叶片楔角对液力缓速器内流场的影响分析

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第 l4卷 第 5期2013年 1O月北华大学学报(自然科学版)JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)Vo1．14 No．50ct．2013文章编号：1009-4822(2013)05-0613~4 DOI：10．11713／j．issn．1009-4822．2013．05．031叶片楔角对液力缓速器内流场的影响分析吕金贺，褚亚旭(北华大学汽车与建筑工程学院，吉林 吉林 132013)摘要：基于 CFD软件平台，利用滑移网格法 ，采用 RNG模型和 SIMPLEC算法对不同楔角的液力缓速器进行三维数值模拟，得出了液力缓速器内部流场的压力及速度分布云图，在此基础上对制动转矩进行 比较．结果表明：随着制动叶片楔角的逐渐减小，制动转矩逐渐增加.

关键词：液力缓速器；叶片楔角；CFD中图分类号：TH137．331 文献标志码：AEffect of Blade W edge Angle on Internal Characteristicof Hydraulic RetarderLV Jin—he，CHU Ya—XO(Vehicle and Construction Engineering School of Beihua University，Jilin 132013，China)Abstract：Based on CFD software platform，the numerical simulation of internal characteristic O{hydraulicretarder was performed by moving mesh method with the RNG turbulence model and the SIMPLEC algorithmsimuhaneously，the internal characteristics of velocity and pressure distribution were analyzed through thenumerical simulation and post—processing．Comparing the calculation braking torque with the simulation results，the brake increases with the blade wedge angle increasing.

Key words：hydraulic retarder；blade wedge angle；CFD液力缓速器是一种重要的辅助制动装置，国外已普遍使用．近年来，国内目益重视车辆行驶的安全性，很多新研制及已投入使用的载重车辆、公交车辆和工程车辆也已经将其作为一个标准配置 ．但就国内来说，关于液力缓速器的许多设计理论不是很完善，很多现有产品还是以仿制品居多 j．现在的分析计算还是以束流理论为基础，虽然束流理论可在一定水平上表示产品的宏观性能与设计参数之间的关系，但其对流体机械内流场所作的一系列假设还不足以全面表示流场的内外特性．随着计算流体动力学技术的快速发展，CFD技术在模拟流体机械领域的应用更加广泛 .

叶片楔角是影响液力缓速器制动性能的重要因素之一，以往我国液力缓速器的叶片大部分是靠经验进行设计，或借用液力偶合器和液力变矩器的叶片参数．因此，本研究应用 CFD技术探讨不同叶片楔角对液力缓速器缓速性能的影响 .

1 液力缓速器的工作原理液力缓速器由泵轮(转子)、涡轮(定子)及快速充放油机构和减少泵气损失的机构组成 ]．如图 1所收稿日期：2013-07 2基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项 目(2009．137).

作者简介：吕金贺(1987一)，男 ，硕士研究生，主要从事液力传动研究；通信作者 ：褚亚旭(1964～)，男，教授，博士，硕士生导师，主要从事液力传动技术研究6l4 北华大学学报(自然科学版) 第 l4卷示，当液力缓速器工作时，工作流道内的工作液做三维不稳定的复杂运动，同时也有能量交换．液力缓速器的一 个_I：作循环通常可分为4个工作过程：充油过程 、制动转矩产生过程、工作液热交换过程和回油过程．它们相互交错且不存在时间上的先后顺序，形成了一个完整、有序的循环过程，周而复始直至制动结束.

2 CFD数值模拟比例阀系统进气压力管稳压管油箱压 匀调节阀i：作腔通气管图 l 液力缓速器工作过程汁算 流体力 学，简称 CFD(Computational F1uid F g·l Working proces of the hydraulic retarderDynamics)是对包括流体流动及热传导等在内的相关物理现象所做的分析．CFD的基本思想可归纳为将原始时问和空间域上的连续物理场用一系列有限个离散点变量值的集合进行替代，通过某种原则和方式建立这些离散点变量之间关系的方程组，再用求解代数方程组的方法获得场变量的近似值 。.

用CFD技术分析非稳态下的液力缓速器的瀛场，需要在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程)的控制下进行数值模拟，进而分析复杂≥维流场中缓速器各个参数的变化规律，对所关心的参数进行后处娌，如转矩、叶片等.

2。1 控制方程由于在液力缓速器正常工作时，流道中的工作液受叶片环绕流影响H其本身具有湍流强度，因此液力缓速器流道中的 [作液运动是不可压缩的黏性三维运动.

为_『在进行数值模拟时更好地适应液力缓速器回转壁面的特点，汁算时就要考虑稳定性好 日‘能保证一 定计算精度的湍流模 ，因此在对液力缓速器进行数值模拟时，本文采用了 RNG k-e模型．RNG k-e湍流模 可以模拟带弯曲壁面的情况且在汁算时修正了湍流强度．与标准 k-e湍流模型相比，RNG k-e湍流模能更好地用于旋转 、漩涡、强流线弯曲等运动问题．RNG k-e湍流模型的 方程及 e方程分别为景( 十嚣 =羔 “ 尝) “ — s ，， 、 ，(1)杀(P )十羔( “ )：著( 簧)+ }( +C， +G )一 p 一 。¨，式中：G 为平均速度梯度引起的湍流动能 的产生项，G ：／．C( + ；G 为浮力引起的湍流动能 ＼
i i f( i的产生项，对于不叮压流动G =0；C、 ，C2 ，C3 为经验系数，C =1．42，C =1．92，C =1．68；o- ，O- 分别为 ， 对应的Prandtl数，r， =r， 1．33；s ，S 为用户定义的源项；／z = +／z ，高Reyno]ds数情况 ，／z州叮用 ，替代 。.

图2为液力缓速器内流道的提取模型．液力缓速器进行数值模拟时各参数的取值分别为循环圆外径R=147．5 Film，循环圆内径 r=1 16 lilnl，转子与定子的叶片数 目分别为36和34，叶片倾角为40。，循环 形状为长圆形，在转速 n =1 200 r／min，全充液条件下进千亍计算.

2．2 网格划分将全流道模型转换成．igs格式文件，其导人 FLUENT前处理软件 GAMBIT中，使用适应性较强的 T／Grid网格形式进行混合网格(mix meshes)的划分．为了能真实地模拟复杂非稳态的黏性 维流场，使用能够 自适应的网格技术对面网格进行加密 J.

2．3 计算模型的建立在对液乃缓速器进行数值模拟时，进行几个基本假设：1)液力缓速器在正常_I二作时，为避免动轮与定轮图 2 液力缓速器流道提取模型Fig．2 Extraction model of hydraulic retarder第5期 吕金贺，等：叶片楔角对液力缓速器内流场的影响分析 615之间相碰，在两轮之问存在大约 3 1TIH1的轴向距离，约为整个循环圆直径的 1％，因其对整个流场的影响极小，故将其视为两侧流道的延伸；2)在进行数值计算时，忽略了为避免空损而设置的装置对液力缓速器的影响；3)由于工作液在正常工作时变化很小，因此可将其假设为常数．工作液符合SAE10W30标准，密度为876 kg／m ，动力学黏度为0．009 kg／(m·S)；4)将叶轮的叶片与壳体设置为刚体；5)忽略工作液在工作过程中的温度变化；6)忽略工作轮问泄露的工作液.

由于液力缓速器的流道没有内环这一结构，因此工作液的流进与流出处在同一平面上，且没有严格的区分界限，所以需人为地设置入口边界与出口边界.

由束流理论可知，在液力缓速器的工作过程中，动轮叶片带动工作液进行高速旋转，工作液在定轮和动轮工作腔所组成的流道内循环流动，工作液在内流道中既有随工作轮的旋转运动，也有沿叶片方向的相对运动．因定轮固定不动而动轮高速旋转，所以在计算时将其设置为惯性参考系，固定壁面边界设置为静止墙，所以其流动即为绝对运动，而动轮设置为相对参考系，固定壁面边界与参考系固连，同时设置动轮以一 定的转速绕中心轴线旋转．为了更好地模拟工作液同时流进与流出的现象，采用滑移网格法对液力缓速器进行模拟.

2．4 迭代计算方法在数值模拟中，应用最为广泛的仍是基于压力修正法的 SIMPLE算法，但为了提高计算速度和求解方便，本文采用 SIMPLEC算法．SIMPLEC算法可更好地解决速度修正值和压力修正值不一致的问题，其较快的计算速度可使整体计算时间减少.

3 仿真计算结果分析从图3中可以看出：随着叶片楔角的逐渐减小，制动转矩逐渐增大，当叶片楔角为 20。时，制动转矩最大．但随着楔角的逐渐增加，叶片厚度逐渐减小 ，考虑到叶片强度的问题，取26。，28。和 20。3个模型进行比较，其中方案 1的叶片楔角为26。，方案2的叶片楔角为28。，方案 3的叶片楔角为30。.

图4为不同楔角在 R=140 mm处的静压分布．从 一 6图4可以看出：虽然各云图中的楔角不同，但其静压分布大致相同，都呈现出明显的层状分布特性．由于工作液在外环与叶片压力面的夹角处冲击量大，且工作液 菇 2在此处发生了转向，因此在此处产生了高压(图中 I， 嚣Ⅱ，Ⅲ)，而吸力面与叶片楔角的转折处在高速工作液的冲击下产生了局部低压 (图中Ⅳ，V，VI)；随着叶片楔角的逐渐减小，弦面静压值呈递增的趋势，即静压值静压从方案 1的3．32×10。Pa增加到方案2的3．73×图3 制动力矩随叶片楔角变化Change of braking torque with wedge bladel0。Pa，最后增加到方案3的5．11×10。Pa．由于方案 1中叶片楔角的减小使得叶片的厚度也随之减小，使得在叶片前缘与叶片压力面产生了5．11 X 10。Pa的高压，因此，虽然叶片楔角减小会使得制动转矩增加，但叶片的强度受到了限制，因此叶片楔角并不是越小越好，所以选择既可以提高制动转矩，又可以保证叶片强度的叶片楔角就显得尤为重要.

图5为不同叶片楔角的速度矢量分布，随着楔角的减小，工作液进入定轮的截面积增加，使循环流量增加 ，进而使制动转矩增大．从云图中可以看出：楔角越小，循环圆中心处的相对速度就越大，液流冲击角增加，使得冲击损失变大．虽然方案 1与方案 2的最大速度均为 122 m／s，但方案 1的相对速度差值更大，因此能量损失更大，更易产生制动转矩．由于叶片楔角减小，液力缓速器进出油流量明显增加，因此方案 1中循环圆中心处速度明显大于方案2与方案 3.