摘要
本文的研究是以汽车用液力变矩器为研究对象，基于三维流场理论，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等软件，对液力变矩器的内流场进行了仿真计算。本课题研究的目的和意义就在于，通过CFD软件的模拟仿真，对液力变矩器的流道的压力和速度进行有效分析计算。本文主要有以下内容：
(1)首先介绍了课题研究的背景，液力变矩器在国内外的应用情况和流场理论的发展现状，指出了液力变矩器设计计算的发展方向是三维流场理论；然后对液力变矩器的组成以及工作原理进行了阐述，并指出了主要研究内容。
(2)阐述了计算流体力学的基本理论。首先列出了控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，由于本课题研究的是不可压缩流体，热交换量可以忽略不计，敌不考虑能量守恒方程，然后介绍了将控制方程离散化的方法；接着详细介绍了有限体积法的基本原理，常用的离散格式：分析了网格的生成技术，分别对结构网格、非结构网格以及混合网格作了阐述；最后介绍了常用的湍流模型，湍流流动的近壁处理方法和流场数值计算的算法。介绍了反求发测绘液力变矩器。
(3)介绍了常用的一些CFD软件，并选择FLUENT对本课题进行研究；为了能够顺利地得到收敛解，提出了研究液力变矩器流场的一些假设，并对流场进行了一定的简化；然后通过CAD 软件UG建立叶轮流道的几何模型，并使用GAMBIT生成计算网格，为了提高计算精度，使用六面体网格；选择分离求解器隐式格式进行求解，使用绝对速度方程，湍流模型选择标准k一￡模型，同时使用标准壁面函数；离散格式采用二阶迎风格式(这样可以提高解算精度)，压力一速度耦合选用SIMPLE算法，入口边界条件使用压力入口，出口边界条件使用压力出口，其余壁面使用非滑移壁面边界条件；在叶轮之间的交互面上使用混合平面模型。
(4)对计算结果进行了分析，并与实验结果进行了比较，二者基本吻合证明了三维流场分析的
正确性。最后对研究过程中存在的问题进行了分析。
(5)对全文进行了总结。
关键词：液力变矩器、内流场、FLUENT
ABASTRACT
The research is a part of national fund project of key laboratory of the vehicle transmission. 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，FLUENT
目录
第
第1章绪论 (1)
1．1研究背景 (1)
1．1．1液力变矩器在国内外的应用 (1)
1．1．2流场理论的发展现状 (2)
1．2液力变矩器的组成及工作原理 (5)
1．2．1液力变矩器的组成 (5)
1．2．2液力变矩器的工作原理 (6)
1．3研究目的和意义以及主要研究内容 (8)
1．3．1研究目的和意义 (8)
1．3．2主要研究内容 (9)
第2章液力变矩器的测绘和反求 (10)
2. 1测绘过程 (10)
2. 2三维光学测量仪编程 (11)
2. 3数据处理和反求 (16)
第3章液力变矩器内流场数值分析 (19)
3．1常用的CFD软件介绍 (19)
3.2建立流场计算的几何模型 (21)
3．2. 1分析中的假设和简化 (21)
3．2．2几何模型 (22)
3．3生成计算网格 (24)
3．3．1 GAMBIT简介 (24)
3. 3．2划分网格 (25)
3．4设置求解器 (27)
3．4. 1求解器的选择 (27)
3．4．2控制方程的线性化 (28)
3．4．3参考压力的选择 (29)
3．5选择湍流模型 (30)
3.6定义流体的物理性质 (31)
3.7设置边界条件和初始条件 (32)
3．7．1入口边界条件 (32)
3．7．2出口边界条件 (33)
3．7．3壁面边界条件 (34)
3．7．4初始条件 (34)
3．8收敛准则 (35)
3．9本章小结 (35)
第4章液力变矩器内流场计算结果分析 (36)
4．1泵轮流场分析 (36)
4．1．1泵轮入口流场 (38)
5．1．2泵轮出口面流场 (39)
4．2涡轮流场分析 (40)
4．2．1涡轮入口流场 (42)
4．2．2涡轮出口流场 (42)
4. 3导轮流场分析 (43)
4．3．1导轮入口流场 (45)
4．3．2导轮出口流场 (46)
4．4本章小结 (46)
第5章全文总结 (47)
参考文献 (50)
致谢 (51)
附录 (52)
第1章绪论
1．1研究背景
1．1．1液力变矩器在国内外的应用
液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一，其主要作用是由发动机向传动系统平稳地传递动力。装有液力变矩器的动力传动系统可以保证车辆平稳地起步、变速。目前液力变矩器被广泛地应用于铁道车辆、工程机械、航空航天、能源动力以及化工机械等行业，而汽车行业更是液力变矩器的最大用户。
国外己普遍将液力传动运用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、牵引车及军用车辆等。以美国为例，自20世纪70年代以来，每年在轿车上液力变矩器的装配率达到90％以上，而在城区公汽上的装配率几乎达到了100％。在重型汽车方面，载货量30～80吨的重型矿用自卸车几乎全部采用了液力变矩器，而在功率超过735kW，载货量超过100吨的重型汽车上，液力变矩器也得到了广泛地应用。如功率为882．6kW、装载量为108吨的矿用自卸车就装配了阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力机械变速器。还有某些非公路车辆，坦克以及军用车辆上也装备了液力变矩器。除美国外，其它国家的汽车工业中，比如日本的丰田、日产公司，德国的奔驰、伦克公司以及意大利的菲亚特公司等都生产了装配有液力变矩器的汽车。
我国早在上世纪50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，开创了我国独立设计、制造液力变矩器的历史。1958年，我国机车行业自行研制的卫星号(也称东方红I)内燃机车装配了三个液力变矩器：一个启动液力变矩器，两个运转液力变矩器。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，当时由天津工程机械研究所和
厦门工程机械厂共同研制的ZL435装载机上就装配有液力变矩器。70年代开始将液力变矩器应用于重型矿用汽车上。80年代由天津工程机械研究所研制开发了“YJ单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统”和“YJSW双涡轮液力变矩器系列”。两大系列目前已成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。其产品的主要性能指标已达到国外同类产品的先进水平。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了Ch300、Ch400、Ch700、Chl000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液力变矩器的设计与制造关键技术，达到国际先进水平，满足了军用车辆的使用要求。一些合资企业生产的轿车和重型载重车等也应用了进口的液力变矩器。
目前，液力变矩器在我国的轿车市场上也有着巨大的潜力，1997年以前，我国汽车总保有量中仅有不到10％的车辆装有液力机械式自动变速系统。最近几年，继上海通用别克、奥迪A6、上海大众帕萨特B5以及广州本田将液力自动变速器作为整车的基本配最后，国内各大汽车厂商纷纷在各自的热卖车型上推出了数十款装备液力自动变速器的新车型，这些自动变速轿车受到了广泛的欢迎。
同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较少，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上应用极少甚至没有应用。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是未来的发展重点，因此液力变矩器在我国有广阔的市场。
1．1．2流场理论的发展现状
液力变矩器是叶轮机械的一种。液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动。
基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，长期以来在工程中采用的
是一维流动理论，即束流理论。它有如下假设：
(1)叶轮中的液流是由许多流束组成，流动关于旋转轴对称。
(2)叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄。
(3)上一级叶轮的出口流动情况与下一级叶轮的进口流动情况相同。
(4)同一过流截面上各点的轴面速度相同，因此，可用中间流线代表整个流道的流动状态。中间流线是一条假象的曲线，它将液流通道断面分割成面积相等的内外两部分(如图1-l所示)。
由于束流理论的简便性和一定的合理性，因而具有一定的工程实用价值，被广泛应用于液力变矩器的设计工作中。一维束流理论的优点是物理概念简单，设计、计算工作大为简化，并且易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内流场有很大差别，因此，用一维束流理论设计出来的变矩器往往不能达到预期的性能指标，而要经过反复的试验和改进，这就大大地增加了试验量和研制周期。随着车辆、工程机械等行业对液力变矩器性能和研制周期要求的不断提高，给液力变矩器的研究提出了新的课题，研究人员在液力变矩器流场理论的研究上付出了很多努力，取得了一定进展。