵輪內的壓力表現出更顯著的線性變化規律；液粘摩擦耦合器內部流體的壓力值隨著徑向尺寸的增大而增大，這是由于充液率較低，葉片旋轉條件下，油液產生了顯著的離心力，且具有科氏加速度。

圖4 油液條件為45%時的壓力場

油液條件為85%時的壓力場云圖如圖5所示，可以看出：整體的油液壓力更大，而且線性分布更加均衡；液壓最大位置分布于渦輪流道的輸入段與渦輪葉片的交叉部位，這是由于泵輪內輸出的高壓油液將直接對渦輪葉片進行沖擊作用，此時，在摩擦力作用下，該位置將承受巨大的粘滯阻力；在渦輪的油液出口處仍表現出壓力的不均衡，這是由于該位置遠離外徑位置，線速度較小，離心力較小，但遠心端旋轉作用造成的流、回流仍會影響近心位置壓力分布，使得局部產生負壓現象；壓力的不均衡效應對于機械部件有著較為嚴重的影響，不但會導致能量的浪費，還會降低設備工作的可靠性，因此，需要通過葉片的結構優化降低該效應。

2.2 速度場計算結果

由油液條件為45%時的速度場云圖（圖6）可以看出：相比于渦輪內的流體速度分布，泵輪內的流體速度梯度更小，因而油液會更加穩定；在油液的離心力作用下，速度隨著徑向尺寸增大而增大的現象非常明顯；從油液流動方向上看，與旋轉方向基本一致，未出現顯著的渦流和回流現象。

圖5 油液條件為85%時的壓力場

圖6 油液條件為45%時的速度場

油液條件為85%時的速度場云圖如圖7所示，可以看出：油液的流速也將隨著充液率的增大而增大，而且最大流速位置在渦輪的入口端，并隨著離心力和摩擦力作用，流速逐漸降低；渦輪出口端的流速較低，該現象與油液壓力的分布基本一致，由此可見，充液率的大小對于油液的壓力場和速度場的影響具有相似性，油液載荷的大小不改變總體分布屬性。

2.3 油液體積比例

油液條件為45%時的體積分布云圖如圖8所示，可以看出：該條件下遠心端的油液相較多，氣體較少，近心端的流道中充滿著油液，這是由于離心力相對較小，尚未充滿遠心端的流道。

圖7 油液條件為85%時的速度場

圖8 油液條件為45%時的體積分布比例

圖9 油液條件下85%時的體積分布比例

油液條件為85%時的體積分布云圖如圖9所示，可以看出：該條件下，油液幾乎能夠充滿整個渦輪流道，只有在泵輪流道中殘留少部分氣體相。油液的體積比例分布對于液粘摩擦耦合器承載的穩定性有著關鍵的影響，充液率越高，承載能力越強。

3 結語

通過液粘摩擦耦合器內部流場特性的分析，能夠得出不同油液載荷條件下渦輪和泵輪造成的速度場、壓力場和油液分布規律。通過對45%油液載荷和85%油液載荷條件下各個云圖的分析，能夠合理地解釋不同現象產生的原因，這對于工作可靠性的提升以及機械構件性能的優化均有著重要的意義。