博一建材讯：1、CFD数值模拟计算流体动力学，简称CFD（CFD，ComputationalFluidDynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。采用CFD方法分析稳态工况下的液力减速器内流场，就是从其具体的几何边界条件和物理边界条件出发，在流动基本方程（质量守恒方程，动量守恒方程）控制下对流动的数值模拟，得到复杂的三维流场内各个基本物理量的分布规律，并据此进行后处理，得到所关心的物理量，如转矩、轴向力等，其基本过程。1.1控制方程由于液力减速器动轮的高速旋转，以及工作轮与工作介质之间的剧烈相互作用，其内部是复杂的三维紊流流场。忽略工作过程中工作介质温度的变化以及温差造成的能量耗散，其流动受到质量守恒方程和动量守恒方程的约束。设介质为不可压流体，密度ρ为常数，则质量守恒方程简化计算流体动力学认为，无论紊流运动多么复杂，瞬态的动量守恒方程（即N-S方程）对于湍流的瞬时运动仍然是适用的，但是由于在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维N-S方程的全模拟计算工作量过大，考虑到计算效率问题，采用基于时均化的N-S方程的模拟方法。即把湍流运动看作由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动，这样将脉动分离出来，便于处理和求解。利用Reynolds平均法对瞬态N-S方程进行时均化，即得到RANS方程，iu表示i方向的速度分量，上标“''''''''”代表脉动值，上标“”代表对时间的平均值，由式（2）可知，由于RANS方程中引入了六个Reynolds应力项''''''''''''''''ijuuρ，使得控制方程的总数少于待求未知量的个数，故需引入湍流模型使控制方程组封闭。本文使用计算精度和稳定性均较高的基于Boussinesq假设的标准k-ε两方程模型。对于不可压缩流体稳态流动，不考虑重力的影响，标准k-ε两方程模型中，2tμkμρCε为紊流粘性系数；kG为紊流生成项，模型常量，经验值。1.2建立几何模型以D375型液力减速器为研究对象，使用三维实体建模软件Pro/E建立几何模型，在此过程中，忽略了用于减少泵气损失的闸板机构对全充液工况的影响。1.3网格划分利用通用格式的。stp文件，将Pro/E建立的三维几何模型导入前处理软件GAMBIT中。为了节省计算资源以及提高计算效率，根据液力减速器轴对称的几何特征，使用周期性边界条件将其抽象为单流道计算模型，并使用适应性较强的T/Grid混合网格在计算域中进行网格划分，如所示。为了能够更加细致的模拟紊流流场中液流与壁面的相互作用，利用自适应网格技术对近避面网格进行了加密处理。1.4建立计算模型液力减速器内部三维流场CFD数值模拟的几个基本假设：（1）工作介质为连续、不可压液体，不考虑其内能的变化，密度ρ和动力粘度μ均为常量，这里取ρ=860kg/m3，μ=0.025kg/m？s；（2）叶片与壳体为刚体；（3）循环流量只从前一工作轮的出口流入下一工作轮的入口，忽略容积损失及散热流量的影响；（4）无叶片区和装配间隙构成的区域在外环面上处于一种压力平衡状态，并且间隙处的流动没有来自循环流道外部的干扰，工作轮牵连运动的转速差只存在于间隙的中性平面上；（5）各工作轮每个叶片间流道内的流动完全相同，具有周向对称性。液力减速器的流道与液力变矩器相比有所不同，因为液力减速器的流道没有内环，液流的出、入口处于同一平面内，而且没有严格的界线，这样就需要人为的来界定出、入口边界。在这里，根据束流理论，以等过流截面积原则确定动轮和定轮的出、入口边界。由束流理论可知，在工作过程中，液力减速器动轮带动工作介质高速旋转，同时液流在动轮与定轮工作腔构成的流道中快速循环流动，即工作介质既有随工作轮的牵连运动，也有沿叶片方向的相对运动。在稳态工况，由于定轮固定不动而动轮以一定的角速度旋转，故需采用多参考坐标系进行模拟。在定轮的计算域中设置惯性参考系，固壁边界静止不动，则在定轮流道中的流动即为绝对运动，而在动轮计算域中设置相对参考系，固壁边界与参考系固连，同时设定相对参考系以动轮转速绕中心轴线旋转，这样就模拟了动轮与定轮的运动学关系。为了实现动轮、定轮出入口之间场变量的耦合作用，采用混合平面法，通过相应出入口处的场变量的径向平均，使出入口处的场变量在动轮与定轮之间得到共享。实践证明，这样的处理对于稳态工况的数值模拟能够得到较为满意的结果。1.5迭代计算目前，在CFD数值模拟中应用最为广泛的仍然是基于压力修正法的SIMPLE算法，其基本思想是：首先使用一个猜测的压力场来解动量方程，得到速度场，接着求解通过连续方程所建立的压力修正方程，得到压力场的修正值，然后利用压力修正值更新速度场和压力场，最后检查结果是否收敛，若不收敛，以得到的压力场作为新的压力场，重复此过程直到收敛为止。但是，为了求解方便，在SIMPLE算法的速度修正值方程中略去了相邻点的速度项，从而把速度的修正完全归结为由压差项的直接作用，加重了压力修正值的负担，使得整个速度场的迭代收敛速度降低。因此，在这里采用基于SIMPLE算法基础上发展来的SIMPLEC算法，较好的解决了速度修正值与压力修正值不一致的问题，虽然其计算量比SIMPLE算法大，但其较快的收敛速度使得总体计算时间减少30P.对于旋转机械内流场的数值模拟来说，计算稳定性和计算效率问题显得较为突出，为此，本文针对液力减速器的几个典型工况，使动轮从低速到高速逐步上升到所需要的模拟转速，并结合调整欠松弛因子的方法来进行迭代计算。2、数值模拟结果分析得到迭代计算的收敛解后，通过在计算域中建立纵剖面，可以显示液力减速器的轴面速度矢量图和压力分布图，这里以动轮转速1000r/min和1500r/min工况为例。如所示，总的看来，在循环圆截面中速度呈现明显的循环流动趋势，在动轮流道中速度由入口到出口逐渐增加，在出口靠近外环处达到最大值，在定轮流道中速度由入口到出口逐渐降低，并在出口处达到最小值，这与束流理论的分析结果是相吻合的，但是，液流速度的大小在同一过流断面上并不是均匀分布的，在流道中部靠近外环处速度最大。从细节方面来看，由于液流的循环运动，在循环圆中部出现了涡旋，使动轮和定轮的出入口交接处的界线不是很清晰，并伴有回流出现。另外，在定轮流道中部靠近入口处出现了较大的涡旋，这主要是由于高速液流冲击定轮外环及叶片，造成由外环到循环圆中心处产生较大速度梯度而引起的。液力减速器内流场的压力分布，可见其具有较好的周期性分布规律。可以看出，循环圆压力等值线图显示出了明显的层状分布特性，即从循环圆中心到外环，压力逐渐增大，在靠近外环处达到最大。同时，从各工作轮的入口到出口，压力的变化与速度的变化具有相同的趋势，由于涡旋的影响，定轮的低压区要比动轮的范围大一些。3、对比分析为了与实验结果进行对比分析，分别对动轮转速550r/min、600r/min、650r/min和700r/min等四个实验测试工况进行了数值模拟计算，并在迭代计算得到的计算域压力场及速度场的基础上，可通过后处理计算得到各工况点动轮的制动力矩。在稳态工况下，液力减速器的制动力矩载荷主要来源于两个方面，一方面是流场作用于工作轮叶片表面的压力，另一方面则是作用于工作轮壁面由于液流速度梯度产生的粘性剪切力。设涡轮机械以某一坐标轴（笛卡尔坐标系）为中心做定轴转动，则流场作用于旋转工作轮的转动力矩由式决定T为流体作用于工作轮的旋转力矩；S为构成旋转工作轮的所有固壁边界面；T为二阶应力张量，由流场中的压力和粘性剪切应力构成；r为应力作用点的位置矢量；n为固壁边界面的法向单位矢量；a为旋转轴向单位矢量。若得到了流场的稳态收敛解，并根据数值模拟的基本假设条件和实际物理模型的结构及动力学特征，即可由式（5）计算出动轮的制动力矩。由于实验台架输入功率所限，这里动轮的输入转速最高至700r/min，将液力减速器制动力矩的实验测试结果与数值模拟计算得出的结果进行了对比，如所示。根据束流理论及相似理论可知，液力减速器的制动力矩与动轮转速的平方成正比，从制动力矩随动轮转速的变化趋势来看，数值计算结果与实验结果基本吻合，制动力矩随转速单调递增，且符合二次曲线的变化规律，这与束流理论的分析结果是一致的。各工况点制动力矩的数值计算结果与实验结果的平均误差为2.37，最大误差为3.22，达到了较高的预测精度。4、结论通过对液力减速器内流场的数值模拟分析，可以看出，CFD三维流场数值能够更全面的反应流场的特性，制动力矩预测计算的结果与实验结果基本吻合。
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