CN109543219A - 一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统，其方法包括以下几个步骤：S1，制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；S2，根据所述工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；S3，将所述变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；S4，对所述网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；S5，对所述初步模型进行动态参数设置，并使所述动态参数与所述初步模型进行耦合，得到动态模型；S6，对所述动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过所述模拟数值计算出模拟效率值。以该方法能够准确地找出影响液力变矩器流场传动效率的因素，从而加深对流场特性的分析及认识。

Description

一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统

技术领域

本发明涉及液力变距器内流场分析领域，尤其涉及一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统。

背景技术

近年来由于计算机技术和测试技术的发展，国内外利用数值模拟技术和试验技术对液力变矩器内流场进行大量的研究，主要包括流动理论、数值模拟和流场测试三个方面。流动理论是流场设计分析的理论方法，主要包括一维流动理论、二维流动理论和三维流动理论。数值模拟采用三维瞬态数值模拟计算的方式，故能较为准确地预测液流的真实运动情况。

目前传统的液力变矩器内流场分析方法主要依据设计师的经验对工作轮的叶片、内外环等零件采用设计—试制—试验—改进的步骤进行分析。而液力变矩器内部瞬态的三维、粘性、不可压缩的湍流流动是极其复杂的过程，故采用传统的流场研究方式是很难准确地分析出液流极其复杂的运动过程。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种液力变距器内流场的模型分析方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种液力变距器内流场的模型分析方法，包括以下几个步骤：

S1，制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

S2，根据所述工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

S3，将所述变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

S4，对所述网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

S5，对所述初步模型进行动态参数设置，并使所述动态参数与所述初步模型进行耦合，得到动态模型；

S6，对所述动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过所述模拟数值计算出模拟效率值。

本发明的有益效果是：通过计算流体力学建模计算的方法，运用数值模拟和试验研究相结合的方法对液力变矩器内流场中的瞬态速度场和压力场进行分析。能够准确地找出影响液力变矩器流场传动效率的因素，从而加深对流场特性的分析及认识，并为下一轮变矩器的改进设计提供依据，以达到提高变矩器传动性能的目的。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述液力变距器的工作叶轮包括泵轮、涡轮。

进一步，所述模拟数值包括所述涡轮的输出转速n_T和所述涡轮的输出力矩M_T；所述动态参数包括所述泵轮的输入转速n_B和所述泵轮的输入力矩M_B。

进一步，所述S6中通过所述模拟数值计算出模拟效率值的具体方法为：

用所述涡轮的输出转速n_T与所述泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用所述涡轮的输出力矩M_T和所述泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将所述转速比i和所述变矩比K相乘，得到所述模拟效率值η，其表达式如下所示：

采用上述进一步方案的有益效果是通过上述方法计算出的模拟效率值能够准确反映该模型的整体工作效率。

进一步，还包括S7，建立液力传动试验台，将所述动态参数输入到所述液力传动试验台，得到实际数值，并通过所述实际数值计算得到实际效率值；

对比所述实际数值和所述模拟数值是否一致；

对比所述实际效率值和所述模拟效率值是否一致。

采用上述进一步方案的有益效果是通过上述步骤可进行性能试验，是验证液力变矩器的设计可行性、改进设计模型、鉴定实际使用性能以及验证新的设计理念与方法的重要依据。

进一步，所述网格模型的网格类型为六面体单元网格。

采用上述进一步方案的有益效果是这里选用六面体单元网格，因为六面体网格方便计算，速度快，容易收敛。

进一步，所述S4中所述基础参数包括：模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件。

本发明为了解决上述技术问题提供一种液力变距器内流场的模型分析系统。

其技术方案如下：一种液力变距器内流场的模型分析系统包括：

三维模型生成模块，用于制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

全流道几何模型生成模块，用于根据所述工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

网格模型生成模块，用于将所述变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

初步模型生成模块，用于对所述网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

动态模型生成模块，用于对所述初步模型进行动态参数设置，并使所述动态参数与所述初步模型进行耦合，得到动态模型；

分析模块，用于对所述动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过所述模拟数值计算出模拟效率值。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述液力变距器的工作叶轮包括泵轮、涡轮；所述模拟数值包括所述涡轮的输出转速n_T和所述涡轮的输出力矩M_T；所述动态参数包括所述泵轮的输入转速n_B和所述泵轮的输入力矩M_B。

所述分析模块还用于通过以下方法计算所述模拟效率值；

用所述涡轮的输出转速n_T与所述泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用所述涡轮的输出力矩M_T和所述泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将所述转速比i和所述变矩比K相乘，得到所述模拟效率值η，其表达式如下所示：

进一步，所述网格模型的网格类型为六面体单元网格；

所述基础参数包括：模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例中泵轮的三维模型图；

图3为本发明实施例中涡轮的三维模型图；

图4为本发明实施例中导轮的三维模型图；

图5为本发明实施例中全流道几何模型图；

图6为本发明实施例中网格模型图；

图7为本发明实施例中高速工况下泵轮压力场分布图；

图8为本发明实施例中高速工况下涡轮压力场分布图；

图9为本发明实施例中高速工况下导轮压力场分布图；

图10为本发明实施例中高速工况下泵轮速度场分布图；

图11为本发明实施例中高速工况下涡轮速度场分布图；

图12为本发明实施例中高速工况下导轮速度场分布图；

图13为本发明实施例中的原始特性曲线；

图14为本发明实施例中的试验结果拟合原始特性曲线图；

图15为本发明实施例中的原始特性曲线对比分析图；

图16为本发明的系统原理框图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种液力变距器内流场的模型分析方法，包括以下几个步骤：

S1，制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

S2，根据工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

S3，将变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

S4，对网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

S5，对初步模型进行动态参数设置，并使动态参数与初步模型进行耦合，得到动态模型；

S6，对动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过模拟数值计算出模拟效率值。

在实际应用场景中，首先通过在UG软件中建立液力变矩器各个工作叶轮的三维模型，其中，工作叶轮包括了泵轮、涡轮、导轮，具体的其工作叶轮的三维模型如图2、图3、图4所示：

然后将泵轮、涡轮、导轮的三维模型进行组合，以此建立流道模型。工作流道主要由各个工作轮中除去内环、外环和叶片的空间，加上各工作轮之间的无叶片区构成的密封空间。

需要说明的是，由于液力变矩器的实体结构模型中各个工作轮之间存在间隙，流道不完全封闭，所以建立流道模型时需要进一步处理流道模型使得液力变矩器整个循环流道封闭。

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，为了更真实地描述内部流动状态，故建立全流道模型。最终建立液力变矩器全流道模型如图3所示。

变矩器全流道几何模型建立之后，将变矩器全流道几何模型导入FLUENT自带的网格划分软件Mesh进行前处理，生成网格模型，网格类型为六面体单元网格，因为六面体网格方便计算，速度快，容易收敛，建立的全流道网格模型如图5所示；建立的网格模型如图6所示。

然后，对网格模型进行基础参数设置，其中，基础参数包括模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件，这里采用FLUENT软件，基础参数设置时可直接在FLUENT软件中选择RNG k-ε流场模型，数值模拟方法设置为有限体方法，设置为瞬态分析，速度-压力耦合算法设置为SIMPLEC算法，离散格式设置为二阶迎风格式，定义材料，设置相应的边界条件后即得到初步模型可进行数值模拟计算，具体设置的步骤如下：

(1)Solver Type选择pressure-Based,Velocity Formulation选择Absolute；

(2)3D Time选择Transient；

(3)求解模型Viscous Model选择k-epsilon[2eqn](湍流模型)；

(4)定义材料选用benzene-liquid[c6h6<I>]；

(5)Solution Controls中选择SIMPLEC；

(6)迭代过程中改变亚松驰因子(Relaxation Factors)有利于收敛；

(7)边界条件设置为滑动运动，即可实现三个工作叶轮的实时动态数据耦合。

需要说明的是，目前液体流动可以分为两种本质不同的类型：一种是光滑流动，即流体的压力、速度等物理参数随时间和空间的变化是光滑的，这种流动称为层流，与其相反的情况称为湍流(或紊流)，即湍流的压力、速度等物理参数随时间和空间都以不光滑的方式变化着，这种变化称为脉动。根据液力变矩器流场特性分析后认为流场流动情况为湍流运动。

综合考虑模型计算的精度、稳定性和收敛速度以及所用的计算机的计算能力，对比分析认为RNG k-ε模型是最优的。RNG k-ε模型计算精度高、稳定性好、收敛速度快，能够比较准确地反映湍流粘性系数对湍流流动产生的影响，常用于流场瞬态数值模拟计算中。

接下来，即可在Fluent中输入动态参数，得到动态模型，计算得出模拟数值。在此，将泵轮的输入力矩M_B设置为1700r/min，则根据转速比i的不同，即可对各个工况下的内流场进行数值模拟分析，其中，模拟数值包括涡轮的输出转速n_T和涡轮的输出力矩M_T；动态参数包括泵轮的输入转速n_B和泵轮的输入力矩M_B。下面对高效工况(i＝0.8)下各个工作轮中压力场和速度场进行分析：

如图7-9所示：为高速工况(i＝0.8)下压力场的分布，在该工况下，数值求解所得3个叶轮流场压力分布云图。图7为泵轮流场压力分布云图、图8位涡轮流场压力分布云图、图9为导轮流场压力分布云图，在高效工况(i＝0.8)下泵轮转速为1700r/min，涡轮转速为1360r/min，导轮固定不动。在该工况下，泵轮压力沿着液流的流动方向呈现出不规则性，正负压力梯度仍然是交替出现的，工作面和非工作面与外环相邻近的区域都出现了相对的高压区，而在与内环相邻近的区域则出现了相对的低压区。在涡轮中，压力分布总体上比较均匀，这是因为高效工况时，液流无冲击进入涡轮使得流动状况有很大改善。在导轮中，压力场变化较小，由于导轮一直是处于静止状态，尽管转速比越来越大，内部流场的压力分布基本不变。

如图10-12所示：为高速工况(i＝0.8)下速度场的分布，在该高速工况下，液力变矩器全流道数值求解所得3个叶轮流场速度分布云图。其中，图10位泵轮的速度场分布图、图11位涡轮的速度场分布图、图12位导轮的速度场分布图，在该工况下，泵轮速度矢量的分布情况基本不变。在涡轮中，该工况下的速度分布要明显比起动工况时的速度分布均匀。因此，在变矩器设计时，涡轮的入口角应满足无冲击入口条件，这样就使得涡轮的流动状况有了很大改善，内部流场的速度矢量的分布也是比较均匀的。在导轮中，由于导轮在这三种工况下都是处于静止状态，且从涡轮流出的工作液体的流动状态都相差不大，从而使得导轮内部流场的速度矢量的分布状态在这三种工况下都相差不大。

需要说明的是，以上只是高速工况(i＝0.8)下内流场的压力场和速度场，同理可通过调整动态参数对各个工况下的流场都进行数值模拟计算，得到不同工况下的模拟数值。

接下来，可进一步通过以下方法计算模拟效率值；

用涡轮的输出转速n_T与泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用涡轮的输出力矩M_T和泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将转速比i和变矩比K相乘，得到模拟效率值η，其表达式如下所示：

其中涡轮输出转速与泵轮输入转速的比值为转速比i，用来表示液力变矩器的工况。n_B为固定值1700r/min。泵轮的输入转矩M_B和涡轮的输出转矩M_T可以通过数值模拟计算从FLUENT后处理CFD-POST中得到。而变矩比K为涡轮输出力矩M_T与泵轮输入力矩M_B之比。它用来表示液力变矩器对力矩的改变能力。

通过上述方法计算整理可得号液力变矩器数值模拟的数据，计算结果如表1所示：

表1数值模拟数据

将表1中数值模拟得到的参数拟合成原始特性曲线如图13所示，通过该原始特性曲线可以与后续试验所得原始特性曲线对比，从而验证数值模拟的正确性。

最后，可通过性能试数值模拟的正确性，性能试验是验证液力变矩器的设计可行性、改进设计模型、鉴定实际使用性能以及验证新的设计理念与方法的重要依据。

具体的，可建立液力传动试验台，将动态参数输入到液力传动试验台，得到实际数值，并通过实际数值计算得到实际效率值；

对比实际数值和模拟数值是否一致；

对比实际效率值和模拟效率值是否一致。

需要说明的是，液力传动试验台为现有产品广泛用于此领域的性能试验，并且不属于本方案的改进点，故不赘述。

在实际应用场景中，根据QC/T 557-1999《汽车用液力变矩器台架试验方法》，GB/T7680-2005《液力变矩器性能试验方法》、JB/T 10762-2007《液力变矩器可靠性试验方法》、QC/T463-1999《汽车用液力变矩器技术条件》四项相关试验规范进行特性试验，试验选用定转速法，其中输入转速为n_B＝1700r/min，测得的试验数据如下：

表2性能试验数据

将三组试验数据整理后，将所有数据拟合成原始特性曲线，如图14所示：

再将性能试验结果与数值模拟结果进行对比分析，对两组数据拟合成的原始特性曲线进行对比分析，如图15所示：

从图15中可以看出，液力变矩器内流场数值模拟的原始特性曲线与试验所得的原始特性曲线已经非常吻合，计算误差在5％以内，能准确的反应出该型液力变矩器在不同工况下，变矩比K和传动效率η随着转速比i变化而改变的具体情况。从图中可以看出，随着涡轮转速的增大(转速比i增大)，数值模拟得到各个工况下的变矩比和传动效率与试验所得参数变化趋势一致，且数值误差较小。从图中可以看出导轮开始反转即液力变矩器变成液力耦合器的耦合点(效率拐点)出现位置几乎一致，此时转速比约为0.81。另外，数值模拟结果也能基本满足上述原始特性试验要求，即K≥2.5，最高效率η_max虽未达到80％但已非常接近于80％。

由此可知，本实施例通过该分析方法对液力变矩器的数值模拟是有效的，数值模拟的结果能准确反应各个工况下的流场中各个工作轮中压力和速度的分布情况，能够对液力变矩器改型设计提供理论指导，能够为后续液力变矩器传动性能提升提供数据参考。以此为例，对其它型号的液力变矩器也应适用，该方法突破了原有一元束流设计理论，可以缩短设计周期，减少试验次数，提高设计精度，改善产品的传动效率，对新产品设计开发和现有产品改型提供强有力的技术支撑。

如图16所示：本实施例的一种液力变距器内流场的模型分析系统，包括：

三维模型生成模块，用于制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

全流道几何模型生成模块，用于根据工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

网格模型生成模块，用于将变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

初步模型生成模块，用于对网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

动态模型生成模块，用于对初步模型进行动态参数设置，并使动态参数与初步模型进行耦合，得到动态模型；

分析模块，用于对动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过模拟数值计算出模拟效率值。

优选地，液力变距器的工作叶轮包括泵轮、涡轮；模拟数值包括涡轮的输出转速n_T和涡轮的输出力矩M_T；动态参数包括泵轮的输入转速n_B和泵轮的输入力矩M_B。

分析模块还用于通过以下方法计算模拟效率值；

用涡轮的输出转速n_T与泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用涡轮的输出力矩M_T和泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将转速比i和变矩比K相乘，得到模拟效率值η，其表达式如下所示：

优选地，网格模型的网格类型为六面体单元网格；

基础参数包括：模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1，制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

S2，根据所述工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

S3，将所述变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

S4，对所述网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

S5，对所述初步模型进行动态参数设置，并使所述动态参数与所述初步模型进行耦合，得到动态模型；

S6，对所述动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过所述模拟数值计算出模拟效率值。

2.根据权利要求1所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，所述液力变距器的工作叶轮包括泵轮、涡轮。

3.根据权利要求2所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，所述模拟数值包括所述涡轮的输出转速n_T和所述涡轮的输出力矩M_T；所述动态参数包括所述泵轮的输入转速n_B和所述泵轮的输入力矩M_B。

4.根据权利要求3所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，所述S6中通过所述模拟数值计算出模拟效率值的具体方法为：

用所述涡轮的输出转速n_T与所述泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用所述涡轮的输出力矩M_T和所述泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将所述转速比i和所述变矩比K相乘，得到所述模拟效率值η，其表达式如下所示：

5.根据权利要求1-4任一项所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，还包括S7，建立液力传动试验台，将所述动态参数输入到所述液力传动试验台，得到实际数值，并通过所述实际数值计算得到实际效率值；

对比所述实际数值和所述模拟数值是否一致；

对比所述实际效率值和所述模拟效率值是否一致。

6.根据权利要求1-4任一项所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，所述网格模型的网格类型为六面体单元网格。

7.根据权利要求1-4任一项所述一种液力变距器内流场的模型分析方法，其特征在于，所述S4中所述基础参数包括：模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件。

8.一种液力变距器内流场的模型分析系统，其特征在于，包括：

三维模型生成模块，用于制作液力变距器的工作叶轮的三维模型；

全流道几何模型生成模块，用于根据所述工作叶轮的三维模型建立变矩器全流道几何模型；

网格模型生成模块，用于将所述变矩器全流道几何模型进行网格划分处理，得到网格模型；

初步模型生成模块，用于对所述网格模型进行基础参数设置并仿真，得到初步模型；

动态模型生成模块，用于对所述初步模型进行动态参数设置，并使所述动态参数与所述初步模型进行耦合，得到动态模型；

分析模块，用于对所述动态模型进行压力场分析和速度场分析，得到模拟数值，并通过所述模拟数值计算出模拟效率值。

9.根据权利要求8所述一种液力变距器内流场的模型分析系统，其特征在于，所述液力变距器的工作叶轮包括泵轮、涡轮；所述模拟数值包括所述涡轮的输出转速n_T和所述涡轮的输出力矩M_T；所述动态参数包括所述泵轮的输入转速n_B和所述泵轮的输入力矩M_B；

所述分析模块还用于通过以下方法计算所述模拟效率值；

用所述涡轮的输出转速n_T与所述泵轮的输入转速n_B的比值作为转速比i，其表达式如下所示：

用所述涡轮的输出力矩M_T和所述泵轮的输入力矩M_B的比值的相反数作为变矩比K，其表达式如下所示：

将所述转速比i和所述变矩比K相乘，得到所述模拟效率值η，其表达式如下所示：

10.根据权利要求8或9所述一种液力变距器内流场的模型分析系统，其特征在于，所述网格模型的网格类型为六面体单元网格；

所述基础参数包括：模型类型、分析类型、速度-压力耦合算法、离散格式、定义材料、边界条件。