工程机械液力变矩器现代设计方法及应用

李凌云

[摘 要] 液力变矩器是一种叶轮机械，结构复杂，液体在工作轮流道中做黏性不可压缩三维不稳定流动，流场特性比较复杂，性能预测分析以及设计难度很高，研究工程机械液力变矩器的现代设计方法，对提高液力变矩器性能，延长使用寿命有重要意义。

[关 键 词] 液力变矩器；三维流动理论；计算流体动力学

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）22-0144-01

一、設计思路转变

（一）设计方法创新

传统的工程机械液力变矩器设计基于一维束流理论设计，是一个需要大量经验和实验数据的开环系统，设计周期偏长，设计费用高，性能参数难以达到最优，难以满足新时期工程机械发展对液力变矩器设计工作的要求。近些年国内研究人员提出基于三维流动理论进行液力变矩器设计，应用立体力学CFD技术以及激光可视流场技术，开发出具有完全自主知识产权的CAX/CFD集成设计系统，提供直接面向用户需求的集成化一体化设计系统，保证了产品匹配性能以及时效性，同时也为国家工程机械液力变矩器设计提供了新的方法与理论。

（二）关键技术

现阶段，工程机械液力变矩器设计主要面临着流场可视化分析、叶片成型、三维瞬态流场计算等难题，变矩器内部液体不可视，叶片空间曲面复杂，稳态流场计算精度难以保证，受到TC内流场特性认知缺乏的影响，CFD计算建模科学性一般。

（三）工程合作

经过工业生产和工程合作，可以快速将研究成果推广向更多的国内TC制造厂商以及工程机械主机厂，在工程机械液力变矩器生产实践中推动工程机械液力变矩器系统化设计工作的开展，尽快建立工程机械液力变矩器型号谱系，给液力变矩器开发设计以及快速选型工作打好基础，同时在工程应用中进一步丰富设计方法，拓宽其应用领域，提高设计制造水平。

二、工程机械液力变矩器现代设计方法的应用

（一）三维稳态流场计算

传统的一维束流理论忽视了稳态流场计算的时变性，因而计算精度不高，而三维瞬态流场计算方法则通过多流动区域耦合滑动网格法、湍流模型大涡数值模拟、全流道模型等技术，更准确真实地预测流体流动情况以及涡旋、脱流、分离流动等多种不同的流动现象，更准确地做出TC使用性能预测。

1.多流动区域耦合滑动网格法

TC工作过程中，泵轮和涡轮转速不一致，循环流动会导致叶轮交界面上的工作介质同时出现流进流出运动，因此数值计算难以设定固定进出口边界条件，瞬态流场整体模拟比较困难。多流动区域耦合滑动网格法则通过瞬态计算，在计算区域内设置分割网格，对相邻子区域按照运动定义在网格分界面上滑移，通过瞬态分界面通量传递完成不同子域之间的瞬态耦合。

2.涡流模型大涡模拟法

这一方法来自雷诺时间平均算法，改进了雷诺平均方法对湍流细节的忽视，更准确地描述流动分离、涡旋、扩散等现象。大涡模拟数值方法同时具有直接数值模拟和雷诺平均法的特点，放弃了全尺度范围内涡流瞬时运动的模拟，而是使用瞬态N-S方程组对湍流大于所有网格尺寸的涡流进行直接模拟，并依据一定模型将小于网格尺寸涡流对大涡流的影响在大尺寸涡流N-S瞬态运动中表现出来。

3.全流道模型

传统的计算方法存在着计算机计算资源应用程度不高的情况，只建立单流道模型，不能对液力变矩器内部整个流动特性全面反映，应用全流道模型则能够借助滑动网格模拟分析上下游叶轮之间的流动参数和实时通量，从而实现变矩器湍流瞬态流动计算，更好地分析变矩器流动特性以及其原因。计算时叶轮均按照运动定义转动网格，各自分界面也随时间不短变化，使用实时新界面通量传递完成叶轮流动参数实时耦合。

（二）可视化流场分析

1.试验思路

国内研究人员首创使用粒子图像测速技术测量液力变矩器内部流动，解决了内部流场速度标定、单帧与连续帧流速识别提取等一系列难题，实现了液力变矩器内部平面测量，全流动参数精度更高，对TC内部流动特性认识更加深刻，也给数值模拟计算结果验证提供了可行的试验方法。粒子图像测速系统有机械、光学、视频同步以及图像采集四部分功能，使用了透明变矩器实体，并在流场中投放适当浓度的示踪离子，使用激光逆光源照亮流场测量区域，观测示踪离子的运动表征，代表流场流体质点运动，并采集示踪例子流场内的流动图像，识别图像所反映出的粒子运动信息。

2.单帧PTV流速识别与提取

试验中示踪离子浓度一般，可以选择易于识别的单个例子对其运动轨迹进行跟踪，进而确定示踪离子运动速度，记录流场内单个粒子的运动轨迹，单帧三次曝光，将粒子整体运动轨迹划分为三个不同长度的段落，将最长轨迹线设置为箭身，次长轨迹线设置为箭尾，最短轨迹线为箭头，粒子运动方向为从箭尾向箭头，依据速度方向判别准则，可以利用图像处理技术准确识别粒子三段运动轨迹，进而判断粒子运动速度。图像预处理可以确定粒子位移，根据标定结果、曝光时间参数，可以进而确定粒子平均速度。流场内粒子浓度很高，可以使用PIV互相关方法识别并提取流速，划分流场测量区域为大小相等查询區域，并对各个查询区进行互相关分析，迭代计算全流场平均流动速度。

综上所述，主要研究工程机械液力变矩器现代设计方法与应用，分析了工程机械液力变矩器现代设计思路的变化，并对几种现代设计方法的应用进行了探讨。

参考文献：

[1]马文星，刘春宝，雷雨龙，等.工程机械液力变矩器现代设计方法及应用[J].液压气动与密封，2012（10）.

[2]吴光强，王欢.液力变矩器研究综述[J].汽车技术，2009（3）.

[3]李春芾，陈慧岩，陶刚，等.发动机与液力变矩器匹配工作点算法研究[J].农业机械学报，2009（3）.