数值模拟技术在液力变矩器流场分析中的应用

发布时间：2020-11-01 12:38

　　 液力变矩器是液力传动的重要元件之一，是由带叶片的泵轮、涡轮、导轮组成的流道封闭的多叶轮透平机械，液体在流道内做复杂的三维粘性非定常紊流流动，过去无论是实验方法还是理论方法，准确分析工作介质在各元件内的流动状况都有相当的难度。计算流体动力学（CFD）是20世纪60年代伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科在理论和应用方面都已接近成熟，成熟的一个重要标志是近十年来，各种CFD通用软件包的陆续出现，成为商业化软件。他们主要是用来求解流体力学中的Navier-stokes方程。本文在UG和ANSYS软件的基础上对液力变矩器的内部流场进行研究。通过求解N-S方程来获得液力变矩器的内部流场，但是由于计算软件和计算流体力学本身存在的一些不太完善的假设的存在，使得计算过程还有许多需要解决的问题。 第一章介绍了选题背景和本文的研究内容。数值模拟也叫计算机模拟，它具有耗费小、时间短、省人力的优点，同时它具有很好的重复性，条件易于控制，可重复模拟过程，这对紊流的数值模拟尤为重要。文章首先介绍了数值模拟技术的发展和它在流场计算和分析中的应用，并介绍了几种流场分析软件，证实了数值模拟是一种对液力变矩器的内部流场进研究的很好的方法，ANSYS软件以它的独有的优点完全可以承担这个任务；接着介绍了流场分析的理论和设计方法的发展和现状；并简要介绍了流场测试的几种方法。 第二章主要介绍有限元的解题原理和思路。有限元法作为有效的数值模拟方法在计算流体力学中起着越来越重要的作用，它不仅用于线性问题，而且逐步推广到非线性问题，如流体力学中的复杂非线性方程N—S方程的求解，用有限元法可以得到很好的效果。因此文章介绍了有限元数学基础即变分原理、里兹法和加权余量法，并结合本论文研究的重点液力变矩器介绍了有限元解题的步骤。 第三章的基本内容是ANSYS中的CFD（计算流体力学）的理论基础。首先推导出流场计算的基本方程，因为液力变矩器中流体的流动处于紊流状态，因此对雷诺方程进行了介绍，并分析了几种紊流模型，论述了各个模型的特点。 WP=93 用有限元法解流体动力学方程涉及到偏微分方程的离散即流体流动矩阵进行了推导，文中ANSYS的方程离散化方法作了简要地介绍。ANSYS同时给出的求解偏微分方程的速度—压力耦合算法的求解器，并对求解的收敛性和稳定性进行了介绍：收敛准则、控制收敛的方法和稳定求解的原理。 第四章的内容主要建立液力变矩器内部流场的计算模型和给出流场的计算条件。在本章中首先提出了研究液力变矩器流场的几个约定和一些假设，对流场进行了适当的简化，以便于分析。然后，利用UG软件建立叶轮流道的三维模型，并将该模型导入到ANSYS中划分计算网格。流道的进口边界条件设为速度边界条件，出口设为压力边界条件，其它设为壁面边界条件。在ANSYS中提供了很多的紊流模型、离散格式和速度—压力耦合算法，在本文中对各种模型和算法的特点进行了说明。为了选择最适合本文研究内容的模型和算法，设置了多组算例，分别对不同的模型和算法进行了对比分析，最后确定紊流模型使用标准 模型，速度—压力耦合算法使用SIMPLEN算法，离散格式采用单调流线逆风算法（MSU）。在本章的最后，给出了各工况下流道进口的初始速度，提出了循环计算的收敛条件，作为循环计算结束的标准，并以流程图的形式描述了流场数值计算的步骤。 第五章中对计算得到的起动工况（i=0）、速比（i=0.4）、最高效率工况（i=0.718）和速比（i=0.8）四种工况的流场作了定性分析，并与Y. Dongh和B. Lakshminarayana的计算结果进行了对比。 第六章对全文进行了总结，阐述了论文所做的主要工作和研究成果。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2004
【中图分类】：TH137
【部分图文】：

图 2-1 涡轮网格模型点号：全区域的节点，按一定的顺序统一编号。则是尽可能使同一个单元内的节点号比较接近。点号：对每一个单元，将其中的节点，按一定的为 i, i=1,2,…I, I 是单元中的节点数目。如六面体八相对每一个单元而言的，因此必须和单元号联系的任一节点，都有两个序号，总体节点号和单元软件进行有限元分析时，只需选定单元类型，计算点编号。与里兹法和加权余量法相比的不同点之一就在于元中选取的。由于各个单元具有规则的几何形状，的影响，因此在单元中选取基函数可遵循一定的中的基函数为｛φ(e)i｝，则单元中近似函数（亦称(e)(e)(e)

第四章 液力变矩器流场计算模型§4.1 流场计算模型液力变矩器是液力传动的重要元件之一，自从 1912 年液力传动在传动系统中得到应用并继而凭借其显著优点取得迅猛发展以后，液力变矩器已成为工程机械、汽车机械等多种机械的传动系统的重要元件。美国 100%的市内公共汽车、90%以上的轿车、70%以上的重型汽车和其他工程车辆都装配了液力变矩器。我国的液力传动装置最早出现在五十年代，目前在我国机械行业的各种传动系统中液力传动正在受到重视。研究液力变矩器内部流场主要有试验方法和计算分析两种方法。本文的目的就是在 UG 和 ANSYS 软件的基础上对液力变矩器的内部流场进行研究通过直接求解 N-S 方程来获得液力变矩器的内部流场，但是由于计算机软件和计算流体力学本身存在的一些不太完善的假设的存在，使得计算过程还有许多需要解决的问题。

图 4-2 流道示意图算分析中的假定液在液力变矩器中的流动十分复杂，本文在对液力变矩器内如下假设：作介质在任何工况下密度不变，ρ=899.1kg/m3；粘度为常as 。根据 GB、ISO 及 SAE 各标准对液力传动油的要求，工在工作过程中的变化很小，这意味着液力变矩器中的工作压缩粘性流体。工作介质的动力状况，不探讨工作介质的温度变化。工作将一部分机械能转化为内能，油液的温度升高，工作油液循环的油路中。但是，不可压缩流体的能量方程独立于连之外。本文的最终目的在于流场对液力变矩器性能参数的知道流场的速度场和压力场就已经足够。因此，本文只求
【引证文献】

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本文编号：2865543