液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，該方法為對液力變矩器進(jìn)行幾何模型建立和模型前處理，建立液力變矩器的全流道網(wǎng)格模型，然后對其進(jìn)行計(jì)算域劃分，劃分為泵輪流體域、渦輪流體域、導(dǎo)輪流體域及相互流體域間的網(wǎng)格交界面，在不同泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比的工況下，利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，數(shù)值求解所得有效結(jié)果代入液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式和液力變矩器性能參數(shù)計(jì)算公式，擬合出不同工況下液力變矩器特性曲線，本發(fā)明重點(diǎn)研究其液力變矩器流場特性，能在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝備下進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)周期短，成本低。
【專利說明】液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，屬于液壓設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]液力變矩器內(nèi)流場是液力機(jī)械變速裝置內(nèi)的核心研究對象，至今各企業(yè)對變矩器特性預(yù)測多以臺(tái)架實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)平臺(tái)，但這一過程除了存在實(shí)驗(yàn)周期長、成本高等問題外，最關(guān)鍵的難題是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)對于大功率高轉(zhuǎn)速變矩器的特性預(yù)測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是:提供一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備下對大功率高轉(zhuǎn)速變矩器的特性預(yù)測，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案
一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，該方法為對液力變矩器進(jìn)行幾何模型建立和模型前處理，建立液力變矩器的全流道網(wǎng)格模型，然后對其進(jìn)行計(jì)算域劃分，劃分為泵輪流體域、渦輪流體域、導(dǎo)輪流體域及相互流體域間的網(wǎng)格交界面，在不同泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比的工況下，利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，數(shù)值求解所得有效結(jié)果代入液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式和液力變矩器性能參數(shù)計(jì)算公式，擬合出不同工況下液力變矩器特性曲線。
[0005]前述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法中，所述幾何模型建立是指結(jié)合非均勻有理B樣條方法，綜合考慮前處理拓?fù)淝蠼庵蛔R(shí)別面的特性，采用片體曲面法來生成全流道幾何模型。
[0006]前述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法中，所述片體曲面法是根據(jù)變矩器模型幾何參數(shù)先在指定基準(zhǔn)面上構(gòu)建草圖即葉片截面形狀，該基準(zhǔn)面為x、Y或Z面，葉片草圖的建立以水平坐標(biāo)系為參考來確定葉片進(jìn)出口角度，然后按將葉片草圖投影到即將拉伸出葉片的葉輪殼體內(nèi)曲面上，最后將投影曲線依照具體偏轉(zhuǎn)角度以片體為模型載體生成葉片，同理生成其他空間曲面，在所有曲面都生成后，通過修剪片體，最終生成完全片體幾何模型，
前述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法中，所述模型前處理指在幾何模型建立后并對其模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，利用內(nèi)部面剖分法對網(wǎng)格交界面處的曲面一分為二，生成網(wǎng)格交界面，建立了液力變矩器全流道網(wǎng)格模型。
[0007]前述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法中，利用變矩器工作時(shí)油道進(jìn)口實(shí)測流量和進(jìn)口截面尺寸，即可計(jì)算出進(jìn)口流速，數(shù)值模擬過程將泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)為極限工作轉(zhuǎn)速2且不變，改變渦輪轉(zhuǎn)速，分別計(jì)算泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速速比為0、0.1,0.2,0.3,0.4,0.5、
0.6,0.7,0.8,0.9、I的11個(gè)工況的流場分布。
[0008]前述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法中，所述利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的方法為，首先按照現(xiàn)有技術(shù)中液力變矩器的設(shè)置條件生成網(wǎng)格模型，導(dǎo)入CFD平臺(tái)經(jīng)過計(jì)算模型選擇、材料屬性定義、離散格式選擇、交界面設(shè)置步驟后，進(jìn)而依次設(shè)置邊界條件、收斂條件、確定初始化，即開始數(shù)值求解，若該數(shù)值滿足收斂條件則為有效結(jié)果，若不滿足重新進(jìn)行上述步驟，如此循環(huán)判斷直至模型該收斂為止，最后R印orts中進(jìn)行有效結(jié)果的提取，對葉片進(jìn)出口面速度進(jìn)行面積積分，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定取對應(yīng)模型面上點(diǎn)的速度平均值帶入葉片扭矩計(jì)算公式求解扭矩，從而進(jìn)行特性參數(shù)計(jì)算。
[0009]由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明為對液力變矩器進(jìn)行幾何模型建立和模型前處理，建立液力變矩器的全流道網(wǎng)格模型，然后對其進(jìn)行計(jì)算域劃分，劃分為泵輪流體域、渦輪流體域、導(dǎo)輪流體域及相互流體域間的網(wǎng)格交界面，在不同泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比的工況下，利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，數(shù)值求解所得有效結(jié)果代入液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式和液力變矩器性能參數(shù)計(jì)算公式，擬合出不同工況下液力變矩器特性曲線，本發(fā)明重點(diǎn)研究其液力變矩器流場特性，能在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝備下進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)周期短，成本低。
[0010]附圖1為變矩器全流道CFD數(shù)值求解方法流程圖；
附圖2為液力變矩器幾何模型圖；
附圖3為本實(shí)施例中某型號(hào)液力變矩器特性曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的任何限制。
[0012]本發(fā)明的實(shí)施例:一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，該方法為對液力變矩器進(jìn)行幾何模型建立和模型前處理，建立液力變矩器的全流道網(wǎng)格模型，然后對其進(jìn)行計(jì)算域劃分，劃分為泵輪流體域、渦輪流體域、導(dǎo)輪流體域及相互流體域間的網(wǎng)格交界面，在不同泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比的工況下，利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，數(shù)值求解所得有效結(jié)果代入液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式和液力變矩器性能參數(shù)計(jì)算公式，擬合出不同工況下液力變矩器特性曲線。
[0013]具體實(shí)施步驟為:
一、幾何模型建立
由于單一流道模型存在很多假設(shè)，比如流道的周期性假設(shè)，內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定性假設(shè)，液體不可壓縮假設(shè)等，而變矩器的真實(shí)流動(dòng)是不具周期性的，是隨時(shí)變化且液體可壓縮的瞬態(tài)流動(dòng)過程，為了更為真實(shí)地描述內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，因此建設(shè)了變矩器全流道幾何模型，該幾何模型的難點(diǎn)在于變矩器內(nèi)部葉片工作面、葉片進(jìn)出口圓弧面、導(dǎo)環(huán)回轉(zhuǎn)面等空間曲面的建立，結(jié)合非均勻有理B樣條方法，綜合考慮前處理拓?fù)淝蠼庵蛔R(shí)別面的特性，同時(shí)降低建模的復(fù)雜性，在幾何建模時(shí)形成了一種新的片體曲面法來生成全流道幾何模型，片體曲面法是根據(jù)模型幾何參數(shù)先在指定基準(zhǔn)面上構(gòu)建草圖即葉片截面形狀，葉片草圖的建立以水平坐標(biāo)系為參考來確定葉片進(jìn)出口角度，然后將葉片草圖投影到即將拉伸出葉片的葉輪殼體內(nèi)曲面上，最后將投影曲線依照具體偏轉(zhuǎn)角度以片體為模型載體生成葉片；同理，生成其他空間曲面如導(dǎo)環(huán)回轉(zhuǎn)面等；在所有曲面都生成后，通過修剪片體，確定保留與舍棄部分，最終生成完全片體幾何模型，如附圖2所示。
[0014]二、模型前處理
液力變矩器全流道幾何模型建立之后，即可進(jìn)行模型前處理，生成網(wǎng)格模型。變矩器是多級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，三個(gè)葉輪之間均存在相互轉(zhuǎn)動(dòng)，在網(wǎng)格劃分過程就需要通過相關(guān)局部的整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，通過滑移面即網(wǎng)格交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)。其中，網(wǎng)格交界面的建立就是關(guān)鍵，交界面的生成方法主要有兩種，一種是單個(gè)Part分別生成網(wǎng)格，最后逐個(gè)導(dǎo)入合為一個(gè)完整全流道網(wǎng)格模型，其中每個(gè)Part之間就會(huì)自動(dòng)識(shí)別為交界面；另一種網(wǎng)格交界面方法即是這里所采用的內(nèi)部面剖分法，該方法既簡單操作性又強(qiáng)，前提條件是先對全流道模型劃分網(wǎng)格，然后檢查并且提高現(xiàn)有網(wǎng)格質(zhì)量，尤其保證網(wǎng)格交界面的網(wǎng)格質(zhì)量，否則后面的剖分工作將不能成功進(jìn)行，最后將該曲面一分為二，即生成了網(wǎng)格交界面，由此建立全流道網(wǎng)格模型。 三、數(shù)值求解方法
根據(jù)該型變矩器工作時(shí)油道進(jìn)口實(shí)測流量和進(jìn)口截面尺寸，即可計(jì)算出進(jìn)口流速，數(shù)值模擬過程將泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)為極限工作轉(zhuǎn)速2300r/min且不變，改變渦輪轉(zhuǎn)速，分別計(jì)算速比從O 至Ij I 區(qū)間 11 個(gè)工況(i=0，0.1,.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9，I)的流場分布。另夕卜，滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值求解方法的最關(guān)鍵步驟，即是計(jì)算域的劃分和每個(gè)計(jì)算域之間網(wǎng)格交界面的建立，計(jì)算域的劃分需要根據(jù)變矩器實(shí)際工況，將整個(gè)流體域劃分為3個(gè)計(jì)算域，即泵輪流體域、渦輪流體域和導(dǎo)輪流體域，泵輪流體域設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其中必須依據(jù)幾何模型建立時(shí)的方位來正確建立旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)，同樣渦輪流體域也設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，但是與泵輪存在相對轉(zhuǎn)速，導(dǎo)輪流體域則設(shè)為靜域，進(jìn)而在它們之間建立3個(gè)網(wǎng)格交界面進(jìn)行流體域之間的數(shù)據(jù)傳遞，變矩器全流道CFD數(shù)值求解方法具體流程如附圖1所示。
[0015]該數(shù)值求解方法的判斷依據(jù)即是求解過程是否收斂，根據(jù)具體模型合理確定收斂條件數(shù)量級(jí)，每一個(gè)待分析的變矩器模型都可通過以下流程完成特性預(yù)測，從殘差曲線圖可判斷計(jì)算是否收斂，若不能收斂，則需調(diào)整相關(guān)條件設(shè)置重新生成網(wǎng)格模型，接著導(dǎo)入CFD平臺(tái)經(jīng)過計(jì)算模型的選擇、材料屬性定義、離散格式選擇、交界面設(shè)置等步驟，進(jìn)而調(diào)整邊界條件和收斂條件的設(shè)置，選定初始場，完成初始化，即開始數(shù)值求解，如此循環(huán)判斷直至模型收斂為止，最后Reports中進(jìn)行有效結(jié)果的提取，對葉片進(jìn)出口面速度進(jìn)行面積積分，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定取面上點(diǎn)的速度平均值帶入葉片扭矩計(jì)算公式求解扭矩，從而進(jìn)行特性參數(shù)計(jì)算。
[0016]以下是本實(shí)施例的一個(gè)具體參數(shù)代入流程:
1.General-Time-Transient;
2.Models-K-epsilon-Realizable-Standard Wall Funct1ns
3.Materials-gasoil—liquid
4.Cell Zone Condit1ns-fluid—b-Mesh Mot1n-Rotat1n-Axis
Direct1n- (1，0，0) -Speed-2300rpm
5.Cell Zone Condit1ns-fluid—w-Mesh Mot1n-Rotat1n-Axis
Direct1n- (1，0，0) -Speed-1840rpm(i=0.8)
6.Boundary Condit1ns-1nlet-Type-velocity-1nlet-Velocity
Magnitude-3.967m/s; Specificat1n Method-1ntensity and Length Scale
7.Boundary Condit1ns-outlet-Type-pressure-out let-Gauge
Pressure (pascal)-200000; Specificat1n Method-1ntensity and Length Scale8.Boundary Condit1ns-wall-benglun-Type-wall-Moving Wall,
Relative to Adjacent Cell Zone, Rotat1nal-Rotat1n-Axis Direct1n-
(1,0, 0)
9.Boundary Condit1ns-wal 1-wolun-Type-wall-Moving Wall,
Relative to Adjacent Cell Zone, Rotat1nal-Rotat1n-Axis Direct1n-
(1,0,0)
10.Mesh Interfaces-Creat/Edit-1 1-1nterface Zone 1-1nterface-b-w-1nterface Zone 2-1nterface—b—w—back; i2-1nterface Zone
1-1nterface—d—b-1nterface Zone 2-1nterface—d—b—back; i3-1nterface
Zone 1-1nterface-w-d-1nterface Zone 2-1nterface—w—d—back;
11.Solut1n Methods-Scheme-Coupled;Gradient-Least Squares Cell
Based;Pressue-Standard;Momentum-Second Order Upwind;Turbulent Kinetic
Energy-Second Order Upwind;Turbulent Dissipat1n Rate-Second Order
Upwind
12.Solut1n Methods-Hybrid Initializat1n-1nitialize
13.Run Calculat1n-Time Stepping Method-FixedjTime Step Size-
7.905e~05; Number of Time Steps-990-Calculate
四、變矩器特性的數(shù)值計(jì)算
經(jīng)過理論推導(dǎo)，得出液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式

【權(quán)利要求】
1.一種液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:該方法為對液力變矩器進(jìn)行幾何模型建立和模型前處理，建立液力變矩器的全流道網(wǎng)格模型，然后對其進(jìn)行計(jì)算域劃分，劃分為泵輪流體域、渦輪流體域、導(dǎo)輪流體域及相互流體域間的網(wǎng)格交界面，在不同泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比的工況下，利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，數(shù)值求解所得有效結(jié)果代入液力變矩器葉輪扭矩計(jì)算公式和液力變矩器性能參數(shù)計(jì)算公式，擬合出不同工況下液力變矩器特性曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:所述幾何模型建立是指結(jié)合非均勻有理B樣條方法，綜合考慮前處理拓?fù)淝蠼庵蛔R(shí)別面的特性，采用片體曲面法來生成全流道幾何模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:所述片體曲面法是根據(jù)變矩器模型幾何參數(shù)先在指定基準(zhǔn)面上構(gòu)建草圖即葉片截面形狀，該基準(zhǔn)面為X、Y或Z面，葉片草圖的建立以水平坐標(biāo)系為參考來確定葉片進(jìn)出口角度，然后按將葉片草圖投影到即將拉伸出葉片的葉輪殼體內(nèi)曲面上，最后將投影曲線依照具體偏轉(zhuǎn)角度以片體為模型載體生成葉片，同理生成其他空間曲面，在所有曲面都生成后，通過修剪片體，最終生成完全片體幾何模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:所述模型前處理指在幾何模型建立后并對其模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，利用內(nèi)部面剖分法對網(wǎng)格交界面處的曲面一分為二，生成網(wǎng)格交界面，建立了液力變矩器全流道網(wǎng)格模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:利用變矩器工作時(shí)油道進(jìn)口實(shí)測流量和進(jìn)口截面尺寸，即可計(jì)算出進(jìn)口流速，數(shù)值模擬過程將泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)為極限工作轉(zhuǎn)速2且不變，改變渦輪轉(zhuǎn)速，分別計(jì)算泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速速比為0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9、1 的 11 個(gè)工況的流場分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液力變矩器全流道瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算方法，其特征在于:所述利用CFD滑移網(wǎng)格技術(shù)對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的方法為，首先按照現(xiàn)有技術(shù)中液力變矩器的設(shè)置條件生成網(wǎng)格模型，導(dǎo)入CFD平臺(tái)經(jīng)過計(jì)算模型選擇、材料屬性定義、離散格式選擇、交界面設(shè)置步驟后，進(jìn)而依次設(shè)置邊界條件、收斂條件、確定初始化，即開始數(shù)值求解，若該數(shù)值滿足收斂條件則為有效結(jié)果，若不滿足重新進(jìn)行上述步驟，如此循環(huán)判斷直至模型該收斂為止，最后Reports中進(jìn)行有效結(jié)果的提取，對葉片進(jìn)出口面速度進(jìn)行面積積分，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定取對應(yīng)模型面上點(diǎn)的速度平均值帶入葉片扭矩計(jì)算公式求解扭矩，從而進(jìn)行特性參數(shù)計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104166752SQ201410314940
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】蔣宏婉, 張文博, 何林, 李長虹 申請人:貴州大學(xué)