（机械电子工程专业论文）基于三维流场的钣金型液力变矩器现代设计方法与实验研究.pdf

s h e e tm e t a l - - t y p eh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e ra n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo fm o d e r nd e s i g nm e t h o d sb a s e do n n u m e r i c a ls o l u t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fd o c t o r c a n d i d a t e ：h u ij i z h u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a os h e n g j i e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者签名：杰碜 枷年么月九 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 夕肿月，日 柳护年厂月，乡日 两晏 液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一，其主要作用是通过液体耦合的泵轮 和涡轮，实现放大扭矩和在一定范围内实现自动变速的作用。目前钣金型液力变矩器以 其结构紧凑、工作性能好，适合大批量生产等优点逐渐取代了传统的铸造型液力变矩器， 但是钣金型变矩器存在设计和制造难度较大的问题。本文结合陕西省科学研究基金项目 “钣金型液力变矩器性能及关键理论研究”依照变矩器的现代设计理论，对钣金型液力 变矩器的三维内流场、轴向力、变形理论与疲劳寿命进行了深入研究。 近年来，随着c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术走向工业应用阶段，全三维 粘性流动分析技术趋于成熟，使得精确求解液力变矩器内部的复杂流动成为可能。本文 依托项目合作单位的某工程机械用钣金型液力变矩器为研究对象。首先对结构进行简 化，借助u g 和g a m b i t 软件，获得各个工作轮流道的网格模型，结合现代流体力学理论， 通过仿真软件f l u e n t 对各个工作轮流道建立了三维不可压粘性流体紊流有限元计算数 学模型并进行了三维流场的数值模拟计算；在此基础上应用叶轮转矩方程，提出了外特 性计算方法。设计并搭建了一台实验精度高、能够较为准确模拟实际工况的新型实验台， 对所研究的钣金型液力变矩器进行外特性实验，实验结果表明了三维内流场数学模型的 正确性：在三个典型工况下，通过对内流场的数值模拟结果进行分析研究，得出了钣金 型液力变矩器内部三维流场的速度梯度、压力梯度分布规律以及回流、二次流、涡流等 异常流动的分布特点，为液力变矩器的设计和改进提供了可靠的理论依据。 在三维流场数值计算的基础上对钣金型液力变矩器的轴向力、变形理论、疲劳寿命 进行了研究。采用数学方法，建立了液力变矩器三个叶轮上轴向分力及变形的数学模型； 实验对比研究结果表明基于三维流场的轴向力计算模型更接近实际；对钣金型液力变矩 器的壳体模型进行简化，在三维流场数值计算的基础上，运用m s c p a t r a n 结合三维流 动理论建立了壳体膨胀变形有限元数学模型，提交m s c n a s t r a n 仿真分析软件得到了壳 体的应力应变分布云图；通过静压膨胀实验研究得到了变形与油压的关系并验证了有限 元模型的正确性：借助m s c f a t i g u e 有限元疲劳仿真软件，得出了壳体表面的疲劳寿命对 数云图；通过压力循环耐久性实验以及启动工况下的耐久性试验研究，试验结果与仿真 结果基本相符，表明了膨胀变形以及疲劳寿命仿真结果的正确性，从而可以在设计阶段 判断出壳体疲劳寿命的薄弱位置并提出了改进措施。 本文所取得的研究成果对提高钣金型液力变矩器的性能提供了可靠的数值模拟方 法和理论依据；同时对提高产品的可靠性和寿命，缩短研发周期，降低研究成本，优化 产品质量提供了重要参考。 关键词：钣金型液力变矩器；三维内流场；数值模拟；疲劳寿命 a b s t r a c t v e h i c l et r a n s m i s s i o nt o r q u ec o n v e r t e ri so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t si ni t sm a i nr o l ei st o s m o o t ht h ee n g i n e sp o w e rs p r e a dt ot h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s t h ec u r r e n ts h e e tm e t a l h y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rw i t hi t sc o m p a c ts t r u c t u r e ，g o o dp e r f o r m a n c e ，s u i t a b l ef o rm a s s p r o d u c t i o ng r a d u a l l yr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a la d v a n t a g e so fc a s t i n gh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r , b u tt 1 1 ee x i s t e n c eo fs h e e t - t y p et o r q u ec o n v e r t e rd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gi sm o r ed i f f i c u l t t h a nb i gp r o b l e m i nt h i sp a p e r , s h a n x is c i e n c ef u n dp r o j e c t ”s h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u e c o n v e r t e rp e r f o r m a n c ea n dc r i t i c a lt h e o r y ”i na c c o r d a n c ew i t ht h em o d e m d e s i g no fc o n v e r t e r t h e o r y , t h r e e d i m e n s i o n a ls h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rf l o wf i e l d ，t h ea x i a lf o r c e ， d e f o r m a t i o nt h e o r ya n df a t i g u el i f ei nd e p t h t o r q u ec o n v e r t e rd e s i g nm e t h o dd e v e l o p m e n td i r e c t i o ni st h r e e d i m e n s i o n a lf l o wt h e o r y , i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec f dt e c h n o l o g i e s t ot h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o ns t a g e ，f u l l t h r e e d i m e n s i o n a lv i s c o u sf l o wa n a l y s i st e c h n i q u e sm a t u r e ，s h i d ea c c u r a t et o r q u ec o n v e r t e r t os o l v ef l o ww i t h i nt h ef u z a p o s s i b l e i nt h i sp a p e r , t h ep r o j e c tc o o p e r a t i o nw i t hac e r t a i n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rf o rt h es t u d y i ns u c hs h e e t m e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r , t h ef i r s to f i t ss t r u c t u r ei ss i m p l i f i e d ，w i t hu ga n dg a m b i t s o t h , v a r e ，a c c e s st ot h eg r i da l lt h ew o r kr o t a t i o nr o a dm o d e l ，c o m b i n e dw i t hm o d e mf l u i d d y n a m i c st h e o r y , s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f l u e n tt h r o u g ht h ew o r ko fe a c hr o t a t i o nr o a dt h e t h r e ed i m e n s i o n a lf l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dp r o p o s e de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n t a ld e s i g na n db u i l dah i g hp r e c i s i o n , t om o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h en e wt e s tb e d ，a n dt h es t u d yo fs h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rt ot h e e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e s i m p l i f y i n ga s s u m p t i o n sm a d ei na c c o r d a n c ew i mt h i sa r t i c l e 觚dt l l e c a l c u l a t i o n m o d e l ，a c c e s st oa d e q u a t ea n da c c u r a t er e s u l t s i nt h r e et y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n s ，j o br o t a t i o nr o a do nt h ev a r i o u si n t e r n a lp r e s s u r e ，s p e e d ，f l o wl i n ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ei m p o r ts i d eo ft h ed e t a i l e da n a l y s i s ，c o m p a r i n gt h ec o n c l u s i o n ：t h ei n t e r n a lh i g h s p e e d t o r q u ec o n v e r t e rg r a d i e n t ，p r e s s u r eg r a d i e n t ，a n dt h er e t u r ns e c o n d a r yf l o w , v o r t e xf l o ws o u n u s u a li m p a c to nt h ec o n v e r t e rp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l ys i g n i f i c a n te f f e c t o nt h et o r q u e c o n v e r t e re f f i c i e n c y , t h u sm o r ea c c u r a t eg r a s po ft h r e e d i m e n s i o n a lt o r q u ec o n v e r t e rf l o w f i e l dw i t h i nt h er u l e s ，a n da d v a n c e dd e s i g nt h e o r ya n dw a yf o r t h e d e v e l o p m e n ta n d i m p r o v e m e n to fh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rt op r o v i d ear e l i a b l eb a s i s i i lt h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sb a s e do ns h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u e c o n v e r t e ro ft h ea x i a lf o r c e ，d e f o r m a t i o nt h e o r y , r e l i a b i l i t ya n df a t i g u el i f ew e r es t u d i e d o n t h eo n eh a n d ，a r o u n dt h es h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rt oa n a l y z et h ef o r c e ，u s i n g m a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，c a l c u l a t e do nt h ea x i a li m p e l l e rt o r q u ec o n v e r t e r3a n dt h e d e f o r m a t i o nc o n t r i b u t et ot h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l ，a n de x p e r i m e n t a lc o m p a r a t i v e s t u d y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea x i a lf l o wf i e l db a s e do nt h ec a l c u l a t i o nm o d e li sm o r e r e a l i s t i c ；o nt h eo t h e rh a n d ，o nt h es h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rs h e l lm o d e lc a l lb e s i m p l i f i e d ，t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nb a s e do nt h ef a t i g u es i m u l a t i o nu s i n g f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c f a t i g u ec a l c u l a t e dt h es h e l lo ft h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n a n ds h e l ls u r f a c ef a t i g u el i f em a p ，y o uc a nd e t e r m i n et h es h e l la tt h ed e s i g ns t a g eo ft h e f a t i g u el i f eo ft h ew e a kp o s i t i o n ，i nt h i sc a s eb a s e do nt h eo b t a i n e dr e s u l t so ft h ef u l l l i f e p r e d i c t i o n s ；f i n a l l y , h y d r o s t a t i ce x p a n s i o nt e s tt h ed u r a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n dr e s u l t sw e r ev e r i f i e da n da n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es h e e tm e t a lb a s e d m s c f a t i g u eh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rs h e l lo nf a t i g u el i f ep r e d i c t i o ns i m u l a t i o na c c u r a c y t h i sa r t i c l e sr e s e a r c hr e s u l t st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u e c o n v e r t e rt op r o v i d ear e l i a b l en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a lb a s i s ；t h es a m et i m e ， i m p r o v ep r o d u c tr e l i a b i l i t ya n dl i f e ，s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ec o s t ，o p t i m i z e p r o d u c tq u a l i t yh a ss o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：s h e e tm e t a lh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r , f l o wf i e l da n a l y s i s ，a x i a lf o r c e ， d e f o r m a t i o nt h e o r y , t h ef a t i g u el i f e 目录 第一章绪论1 1 1 课题的选题背景1 1 2 液力变矩器国内外研究与应用现状3 1 2 1 液力变矩器国外研究与应用3 1 。2 2 液力变矩器国内研究与应用5 l - 3 课题研究的目的和意义7 1 4 研究的主要内容和方法9 1 5 本章小结l o 第二章计算流体力学( c f o ) 基本理论1 l 2 1 流体流动基本控制方程1 1 2 1 1 连续性方程1 1 2 1 2 黏性流体运动方程( n - s 方程) 12 2 2 湍流模型1 3 2 3 流场数值计算的算法1 6 2 4 网格生成技术18 2 4 1 结构网格生成技术1 8 2 4 2 非结构网格生成技术1 9 2 4 3 混合网格生成技术j ：。1 9 2 5 本章小结2 0 第三章钣金型液力变矩器内流场数值模拟与实验研究2 1 3 1 f l u e n t 软件及计算流程。2 1 3 1 1 f l u e n t 软件介绍2 l 3 1 2f l u e n t 数值模拟流程2 3 3 2 流道几何模型的建立2 3 3 2 1 假设和简化。2 4 3 2 2 几何模型的建立j 2 5 3 3 流道网格模型建立：2 6 3 3 1 网格划分：2 7 3 3 2 网格检查2 8 3 4 计算模型和算法的选择2 8 3 4 1 湍流模型的选择2 8 3 4 2 速度一压力耦合算法的选择3 0 3 4 3 离散格式的选择。3 1 3 5 流场的数值计算3 2 3 5 1 边界条件3 2 3 5 2 初始化3 4 3 5 3 收敛准则3 5 3 5 4 迭代计算3 5 3 6 基于三维流场数值解的变矩器外特性计算方法3 6 3 6 1 工作轮转矩方程3 7 3 6 2 性能参数计算方法4 0 3 7 现代性能实验台方案设计4 0 3 7 1 驱动以及加载装置设计j ：4 2 3 7 2 变矩器供油系统设计4 2 3 7 3 信息处理系统设计4 3 3 8 变矩器特性实验4 4 3 8 1 实验方法。4 4 3 8 2 实验结果4 5 3 9 实验结果与仿真计算结果的比较4 6 3 1 0 本章小结4 8 第四章钣金型液力变矩器内流场计算结果分析4 9 4 1 各工作轮流道流场分析4 9 4 1 1 泵轮流道流场分析4 9 4 1 2 涡轮流道流场分析5 5 4 1 3 导轮流道流场分析6 0 4 2 变矩器流场特性综合分析6 5 4 3 本章小结6 6 第五章钣金型液力变矩器轴向力与壳体变形理论研究6 7 5 1 基于二维流动的轴向力计算6 8 5 1 1 轴向力计算模型的建立_ 6 8 5 1 2 轴向力计算基本理论。7 1 5 1 3 各工作轮所受轴向力的计算模型7 3 5 2 基于三维流场的轴向力计算方法7 5 5 2 1 内部油液流动产生的轴向力_ 7 5 5 2 2 流道外部产生的轴向力：7 8 5 3 两种算法计算结果和实验结果的对比8 0 5 4 钣金型液力变矩器变形理论研究。8 3 5 5 本章小结8 6 第六章钣金型液力变矩器壳体疲劳寿命研究。8 7 6 1 疲劳寿命的影响因素与分析方法8 7 6 1 1 影响疲劳寿命的主要因素8 7 6 1 2 疲劳寿命分析的方法8 8 6 2m s c 虚拟疲劳寿命集成化仿真分析系统8 8 6 3 变矩器壳体有限元模型与强度计算9 0 6 3 1 变矩器壳体有限元模型建立9 0 6 3 2m s c n a s t r a n 求解计算及分析9 7 6 4m s c f a t i g u e 中疲劳寿命的计算及分析。1 0 1 6 4 1m s c f a t i g u e 中疲劳寿命参数设置。1 0 1 6 4 2 涡轮壳体疲劳寿命预测分析1 0 3 6 3 2 泵轮疲劳寿命预测分析1 0 5 6 5 本章小结1 0 5 第七章钣金型液力变矩器壳体疲劳寿命实验验证与分析1 0 7 i i 一 7 1 实验验证：。1 0 7 7 1 1 静压膨胀实验：1 0 7 7 1 2 耐久性实验11 0 7 2 实验结果分析115 7 2 1 静压膨胀实验结果分析：115 7 2 2 耐久性实验结果分析：1 1 6 7 3 本章小结：11 6 第八章结论与展望1 1 7 8 1 结论11 7 8 2 展望11 9 参考文献1 2 0 附录12 5 攻读博士期间取得研究成果1 2 8 致谢j 1 2 9 i i i 长安大学博士学位论文 1 1 课题的选题背景 第一章绪论 液力变矩器是车辆自动变速器( a t ) 与无级自动变速器( c v t ) 中的重要组成元件。 液力变矩器的功用主要包括两个方面：其一是放大扭矩；其二是在有限范围内实现自动 变速。液力变矩器一方面连接发动机，将发动机的机械能转化为工作介质的液体能；另 一方面与传动轴相连接，将液体能再次转化为机械能。通过液体耦合的泵轮和涡轮，可 以使液力变矩器实现放大扭矩和自动变速的作用。目前，液力变矩器被广泛地应用于工 程机械、铁道车辆、航空航天、能源动力以及化工机械等行业。正因为液力变矩器具有 很多的优点，所以在美国、欧洲、日本等西方国家得到了广泛的应用。相反，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 变矩器在我国有着广阔的市场【m j 。 国内对于液力变矩器的研究却显得相对滞后，这主要是由于液力变矩器的内部结构 复杂，特别是液体的流动状况极其复杂，过去的研究主要是针对流场进行一系列的假设 和简化，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。由于它的简便性和一定的合理性，因而具有工程实用 价值，目前得到广泛应用的液力变矩器的设计理论仍是束流理论。一元束流理论的优点 是物理概念简单，设计计算工作大为简化和易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内 流场有很大差别，所以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，而要经过反复的实验和改进，这就大大地增加了实验量和研制周期。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。在一元束流理论的基础上发展了二维流动理论。它将工作轮中的流动简化为过旋转 轴心的一组平行轴面内的平面流动，每个平面内的速度分布和压力分布都是相同的。在 给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。在 二维流动理论基础上建立起来的二维或准二维性能预测和叶栅设计方法，把原来由中间 第一章绪论 平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规 律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶性设计及绘制方法等 进行了大量研究，得到了较好的效果。总的来说，用二维流动理论描述纯离心式或轴流 式工作轮中的流动情况与实际较为接近，而描述常用的向心式或一般的混流式工作轮， 则与实际差别较大。液力变矩器设计计算方法的发展方向是三维流动理论，描述粘性流 体三维流动的运动方程是纳维斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程，简称n s 方程。由于n s 方程和欧拉方程的复杂性，直接求数值解非常困难，特别是n s 方程，近十多年来，尤 其是随着c f d 技术走向工业应用阶段，全三维粘性流动分析技术趋于成熟，使得精确求 解流体机械内的复杂流动成为可能，随着我国工程机械行业、汽车行业的快速发展，国 内一些学者也作了许多研究工作。最具有代表性的就是吉林大学葛安林教授申请了国家 自然科学基金项目“液力变矩器现代设计理论的研究”，针对铸造型变矩器开展了一系 列的研究工作。 传统的铸造型液力变矩器由于存在工作性能上的弊端( 譬如，同一批产品中性能波 动较大，内部部件长时间运转后，干涉研出金属粉末，容易堵塞变矩器滤油器，损坏变 速换挡阀，严重影响变速系统的正常工作t n ) ，目前钣金型液力变矩器以其结构紧凑、 工作性能好，适合大批量生产等优点逐渐取代了传统的铸造型液力变矩器，而钣金型变 矩器与传统的铸造型变矩器在设计和生产工艺上有着很大的区别。钣金型变矩器泵轮、 涡轮的内环、外环和叶片都是采用钣金件冲压而成，且每个工作轮上的叶片都是等厚度 三维空间扭曲结构，通过高温钎焊技术将内环、外环和叶片焊接而成。而传统的铸造 型变矩器各个工作轮以及叶片都是采用铸造工艺，且各个工作轮上的叶片都是不等厚的 空间扭曲结构，将内环、外环和叶片焊接而成。这样的话，两种类型的变矩器内部流 道结构就不一样，从而导致在性能上有所差异。而钣金型液力变矩器尽管具有许多优点， 但也存在膨胀变形，钣金型液力变矩器在工作时壳体的变形量对工作性能的影响是一个 不可忽视的问题，如果变形量超出一定的范围，就会影响它内部结构的正常工作，引发 一系列严重的后果。同时，变矩器在工作时，动态的油压，离心力等因素对变矩器的可 靠性和使用寿命也有很大的影响，在以往的研究中，对疲劳寿命没有进行相应的研究， 以至于变矩器厂家对产品的寿命也没有一个科学的结论。 液力变矩器在工作时，各个工作轮主要受到来自油液对叶片作用力。变矩器叶轮的 内外表面都承受作用力，由于在周向成对称结构，纵向受力以及变形相对较小，对变矩 器结构以及工作性能的影响也相对较小。而轴向结构不是对称形状，工作液体的轴向压 2 长安大学博士学位论文 力作用在不平衡表面积上，就产生了轴向力，有时甚至很大，它将影响联接件、轴承等 强度与寿命。由于液力变矩器轴向力的存在，会导致变矩器整体在轴向上的刚体位移， 此轴向位移常会导致变矩器与周围零件的干涉。因此，轴向力以及变形直接影响零件的 装配，同时影响轴承的使用寿命。变矩器的可靠性和疲劳寿命一直以来国内没有一个专 门的学术团队对钣金型液力变矩器进行深入的研究，使得现有的产品在结构和性能还存 在一些问题。 正是基于以上等研究的需要，本文针对某钣金型液力变矩器，运用现代设计理论对 其内流场三维数值进行模拟计算，在三维流场计算的基础上建立轴向力以及膨胀变形理 论数学模型、并对壳体的疲劳寿命进行仿真分析和实验研究，本文的研究得到了陕西省 自然科学基金的资助。 1 2 液力变矩器国内外研究与应用现状 1 2 1 液力变矩器国外研究与应用 近年来，美国、德国、韩国、日本等国家均投入大量资金对液力变矩器进行深入的 研究，尤其是随着c f d 技术走向工业应用阶段，全三维粘性流动分析技术趋于成熟，使 得精确求解流体机械内的复杂流动成为可能，它能比较正确地计算模拟流体的真实流 动，能比较正确地预测其中流场的涡旋、回流、二次流和损失等流动现象，较精确地预 测流体机械的性能。他们的许多研究团队利用c f d 技术和数值模拟计算方面进行了大量 的研究，根据流场计算结果预测变矩器的性能，改进了传统的液力变矩器设计方法。为 液力变矩器的研制和改进提供了可靠依据。综合公开发表的文献陋1 0 】，主要的研究小组 和单位有： ( 1 ) 美国宾夕法尼亚州立大学 b l a k s h m i n a r a y a n a 教授领导的小组，1 9 8 8 年至2 0 0 0 年间，美国g m 公司在美国能源 部的支持下，联合宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚大学进行了为期十余年的液力变矩器 研究。该小组主要成员有r r b y ，t w v o nb a c k s t r o m ，y d o n g 等，他们主要利用五 孔探针台架测试变矩器内流场的速度分布和压力分布。 ( 2 ) 美国弗吉尼亚大学 r d f l a c k 教授领导的小组，这个小组与b l a k s h m i n a r a y a n a 的小组一样，主要得益 第一章绪论 于g m 公司的研究项目。其成员主要有k b r u n ，j k g r u v e r ，l d w h i t e h e a d 等，他们 主要利用l d v 钡u 量变矩器的速度场分布，该研究小组在十余年的时间里，对变矩器的内 流场进行了细致的实验研究，不仅分析了单个变矩器的各叶轮流场的稳态和非稳态特 性，还对不同叶轮组合对内流场的影响作了对比。 ( 3 ) 韩国k y u n g p o o k 国立大学 s e h y u ns h i n ，h y u k j a ec h a n g ，i n - s i kj o o 等人，他们在韩国工商能源部的资助下， 主要研究以c a d c f d 为平台的变矩器逆向设计过程以及提高变矩器性能的方法。 ( 4 ) 德国 g r u v e r 和r d f l a c k 教授等应用l d a 测量了变矩器的泵轮进口面、中弦面、出口面 各速度分量和分布情况；德国hs c h u l z ，g r e i mr 和v o l g m a n nw 等针对液力变矩器 叶栅流道几何形状复杂和叶轮旋转的特点，对有限体积法计算程序作了进一步改进和发 展。他们采用三维非正交曲线实体坐标系来适应叶片复杂的几何形状，同时该坐标系为 旋转的相对坐标系。为了考虑以不同角速度旋转的各叶轮流场之间的相影响，程序中应 用了块处理和耦合算法；d e m o n 在c f d 数值分析上提出了混合平面理论，将随时间而改 变的各元件之间的滑动交界面，采用混合平面代替，并通过周向平均的方法将时变性去 除以进行稳态计算，为提高流场的计算精度提供了新的方法和途径。 ( 5 )日刁k n i s s a n 公司研究中心 e e j i r i ，m k u b o 等人针对不同叶型和循环圆形状对变矩器性能的影响进行了对比 实验研究，得出了很多具有指导意义的定性结论。日本t o y o t a 公司研发中心h w a t a n a b e 和m y a m a d a 是其主要研究成员，他们主要针对液力变矩器的流场可视化作了一些研究。 日本的江尻英治，久保贤明等利用l d a 对变矩器的内流场进行了测量与分析，对测量原 理进行了论述，对不同断面不同速比下的结果进行了对比分析，并且针对不同叶型和循 环圆形状对变矩器性能的影响进行了对比实验研究。同时a n u m a z a w a 等人1 9 8 3 年采用 了一种树脂可视化方法对壁面上的流动形式进行测量，采用这一方法能够发现变矩器内 壁上的涡流、回流和脱流等。h i s a s h iw a t a n a b e 等人1 9 9 7 年利用激光切面法在导轮内实 现了流场可视化。液力变矩器流场可视化技术提供了许多关于流场分布的信息，但是对 于深入研究来说，这些信息是不够的，还需要定量的实验测量。近年来发展起来的p i v 测试技术已经可以对速度进行定量测量，从而使得这一技术逐渐完善。 除了这些相对固定的研究团体外，d a i m l e r - - c h r y s l e r ，f o r d ，m