CN103366067B - 仿真预测液力变矩器性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真预测液力变矩器性能的方法，旨在克服预测液力变矩器性能精度不高、网格数量多与计算量大的问题。仿真预测液力变矩器性能的方法为1.提取计算模型：提取液力变矩器的循环圆；提取液力变矩器的全流道模型；提取液力变矩器的单流道模型；2.液力变矩器全流道六面体网格模型生成：导轮全流道六面体网格模型生成；泵轮和涡轮全流道六面体网格模型生成；装配网格：把生成好的泵轮、涡轮与导轮全流道六面体网格模型依次导入到计算流体力学前处理软件中装配；设置边界条件；3.采用Fluent进行数值计算：把装配好的液力变矩器全流道网格文件导入到商业计算流体力学软件Fluent中进行数值求解；4.仿真与实验数据对比。

Description

仿真预测液力变矩器性能的方法

技术领域

本发明涉及一种基于计算流体力学(CFD)技术的预测方法，更确切地说，本发明涉及一种利用商业软件ANASYSICEMCFD仿真预测液力变矩器性能的方法。

背景技术

液力变矩器(HydraulicTorqueConverter)又称液力变扭器、扭力转换器、液体离合器等。它是液力机械式自动变速器(AT)的核心部件，由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，液力变矩器安装在发动机和变速箱之间属变速箱系统零件，是替代传统摩擦片离合器实现自动变速的关键部件。

传统的变矩器设计一般是根据一维束流理论，计算出变矩器的各个叶轮参数，然后依据经验公式计算变矩器的原始特性曲线，然后再试制样机，进行外特性实验，修正设计参数，反复修改直到达到设计要求，设计在很大程度上依赖设计者的工作经验，变矩器的开发周期长，成本高。

目前数值计算研究变矩器主要集中在单流道稳态模拟计算。单流道模型是基于一维束流理论，忽略无叶栅区的影响，忽略两个油道之间的交互影响，对模型的简化很多，从而不能正确全面的反应液力变矩器内部流场的运动情况。少有的全流道仿真预测变矩器性能的方法也是基于商业计算流体力学前处理软件的自动划分网格功能，网格质量不高，而且数量较多，浪费计算机资源而不能提高计算精度。现有的方法没有考虑网格划分与数值计算之间的关系，没有划分边界层网格，没有考虑到壁面函数法对网格质量的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服当前预测变矩器性能方法中精度不高、网格数量多、计算量大等问题，提供一种通过六面体网格全流道模型数值计算准确模拟变矩器内部流场分布，仿真预测液力变矩器性能的方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的步骤如下：

1.提取计算模型：

(1)提取液力变矩器的循环圆；

(2)提取液力变矩器的全流道模型；

(3)提取液力变矩器的单流道模型；

2.液力变矩器全流道六面体网格模型生成：

(1)导轮全流道六面体网格模型生成；

(2)泵轮和涡轮全流道六面体网格模型生成；

(3)装配网格：

把生成好的泵轮全流道六面体网格模、涡轮全流道六面体网格模、导轮全流道六面体网格模型依次导入到计算流体力学前处理软件GAMBIT中进行装配；

a.分别创建泵轮的旋转轴线、涡轮的旋转轴线与导轮的旋转轴线；

b.把泵轮的旋转轴线，涡轮的旋转轴线分别与导轮的旋转轴线对齐，保证

泵轮、涡轮与导轮同心；

c.把泵轮进口面和导轮出口面对齐，再把泵轮的出口面和涡轮的进口面对齐，同时也保证了涡轮出口和导轮进口面的对齐；

(4)设置边界条件：

a.设置泵轮的进口和导轮的出口为边界条件interface；设置泵轮的出口和涡轮的进口为边界条件interface；涡轮的出口和导轮的进口为边界条件interface；

b.其余的面设置边界条件为壁面；

3.采用Fluent进行数值计算：

把装配好的变矩器全流道网格文件导入到商业计算流体力学软件Fluent中进行数值求解；

4.仿真与实验数据对比

(1)绘制液力变矩器外特性曲线；

(2)仿真结果与实验数据对比。

技术方案中所述的提取液力变矩器的循环圆的步骤如下：

1)在商业三维建模软件CATIA中创建一个垂直于变矩器旋转轴线的平面，用这个平面与液力变矩器的泵轮三维模型、涡轮三维模型和导轮三维模型相交，交线即为液力变矩器的循环圆；

2)由于变矩器三维模型叶片的影响，交线是不完整的，把断开的部分光滑连接起来，连接的时要保证连接端点的相切与曲率的连续，即得到液力变矩器的完整的循环圆；

3)在泵轮和涡轮之间的无叶栅区域a₁b₁b₂a₂中做平分线ab；在涡轮和导轮之间的无叶栅区域e₁f₁f₂e₂中做平分线cd；在导轮和泵轮之间的无叶栅区域c₂d₂d₁c₁中做平分线ef，即形成变矩器仿真过程假设的三个交界面ab、cd与ef。

技术方案中所述的提取液力变矩器的全流道模型是指：把泵轮循环圆区域abcd绕变液力矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的泵轮三维模型进行布尔运算，即得到泵轮全流道模型；把涡轮循环圆区域abef绕液力变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的涡轮三维模型进行布尔运算，即得到涡轮全流道模型；把导轮循环圆区域efdc绕液力变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的导轮的三维模型进行布尔运算，即得到导轮的全流道模型；将泵轮、涡轮、导轮的全流道模型装配后即得液力变矩器的全流道模型。

技术方案中所述的提取液力变矩器的单流道模型是指：测量泵轮相邻两个压力面之间的角度为β，把压力面绕液力变矩器旋转轴线旋转得到一个曲面A，把压力面绕液力变矩器旋转轴线旋转角度得到一个曲面B，用这两个曲面去切割液力变矩器泵轮的全流道模型，即可得到包含叶片壁面在内的单流道泵轮模型，同理可以得到涡轮和导轮的单流道模型，最终得到液力变矩器的单流道模型。

技术方案中所述的导轮全流道六面体网格模型生成的步骤如下：

1)创建导轮单流道几何模型和拓扑块block的关联

(1)线关联：

把平面拓扑块block，即A₂B₂C₂D₂上的直线A₂B₂关联到导轮单流道几何模型上与之对应的曲线AB，同理把直线B₂C₂、直线C₂D₂与直线D₂A₂关联到导轮单流道几何模型对应的曲线BC、曲线CD与曲线DA上；把平面拓扑块block上的直线a₂b₂与直线c₂d₂关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧ab与圆弧cd上；把直线b₂c₂与直线a₂d₂关联到与之对应的曲线bc与曲线ad上，拉伸平面拓扑块A₂B₂C₂D₂，形成三维拓扑块block；把三维拓扑块block上的直线A₃B₃、直线B₃C₃、直线C₃D₃、直线D₃A₃、直线A₂A₃、直线B₂B₃、直线C₂C₃与直线D₂D₃关联到导轮单流道几何模型与之对应的曲线A₁B₁、线B₁C₁、曲线C₁D₁、曲线D₁A₁、曲线AA₁、曲线BB₁、曲线CC₁与曲线DD₁上；把三维拓扑块上的直线a₃b₃与直线c₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧a₁b₁与圆弧c₁d₁上；把直线b₃c₃与直线a₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线b₁c₁与曲线a₁d₁上；把三维拓扑块block上的直线a₂a₃、直线b₂b₃、直线c₂c₃与直线d₂d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线aa₁、曲线bb₁、曲线cc₁与曲线dd₁上。

(2)点关联：

把三维拓扑块block上相应的点A₂、点B₂、点C₂、点D₂、点A₃、点B₃、点C₃、点D₃依次关联到导轮单流道几何模型上对应的点A、点B、点C、点D、点A₁、点B₁、点C₁与点D₁，把块上的点a₂、点b₂、点c₂、点d₂、点a₃、点b₃、点c₃与点d₃关联到导轮单流道几何模型上与之对应的点a、点b、点c、点d、点a₁、点b₁、点c₁与点d₁上；

(3)调整拓扑块block上未关联的点和线：

按照相邻直线尽量平行，相交直线所形成的角度不要过大的原则调整拓扑块block上未关联的直线和点，防止拓扑块block上的线有较大的扭曲，否则容易生成扭曲的网格。

2)划分边界层网格

(1)确定边界层网格层数：

对于壁面方程为10层网格，对于低雷诺模型需要15层网格，而液力变矩器采用壁面函数，10层网格就满足计算要求；

(2)确定边界层网格的第一层网格高度：

边界层总厚度与1/sqrt(Re)同数量级，在液力变矩器数值仿真计算中，采用壁面函数，要求，20≤Δy⁺≤100,Δy⁺是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、粘度与剪贴应力都有关系；变矩器工作过程中，其雷诺数计算公式为，式中n_B为泵轮转速，D为循环圆直径，ρ为工作液体的密度；边界层第一层网格节点到壁面的距离可以根据公式计算得到，L为特征长度，取变矩器循环圆最大外径与最小内径之差，最终确定第一层网格的高度为0.15mm，增长比率为1.2。

3)网格质量检查

检查网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness三个参数判断网格质量是否满足计算要求，检查导轮的网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness三个参数的数值。

4)导轮全流道六面体网格模型生成

把生成好的导轮单流道网格进行旋转复制，前边已经设置两个切割面之间是周期性边界，商业软件ANASYSICEMCFD对两面的网格进行调整，保证节点相互对应，最终即可生成液力变矩器的导轮全流道六面体网格模型。

技术方案中所述的采用Fluent进行数值计算的步骤如下：

1)检查网格质量，看是否有负体积出现,选择标准k-ε湍流模型，选择增强型壁面函数；

2)创建交界面：

在GridInterface面板中定义网格分界面，选择泵轮出口和涡轮进口为一对交界面，选择涡轮出口和导轮进口为一对交界面，选择导轮出口和泵轮进口为一对交界面；

3)定义工作液体的物理性质：

液力变矩器的工作过程中传动油必须保持物理性质稳定，由于温度的变化而引起粘度和密度的变化忽略不计，液力变矩器中所用传动液的密度为ρ＝899.1kg/m³，动力粘度系数为μ＝0.00189Ns/m²，正常工作时变矩器温度变化不大，忽略温度的变化,求解过程只是对流场的求解，没有开启能量方程，没有温度场的求解；

4)液力变矩器的泵轮和涡轮一般为钣金冲压件，导轮为铸造件，在工作过程中假设他们都是刚体,设置泵轮和涡轮相应的壁面为旋转壁面，相对速度为0，导轮壁面为静止壁面，设置泵轮转速为2000转/min，涡轮转速为0，导轮静止不动；

5)选择压力修正的SIMPLEC算法进行求解，选择二阶迎风离散格式，设置收敛残差为10^-3；

6)初始流场计算：

选择基于压力绝对速度的稳态求解器，进行初始流场计算，计算过程中如果出现发散，可以减少松弛因子，待计算稳定后，增大松弛因子，提高收敛速度；

7)瞬态计算：

当完成初始化流场计算后，重新选择求解器，即选择瞬态求解器，瞬态求解器需要选择时间步长，时间步长一般取转速倒数的五分之一到十分之一，本发明中选取倒数的十分之一，经过计算后，时间步长为0.0004，运行150步，计算两个周期，角速度单位为rad/s；

8)计算泵轮，涡轮和导论在相应工况下的扭矩：

液力变矩器的各个工作轮扭矩可以通过下边公式求解：

$T=\left({\∫}_s\left(\stackrel{\→}{r}\×\left(\stackrel{\·\·}{T}\·\stackrel{\→}{n}\right)\right)dS\right)\·\stackrel{\→}{a}$

式子中，T—工作轮扭矩，单位N/m；S—工作轮壁面，单位mm²；—由压力和粘性剪贴力组成的二阶应力张量，pa/mm²；—单元质心到旋转轴的距离矢量,单位mm；—工作轮壁面的法相单位矢量，单位mm；—旋转轴的单位矢量，单位mm；

9)按不同工况对液力变矩器进行仿真计算:

泵轮转速保持2000转/min不变，涡轮转速分别为400转/min，800转/min，1200转/min，1600转/min，2000转/min工况下，进行仿真计算，其他的设置不用改变，同时按照步骤8)中所述计算相应工况下的扭矩。

技术方案中所述的绘制变矩器外特性曲线的步骤如下：

根据以下公式：

T_涡轮为涡轮扭矩，单位为N/m；T_泵轮为泵轮扭矩，单位为N/m；k为变矩比，为涡轮扭矩与泵轮扭矩的比值；

n_涡轮为涡轮转速，单位为转/min；n_泵轮为泵轮转速，单位为转/min；i为速比，为涡轮转速与泵轮转速的比值；

η＝k·i，η为效率，是变矩比k与速比i的乘积；

C为变矩器的容量系数；

绘制液力变矩器的外特性曲线。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法提出通过依据变矩器循环圆而快速准确的创建变矩器的计算模型。

2.传统计算流体力学预测变矩器性能的方法通过单流道模型稳态计算来预测，忽略相邻两个油道之间的交互影响，忽略无叶栅区域的流动变化情况，单油道模型没有充分考虑变矩器内部结构对其流场的结构的影响，本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法所采用的基于循环圆提取的全流道模型，充分考虑变矩器的结构形状，尽量还原流体模型，从而达到提高流场模拟的精度。

3.国内外少有的相关于全流道预测变矩器性能的方法中，网格都是基于计算流体力学CFD商业软件前处理中的自动网格划分功能，都是采用非结构网格，即四面体网格，网格数量多，质量差，浪费大量的计算机资源，同时也没有考虑到变矩器近壁面的流动情况，没有划分边界层网格，而液力机械特有的结构及其特性使得四面体网格在追踪流场变化方面差于六面体网格。本发明提出一种基于分块划分变矩器全流道六面体网格的方法，网格数量少，质量高，缩短计算时间，提高计算精度，同时考虑了近壁面流动情况，依据计算流体力学CFD理论基础确定边界层网格的高度和数量。

4.变矩器的内部流场非常复杂，与以往方法相比本发明可以更加准确的模拟变矩器内部流场的分布情况，了解工作液体在变矩器封闭的空间内做螺旋循环运动的情况，建立变矩器内流场与外特性之间的关系，通过内流场的分析，得出外特性的一些特点，从而为变矩器的优化设计，性能提高，改型设计等提供支持。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的功能流程框图；

图2为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法仿真预测对象-型号为D245的液力变矩器结构组成分解式轴测投影图；

图3为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的变矩器循环圆图；

图4为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法提取的变矩器泵轮、导轮、涡轮的全流道模型图；

图5为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的装配变矩器全流道模型图；

图6为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的变矩器单流道模型图；

图7为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的导轮三维块(block)模型图；

图8为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的导轮单流道几何模型图；

图9为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的导轮全流道六面体网格模型图；

图10为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的泵轮全流道六面体网格模型图；

图11为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的涡轮全流道六面体网格模型图；

图12为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的装配的全流道六面体网格模型图；

图13为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的计算外特性与实验外特性对比曲线图；

图中：c₁d₁-泵轮进口，a₁b₁-泵轮出口，a₂b₂-涡轮进口，e₂f₂-涡轮出口，e₁f₁-导轮进口，c₂d₂-导轮出口，ab-泵轮和涡轮之间无叶栅区域的平分线，ef-涡轮和导轮之间无叶栅区域的平分线，cd-导轮和泵轮之间无叶栅区域的平分线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述，其中图1为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的功能流程框图：

下面以型号为D245的液力变矩器为例说明本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其中图2为本发明所述的仿真预测液力变矩器性能的方法仿真预测对象-型号为D245的液力变矩器结构组成分解式轴测投影图，仿真预测液力变矩器性能的方法的步骤如下：

1.提取计算模型

采用计算流体力学方法对某一特定问题进行求解首先要建立计算域，对于本发明计算而言，就是要抽取变矩器工作腔中充满工作液体的形状。变矩器工作过程中，通过涡轮，泵轮以及导轮的内环泄露的大约为变矩器冷却循环流量的2％，因此计算过程中忽略泄露的影响，提取计算模型的时候只提取流道模型，忽略泄露模型，其过程可以分为以下三个步骤：

1)提取液力变矩器的循环圆

参阅图3，(1)在商业三维建模软件CATIA(ComputerAidedThree-DimensionalInterfaceApplication)中，创建一个垂直于变矩器旋转轴线的平面，用这个平面与液力变矩器的泵轮三维模型、涡轮三维模型和导轮三维模型相交，所形成的交线即为液力变矩器的循环圆。

(2)由于液力变矩器三维模型叶片的影响，交线是不完整的，把断开的部分光滑连接起来，连接的时候要保证连接端点的相切与曲率的连续，即得到液力变矩器的完整的循环圆。

(3)在泵轮和涡轮之间的无叶栅区域a₁b₁b₂a₂中做平分线ab；在涡轮和导轮之间的无叶栅区域e₁f₁f₂e₂，做平分线cd；在导轮和泵轮之间的无叶栅区域c₂d₂d₁c₁，做平分线ef。这样就形成变矩器仿真过程假设的三个交界面ab、cd、ef。

2)提取液力变矩器的全流道模型

参阅图3，把泵轮循环圆区域abcd绕液力变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型去与变矩器的泵轮三维模型进行布尔运算，即得到泵轮全流道模型；把涡轮循环圆区域abef绕变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型去与变矩器的涡轮三维模型进行布尔运算，即得到涡轮全流道模型；把导轮循环圆区域efdc绕变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与变矩器的导轮的三维模型进行布尔运算，即得到导轮的全流道模型；图4中所示为泵轮、涡轮、导轮的全流道模型，图5为装配后的液力变矩器的全流道模型。

3)提取液力变矩器的单流道模型

参阅图6，测量泵轮相邻两个压力面之间的角度，记为β，把压力面绕变矩器旋转轴线旋转得到一个曲面，记为曲面A；把压力面绕变矩器旋转轴线旋转角度，得到一个曲面，记为曲面B。用这两个曲面去切割变矩器泵轮的全流道模型，即可得到包含叶片壁面在内的单流道泵轮模型。同理可以得到涡轮和导轮的单流道模型，最终如图中所示得到液力变矩器的单流道模型。

2.液力变矩器全流道六面体网格模型生成(本发明中使用商业软件ANASYSICEMCFD划分网格)

网格划分很重要，对计算结果和收敛有着决定性作用。非结构网格比结构网格的截断误差大，对于复杂几何，在近壁这些对流动影响较大的地方尽量使用结构网格，在其他次要区域使用非结构网格。为了减少计算量，节约计算机资源，提高网格质量，提高计算精度，本发明提出一种采用分块模块化技术对泵轮，涡轮和导轮全流道模型进行六面体网格划分，其过程可以分为以下几个步骤：

1)导轮全流道六面体网格模型生成

(1)创建导轮单流道几何模型和拓扑块block的关联

参阅图7与图8，把前边提取的导轮单流道模型存为STP(STP是一符合STEP国际标准(ISO10303)的CAD文件格式)格式的文件，导入到商业软件ANASYSICEMCFD中，然后建立拓扑结构。首先创建一个平面拓扑块block，拓扑块block是一种虚拟结构，是网格划分的辅助线，关联是将拓扑块block与几何体联系起来的一种手段。如果不关联，生成网格的时候软件无法确定拓扑块block上的某一条边对应的是几何体的哪一部分，也无法将拓扑块block上的节点映射到几何模型上。然后根据导轮单流道模型的几何特点，进行分割拓扑块block，最终为图7所示的A₂B₂C₂D₂平面，删除拓扑块block，即a₂b₂c₂d₂。同时把切割形成的单流道模型两个曲面设置成为周期性边界，如图8中所示的曲面S(BB₁C₁C)和S₁(AA₁D₁D)。根据单流道导轮模型的拓扑关系，把拓扑块block上的点线与几何体上的点线进行关联，可以分为三步：

a.线关联

把平面拓扑块block，即A₂B₂C₂D₂上的直线A₂B₂关联到导轮单流道几何模型上与之对应的曲线AB，同理把直线B₂C₂、直线C₂D₂与直线D₂A₂关联到导轮单流道几何模型对应的曲线BC、曲线CD与曲线DA上；把平面拓扑块A₂B₂C₂D₂上的直线a₂b₂、直线c₂d₂关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧ab、圆弧cd上；把直线b₂c₂、直线a₂d₂关联到与之对应的曲线bc、曲线ad上。拉伸平面拓扑块A₂B₂C₂D₂，形成三维拓扑块block，即图7所示的图形。把三维拓扑块block上的直线A₃B₃、直线B₃C₃、直线C₃D₃、直线D₃A₃、直线A₂A₃、直线B₂B₃，直线C₂C₃与直线D₂D₃关联到导轮单流道几何模型与之对应的曲线A₁B₁、线B₁C₁、曲线C₁D₁、曲线D₁A₁、曲线AA₁、曲线BB₁、曲线CC₁与曲线DD₁上；把三维拓扑块block上的直线a₃b₃、直线c₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧a₁b₁、圆弧c₁d₁上；把直线b₃c₃、直线a₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线b₁c₁、曲线a₁d₁上；把三维拓扑块block上的直线a₂a₃、直线b₂b₃、直线c₂c₃与直线d₂d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线aa₁、曲线bb₁、曲线cc₁与曲线dd₁上。

b.点关联：

把三维拓扑块block上相应的点(Vertices)A₂、点B₂、点C₂、点D₂、点A₃、点B₃、点C₃、点D₃依次关联到导轮单流道几何模型上对应的点(Points)A、点B、点C、点D、点A₁、点B₁、点C₁与点D₁。把三维拓扑块block上的点a₂、点b₂、点c₂、点d₂、点a₃、点b₃、点c₃与点d₃关联到导轮单流道几何模型上与之对应的点a、点b、点c、点d、点a₁、点b₁、点c₁与点d₁上。

c.调整拓扑块block上未关联的点和线：

按照相邻直线尽量平行，相交直线所形成的角度不要过大的原则调整拓扑上未关联的直线和点，防止拓扑块block上的线有较大的扭曲，否则容易生成扭曲的网格。

(2)划分边界层网格

为提高预测精度，提高近壁面处流场的预测精度需要对变矩器进行边界层网格划分。对于边界层网格划分一般需要确定两个数值，即边界层网格的层数和边界层网格的第一层网格的高度。

a.确定边界层网格层数：

关于如何确定边界层的层数一般有关计算流体力学CFD的书籍都有相应的公式进行计算，但是实用性不强，根据经验，对于壁面方程一般10层网格就可以，对于低雷诺模型一般需要15层网格，而液力变矩器一般采用壁面函数，10层网格就可满足计算要求。

b.确定边界层网格的第一层网格高度：

边界层总厚度大约与1/sqrt(Re)同数量级，在变矩器数值仿真计算中，采用壁面函数，其要求20≤Δy⁺≤100,Δy⁺是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度，粘度，剪贴应力等都有关系。变矩器工作过程中，其雷诺数计算公式为，式中n_B为泵轮转速，D为循环圆直径，ρ为工作液体的密度。边界层第一层网格节点到壁面的距离可以根据公式计算得到，L为特征长度，取变矩器循环圆最大外径与最小内径之差，最终确定第一层网格的高度为0.15mm，增长比率为1.2。

(3)网格质量检查

良好的网格是计算正确性和收敛性的基础。评判网格质量有很多种参数，一般通过检查网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness(通过单元夹角计算的倾斜度，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差，最好控制在0到0.4之间)三个参数就可判断网格质量是否满足计算要求。计算导轮网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness三个参数的数值，它们的最小值分别为0.75,0.35，0.2，满足计算要求，并且属于高质量网格。

(4)导轮全流道六面体网格模型生成

参阅图9，把生成好的导轮单流道网格进行旋转复制，前边已经设置两个切割面之间是周期性边界，如图8中所示的曲面S(BB₁C₁C)和S₁(AA₁D₁D)。商业软件ANASYSICEMCFD会对两面的网格进行调整，保证节点相互对应，最终即可生成液力变矩器的导轮全流道六面体网格模型，如图9中所示。

2)泵轮和涡轮全流道六面体网格模型生成

参阅图10与图11，根据导轮全流道六面体网格模型的生成步骤，按照第1)步骤的第(1)、(2)、(3)、(4)中所叙述的方法对泵轮和涡轮进行网格划分并检查网格质量，最终，图10为泵轮全流道六面体网格模型，图11为涡轮全流道六面体网格模型。

3)装配网格

参阅图12，把生成好的泵轮全流道六面体网格模、涡轮全流道六面体网格模、导轮全流道六面体网格模型依次导入到计算流体力学前处理软件GAMBIT中进行装配。

(1)分别创建泵轮的旋转轴线、涡轮的旋转轴线与导轮的旋转轴线。

(2)把泵轮的旋转轴线，涡轮的旋转轴线分别与导轮的旋转轴线对齐，这就保证了泵轮，涡轮，导轮同心。

(3)把泵轮进口面和导轮出口面进行对齐，然后再把泵轮的出口面和涡轮的进口面进行对齐。这样同时也保证了涡轮出口和导轮进口面的对齐。

4)设置边界条件

(1)参考图3，设置泵轮的进口和导轮的出口为边界条件interface，即图中的cd(装配后是重合的)；同理设置泵轮的出口和涡轮的进口为边界条件interface，即图中的ab(装配后是重合的)；涡轮的出口和导轮的进口为边界条件interface，即图中的ef(装配后是重合的)。

(2)其余的面设置边界条件为壁面(wall)。

3.采用Fluent进行数值计算

把装配好的变矩器全流道网格文件导入到商业计算流体力学软件Fluent中进行数值求解。

1)检查网格质量，看是否有负体积出现。选择标准k-ε湍流模型，选择增强型壁面函数。

2)创建交界面(interface)

在GridInterface面板中定义网格分界面，选择泵轮出口和涡轮进口为一对交界面，选择涡轮出口和导轮进口为一对交界面，选择导轮出口和泵轮进口为一对交界面。

3)定义工作液体的物理性质

本发明中假设在变矩器的工作过程中传动油必须保持物理性质稳定，由于温度的变化而引起粘度和密度的变化忽略不计，变矩器中所用传动液的密度为ρ＝899.1kg/m³，动力粘度系数为μ＝0.00189Ns/m²。正常工作时变矩器温度变化不大，忽略温度的变化。求解过程只是对流场的求解，没有开启能量方程，没有温度场的求解。

4)液力变矩器的泵轮和涡轮一般为钣金冲压件，导轮为铸造件，在工作过程中假设他们都是刚体。设置泵轮和涡轮相应的壁面为旋转壁面，相对速度为0,导轮壁面为静止壁面。设置泵轮转速为2000转/min，涡轮转速为0，导轮静止不动。

5)选择压力修正的SIMPLEC(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquationsRevised)算法进行求解，选择二阶迎风离散格式，设置收敛残差为10^-3。

6)初始流场计算

选择基于压力绝对速度的稳态求解器，进行初始流场计算。计算过程中如果出现发散，可以减少松弛因子，待计算稳定后，增大松弛因子，提高收敛速度。

7)瞬态计算

当完成初始化流场计算后，重新选择求解器，即选择瞬态求解器，瞬态求解器需要选择时间步长，时间步长一般取转速(角速度单位为rad/s)倒数的五分之一到十分之一，本发明中选取倒数的十分之一，经过计算后，时间步长为0.0004，运行150步，计算两个周期。

8)计算泵轮，涡轮和导论在相应工况下的扭矩

液力变矩器的各个工作轮扭矩可以通过下边公式求解：

$T=\left({\∫}_s\left(\stackrel{\→}{r}\×\left(\stackrel{\·\·}{T}\·\stackrel{\→}{n}\right)\right)dS\right)\·\stackrel{\→}{a}$

式子中，T—工作轮扭矩，单位N/m；S—工作轮壁面，单位mm²；—由压力和粘性剪贴力组成的二阶应力张量，pa/mm²；—单元质心到旋转轴的距离矢量,单位mm；—工作轮壁面的法相单位矢量，单位mm；—旋转轴的单位矢量，单位mm。

9)按不同工况对液力变矩器进行仿真计算

泵轮转速保持2000转/min不变，涡轮转速分别为400转/min，800转/min，1200转/min，1600转/min，2000转/min工况下，进行仿真计算。其他的设置不用改变。同时按照步骤8)中所述计算相应工况下的扭矩。(注：为了增加外特性曲线的精度可以相应的增加计算点)。

4.仿真与实验数据对比

1)绘制液力变矩器外特性曲线

根据以下公式：

T_涡轮为涡轮扭矩，单位为N/m；T_泵轮为泵轮扭矩，单位为N/m；k为变矩比，为涡轮扭矩与泵轮扭矩的比值。

n_涡轮为涡轮转速，单位为转/min；n_泵轮为泵轮转速，单位为转/min；i为速比，为涡轮转速与泵轮转速的比值。

η＝k·i，η为效率，是变矩比k与速比i的乘积。

C为变矩器的容量系数。

绘制变矩器的外特性曲线。

2)仿真结果与实验数据对比

参阅图13，按照上述步骤1)中的绘制液力变矩器外特性曲线的公式分别绘制实验外特性曲线和仿真计算外特性曲线。从实验与仿真计算对比可以看出，本发明相比于传统方法能够有效预测变矩器的性能，对变矩器的前期的设计开发，后期的性能优化具有一定的指导意义。

Claims (6)

1.一种仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的仿真预测液力变矩器性能的方法的步骤如下：

1)提取计算模型：

(1)提取液力变矩器的循环圆，步骤如下：

a.在商业三维建模软件CATIA中创建一个垂直于变矩器旋转轴线的平面，用这个平面与液力变矩器的泵轮三维模型、涡轮三维模型和导轮三维模型相交，交线即为液力变矩器的循环圆；

b.由于变矩器三维模型叶片的影响，交线是不完整的，把断开的部分光滑连接起来，连接时要保证连接端点的相切与曲率的连续，即得到液力变矩器的完整的循环圆；

c.在泵轮和涡轮之间的无叶栅区域a₁b₁b₂a₂中做平分线ab；在涡轮和导轮之间的无叶栅区域e₁f₁f₂e₂中做平分线cd；在导轮和泵轮之间的无叶栅区域c₂d₂d₁c₁中做平分线ef，即形成变矩器仿真过程假设的三个交界面；

(2)提取液力变矩器的全流道模型；

(3)提取液力变矩器的单流道模型；

2)液力变矩器全流道六面体网格模型生成：

(1)导轮全流道六面体网格模型生成；

(2)泵轮和涡轮全流道六面体网格模型生成；

(3)装配网格：

把生成好的泵轮全流道六面体网格模型、涡轮全流道六面体网格模型、导轮全流道六面体网格模型依次导入到计算流体力学前处理软件GAMBIT中进行装配；

a.分别创建泵轮的旋转轴线、涡轮的旋转轴线与导轮的旋转轴线；

b.把泵轮的旋转轴线，涡轮的旋转轴线分别与导轮的旋转轴线对齐，保证泵轮、涡轮与导轮同心；

c.把泵轮进口面和导轮出口面对齐，再把泵轮的出口面和涡轮的进口面对齐，同时也保证了涡轮出口和导轮进口面的对齐；

(4)设置边界条件：

a.设置泵轮的进口和导轮的出口、泵轮的出口和涡轮的进口、涡轮的出口和导轮的进口为边界条件interface；

b.其余的面设置边界条件为壁面；

3)采用Fluent进行数值计算：

把装配好的变矩器全流道网格文件导入到商业计算流体力学软件Fluent中进行数值求解；

4)仿真与实验数据对比

(1)绘制液力变矩器外特性曲线；

(2)仿真结果与实验数据对比。

2.按照权利要求1所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的提取液力变矩器的全流道模型是指：

把泵轮循环圆区域abcd绕变液力矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的泵轮三维模型进行布尔运算，即得到泵轮全流道模型；把涡轮循环圆区域abef绕液力变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的涡轮三维模型进行布尔运算，即得到涡轮全流道模型；把导轮循环圆区域efdc绕液力变矩器旋转轴线旋转360°，用旋转得到的空间三维模型与液力变矩器的导轮的三维模型进行布尔运算，即得到导轮的全流道模型；将泵轮、涡轮、导轮的全流道模型装配后即得液力变矩器的全流道模型。

3.按照权利要求1所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的提取液力变矩器的单流道模型是指：

测量泵轮相邻两个压力面之间的角度为β，把压力面绕液力变矩器旋转轴线旋转得到一个曲面A，把压力面绕液力变矩器旋转轴线旋转角度得到一个曲面B，用这两个曲面去切割液力变矩器泵轮的全流道模型，即可得到包含叶片壁面在内的单流道泵轮模型，同理可以得到涡轮和导轮的单流道模型，最终得到液力变矩器的单流道模型。

4.按照权利要求1所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的导轮全流道六面体网格模型生成的步骤如下：

1)创建导轮单流道几何模型和拓扑块block的关联

(1)线关联：

把平面拓扑块block，即A₂B₂C₂D₂上的直线A₂B₂关联到导轮单流道几何模型上与之对应的曲线AB，同理把直线B₂C₂、直线C₂D₂与直线D₂A₂关联到导轮单流道几何模型对应的曲线BC、曲线CD与曲线DA上；把平面拓扑块block上的直线a₂b₂与直线c₂d₂关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧ab与圆弧cd上；把直线b₂c₂与直线a₂d₂关联到与之对应的曲线bc与曲线ad上，拉伸平面拓扑块A₂B₂C₂D₂，形成三维拓扑块block；把三维拓扑块block上的直线A₃B₃、直线B₃C₃、直线C₃D₃、直线D₃A₃、直线A₂A₃、直线B₂B₃、直线C₂C₃与直线D₂D₃关联到导轮单流道几何模型与之对应的曲线A₁B₁、曲线B₁C₁、曲线C₁D₁、曲线D₁A₁、曲线AA₁、曲线BB₁、曲线CC₁与曲线DD₁上；把三维拓扑块上的直线a₃b₃与直线c₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型圆弧a₁b₁与圆弧c₁d₁上；把直线b₃c₃与直线a₃d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线b₁c₁与曲线a₁d₁上；把三维拓扑块block上的直线a₂a₃、直线b₂b₃、直线c₂c₃与直线d₂d₃关联到与之对应的导轮单流道几何模型上的曲线aa₁、曲线bb₁、曲线cc₁与曲线dd₁上；

(2)点关联：

把三维拓扑块block上相应的点A₂、点B₂、点C₂、点D₂、点A₃、点B₃、点C₃、点D₃依次关联到导轮单流道几何模型上对应的点A、点B、点C、点D、点A₁、点B₁、点C₁与点D₁，把块上的点a₂、点b₂、点c₂、点d₂、点a₃、点b₃、点c₃与点d₃关联到导轮单流道几何模型上与之对应的点a、点b、点c、点d、点a₁、点b₁、点c₁与点d₁上；

(3)调整拓扑块block上未关联的点和线：

按照相邻直线尽量平行，相交直线所形成的角度不要过大的原则调整拓扑块block上未关联的直线和点；

2)划分边界层网格

(1)确定边界层网格层数：

对于壁面方程为10层网格，对于低雷诺模型需要15层网格，而液力变矩器采用壁面函数，10层网格就满足计算要求；

(2)确定边界层网格的第一层网格高度：

边界层总厚度与1/sqrt(Re)同数量级，在液力变矩器数值仿真计算中，采用壁面函数，要求，20≤Δy⁺≤100，Δy⁺是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、粘度与剪贴应力都有关系；变矩器工作过程中，其雷诺数计算公式为，式中n_B为泵轮转速，D为循环圆直径，ρ为工作液体的密度，g为重力加速度；边界层第一层网格节点到壁面的距离可以根据公式计算得到，L为特征长度，取变矩器循环圆最大外径与最小内径之差，最终确定第一层网格的高度为0.15mm，增长比率为1.2；

3)网格质量检查

检查网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness三个参数判断网格质量是否满足计算要求，检查导轮的网格的雅克比、网格质量和EquiangleSkewness三个参数的数值；

4)导轮全流道六面体网格模型生成

把生成好的导轮单流道网格进行旋转复制，前边已经设置两个切割面之间是周期性边界，使用商业软件ANASYSICEMCFD对两面的网格进行调整，保证节点相互对应，最终即可生成液力变矩器的导轮全流道六面体网格模型。

5.按照权利要求1所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的采用Fluent进行数值计算的步骤如下：

1)检查网格质量，看是否有负体积出现，选择标准k-ε湍流模型，选择增强型壁面函数；

2)创建交界面：

在GridInterface面板中定义网格分界面，选择泵轮出口和涡轮进口为一对交界面，选择涡轮出口和导轮进口为一对交界面，选择导轮出口和泵轮进口为一对交界面；

3)定义工作液体的物理性质：

液力变矩器的工作过程中传动油必须保持物理性质稳定，由于温度的变化而引起粘度和密度的变化忽略不计，液力变矩器中所用传动液的密度为ρ＝899.1kg/m³，动力粘度系数为μ＝0.00189Ns/m²，正常工作时变矩器温度变化不大，忽略温度的变化，求解过程只是对流场的求解，没有开启能量方程，没有温度场的求解；

4)液力变矩器的泵轮和涡轮为钣金冲压件，导轮为铸造件，在工作过程中假设他们都是刚体，设置泵轮和涡轮相应的壁面为旋转壁面，相对速度为0，导轮壁面为静止壁面，设置泵轮转速为2000转/min，涡轮转速为0，导轮静止不动；

5)选择压力修正的SIMPLEC算法进行求解，选择二阶迎风离散格式，设置收敛残差为10^-3；

6)初始流场计算：

选择基于压力绝对速度的稳态求解器，进行初始流场计算，计算过程中如果出现发散，可以减少松弛因子，待计算稳定后，增大松弛因子，提高收敛速度；

7)瞬态计算：

当完成初始化流场计算后，重新选择求解器，即选择瞬态求解器，瞬态求解器需要选择时间步长，时间步长取转速倒数的五分之一到十分之一；

8)计算泵轮，涡轮和导论在相应工况下的扭矩：

液力变矩器的各个工作轮扭矩可以通过下边公式求解：

$T=\left({\∫}_s(\stackrel{\→}{r}\×(\stackrel{..}{T}\·\stackrel{\→}{n}))\mathrm{dS}\right)\·\stackrel{\→}{a}$

式子中，T-工作轮扭矩，单位N/m；S-工作轮壁面，单位mm²；-由压力和粘性剪贴力组成的二阶应力张量，pa/mm²；-单元质心到旋转轴的距离矢量，单位mm；-工作轮壁面的法相单位矢量，单位mm；-旋转轴的单位矢量，单位mm；

9)按不同工况对液力变矩器进行仿真计算：

泵轮转速保持2000转/min不变，涡轮转速分别为400转/min，800转/min，1200转/min，1600转/min，2000转/min工况下，进行仿真计算，其他的设置不用改变，同时按照步骤8)中所述计算相应工况下的扭矩。

6.按照权利要求1所述的仿真预测液力变矩器性能的方法，其特征在于，所述的绘制变矩器外特性曲线的步骤如下：

根据以下公式：

T_涡轮为涡轮扭矩，单位为N/m；T_泵轮为泵轮扭矩，单位为N/m；k为变矩比，为涡轮扭矩与泵轮扭矩的比值；

n_涡轮为涡轮转速，单位为转/min；n_泵轮为泵轮转速，单位为转/min；i为速比，为涡轮转速与泵轮转速的比值；

η＝k·i，η为效率，是变矩比k与速比i的乘积；

C为变矩器的容量系数；

绘制液力变矩器的外特性曲线。