在现代轿车许多部件的功能及效率已趋于极致的今天，作为轿车最重要的 部件之一的液力变矩器的设计水平仍具有很大的提升空间。现代流体动力学数 值分析(CFD)和计算机辅助设计(CAD)为液力变矩器分析和设计提供了崭新的 手段。流场数值分析为液力变矩器性能改进提供验证手段与指导方向，自动设 计系统应用数值分析成果快速修改、生成设计范例为流场数值分析提供几何模 型，经过数值流场分析—结构设计—性能验证这样的设计、分析循环得到的最 终产品性能的先进性在设计阶段即得以保证，从而大大缩短了传统的设计—试 制—试验周期，显著节省了开发费用。这种以CAD/CFD软件为平台的液力变矩 器分析与设计方法体系，既是提高产品开发能力的有效工具，也是液力变矩器 设计计算和生产研制的发展方向。构建这种CAD/CFD集成化的液力变矩器设计 分析系统关键在于其验证手段的可靠性和设计方法的先进性。由此，通过对数 值流场深入分析，寻求几何结构参数对流场分布及整体性能的影响，发展先进 设计方法并通过有效手段付诸实施构成本文的研究思路及内容。 首先，应用有限体积法计算了液力变矩器TC229的内流场，验证了所采用 模型和计算方法的正确性和可靠性，全面、深入地分析了液力变矩器泵轮、涡 轮、导轮的数值流场。泵轮流场的典型特征为射流-尾流现象以及强烈的二次环 流现象。导轮出口内、外环速度差异以及泵轮进口内、外环面不同的影响，使 入口液流在内环壁面处形成绕流及流动分离形成尾流流动，在外环面形成射流 形式的流动。泵轮内、外环和叶片的形状弯曲，流动压力梯度诱导作用以及科 氏力(Coriolis)综合作用形成二次流动现象，不同弦面处各因素贡献不同， 因而二次流动形态也有所变化。涡轮在不同速比下由转动引起的离心力及科氏 力和由弯曲引起的离心力是流动状态改变的主要因素。流道不同位置的离心力 大小不同，流场在不同弦面具有不同的特征。在低速比下，涡轮流道进口段内 环吸力面区域存在明显的低压区。这种大面积的低速低压尾流流动是低速比下 涡轮损失的主要原因。在高速比下，流动在整个流道都相对均匀。导轮流场主 要表现为低速比导轮导边的流动分离、流道内的径向流动、出口尾涡和高速比 均匀流动。综合分析各工作轮液流流动成因，影响各叶轮流场特征的结构因素 主要为内、外环面的曲率(也即循环圆形状)，各叶轮的进、出口叶片角以及叶 片整体形状(叶片角在进出口之间沿设计流线的分配)。因此在液力变矩器结构 设计中对上述各点给予了重点关注。 然后，结合一维束流设计经验，借助知识熔接技术设计了液力变矩器循环 圆，应用逆向设计思想设计了液力变矩器各叶轮叶片，由此构成了基于CAD平 台的专门的液力变矩器结构设计系统。 由于数值流场的结果并没有指明如何进行结构的设计与改进，因此，如何 利用流场分析的信息直接、有效地指导结构设计是系统先进性的关键。液力变 矩器逆向设计方法建立了叶片面的涡量分布与叶片荷载进而与叶片角之间的关 系，应用液力设计参数而不是纯粹的几何参数进行设计，保证了压力场合理分 布，抑制了二次流动现象，提高了液力变矩器性能。这种从液力设计参数出发 的设计思想从设计循环第一步就保证了设计的先进性。此外，组合不同的液力 变矩器结构参数，经过数值计算分析，比较其性能变化规律从而得出液力变矩 器性能与结构参数之间带有普遍意义的相关关系，从正向优化的思路完善液力 变矩器设计系统，指导最终产品的设计。 概括而言，本文研究开发的集成CAD/CFD的液力变矩器设计分析系统具有 先进的理论支撑和切实的实施手段，为液力变矩器研究与开发提供了理想的工 具与手段。 关键词：液力变矩器 计算流体动力学(CFD) 计算机辅助设计(CAD) 有限体积法(FVM) 逆向设计 二次开发 二次流动