桃形腔液力偶合器兩相環(huán)流特性及轉(zhuǎn)矩特性分析

桃形腔液力偶合器兩相環(huán)流特性及轉(zhuǎn)矩特性分析

0解決設(shè)備工作安全隨著煤炭和木炭技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭開采效率迅速提高，對井輸設(shè)備的運(yùn)輸距離、運(yùn)輸能力和可靠性提出了更高的要求。調(diào)速型液力偶合器可理想地實(shí)現(xiàn)重型刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)的軟啟動，減少斷鏈、斷帶等事故的發(fā)生，能夠有效保證設(shè)備工作的可靠性與安全性。為了準(zhǔn)確預(yù)測液力偶合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性與流場分布特性，本文針對某型礦用桃形腔調(diào)速型液力偶合器，應(yīng)用CFX軟件對部分充液工況不同充液率下的液力偶合器流場環(huán)流特性進(jìn)行了研究，分析了流場分布特性的變化規(guī)律與轉(zhuǎn)矩傳遞特性的變化趨勢，為液力偶合器的選型與設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。1液力偶合器葉輪及流場幾何模型以某型礦用雙腔調(diào)速型桃形腔液力偶合器作為研究對象，該型液力偶合器工作液為水。由于雙腔結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)對稱、尺寸相同的特點(diǎn)，因此選取其輸出端葉輪作為研究對象。其循環(huán)圓外徑D=準(zhǔn)560mm，阻流擋板外徑Δd=準(zhǔn)308mm，泵輪和渦輪葉片數(shù)量分別為48和45。在渦輪側(cè)靠近內(nèi)環(huán)處安裝有阻流擋板，以抑制轉(zhuǎn)矩傳遞中不穩(wěn)定區(qū)的出現(xiàn)。建立的液力偶合器葉輪及流場幾何模型如圖1所示。液力偶合器內(nèi)流道具有循環(huán)對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為提高計(jì)算效率，設(shè)葉輪葉片數(shù)為x，建立其簡化的1/x流場的單流道幾何模型如圖1(b）所示。根據(jù)已經(jīng)建立的葉輪工作腔流場幾何模型，為了保證CFX計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用具有較好幾何適應(yīng)性的四面體網(wǎng)格，在ICEM中建立泵輪與渦輪流場的網(wǎng)格計(jì)算模型如圖2所示。2數(shù)值模擬計(jì)算2.1連續(xù)方程的物理意義由于液力偶合器工作過程中，葉輪處于高速旋狀態(tài)，葉片攪動水液進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，因此流場處于高度的三維湍流運(yùn)動，此時(shí)水液的流動滿足動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。質(zhì)量守恒方程稱作連續(xù)性方程，在計(jì)算流體動力學(xué)中所描述的物理意義為：單位時(shí)間內(nèi)流入流場微元計(jì)算網(wǎng)格中的流體質(zhì)量與對應(yīng)的流出微元中的質(zhì)量相等。其微分方程式中t———時(shí)間；ρ———流體密度；u、v、w———速度矢量在x、y、z方向上的分量。液力偶合器以水液為工作介質(zhì)，在計(jì)算過程中可將其視為不可壓流體，因此密度ρ為常數(shù)，則質(zhì)量守恒方程簡化為動量守恒方程即為N-S方程。該方程是牛頓第二定律在流體中的應(yīng)用，對于牛頓流體，N-S方程的張量形式可以表示為式中δp———流場壓力；對于動力黏度為常量的不可壓流體，式（3）可簡化為2.2流場模擬和工況條件(1）邊界條件由于單流道模型的建立利用了流道循環(huán)對稱的幾何特點(diǎn)，因此在模型循環(huán)對稱面建立周期性循環(huán)條件。由于液力偶合器工作時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)流場為高度湍流流動。為了有效地獲取流場中的細(xì)微渦流和邊界層現(xiàn)象以及更加精確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選擇切應(yīng)力輸運(yùn)（ShearStressTransport,SST）湍流模型對液力偶合器流場模型進(jìn)行分析。(2）工況條件為了準(zhǔn)確分析桃形腔液力偶合器在不同工況下的轉(zhuǎn)矩傳遞特性與水液環(huán)流變化規(guī)律，選擇充液率q為30%、70%作為低充液率和高充液率代表工況。對不同充液率下，速比i=0～0.99的流場計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。3結(jié)果分析3.1環(huán)流特性分析30%充液率下水液體積率及速度流線分布圖如圖3所示，速比在0～0.3時(shí)，由于泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速差較大，在高轉(zhuǎn)速的泵輪作用下，水液受到較大的離心力及科氏力，水液主要分布于渦輪中，此時(shí)水液環(huán)流為由渦輪中的小循環(huán)及流道大循環(huán)組成的復(fù)雜水液循環(huán)。由于出口水液流速較大，進(jìn)入渦輪后沖擊渦輪葉片及葉輪壁面做功，水液環(huán)流速度下降，循環(huán)至泵輪入口時(shí)受到阻流擋板的影響，大部分液流回流至渦輪中，形成圖中所示的液流循環(huán)特性。隨著速比的增大，在速比由0.3上升至0.6時(shí)，水液環(huán)流形式變?yōu)榱丝拷h(huán)圓外環(huán)處的小循環(huán)，此時(shí)水液循環(huán)不再受阻流擋板的影響。隨著速比的進(jìn)一步增大，環(huán)流形式不再發(fā)生變化，兩相交界面向平行于旋轉(zhuǎn)軸線的趨勢變化。(2）轉(zhuǎn)矩特性30%充液率時(shí)流場輸出轉(zhuǎn)矩的特性變化曲線如圖4所示，可以看出，由于隨速比增大水液環(huán)流速度不斷減小，對應(yīng)流場輸出轉(zhuǎn)矩整體為下降趨勢，速比在0.4～0.5時(shí)，由于水液環(huán)流形式發(fā)生了變化，擋板對水液的阻流特性失效，出現(xiàn)了下降速率突然減小的現(xiàn)象。i>0.5時(shí)，隨著速比的增大，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)下降。3.2環(huán)流特性分析70%充液率下、不同速比時(shí)流場體積率與速度流線分布如圖5所示。結(jié)合體積率與速度流線分布可以看出，速比在0～0.3時(shí)，水液環(huán)流特性可以視為由渦輪中的小循環(huán)及流道大循環(huán)組成的復(fù)雜水液循環(huán)形式。由于泵輪中水液受到離心力大于渦輪，因此水液在泵輪中靠近循環(huán)圓外環(huán)分布，在渦輪中靠近內(nèi)環(huán)分布，在渦輪與泵輪中分別有一個(gè)以氣相為內(nèi)環(huán)的循環(huán)中心。速比由0.3上升至0.6時(shí)，葉輪中的水液環(huán)流逐漸合為一個(gè)大循環(huán)，此時(shí)出現(xiàn)了明顯的氣液交互滲透現(xiàn)象。隨著速比的進(jìn)一步增大，水液分布逐漸偏向循環(huán)圓外環(huán)處，受到阻流擋板與葉輪轉(zhuǎn)速差的影響，環(huán)流中心出現(xiàn)于渦輪流場。從圖5中可以看出，70%充液率時(shí)水液環(huán)流始終受到阻流擋板的影響，環(huán)流速度隨著速比的增大而不斷減小。(2）轉(zhuǎn)矩特性70%充液率下流場輸出轉(zhuǎn)矩變化特性曲線如圖6所示，可以看出，流場輸出轉(zhuǎn)矩隨速比的增大整體為下降趨勢，輸出轉(zhuǎn)矩大于30%充液率時(shí)的轉(zhuǎn)矩。由于水液環(huán)流始終受到阻流擋板的影響，因此轉(zhuǎn)矩整體下降趨勢較為穩(wěn)定。特別是速比在0.4時(shí)，由于水液環(huán)流形式發(fā)生了變化，輸出轉(zhuǎn)矩的下降趨勢出現(xiàn)了一定的波動現(xiàn)象。4不同充液率工況下水液環(huán)流速度變化特性(1)30%充液率下，隨著速比的增大，水液環(huán)流速度不斷減小，速比在0.4附近處，阻流擋板失效，水液環(huán)流由渦輪小循環(huán)與流道大循環(huán)組成的復(fù)雜環(huán)流形式突變?yōu)檠h(huán)圓外環(huán)處的小循環(huán)形式。對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩整體為下降趨勢，速比在0.4處輸出轉(zhuǎn)矩下降速率突然下降，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跌落現(xiàn)象；(2)70%充液率下，水液環(huán)流速度下降的整體規(guī)律不變，水液環(huán)流始終受阻流擋板影響，未發(fā)生轉(zhuǎn)矩跌落現(xiàn)象，速比在0.4附近出由于水液環(huán)流形式發(fā)生突變，產(chǎn)生