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原文传递极端工况液力变矩器空化流场时空演化规律及特性研究

论文题名：	极端工况液力变矩器空化流场时空演化规律及特性研究
关键词：	液力变矩器;数值模拟;外特性试验;自动变速汽车
摘要：	液力变矩器(HydraulicTorqueConverter，HTC)是自动变速汽车领域广泛应用的基础部件。液力变矩器内部流动特性决定其外部工作性能，深入研究其内部流场时空演化规律与流动控制机理对于优化设计叶栅并改进性能具有重要的科学意义。基于自动变速汽车向低碳化、轻量化和智能化的发展趋势，液力变矩器正向超扁平化、无气蚀和高功率密度等方向发展，这将引起扁平化液力变矩器叶栅结构设计复杂化，诱发导致湍流结构失稳及流动能量低效传递与高能损耗的空化流动动力学问题。目前，对于极端工况下液力变矩器内部非定常多尺度涡流动现象及其引起的复杂流体动力学问题认识不足，对湍流生成、维持和发展以及空化流场形态特征演化等方面的理论研究不够深入，在空化现象预测及其特征准确辨识等方面存在诸多工程技术难点亟待解决，始终存在着理论研究相对滞后于工程技术发展的现象。因此，开展液力变矩器空化流场数值模拟与三维涡系重构的基础研究，对于深化理解极端工况下液力变矩器空化流场时空演化规律和流动控制机理具有重要的研究意义。　　依托国家自然科学基金面上项目“汽车变矩器湍流时空演化规律与仿生控制机理及叶栅参数耦合设计方法研究”，采用数值模拟与试验验证交互式研究手段，通过涡识别方法重构液力变矩器内部三维涡系结构，解析了极端工况下空化流场时空演化规律及其流体动力学特性，研究结果对于深入理解液力变矩器空化现象及揭示复杂流动机理具有重要的科学研究意义，对于推动高功率密度无气蚀液力变矩器现代设计理论与方法的发展及完善具有一定的工程应用价值。主要研究内容如下：　　（1）空化仿真方法适用性评价与空化流场特性演化规律分析　　建立某扁平化液力变矩器三维模型，提取全流道模型作为流体计算域，基于ICEM(IntegratedComputationalEngineeringandManufacturing)划分高质量全流道网格模型并进行网格无关性分析。研究采用不同湍流模型与空化模型进行瞬态空化流场数值模拟，获取不同仿真模型下液力变矩器外特性数据并绘制曲线。从定性分析来看，提取各叶轮流道内三维空化形态特征，对比分析采用不同仿真模型预测空化现象初生区域及空化形态特征时空演化规律的差异性。从定量分析来看，依托外特性试验，验证四种仿真模型数值模拟结果的准确性，针对转矩比(K)、效率(η)、泵轮转矩系数(λP)等外特性参数进行了绝对误差分析。从空化形态特征时空演化规律定性分析与外特性误差定量分析两个角度，综合评价了不同仿真模型数值模拟空化流场的可靠性与适用性。基于精度更高的仿真模型计算结果，提取三维流场结构，截取二维截面速度场、压力场、空泡体积分数、湍动能等流场参数，分析复杂流体动力学演变特性，剖析空化流场分布随时间演化的运动趋势，揭示了液力变矩器空化现象演化规律。　　（2）涡识别方法适用性评价与考虑空化的旋涡结构时空演化规律分析　　研究第一代、第二代、第三代涡识别方法的理论架构，采用四种涡识别方法并筛选最优阈值，精细重构液力变矩器泵轮流道三维空间涡系，提取并解析考虑空化现象的泵轮流道内部三维旋涡结构形态特征，截取不同空间位置的二维截面并提取二维旋涡流场结构信息，综合对比分析并评价了四种涡识别方法的辨识效果及可靠性。基于识别效果好、可靠性高的涡识别方法及其最优阈值判别，重构考虑空化现象的失速工况下液力变矩器内部整体三维旋涡流场，依托速度场、压力场等流动信息剖析并揭示了多尺度旋涡流场形成并发展的动力学演化过程，建立了非定常旋涡流动对极端工况下液力变矩器空化流场成因机理的影响机制。
作者：	吕恒升
专业：	机械工程
导师：	柴博森
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023