液力變矩器設計【三維UG】【包含CAD高清圖紙、文檔所見所得】

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The internal flow field of the car model torque converter was numerically simulated by UCH GAMBIT and FLUENT, based on 3-D flow field theory. To do the research in order to solve the problem that hydraulic transmission efficiency and the precision of designs were low and change a situation of long R&D period and low success rate, and further improve the performance of the torque converter and designing and manufacturing level. The following is the main contents: (1)Firstly, the background of subject research and the application of the torque converter in the world and the current situation of the development of the field flow theory was introduced, and 3-D field flow theory will be used in design calculation on torque converter in the future; Then composition and operation principle of the converter were explained and the main contents of research was introduced. (2 )Basic theories of CFD was introduced. The governing equation, including mass conservation equation and momentum conservation equation, was listed. Because the basic of research was the incompressible fluid and the hot could be ignored, so the energy conservation equation was not considered; Then introduced the basic principle of the limited volume method in detail, discrete scheme, the creation technology of the grid and turbulent model and introduced the method of near wall treatment methods and the algorithm of calculating field flows. (3)carry on simplify Introduced some CFD software and research; For getting result smoothly, to choose FLUENT to were taken; To set up the geometric model by assumptions and FLUENT and to create the grid by GAMBIT. And in order to improve the precision of calculating, to use the grid of hexahedron; To choose separated solver and the implicit scheme model, the turbulent model was the standard k-:model and the standard wall function was used at the same time; The boundary condition of the entry was the pressure inlet and that of the exit is the pressure outlet and other wall used non- slip wall; Mixing plane model was used in mutual faces between impellers. (4 ) The results of calculation was analyzed and was compared with those of experiment, and maximum error was less than 5%, which proved that three dimensional calculation was correct. Finally some questions in research was analyzed. (5)Summary finally.Key words: the torque converter, internal flow field，F(xiàn)LUENT目 錄第第1章 緒 論111研究背景1111液力變矩器在國內外的應用1112流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀212液力變矩器的組成及工作原理4121液力變矩器的組成4122液力變矩器的工作原理513研究目的和意義以及主要研究內容7131研究目的和意義7132主要研究內容7第2章 液力變矩器的測繪和反求82. 1測繪過程82. 2三維光學測量儀編程92. 3數(shù)據(jù)處理和反求12第3章 液力變矩器內流場數(shù)值分析1431常用的CFD軟件介紹143.2建立流場計算的幾何模型1532. 1分析中的假設和簡化15322幾何模型1633生成計算網(wǎng)格17331 GAMBIT簡介173. 32劃分網(wǎng)格1834設置求解器1934. 1求解器的選擇19342控制方程的線性化21343參考壓力的選擇2135選擇湍流模型223.6定義流體的物理性質233.7設置邊界條件和初始條件24371入口邊界條件24372出口邊界條件24373壁面邊界條件25374初始條件2538收斂準則2639本章小結26第4章 液力變矩器內流場計算結果分析2741泵輪流場分析27411泵輪入口流場29512泵輪出口面流場2942渦輪流場分析30421渦輪入口流場32422渦輪出口流場324. 3導輪流場分析33431導輪入口流場35432導輪出口流場3544本章小結36第5章 全文總結37參 考 文 獻39致 謝40附 錄41第1章 緒 論11研究背景111液力變矩器在國內外的應用液力變矩器是車輛傳動系統(tǒng)中的關鍵部件之一，其主要作用是由發(fā)動機向傳動系統(tǒng)平穩(wěn)地傳遞動力。裝有液力變矩器的動力傳動系統(tǒng)可以保證車輛平穩(wěn)地起步、變速。目前液力變矩器被廣泛地應用于鐵道車輛、工程機械、航空航天、能源動力以及化工機械等行業(yè)，而汽車行業(yè)更是液力變矩器的最大用戶。國外己普遍將液力傳動運用于轎車、公共汽車、豪華型大客車、重型汽車、牽引車及軍用車輛等。以美國為例，自20世紀70年代以來，每年在轎車上液力變矩器的裝配率達到90以上，而在城區(qū)公汽上的裝配率幾乎達到了100。在重型汽車方面，載貨量3080噸的重型礦用自卸車幾乎全部采用了液力變矩器，而在功率超過735kW，載貨量超過100噸的重型汽車上，液力變矩器也得到了廣泛地應用。如功率為8826kW、裝載量為108噸的礦用自卸車就裝配了阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力機械變速器。還有某些非公路車輛，坦克以及軍用車輛上也裝備了液力變矩器。除美國外，其它國家的汽車工業(yè)中，比如日本的豐田、日產(chǎn)公司，德國的奔馳、倫克公司以及意大利的菲亞特公司等都生產(chǎn)了裝配有液力變矩器的汽車。我國早在上世紀50年代就將液力變矩器應用到紅旗牌高級轎車上，開創(chuàng)了我國獨立設計、制造液力變矩器的歷史。1958年，我國機車行業(yè)自行研制的衛(wèi)星號(也稱東方紅I)內燃機車裝配了三個液力變矩器：一個啟動液力變矩器，兩個運轉液力變矩器。液力傳動在國內工程機械上的應用始于60年代，當時由天津工程機械研究所和廈門工程機械廠共同研制的ZL435裝載機上就裝配有液力變矩器。70年代開始將液力變矩器應用于重型礦用汽車上。80年代由天津工程機械研究所研制開發(fā)了“YJ單級向心渦輪液力變矩器葉柵系統(tǒng)”和“YJSW雙渦輪液力變矩器系列”。兩大系列目前已成為我國國內工程機械企業(yè)的液力變矩器的主要產(chǎn)品。其產(chǎn)品的主要性能指標已達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。80年代北京理工大學為軍用車輛研制開發(fā)了Ch300、Ch400、Ch700、Chl000系列液力變矩器，突破大功率、高能容、高轉速液力變矩器的設計與制造關鍵技術，達到國際先進水平，滿足了軍用車輛的使用要求。一些合資企業(yè)生產(chǎn)的轎車和重型載重車等也應用了進口的液力變矩器。目前，液力變矩器在我國的轎車市場上也有著巨大的潛力，1997年以前，我國汽車總保有量中僅有不到10的車輛裝有液力機械式自動變速系統(tǒng)。最近幾年，繼上海通用別克、奧迪A6、上海大眾帕薩特B5以及廣州本田將液力自動變速器作為整車的基本配最后，國內各大汽車廠商紛紛在各自的熱賣車型上推出了數(shù)十款裝備液力自動變速器的新車型，這些自動變速轎車受到了廣泛的歡迎。同國外相比，我國車輛應用液力變矩器雖然有了一定基礎，但應用范圍窄，數(shù)量較少，在中型載貨汽車、公共汽車、越野汽車等車輛上應用極少甚至沒有應用。西部大開發(fā)和我國經(jīng)濟的大發(fā)展，交通運輸、水利水電、建筑業(yè)、能源等領域將是未來的發(fā)展重點，因此液力變矩器在我國有廣闊的市場。112流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀液力變矩器是葉輪機械的一種。液體在液力變矩器工作輪流道中的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動。基于建模和計算的復雜性和液力變矩器流場的特殊性，長期以來在工程中采用的是一維流動理論，即束流理論。它有如下假設：(1)葉輪中的液流是由許多流束組成，流動關于旋轉軸對稱。(2)葉輪的葉片數(shù)無窮多，葉片無限薄。(3)上一級葉輪的出口流動情況與下一級葉輪的進口流動情況相同。(4)同一過流截面上各點的軸面速度相同，因此，可用中間流線代表整個流道的流動狀態(tài)。中間流線是一條假象的曲線，它將液流通道斷面分割成面積相等的內外兩部分(如圖1-l所示)。由于束流理論的簡便性和一定的合理性，因而具有一定的工程實用價值，被廣泛應用于液力變矩器的設計工作中。一維束流理論的優(yōu)點是物理概念簡單，設計、計算工作大為簡化，并且易于掌握等。但由于其諸多假設與變矩器內流場有很大差別，因此，用一維束流理論設計出來的變矩器往往不能達到預期的性能指標，而要經(jīng)過反復的試驗和改進，這就大大地增加了試驗量和研制周期。隨著車輛、工程機械等行業(yè)對液力變矩器性能和研制周期要求的不斷提高，給液力變矩器的研究提出了新的課題，研究人員在液力變矩器流場理論的研究上付出了很多努力，取得了一定進展。在一維柬流理論的基礎上發(fā)展了二維流動理論。它將工作輪中的流動簡化為過旋轉軸心的一組平行軸面內的平面流動，每個平面內的速度分布和壓力分布都是相同的。在給定了葉片的邊界形態(tài)和流量后，即可用數(shù)學方程求出該平面上任一點的流動參數(shù)。二維流動理論把原來由中間平均流線所代表的進、出口速度和葉片參數(shù)改為沿進出口邊或沿內外環(huán)具有某種變化規(guī)律的分布。應用二維流動理論，人們對液力變矩器的性能預測、葉型設計及繪制方法等進行了大量研究，得到了較好的效果?？偟膩碚f，用二維流動理論描述純離心式或軸流式工作輪中的流動情況與實際較為接近，而描述常用的向心式或一股的混流式工作輪，則與實際差別較大。液力變矩器設計計算方法的發(fā)展方向是三維流動理論，描述粘性流體三維流動的運動方程是納維一斯托克斯(NavierStokes)方程，簡稱NS方程。由于N-S方程和歐拉方程的復雜性，直接求數(shù)值解非常困難，特別是NS方程，到目前為止尚無法直接求解。近十多年來，人們多用有限元法和有限差分法求三維流動的微分方程或變分方程。盡管人們對液力變矩器內流場的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但是由于液力變矩器內流場的特殊性和復雜性，完全拋開一維束流理論來進行液力變矩器設計計算的條件尚不成熟，能準確地反映液力變矩器內流場狀況的理論尚未形成，液力變矩器的研究設計方法并沒有從根本上得到改善，對液力變矩器還不可能進行一步到位的設計，往往要有多次反復，需要做大量的實驗。最近幾年里，國外對液力變矩器三維流動理論的研究非常熱烈，各大汽車公司將分析液力變矩器的工作機理作為提高汽車燃油經(jīng)濟性的突破口，從而作了大量的工作。美國、韓國等國家的能源部門從節(jié)省國家能源的角度出發(fā)，投入巨資對液力變矩器做了深入的研究。日本也早在上個世紀90年代初期，就地球環(huán)境問題和能源保障問題呼吁要節(jié)約能源，反映在汽車領域，就是要提高各部件的效率，其中液力變矩器傳動效率的提高占有重要的地位。另外，在國外隨著前置前驅動車型的大量涌現(xiàn)和自動變速器多檔化，對變速器小型化、輕量化、舒適性以及安全性的要求日益提高，于是提出了設計超扁平化的液力變矩器。為了彌補超扁平化帶來的性能、效率下降的問題，采用數(shù)值模擬的方法研究變矩器的內部流場是一條有效途徑。12液力變矩器的組成及工作原理121液力變矩器的組成液力交矩器主要由可轉動的泵輪、渦輪，以及固定不動的導輪三個基本元件組成(如圖1-2所示)，汽車所用液力變矩器的工作輪一般是由鋼板沖壓焊接而成，而工程機械和一些軍用車輛所用液力變矩器的工作輪則是用鋁合金精密鑄造而成的。122液力變矩器的工作原理以液力變矩器工作輪的展開圖來說明液力變矩器的工作原理。沿圖1-3所示的工作輪循環(huán)圓中間流線將三個工作輪時片假象地展開，得到泵輪、渦輪和導輪的環(huán)形平面圖。各葉輪葉片的形狀和掙出口角度也被顯示于圖中。為便于說明起見，設發(fā)動機轉速及負荷不變，即變矩器泵輪的轉速阼。及轉矩M。為常數(shù)。先以汽車啟動工況為例進行討論。當發(fā)動機運轉而汽車還未起步時，渦輪轉速月，為零，如圖1-4所示。變速器油在泵輪葉片帶動下，以一定的絕對速度沿箭頭1的方向沖向渦輪葉片，對渦輪有一作用力，產(chǎn)生繞渦輪軸的轉矩，此即液力變矩器的輸出轉矩。因此時渦輪靜止不動，液流則沿著葉片流出渦輪并沖向導輪，其方向如圖中箭頭2所示，該液流也對導輪產(chǎn)生作用力矩。然后液流再從固定不動的導輪葉片沿箭頭3的方向流回到泵輪中。當液流流過葉片時，對葉片作用有沖擊力矩，根據(jù)作用力與反作用力定律，液流此時也會受到葉片的反作用力矩，其大小與作用力矩相等，方向相反。作用力矩或反作用力矩的方向及大小與液流進出工作輪的方向有關。設泵輪、渦輪和導輪對液流的作用力矩分別為MB、MW和MD，方向如圖中箭頭所示。根據(jù)液流受力平衡條件，三者在數(shù)值上滿足關系式MW=MB+MD，即渦輪轉矩等于泵輪轉矩與導輪轉矩之和。顯然，此時渦輪轉矩MW大于泵輪轉矩MB，即液力變矩器起到了增大轉矩的作用。也可以這樣來理解其增矩作用，當液流沖擊渦輪時，對渦輪有一作用力矩，此為泵輪給液流的力矩；當液流從渦輪沖擊導輪時，對導輪也有一作用力矩，因導輪被固定在變速器殼體上，從而導輪給液流的反作用力矩通過液流再次作用到渦輪上，使得渦輪的轉矩等于泵輪轉矩與導輪轉矩之和。當液力變矩器輸出的轉矩，經(jīng)傳動系傳到驅動輪上所產(chǎn)生的牽引力足以克服汽車起步阻力時，汽車即起步并開始加速，與之相連的渦輪轉速nW也從零起逐漸增加。我們定義液流沿葉片方向流動的速度為相對速度W，在葉輪的作用下所具有的沿圓周方向運動的速度為牽連速度“，二者的矢量和為絕對速度v。渦輪轉速”，不為零時，液流在渦輪出口處不僅具有相對速度W，而且具有牽連速度U1，故沖向導輪葉片的液流的絕對速度V1為兩者的合成速度，如圖所示。因設泵輪轉速不變，即液流循環(huán)流量基本不變，故渦輪出口處的相對速度w不變，變化的只是渦輪轉速nW，即牽連速度u發(fā)生變化。由圖可見，沖向導輪葉片的液流的絕對速度v將隨著牽連速度u的增加而逐漸向左傾斜，使導輪上所受的轉矩值逐漸減小。當渦輪轉速增大到一定值時，由渦輪流出的液流(v2)正好沿導輪出口方向沖向導輪，由于液流經(jīng)導輪時方向不改變，故導輪轉矩MD為零，即渦輪轉矩與泵輪轉矩相等，MW=MB。若渦輪轉速nW繼續(xù)增大，液流絕對速度v方向繼續(xù)向左傾，如圖中的v，所示方向液流沖擊導輪葉片的反面，導輪轉矩方向與泵輪轉矩方向相反，則渦輪轉矩為前二者轉矩之差(MW=MB-MD)，即變矩器輸出轉矩反而比輸入轉矩小。當渦輪轉速nW增大到與泵輪轉速nB相等時，工作液在循環(huán)圓內的循環(huán)流動停止，不能傳遞動力。13研究目的和意義以及主要研究內容131研究目的和意義液力變矩器是流道封閉的多葉輪透平機械，每個葉輪的流道都相當復雜，流道的內環(huán)、外環(huán)以及葉片的表面都是復雜的曲面，由于流道的曲率變化非常大，葉片的形狀也是三維的，這就造成了液流沿著流線方向、圓周方向以及從內環(huán)到外環(huán)的方向都是變化的。此外泵輪、渦輪和導輪分別以不同的轉速運動，各工作輪之間相互干擾；而且工作介質是有粘性的，這就必然會在流道壁面上產(chǎn)生邊界層，由此還會引起二次流、脫流和旋渦等。因此，變矩器內部的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動，想要對變矩器內流場進行三維計算變得十分困難。不過隨著計算流體力學和計算機技術的發(fā)展，各種CFD軟件的日趨成熟，使得對變矩器內流場進行三維計算變成可能。本課題研究的目的和意義就在于，借助于CFD軟件對液力變矩器的內流場進行三維仿真計算，然后通過實驗驗證計算的結果，最后較系統(tǒng)地提出基于三維流場理論的設計分析方法，解決液力變矩器的傳動效率和設計精度低的問題。改變研制周期長，一次成功率低的局面，進一步改善液力變矩器的性能和設計制造水平。132主要研究內容在導師的悉心指導下，主要完成的研究工作有：(1)使用大型CAD軟件(本課題選用UG)對液力變矩器進行三維實體造型，然后通過GAMBIT進行網(wǎng)格劃分前處理。(2)選擇三維內流計算軟件FLUENT進行流動計算分析。利用三維流動計算求得流場速度、壓力分布，以及對外的轉矩轉速特性和軸向力。(3)進行變矩器臺架試驗，測量液力變矩器的軸向力、轉矩，確立仿真計算與實際流動的對應關系。第2章 液力變矩器的測繪和反求為了不破壞工作輪，我們選取制模的方法獲得葉片的曲面的形狀。擬將幾個葉輪流道的出口處封死，灌入工程塑料或硅橡膠，待其固化后取出，進行光柵掃描。由于流道扭曲度很大，在取模過程中，固化的材料會受到流道的嚴重擠壓。因而要求灌入的材料具有很好的彈性和抗拉強度，在受壓嚴重變形后能夠很好的恢復原有的形狀，鑒于此，我們選取彈性好的硅橡膠作為制模的材料。經(jīng)過深入探討和理論分析，我們最終選擇硅橡膠制模、光學三維測量系統(tǒng)掃描、三坐標入口標記、參考入口厚度的反求策略。經(jīng)實踐檢驗該方法是切實可行的，總體效果良好。2. 1測繪過程1）測量工作輪借助直尺三角板等常用測量工具測量外圓、深度、長度、孔徑、花鍵等常規(guī)數(shù)據(jù)。2）硅橡膠制模選擇質量好的專業(yè)硅橡膠，然后選擇無鑄造缺陷、流道壁比較光順的相鄰的兩個流道作為取模的對象，并做好標記，再就將流道下方封閉好，然后將攪拌均勻的硅橡膠（其中硅膠和固化劑的比例按100:3）慢慢倒入流道腔中，待其完全固化后，將模從其中取出。以泵輪為例，取出的模如圖。3）掃描硅橡膠模用光學三位測量系統(tǒng)進行掃描，準確獲得硅橡膠模的三維幾何信息（具體見下一節(jié)）。4）測量入出口的厚度由于工作輪的鑄造件，為了避免測量的偶然性，應該選擇不同葉片，進行多次測量取平均值。2. 2三維光學測量儀編程!測量程序INIT !初始化為機器坐標系LOAD-COORSYS(1) !調出剛建立的1號坐標系INPUT-VAR(V99,外圓直徑D= )!將外圓直徑賦值給變量V99INPUT-VAR(V98,測點數(shù)N= )!將外圓測點數(shù)賦值給變量V98INPUT-VAR(V87,Z= )!將測量深度賦值給變量V87INPUT-VAR(V86,C= )!將探測輔助距離賦值給變量V86V96=PROBE-RADIUS !將當前所用的測針半徑賦值給變量V96MOVE-TO(V99/2+V86,0,-10) !移到柱外的安全位置V95=360/V98V96=V99/2+V96!計算接觸時測針球心圓的半徑V94=V96+V86!計算探測輔助圓的半徑V2=V95V12=V95*2V5=V94*COS(V2) !計算輔助點的X坐標并賦值給V5V6=V94*SIN(V2) !計算輔助點的Y坐標并賦值給V6V15=V94*COS(V12)V16=V94*SIN(V12)V17=SQRT(V15+V5)/2)2+(V16+V6)/2)2)V7=1REPEAT IF(V17V96)FOR(V1,1,V98) !在柱外探測V98個點 V95=360/V98 V2=V95*(V1-1) V3=V96*COS(V2) !計算測點的X坐標并賦值給V3 V4=V96*SIN(V2) !計算測點的Y坐標并賦值給V4IF(V1V98) V5=V94*COS(V2) !計算輔助點的X坐標并賦值給V5 V6=V94*SIN(V2) !計算輔助點的Y坐標并賦值給V ENDIF MOVE-TO(V5,V6,V87)!機器作絕對運動到探測輔助點 V8=(V1-1)/V7 V9=INT(V8)-V8 IF(V9=0) READ-PROBE(V3,V4,V87)!機器作絕對探測 MOVE-TO(V5,V6,V87) ENDIFNEXTCIRCLEMOVE-TO(V5,V6,-10)!回到柱外的安全位置。END!程序結束 2. 3數(shù)據(jù)處理和反求以泵輪為例，簡述反求的過程：在云點數(shù)據(jù)處理時，需要把每個面單獨處理。利用放大、旋轉、剪切等命令把每個面上的點云處理光順，擬合成曲面，并用空間樣條畫出點云的邊界線，以供曲面對齊用。1）讀入Imageware建立的外環(huán)和內環(huán)，根據(jù)入出口的尺寸和曲面相對于圓環(huán)面的貼合度，利用UG的移動、旋轉等命令，確定內環(huán)和外環(huán)的曲面定位，繼而獲得循環(huán)圓的形狀，如圖。2）畫出三坐標測量的入出口位置線段。3）讀入葉片凹面、凸面和他們相鄰的內衛(wèi)環(huán)面，然后定位凸面，最后根據(jù)葉片入出口的厚度進行微調。4）求出內外環(huán)面和葉片凹、凸面的交線（如果沒有交線可將凹、凸面進行曲面延拓），作為葉片的流線數(shù)據(jù)5）將葉片的每條流線等分承托干段（如12段），根據(jù)流線的光順性和入出口的位置、厚度，并結合以往同類型葉片的造型經(jīng)驗，對各段進行微調，特別是入出口處的流線段。6）以過點的方式將等分的13個點擬合成B樣條曲線，結合界面曲線進行葉片的曲面造型。7）將葉片的各個曲面結合成一個葉片實體。并重新查看入口的位置，如果偏離則返回第五步重新微調，如果偏離的嚴重則返回第四步重新調整葉片流道面的定位。8）將造型好的葉片實體繞葉輪的中心旋轉線旋轉復制，最終完成工作輪的造型，如圖。以上即為液力變矩器的測繪及反求的方法及過程。第3章 液力變矩器內流場數(shù)值分析液力變矩器是最復雜的透平機械，同時包括離心式泵輪、向心式渦輪和軸流式導輪三種不同類型的流體機械。泵輪、渦輪和導輪組成了相對密閉的工作腔，它們的進口、出口環(huán)境相互影響。液力變矩器內流場分析的難點在于它是流道封閉的透平機械，渦輪、導輪和泵輪按各自的轉速轉動(導輪固定不動，只有在耦合工況下自由旋轉)，每級葉輪的流道都相當復雜，流道的內環(huán)、外環(huán)以及葉片的表面都是復雜的曲面，而且變矩器內部的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動。31常用的CFD軟件介紹CFD軟件是計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)軟件的簡稱，主要用于進行流場分析、計算以及預測。借助于CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，還能預測性能，并通過改變各種參數(shù)，達到最佳設計效果。通過CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理，還可以部分代替實驗，這對于降低成本，縮短研發(fā)周期，提高開發(fā)效率具有重要的意義。隨著計算機技術的發(fā)展以及數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了許多的商用CFD軟件。商用CFD軟件使許多原本不擅長CFD的其它專業(yè)研究人員也能夠進行流體數(shù)值計算，從而使研究人員從編制繁雜、重復性的程序中解放出來，以更多的精力投入到考慮所計算的流動問題的物理本質、問題的提法、邊界(初值)條件和計算結果的合理解釋等重要方面，這樣最佳地發(fā)揮了商用CFD軟件開發(fā)人員和其它專業(yè)研究人員各自的智力優(yōu)勢，為解決實際工程問題開辟了新的道路。目前比較好的CFD軟件主要有：FLUENT、CFX、PHOENICS、STARCD，除了Fluent是美國公司的軟件外，其它三個都是英國公司的產(chǎn)品。FLUENT是由美國FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件，在美國的市場占有率為60。只要是跟流體，熱傳遞以及化學反應等有關的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能，在汽車設計、武漢理工大學碩士學位論文航空航天、化學處理、發(fā)電系統(tǒng)、生物醫(yī)藥等方面都有著廣泛的應用。FLUENT軟件主要由前處理、求解器以及后處理三大模塊組成。采用自行研發(fā)的GAMBIT前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，然后由Fluent進行求解。GAMBIT具有超強的組合建模能力，可以生成并處理結構化網(wǎng)格或者非結構化網(wǎng)格，主要包括的二維網(wǎng)格有三角形和四邊形網(wǎng)格，三維網(wǎng)格有四面體、六面體、楔形和金字塔形網(wǎng)格。借助功能靈活，完全集成的和易于操作的用戶界面，GA船IT可以大大縮短用戶在CFD應用過程中建立幾何模型和劃分網(wǎng)格所需要的時間。FLUENT軟件還包括prePDF模塊，可用于模擬PDF燃燒過程?？梢越涌诘某绦虬ˋNSYS、IDEA8、PATRAN、NASTRAN等。FLUENT軟件的核心部分是納維一斯托克斯(Navier-stokes)方程組的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動的計算方法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三種算法。采用有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都要優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。而對可壓縮流動采用耦合法，即將連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程聯(lián)立求解。FLUENT在汽車工業(yè)有著廣泛地應用，尤其對于流場的數(shù)值模擬具有較高的精度，因此，本文將選用FLUENT對液力變矩器的內流場進行仿真計算。3.2建立流場計算的幾何模型32. 1分析中的假設和簡化由于液力變矩器流道模型極為復雜，為了能夠順利地得到收斂解，在用FLUENT進行數(shù)值模擬時，做如下的假設和簡化：(1)相對于各個旋轉參考系來說，流道內的流場是穩(wěn)態(tài)的，即各流場參數(shù)不隨時間變化。(2)液力變矩器中所有的構件為絕對剛體，即：泵輪、渦輪和導輪在工作過程中沒有相對的軸向位移，內、外環(huán)以及葉片在上作中沒有變形。這一假設主要忽略了形成流道的固體壁面和工作介質之間的相互耦合作用。(3)工作介質是不可壓縮流體，具有恒定的物理性質，即工作介質在任何工況下密度不變，P=899.1kgm3：粘度為常數(shù)，=O.00129Pas。(4)工作介質保持恒溫，不考慮熱傳遞。由于本文的最終目的在于流場對液力變矩器性能參數(shù)的影響，為此只需要知道流場的速度場和壓力場就已經(jīng)足夠。因此，本文只求解連續(xù)性方程和動量守恒方程而拋開了對流場中溫度場的研究。(5)假定工作介質在兩個葉輪間的無葉柵區(qū)沒有泄漏，從上游流出的工作油完全等量地流入到下游葉輪。即葉輪之間的無葉柵區(qū)處于一種壓力平衡狀態(tài)，從上游葉輪出口流出的液流經(jīng)過無葉柵區(qū)流速和壓力都不發(fā)生變化，然后流入下游升輪的進口。(6)除了葉輪的進口面和出口面外，工作介質不能從其它任何地方進入流道，即相鄰的流道之間和內外環(huán)處都不會有介質的交換。(7)在同一工況下，同一葉輪每個流道的流場特性相同。因此，在研究葉輪流道的流場時只需要分析一個流道的流場，而且該流道的流場特性與上游、下游葉輪計算流道的選取位蹙無關。宏觀上分析，該假設相當于將各葉輪流道的動態(tài)流場特性作了時間周期的平均，這在相當程度簡化了研究的問題。322幾何模型圖4-1為本文所研究的汽車用型液力變矩器的示意圖，各葉輪葉片數(shù)分別為：變矩器的實體模型是通過逆向工程獲得，首先由三維坐標儀掃描單個葉片得點云，然后將點云數(shù)據(jù)導入UG中，再擬合成片體，加厚成實體備用。在UG中建立葉輪的外環(huán)、內環(huán)等附屬部分的模型，最終同葉片組合在一起，得到變矩器的實體圖(如圖4-1)。圖4-1液力變矩器幾何模型液力變矩器的工作流道主要由葉輪的內環(huán)、外環(huán)和葉片之間的空間，加上各葉輪之間的無葉片區(qū)構成。由于流道的周期性，每個葉輪只需選取一個流道空間作為計算區(qū)域進行分析，該計算區(qū)域不僅包括葉片內的流道部分，還應包含葉片進口邊之前和出口邊之后的一小段無葉片區(qū)。在抽取流道時，從中弦面將流道割開，葉片被完全包羅在流道中。圖42為泵輪的流道切割方法，渦輪和導輪的切割方法相同。圖4-3為流道示意圖。 圖3-2泵輪 圖3-3流道33生成計算網(wǎng)格網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達形式，也是數(shù)值模擬和分析的載體。網(wǎng)格的質量對于CFD計算精度和計算效率有重要的影響，甚至是計算成敗的關鍵。對于一個復雜的CFD問題，劃分網(wǎng)格所用的時間可能要占到整個分析過程的80左右，可見網(wǎng)格在分析過程中的重要地位，因此必須給予高度的重視。為了提高計算的精度，本文將用六面體網(wǎng)格進行劃分。331 GAMBIT簡介本文將使用GAMBIT進行網(wǎng)格劃分。GAMBIT是目前CFD分析中最好的前置處理器之一，它包含功能強大的幾何建模能力以及先進的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等有特殊要求的高質量的網(wǎng)格。GAMBIT能夠針對極其復雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結構化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格，且有數(shù)十種網(wǎng)格生成方法，生成網(wǎng)格過程又具有很強的自動化能力，因而大大減少了工程師的工作量。GAMBIT包含全面的幾何建模能力，既可以在GAMBIT內直接建立點、線、面、體的幾何模型，也可以從PROE、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等主流的CADCAE系統(tǒng)導入幾何和網(wǎng)格。GAMBIT與CAD軟件之間的直接接口和強大的布爾運算能力為建立復雜的幾何模型提供了極大的方便。GAMBIT提供了對復雜的幾何形體生成附面層內網(wǎng)格的重要功能。(邊界層是流動變化最為劇烈的區(qū)域，因而邊界層網(wǎng)格對計算的精度有很大影響)。而且邊界層內的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區(qū)域的網(wǎng)格自動銜接，大大提高了網(wǎng)格的質量。另外，GAMBIT能自動將四面體、六面體、三角柱和金字塔形網(wǎng)格自動混合起來，這對復雜幾何外形來說尤為重要。如左圖所示的汽車表面網(wǎng)格采用了三角柱網(wǎng)格，既保證了壁面的模擬精度，又大大節(jié)省了網(wǎng)格數(shù)目。GAIHBIT擁有多種方便簡捷的網(wǎng)格檢查技術，使工程師能快捷的檢查已生成的網(wǎng)格的質量。該模塊包括對網(wǎng)格單元的體積、扭曲率、長細比等影響收斂和穩(wěn)定的參數(shù)進行報告。工程師可以直觀而方便地定位質量較差的網(wǎng)格單元從而進一步優(yōu)化網(wǎng)格。GABITTurbo是集成在GAMBIT 20里的針對汽車旋轉機械的專用前處理模塊，能夠對汽車水泵、風扇快速生成高質量的非結構化網(wǎng)格，并考慮到了具有高扭曲度的葉片上的附面層網(wǎng)格。3. 32劃分網(wǎng)格3321網(wǎng)格劃分的原則在物理平面上的網(wǎng)格劃分應適應物理區(qū)域中參量的變化情況，在變化劇烈的地方網(wǎng)格要劃得稠密些，而在變化平緩處則可以適當?shù)南∈枰恍?。這樣，可在同等計算精度的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)，縮短計算時間。具體到液力變矩器流道，則需要在靠近內、外環(huán)，葉片工作面和葉片背面的壁面處，網(wǎng)格劃分密一些，而在