限矩型液力偶合器氣液兩相環流特性仿真

王陽，李志鵬，唐欣怡

（長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114）

液力偶合器具有輕載啟動、防止過載、減少啟動振動與沖擊、多機驅動等優異功能，且其結構簡單、可靠性較高，無需特殊維護，因此被廣泛應用在大慣量、難啟動需過載保護的機械設備中[1-2]。限矩型液力偶合器正常工作下始終處于部分充液的狀態，在不同工況下，偶合器內部氣液兩相會呈現出不同的環流狀態，從而使限矩型液力偶合器的轉矩特性發生改變。因此，弄清限矩型液力偶合器內部氣液兩相環流特性與轉矩特性之間的關系尤為重要。

目前對液力元件內部流場的試驗研究主要有粒子圖像測速、激光多普勒測速及流體動力探針技術等[3-4]。Hampel等[5]通過γ射線斷層掃描成像技術對液力偶合器在30%充液率下，對不同轉速比的偶合器內部流場進行試驗，得到工作腔不同斷面的氣液兩相分布情況。Silva等[6]通過在泵輪葉片兩面安裝平面陣列傳感器的方式，得出80%充液率下，轉速比i= 1、i= 0.6時泵輪葉片上壓力面和吸力面的氣液兩相分布情況。國內學者也利用PIV技術對實現液力偶合器內部流場可視化做了大量研究[7-10]。

雖然試驗手段結果較為準確，但試驗周期較長，成本較高，操作復雜，因此隨著CFD（Computational fluid dynamics）數值模擬技術的發展，國內外學者通過數值模擬的方式對偶合器內部流場做了大量研究。Bai等[11]利用CFD數值方法對矩形流道的液力偶合器內部流場進行了仿真計算，文中采用標準k-ε湍流模型，利用Reynolds平均法對粘性流體運動微分方程進行了求解，將仿真結果與試驗測試結果進行了對比，發現二者吻合度較高。Huitenga等[12-13]利用CFD研究方法對矩形腔的限矩型液力偶合器進行了流場分析，并分析影響偶合器性能的參數，對其進行了改進優化。國內張嘉華等[14]利用CFX軟件中非均一化模型對不同充液率不同工況下的調速型液力偶合器進行模擬實現了偶合器內部兩相流體可視化與轉矩傳遞特性的預測。趙繼云等[15]采用VOF兩相流模型對閥控充液型液力偶合器在不同工況下的氣液兩相分布情況進行了模擬，揭示了閥控充液型液力偶合器內部環流變化規律，并分析了擋圈對環流形態的影響。盧秀泉等[16]采用通過VOF模型對帶有前輔腔的限矩型液力偶合器進行模擬，得到了其內部氣液兩相環流特性，并預測了偶合器轉矩跌落點，對偶合器過載能力進行了評估。帶有后輔腔的限矩型液力偶合器結構較為復雜，環流狀態也有所不同，目前，針對帶后輔腔的限矩型液力偶合器研究較少。

本文以YOX500型限矩型液力偶合器為研究對象，假定內部氣液兩相為分層流動。采用VOF兩相流模型，Realizablek-ε湍流模型對偶合器兩相分布規律進行模擬，揭示其分布規律與環流特性，并結合平面陣列傳感器測試結果與外特性試驗結果進行對比驗證，對該方法有效性與適用性進行評價。

1 幾何模型的建立

限矩型液力偶合器主要通過向輔助油室分流，改變工作腔的環流形態從而達到限矩的目的。本文采用的研究模型為YOX500型限矩型液力偶合器，泵輪腔均勻分布著44枚桃型葉片，渦輪腔均勻分布著38枚長圓型葉片，后輔室與工作腔、前輔室通過過流孔相連，其流道模型如圖1a）所示。假設運行過程中溫度的變化對工作介質的性質不造成影響，設置工作油液相關參數為定值，密度為860 kg/m3，黏度為0.0258 Pa·s，油與空氣之間的表面張力為0.025 N/m2。因為該型號限矩型液力偶合器結構較為復雜，因此選擇適應性較好的四面體網格進行劃分，在導流孔及交界面處進行加密，網格數為177萬，所得網格如圖1b）所示。在泵輪與渦輪間的無葉柵區設一交界面，其余均設置為壁面，采用滑移網格模型，VOF兩相流模型，Realizablek-?紊流方程，對偶合器內部流場進行瞬態模擬。

圖1 限矩型液力偶合器全流道模型與網格模型

2 兩相流模型與控制方程

VOF模型是在固定歐拉網格下的一種表面跟蹤方法。前提是兩種或多種流體不會相互混合。在VOF模型中，在連續性方程中引入了相體積分數這一變量，從而實現了對計算單元相界面的追蹤。在每個控制體中，將第q相流體的體積分數記為αq，其連續性方程為

式中：ρq為 第q相的密度，kg/m3；vq為第q相的速度，m/s；為 從q相向p相的傳質，kg/（m2·s）；為從p相向q相的傳質，kg/（m2·s）；Sαq為源項，其默認值為0；?為算子符號；t為時間，s；

在VOF模型中，求解動量方程所得到的速度場被各相共用，動量方程取決于通過屬性 ρ和 μ的所有相的體積分數，即

3 氣液兩相環流特性分析

針對限矩型液力偶合器在3種典型充液率不同工況的流場進行模擬計算，不同工況下，內部環氣液兩相分布呈現出不同的形態，偶合器的外特性也會相應改變。

圖2為額定工況（i= 0.97）下，軸截面上3種不同充液率下液相體積分布圖，其中紅色區域占比最高，體積分數為1，即該部分區域全是油液，藍色區域體積分數為0，表示該部分區域全為氣相。由圖2可知，在額定工況下，油氣兩相出現了明顯的分層，油液集中在偶合器的外緣，這是由于在額定工況下，泵輪與渦輪轉速相差較小，所受離心力較大，因此前輔腔內沒有油液存在，油液在進入渦輪后，在渦輪腔中做短暫環流后很快就因較大的離心力而折返回泵輪，呈現出一種小環流的流動形態，由于滑差的存在，泵輪腔的氣液分界面略高于渦輪腔。工作腔與后輔腔通過過流孔相連，部分油液會進入后輔腔內，當工作腔內油液所受壓力與后輔腔內油液所受壓力相等時，后輔腔的充液量保持不變。

圖2 額定工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0.97）

圖3 為過渡工況下液相體積分布圖，油液充滿了整個渦輪腔，少部分油液進入了前輔腔，繼而進入后輔腔。在過渡工況下，比轉速降低，滑差增大。油液在從泵輪出口進入渦輪后，由于渦輪對油液的離心力降低，渦輪不能及時將油液重新送回泵輪，因此油液在渦輪區域做長距離運動后，少部分油液進入前輔腔，繼而進入后輔腔，重新折回到泵輪的油液由于泵輪的較大離心力很快被送出，和由后輔腔進入工作腔的油液一同進入下一個循環流動，因此在渦輪腔內聚集著大量油液，整個油液在工作腔內的循環流動由小環流慢慢轉變為大環流。

圖3 過渡工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0.6）

圖4 為制動工況下液相體積分布圖，制動工況下油液大部分分布在渦輪區域與前輔腔，后輔腔內的油液隨著充液率的降低而減少。整個循環過程只有少量油液參與，由于渦輪靜止不動，渦輪葉片對油液的阻礙作用使得在渦輪進口出現了一些油氣混合的區域，進入渦輪的油液不再受離心阻力的作用，油液直接沖進前輔腔，并迅速充滿整個前輔腔，一部分油液通過過流孔進入后輔腔，慢慢再向工作腔進行補充，未能進入前輔腔的油液少部分進入下一次循環，一部分沿著渦輪外壁在渦輪腔中形成渦流，整個渦輪腔呈現出一片油包氣的區域，并隨著充液率的降低，氣體區域逐漸變大。此時，泵輪腔、渦輪腔、前輔腔、后輔腔之間形成了復雜的耦合流動。

圖4 制動工況下不同充液率液相體積分布圖（i=0）

圖5 為50%充液率下，在3種典型工況下泵輪葉片上的氣液兩相分布圖。由圖可知，隨著轉速比降低，泵輪葉片的吸力面與壓力面的液相分布逐漸變得不均勻，壓力面液相占比逐漸增加，吸力面液相占比逐漸減少，且液相中逐漸融入大量氣體，壓力面與吸力面液相占比相差逐漸增大，泵輪葉片兩側壓力差也逐漸增大，輸出轉矩增大。

圖5 充液率為50%的泵輪葉片上氣液兩相分布圖

文獻[6]中采用在泵輪葉片上安裝平面陣列傳感器的方式得出了泵輪葉片上氣液兩相分布情況，該文所使用的偶合器的泵輪葉片與本文所用模型都為桃型，為本文提供了一個很好的參照。圖6a）與圖6b）分別為80%充液率下轉速比i= 1、i= 0.6時的液相體積分布試驗與模擬對比圖。其中紅色部分為油液，藍色部分為氣體。當i= 1時，泵輪與渦輪之間沒有相對滑移，工作腔相當于一個整體的運動的腔體，各腔體間無耦合作用，因為沒有滑差的存在，工作腔油液只受到離心力的作用，葉片兩側無壓力差，腔體內沒有環流產生，壓力面與吸力面上的氣液兩相分布基本相同。當轉速比降為i= 0.6時，泵輪與渦輪之間由于滑差的存在而形成環流，從渦輪折返回的油液受到泵輪較強離心力的作用，迅速被送往泵輪外緣，因此壓力面氣液兩相分界面呈現出一個傾斜的角度。但是由于輔室的原因，充液量相對于試驗較高，因此跟試驗結果整體略有不同，但氣液兩相分布交界面趨勢基本一致。

圖6 充液率為80%下的泵輪葉片液相體積分布對比圖

4 模擬結果與試驗對比分析

限矩型液力偶合器在不同工況，環流狀態會呈現出不同的狀態，在大環流向小環流的過渡過程中，力矩也會產生相應的變化，圖7為試驗與模擬轉矩特性對比曲線圖，由圖可知，力矩特性曲線存在跌落區，該區域即意味著限矩型液力偶合器內部環流特性發生了突變，即從大環流向小環流進行了過渡，說明了VOF模型對限矩型液力偶合器環流特性預測的有效性。通過轉矩特性對比可知，在低轉速比的條件下，VOF模型所得結果與試驗相差較大，轉速比較高時，與試驗結果吻合較好，這是由于在低轉速比時，偶合器內部流動較為復雜，存在著一些油氣混合物，而此種狀況并不適合采用VOF模型，因此誤差較大，高轉速比時，油液在偶合器內部呈現小環流的狀態，油氣分層明顯，因此VOF模型較為合適，誤差較小。

圖7 試驗與模擬轉矩特性對比曲線圖

5 結論

1）本文對YOX500型限矩型液力偶合器進行模擬計算，得到了3種不同充液率下3種典型工況的氣液兩相分布情況。當轉速比不變時，隨著充液率的增加，工作腔內部的循環流量增加，轉矩增大；充液率不變時，隨著轉速比的降低，偶合器內部環流狀態由小環流慢慢轉變為大環流，且泵輪壓力面液相逐漸增多，吸力面液相逐漸減少。

2）通過對限矩型液力偶合器內部氣液兩相交界面進行追蹤模擬，得到泵輪葉片吸力面與壓力面的液相體積分布，并通過與文獻中的試驗結果進行對比，發現其與試驗結果較為吻合，表明了VOF模型在偶合器內部兩相流動研究中的可行性。

3）將模擬所得的轉矩特性曲線跟試驗結果進行對比，環流狀態發生改變所處工況點與力矩跌落工況點基本一致，驗證了該方法的有效性。從所得轉矩特性曲線來看，該方法在低轉速比時誤差較大，高轉速比時與試驗結果吻合較好。