CN104166752A - 液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，该方法为对液力变矩器进行几何模型建立和模型前处理，建立液力变矩器的全流道网格模型，然后对其进行计算域划分，划分为泵轮流体域、涡轮流体域、导轮流体域及相互流体域间的网格交界面，在不同泵轮与涡轮转速比的工况下，利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析，数值求解所得有效结果代入液力变矩器叶轮扭矩计算公式和液力变矩器性能参数计算公式，拟合出不同工况下液力变矩器特性曲线，本发明重点研究其液力变矩器流场特性，能在现有实验装备下进行，且实验周期短，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，属于液压设备技术领域。
背景技术
液力变矩器内流场是液力机械变速装置内的核心研究对象，至今各企业对变矩器特性预测多以台架实验为基础平台，但这一过程除了存在实验周期长、成本高等问题外，最关键的难题是现有实验设备很难实现对于大功率高转速变矩器的特性预测。
发明内容
本发明的目的是：提供一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，可实现在现有实验设备下对大功率高转速变矩器的特性预测，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案
一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，该方法为对液力变矩器进行几何模型建立和模型前处理，建立液力变矩器的全流道网格模型，然后对其进行计算域划分，划分为泵轮流体域、涡轮流体域、导轮流体域及相互流体域间的网格交界面，在不同泵轮与涡轮转速比的工况下，利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析，数值求解所得有效结果代入液力变矩器叶轮扭矩计算公式和液力变矩器性能参数计算公式，拟合出不同工况下液力变矩器特性曲线。
前述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法中，所述几何模型建立是指结合非均匀有理B样条方法，综合考虑前处理拓扑求解只识别面的特性，采用片体曲面法来生成全流道几何模型。
前述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法中，所述片体曲面法是根据变矩器模型几何参数先在指定基准面上构建草图即叶片截面形状，该基准面为X、Y或Z面，叶片草图的建立以水平坐标系为参考来确定叶片进出口角度，然后按将叶片草图投影到即将拉伸出叶片的叶轮壳体内曲面上，最后将投影曲线依照具体偏转角度以片体为模型载体生成叶片，同理生成其他空间曲面，在所有曲面都生成后，通过修剪片体，最终生成完全片体几何模型，
前述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法中，所述模型前处理指在几何模型建立后并对其模型进行划分网格，利用内部面剖分法对网格交界面处的曲面一分为二，生成网格交界面，建立了液力变矩器全流道网格模型。
前述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法中，利用变矩器工作时油道进口实测流量和进口截面尺寸，即可计算出进口流速，数值模拟过程将泵轮转速设为极限工作转速2且不变，改变涡轮转速，分别计算泵轮与涡轮转速速比为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1的11个工况的流场分布。
前述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法中，所述利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析的方法为，首先按照现有技术中液力变矩器的设置条件生成网格模型，导入CFD平台经过计算模型选择、材料属性定义、离散格式选择、交界面设置步骤后，进而依次设置边界条件、收敛条件、确定初始化，即开始数值求解，若该数值满足收敛条件则为有效结果，若不满足重新进行上述步骤，如此循环判断直至模型该收敛为止，最后Reports中进行有效结果的提取，对叶片进出口面速度进行面积积分，经过多次试验，最终确定取对应模型面上点的速度平均值带入叶片扭矩计算公式求解扭矩，从而进行特性参数计算。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明为对液力变矩器进行几何模型建立和模型前处理，建立液力变矩器的全流道网格模型，然后对其进行计算域划分，划分为泵轮流体域、涡轮流体域、导轮流体域及相互流体域间的网格交界面，在不同泵轮与涡轮转速比的工况下，利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析，数值求解所得有效结果代入液力变矩器叶轮扭矩计算公式和液力变矩器性能参数计算公式，拟合出不同工况下液力变矩器特性曲线，本发明重点研究其液力变矩器流场特性，能在现有实验装备下进行，且实验周期短，成本低。
附图1为变矩器全流道CFD数值求解方法流程图；
附图2为液力变矩器几何模型图；
附图3为本实施例中某型号液力变矩器特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的实施例：一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，该方法为对液力变矩器进行几何模型建立和模型前处理，建立液力变矩器的全流道网格模型，然后对其进行计算域划分，划分为泵轮流体域、涡轮流体域、导轮流体域及相互流体域间的网格交界面，在不同泵轮与涡轮转速比的工况下，利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析，数值求解所得有效结果代入液力变矩器叶轮扭矩计算公式和液力变矩器性能参数计算公式，拟合出不同工况下液力变矩器特性曲线。
具体实施步骤为：
一、几何模型建立
由于单一流道模型存在很多假设，比如流道的周期性假设，内部流动的稳定性假设，液体不可压缩假设等，而变矩器的真实流动是不具周期性的，是随时变化且液体可压缩的瞬态流动过程，为了更为真实地描述内部流动状态，因此建设了变矩器全流道几何模型，该几何模型的难点在于变矩器内部叶片工作面、叶片进出口圆弧面、导环回转面等空间曲面的建立，结合非均匀有理B样条方法，综合考虑前处理拓扑求解只识别面的特性，同时降低建模的复杂性，在几何建模时形成了一种新的片体曲面法来生成全流道几何模型，片体曲面法是根据模型几何参数先在指定基准面上构建草图即叶片截面形状，叶片草图的建立以水平坐标系为参考来确定叶片进出口角度，然后将叶片草图投影到即将拉伸出叶片的叶轮壳体内曲面上，最后将投影曲线依照具体偏转角度以片体为模型载体生成叶片；同理，生成其他空间曲面如导环回转面等；在所有曲面都生成后，通过修剪片体，确定保留与舍弃部分，最终生成完全片体几何模型，如附图2所示。
二、模型前处理
液力变矩器全流道几何模型建立之后，即可进行模型前处理，生成网格模型。变矩器是多级旋转机械，三个叶轮之间均存在相互转动，在网格划分过程就需要通过相关局部的整体移动实现移动，通过滑移面即网格交界面传递数据。其中，网格交界面的建立就是关键，交界面的生成方法主要有两种，一种是单个Part分别生成网格，最后逐个导入合为一个完整全流道网格模型，其中每个Part之间就会自动识别为交界面；另一种网格交界面方法即是这里所采用的内部面剖分法，该方法既简单操作性又强，前提条件是先对全流道模型划分网格，然后检查并且提高现有网格质量，尤其保证网格交界面的网格质量，否则后面的剖分工作将不能成功进行，最后将该曲面一分为二，即生成了网格交界面，由此建立全流道网格模型。 三、数值求解方法
根据该型变矩器工作时油道进口实测流量和进口截面尺寸，即可计算出进口流速，数值模拟过程将泵轮转速设为极限工作转速2300r/min且不变，改变涡轮转速，分别计算速比从0到1区间11个工况（i=0,0.1,.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1）的流场分布。另外，滑移网格技术数值求解方法的最关键步骤，即是计算域的划分和每个计算域之间网格交界面的建立，计算域的划分需要根据变矩器实际工况，将整个流体域划分为3个计算域，即泵轮流体域、涡轮流体域和导轮流体域，泵轮流体域设为旋转域，其中必须依据几何模型建立时的方位来正确建立旋转轴和旋转原点，同样涡轮流体域也设为旋转域，但是与泵轮存在相对转速，导轮流体域则设为静域，进而在它们之间建立3个网格交界面进行流体域之间的数据传递，变矩器全流道CFD数值求解方法具体流程如附图1所示。
该数值求解方法的判断依据即是求解过程是否收敛，根据具体模型合理确定收敛条件数量级，每一个待分析的变矩器模型都可通过以下流程完成特性预测，从残差曲线图可判断计算是否收敛，若不能收敛，则需调整相关条件设置重新生成网格模型，接着导入CFD平台经过计算模型的选择、材料属性定义、离散格式选择、交界面设置等步骤，进而调整边界条件和收敛条件的设置，选定初始场，完成初始化，即开始数值求解，如此循环判断直至模型收敛为止，最后Reports中进行有效结果的提取，对叶片进出口面速度进行面积积分，经过多次试验，最终确定取面上点的速度平均值带入叶片扭矩计算公式求解扭矩，从而进行特性参数计算。
以下是本实施例的一个具体参数代入流程：
1. General——Time——Transient;
2. Models——K-epsilon——Realizable——Standard Wall Functions
3. Materials——gasoil-liquid
4. Cell Zone Conditions——fluid-b——Mesh Motion——Rotation-Axis Direction——（1,0,0）——Speed——2300rpm
5. Cell Zone Conditions——fluid-w——Mesh Motion——Rotation-Axis Direction——（1,0,0）——Speed——1840rpm(i=0.8)
6. Boundary Conditions——inlet——Type——velocity-inlet——Velocity Magnitude——3.967m/s; Specification Method——Intensity and Length Scale
7. Boundary Conditions——outlet——Type——pressure-outlet——Gauge Pressure(pascal)——200000;Specification Method——Intensity and Length Scale
8. Boundary Conditions——wall-benglun——Type——wall——Moving Wall, Relative to Adjacent Cell Zone, Rotational——Rotation-Axis Direction——(1,0,0)
9. Boundary Conditions——wall-wolun——Type——wall——Moving Wall, Relative to Adjacent Cell Zone, Rotational——Rotation-Axis Direction——(1,0,0)
10. Mesh Interfaces——Creat/Edit——i1——Interface Zone 1——interface-b-w——Interface Zone 2——interface-b-w_back;i2——Interface Zone 1——interface-d-b——Interface Zone 2——interface-d-b_back; i3——Interface Zone 1——interface-w-d——Interface Zone 2——interface-w-d_back;
11. Solution Methods——Scheme——Coupled;Gradient——Least Squares Cell Based;Pressue——Standard;Momentum——Second Order Upwind;Turbulent Kinetic Energy——Second Order Upwind;Turbulent Dissipation Rate——Second Order Upwind
12. Solution Methods——Hybrid Initialization——Initialize
13. Run Calculation——Time Stepping Method——Fixed;Time Step Size——7.905e-05;Number of Time Steps——990——Calculate
四、变矩器特性的数值计算
经过理论推导，得出液力变矩器叶轮扭矩计算公式
又知变矩器性能计算公式如表1所示，所以扭矩公式计算所得叶轮扭矩带入下式即可计算出对应工况的流场特性。
将稳定情况下采集的数值求解结果带入上述公式即可计算出变矩器特性参数，通过该变矩器全流道瞬态数值模拟方法，最终成功拟合出某型号液力变矩器特性曲线如附图3所示，由此特性曲线即可合理预测大功率高转速液力变矩器特性，如液力效率随速比变化趋势，变矩器比随速比变化趋势以及泵轮容量系数随速比变化趋势。
Claims (6)
1.一种液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：该方法为对液力变矩器进行几何模型建立和模型前处理，建立液力变矩器的全流道网格模型，然后对其进行计算域划分，划分为泵轮流体域、涡轮流体域、导轮流体域及相互流体域间的网格交界面，在不同泵轮与涡轮转速比的工况下，利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析，数值求解所得有效结果代入液力变矩器叶轮扭矩计算公式和液力变矩器性能参数计算公式，拟合出不同工况下液力变矩器特性曲线。
2.根据权利要求1所述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：所述几何模型建立是指结合非均匀有理B样条方法，综合考虑前处理拓扑求解只识别面的特性，采用片体曲面法来生成全流道几何模型。
3.根据权利要求2所述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：所述片体曲面法是根据变矩器模型几何参数先在指定基准面上构建草图即叶片截面形状，该基准面为X、Y或Z面，叶片草图的建立以水平坐标系为参考来确定叶片进出口角度，然后按将叶片草图投影到即将拉伸出叶片的叶轮壳体内曲面上，最后将投影曲线依照具体偏转角度以片体为模型载体生成叶片，同理生成其他空间曲面，在所有曲面都生成后，通过修剪片体，最终生成完全片体几何模型。
4.根据权利要求1所述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：所述模型前处理指在几何模型建立后并对其模型进行划分网格，利用内部面剖分法对网格交界面处的曲面一分为二，生成网格交界面，建立了液力变矩器全流道网格模型。
5.根据权利要求1所述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：利用变矩器工作时油道进口实测流量和进口截面尺寸，即可计算出进口流速，数值模拟过程将泵轮转速设为极限工作转速2且不变，改变涡轮转速，分别计算泵轮与涡轮转速速比为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1的11个工况的流场分布。
6.根据权利要求1所述的液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法，其特征在于：所述利用CFD滑移网格技术对变矩器内流场进行数值模拟和分析的方法为，首先按照现有技术中液力变矩器的设置条件生成网格模型，导入CFD平台经过计算模型选择、材料属性定义、离散格式选择、交界面设置步骤后，进而依次设置边界条件、收敛条件、确定初始化，即开始数值求解，若该数值满足收敛条件则为有效结果，若不满足重新进行上述步骤，如此循环判断直至模型该收敛为止，最后Reports中进行有效结果的提取，对叶片进出口面速度进行面积积分，经过多次试验，最终确定取对应模型面上点的速度平均值带入叶片扭矩计算公式求解扭矩，从而进行特性参数计算。
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