典型工況下液力偶合器內流場PIV試驗

李興忠,胡春玉,盧秀泉

(吉林大學 a.汽車工程學院;b.機械科學與工程學院，長春 130022)

0 引 言

隨著負載功率及轉速的大幅度提升，大功率液力偶合器在調速過程中會出現能容下降、效率降低、輸出特性失穩等問題，影響發電機組的安全穩定運行[1-8]。偶合器工作腔內部流場的流動狀態直接決定了外部輸出特性，鑒于工作腔內不同體積分數的高雷諾數氣液兩相流體在多流動耦合域內做螺旋環流運動的復雜性，CFD數值計算成為目前研究其流場特性的主要手段，但由于數值算法和模型均做了相應的簡化，對偶合器流場特征結構的分析能力和預測精度還十分有限。而流場可視化試驗研究方法雖然在一定程度上受限于測試條件、測試模型和成本等因素，但對于認識偶合器內部流場是最直接的方法，同時測試結果可以為修正高雷諾數數值計算模型提供依據。

國內外學者針對液力傳動元件的內部流場做了一些實驗可視化研究工作。Yamamoto等[9-10]利用粒子圖像測速(PIV)方法對液力變矩器導輪內流場進行測量，并且通過基于微分、積分及邊界元法的H種互相關算法處理圖像。Brun[11]利用激光測速技術對液力變矩器內部三維流場進行測量，根據測量的速度，確定液力變矩器輸入/輸出扭矩、元件入射角等的性能參數。盧秀泉等[12]應用PIV技術驗證了偶合器真實流場流動趨勢與模擬的流場流動趨勢大致相同。柴博森等[13-14]利用PIV技術采集偶合器渦輪徑向切面的流動圖像，通過一系列圖像處理技術識別渦輪內部大尺度漩渦流動，研究制動工況下渦輪獨立流道內漩渦流動的產生與運動。才委等[15-16]利用PIV技術測試液力變矩器泵輪內部流場，并分析了不同工況下的粒子運動軌跡與速度方向。綜上所述，對于液力傳動元件穩態工況流場的研究由于受到實驗條件的限制，測試輸入轉速條件與實際工況相差較大，無法充分體現實際雷諾數流場的流動特點；測試采集的工況較單一，被測切面較少，無法全面把握流場的流動特性。

本文結合粒子PIV技術建立液力偶合器內部流場可視化/外部特性同步測試平臺，從時域上標定偶合器的內外特性，研究偶合器在典型工況下的流場變化規律。

1 試驗裝置與模型

1.1 內/外特性同步試驗臺

本試驗搭建了如圖1所示的液力偶合器內/外特性同步測試試驗臺。試驗外特性測試部分試驗臺由變頻調速三相異步電動機、400 kW電渦流測功機及臺架等組成。流動可視化測試系統主要由高速攝像機、高強度透明液力偶合器模型、激光切面流場測量系統和圖像采集系統所組成，其中高速攝像機采用德國PCO公司配備科學級SCMOS芯片的pco.edge5.5USB，激光器采用EVG00145型脈沖激光器，并配備軸編碼器與同步器。

1.2 試驗模型

圖2為PIV試驗模型，偶合器模型循環圓直徑為300 mm，腔型采用桃型腔，泵輪葉片數為23，渦輪葉片數為26，軸向間隙為3 mm。偶合器模型采用透明有機玻璃材質,使相機拍攝到較為清晰的流場圖像。為減小折射所帶來的試驗誤差，將外殼設計成外方內圓形。泵輪與渦輪的葉片采用黑色有機玻璃材質，進一步減小光的折射所帶來的試驗誤差。充液量的控制采用勺管調節方式，具有較高的調節精度。工作介質為純凈水，采用外部循環供水冷卻系統實現充液及散熱的需要。將輸入端和輸出端對稱布置，只需掉轉輸入輸出軸，即可方便實現泵輪/渦輪流道流場的測試。

圖1 內/外特性同步測試試驗臺圖2 PIV試驗模型

2 試驗方案及圖像處理方法

根據試驗要求連接所有設備，并完成數據采集系統的初步調試工作。經過測試效果驗證，選取熒光粒子作為示蹤粒子，并配備濾鏡及其他光學組件以獲得較清晰的流場圖像。試驗過程中泵輪輸入轉速變化范圍為600～800 r/min，首先調整勺管開度為0.6，通過測功機進行加載，逐漸改變輸出轉速，對不同轉速比工況外特性數據和圖像進行同步采集，然后依次調節勺管開度為0.7、0.8、0.9，重復上面的步驟，完成數據及圖像采集工作。

根據試驗原始圖像，基于數字圖像處理和特征提取算法識別PIV流動圖像中流動的特征參數，相鄰兩幀圖像拍攝時間間隔為50 μs，并應用標準FFT互相關算法經過3次迭代運算計算出該區域的流動速度，得到瞬態速度流場、渦量場，并分析在典型工況下全流場的變化。

本試驗重點選取充液率q為70%、泵輪輸入轉速為700 r/min的流場進行分析，典型工況分別選取額定工況(i=0.97)、過渡工況(i=0.6)和制動工況(i=0)，對泵輪、渦輪的徑向/軸向截面處流場進行分析。

3 試驗結果與分析

為了把握測試結果的精度，將CFD數值計算與試驗的外特性曲線做對比，如圖3所示。通過對比，兩者在轉矩的變化趨勢大體相近，最大相對誤差為9.90%。

圖3 仿真/試驗外特性對比圖

3.1 速度分布

圖4、5為額定、過渡和制動3個工況的泵輪、渦輪流道徑向/軸向速度場分布圖。

i=0.97 i=0.06 i=0(a) 徑向i=0.97 i=0.06 i=0(b) 軸向

圖4 泵輪徑向/軸向切面速度分布

圖5 渦輪徑向/軸向切面速度分布

額定工況下，此時泵、渦輪轉速差很小，泵輪與渦輪流道內部流動較為規律，在離心力的作用下，速度值沿徑向呈一定比例增大，且速度流線沿周向均勻分布。隨著轉速比的降低，當處于過渡工況時，泵輪內流體運動主流方向仍為周向轉動，但速度分布卻發生了很變化，由圖3可知，此時力矩發生較大的跌落。受氣相及環流轉換的影響，流體流動方向逐漸向徑向方向偏轉，如圖4圓圈位置所示。當轉速比降為0時，泵輪流道內流體大體運動趨勢并未發生太大變化，僅是受渦輪停轉的影響，使得流線偏轉角度更大，低速區面積進一步擴大。渦輪流道內流體運動規律則發生較大變化，首先，渦輪流道中部出現一條狹長的低速帶，且在靠近葉片吸力面處出現很大一片低速區，其次，受壓差的影響，在速度梯度較大的區域內，流體流動方向被迫發生改變，并最終形成較多的漩渦，造成能量的耗散。

3.2 渦量分布

圖6、7為額定、過渡和制動3個工況的泵輪、渦輪流道徑向/軸向渦量場分布圖。

i=0.97 i=0.06 i=0(a) 徑向i=0.97 i=0.06 i=0(b) 軸向

圖6 泵輪徑向/軸向切面渦量分布

圖7 渦輪徑向/軸向切面渦量分布

渦量被定義為速度矢量的旋度，是描述漩渦運動的物理量之一，反映了渦旋的強度及方向。由圖6泵輪渦量場分布圖可以得出，除額定工況外，其他工況均存在一定程度的復雜流動。額定工況時，由于偶合器內部流場流動較為規律，速度矢量變化不明顯，故此時渦量值較低，大概在200～700 s-1之間。當處于過渡工況時，泵輪徑向流道中部出現渦量值較高的區域，渦量值最大達到3 200 s-1左右，這是因為該處速度梯度較大，速度矢量變化明顯。當處于制動工況時，由于泵輪內的液流不斷沖擊停轉的渦輪，導致渦輪流道內液流速度方向急劇變化，并最終形成較大的漩渦，渦量最大值可達4 500 s-1左右。

4 結 論

(1)本文建立偶合器內外特性同步測試試驗臺，結合PIV流場測試技術，反映出流場內/外特性相關聯的特性。PIV作為一種重要流場測試技術，可作為探究液力元件內流場流動情況的必要手段。

(2)分析流場內部不同截面處的速度分布得：額定工況時，速度沿周向均勻分布；過渡工況時，受氣相及環流轉換的影響，速度方向向徑向偏轉，伴隨著外特性力矩發生較大跌落；制動工況下渦輪流道中部速度梯度較大區域出現較多旋渦。

(3)由各截面渦量分布分析得：隨著轉速比的降低，流場速度方向變化愈發劇烈，渦量值迅速增大。渦輪入口吸力面附近逐漸出現大面積的低速區，渦量值在零工況時達到最大，高達4 500 s-1，相比額定工況增大了6倍左右。