1流场特性分析
文中的液力缓速器叶轮无内环且回转壁面弯曲严重，叶片压力面和吸力面的根部存在流动分离，且定子叶片吸力面附近尤其严重，靠近外环产生了严重脱流(图3a)。近壁面处的流动分离已经严重影响到叶片流道主流区的流动，不利于液流迅速冲击定子叶片，导致冲击损失降低［12－14］;叶片流道主流区的流线方向在个别叶片间比较分散，凸向冲击较大的压力面形成了马蹄涡(图3c)［15］;外环面产生的马蹄涡影响了液体循环流动，致使弦面内进出口区域流动不均匀，压力梯度的存在使得此处形成通道涡(图3e)，通道涡是影响流动的主要因素之一，在弯曲流动中不可避免，只能适当缓解其现象［16－17］。分析原因，涡旋的产生主要由于叶片的进口冲角和叶片倾角不符合流动规律，因此导致流体在冲击叶片时，在进出口交接区域产生通道涡，干扰了入口流场，使得通道涡的分支在叶片两侧产生了漩涡和分离流动［18－19］。针对上述流动问题，对叶轮提出优化叶片倾角及前缘倒角叶型修正方案，以期提高叶轮的冲击损失，消除或者减少不必要的流动损失。
2叶栅优化设计
2.1参数优化评价指标对于流道几何相似的液力缓速器，在同一工况下转矩无因次系数λK相等，λK直接体现了液力缓速器制动转矩性能，因此可以用转矩系数λK作为评价液力缓速器结构参数优化的指标。从式(1)可以看出，当循环圆有效直径不变时，一定转速下制动转矩和转矩系数呈正比，因此，在不改变有效直径的条件下，也可以将制动转矩作为参数优化评价指标。2.2叶栅角度优化方案选择影响液力缓速器制动转矩的结构参数主要有:循环圆形状和有效直径、叶片数目、叶片倾角以及叶片前缘倒角。通过流场特性分析得知弦面出现涡旋主要是由叶片倾角和前缘倒角的设计不合理造成的，与循环圆形状及叶片数目关系甚微，所以文中在其他参数保持不变的前提下，只对叶片倾角和前缘倒角进行修正。图4所示为液力缓速器前倾叶片示意图，其中α为叶片前倾角。液体从叶片间流道流出时，叶片倾角的变化会改变冲击角，影响冲击损失，从而导致制动转矩变化。表2所示为叶片倾角从32°变化到48°时，液力缓速器内流场的数值计算结果，结果显示当缓速器其他结构参数不变时，随着叶片倾角的增大，制动转矩先增大后减小，前倾42°时，由于叶片获得较大的冲击损失使其制动转矩最大。叶片楔角(前缘倒角)同叶片倾角一样对冲击损失有很大影响，从而影响液力缓速器的制动转矩，图5中θ为叶片楔角。为研究不同楔角与制动转矩的关系，在全充液工况，分别对10°～45°楔角的内流场进行数值计算，结果表明(表3):当其他结构参数不变时，随着叶片楔角逐渐减小，制动转矩将不断增大，但是过小的楔角会导致叶片前缘过薄从而引起强度不够。对于叶片倾角和叶片楔角，两者在冲击损失方面互相影响，相关性较大。因此不能简单将叶片倾角或前缘倒角单一参数作用下得到的优化结果组合形成最优方案，而要以叶片倾角和前缘倒角的变化趋势对制动转矩的影响为依据，并考虑叶片强度等相关因素，在不改变其他结构参数的条件下，拟采用表4中的几组优化方案进行内流场数值计算，并获取其内外特性进行对比分析。2.3优化结果将几组优化方案的流场特性与原样机对比分析可知，只有方案2、4、5流场中的流动分离和涡旋现象得到了明显改善。图6显示相对速度最大值出现在方案4的定转子交界区域，说明该方案中液流从转子吸收的能量最多，从而产生较大的冲击损失。图7显示在叶片吸力面与叶片楔角转折处产生了局部低压，使得压力面与吸力面之间产生横向压差，横向压差越大，工作腔内循环流动越显著，制动转矩越大。表5为制动转矩以及转矩系数的数值计算结果。方案4的制动转矩最大，其次是方案2，最小是方案5，因此方案4为最佳优化方案。优化后的液力缓速器各结构参数分别为:循环圆形状为圆形、定子叶片数34，转子叶片数36，叶片倾角42°，叶片楔角28°。液体在原型叶轮和最优叶轮内叶片近壁面和工作流道内截面的流动迹线对比可以发现(图3)，叶型改进后，由于叶片的入口冲击角减小，使得原型叶片在吸力面根部的流动分离现象有所改善，循环流动比较顺畅，马蹄涡的影响范围减小;新的叶型抑制了通道涡的形成，有助于减少通道涡附近的高能量液体因相互混掺而产生的损失，从而降低了二次流损失。图8优化前后制动转矩曲线对比Fig．8Comparisonofbrakingtorquecurvesbeforeandafteroptimization2.4优化前后性能对比分析图8为不同充液率f下，优化前、后液力缓速器的转速-制动转矩曲线。通过对比发现，低充液率下，制动转矩变化不太显著，但是在较高充液率下，优化后的性能明显提高。图9为不同工况下，缓速器优化前后制动转矩系数对比曲线。制动转矩系数随充液率的增加逐渐增大，全充液时达到最大，此时即使工作腔内的压力继续升高，转矩系数也不再变化，而是维持在最大值左右。从2条曲线的拟合结果对比来看，在高充液率下优化后缓速器的制动转矩系数提高明显，较原样机提高大约6%，达到了提高制动转矩系数的目的。
3结论
(1)为了较准确地预测液力缓速器内流场中的涡旋、脱流和分离流动等场内流动问题，对缓速器内湍流流动进行三维瞬态流动分析，并发现了流动中存在的问题，即由于叶栅结构设计的不合理，外环近壁面区域出现脱流现象，并且流道内产生了马蹄涡和通道涡，不利于恒定制动转矩的输出。(2)采用基于流场特性分析的优化方法对叶栅角度进行优化设计，优化效果显著，原型叶轮中存在的涡旋和壁面脱流现象基本消失，弦面内的涡团影响范围减弱，降低了二次流损失，使得循环流动更加顺畅，并且优化后的缓速器在不同转速下的制动转矩均有一定程度的提高，制动转矩系数提高了6%。
作者：李雪松 刘春宝 程秀生 苗丽颖 单位：吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 吉林大学机械科学与工程学院
