ing摩擦因子相结合而近似解出：
[0100] (3)
[0101] 得到壁面剪切应力为：
[0102] ^.:=：0.03：955F1/4/?if/4r 1M (4)
[0103] 其中v为流体运动黏度，d = 4A/D是流道水力直径，A为横截面积，D为湿周，τ。 为壁面剪切应力，P为流体密度，V。为平均流动速度。
[0104] 运用ISIGHT优化软件对参数h和s进行优化，结合得到的参数h和s的取值范 围，以变矩器效率为目标函数，选择拉丁超立方方法选取样本点，应用径向基函数方法构建 代理模型，选择非支配排序遗传算法进行优化。优化结果如表5所示。
[0105] 表 5
[0106]
[0107]
[0108] 由上表可知，当h = h+ v /ντ = 0· 5mm，s = s + v /ντ = 0· 5mm时，减阻效果最佳， 最大减阻率为10. 87%。
[0109] 仿生沟槽区域起始部位距离叶片入口的距离为L1= 7. 43mm，同时，沟槽区域的末 尾部位离叶片出口的距离为L2= 11. 52mm，仿生沟槽的具体分布位置见图8,因为液流沿上 游叶片出口方向直接冲击叶片时，该区域具有正的压力梯度，使得流体速度减小很快，最终 导致附面层的分离、漩涡的产生与扩散、脱流以及二次流的产生，是流动损失最为严重的区 域。
[0110] 3具有凹坑非光滑仿生形态的栗轮内、外环
[0111] 湍流中边界层的厚度越高意味着动能的损耗越大，仿生非光滑表面减阻的基本原 理在于降低了边界层厚度，推迟或是抑制了边界层内部的流动分离，因此仿生非光滑单元 体深度S的尺寸可以通过边界层的厚度来估算。本实用新型用下列公式来估算非光滑单元 体的深度S，y+〈30~70, y < 0. 2 δ，其中δ为边界层厚度，这里y (即S)为非光滑单元体 的深度。栗轮内、外环的边界层厚度用平板湍流边界层厚度公式来估算。取单个流道作为 计算域，内、外环径向弧长1分别为60mm，118mm，液流在整个传动过程中相对栗轮内、外环 表面的径向流速范围为IL = 4. 34~8. 2m/s，利用下列公式计算边界层的厚度。 1 純 37/Re-1'5 沖
[0112] j , , (5)
[Re-t/J/v
[0113] 式中1为平均长度，Re为雷诺数，流体传动油的运动黏度系数v = 3X 10 5m2/s， 边界层厚度的计算结果如表2. 2所示
[0114] 表2.2模型边界层厚度
[0115]
[0116] 因此，非光滑单元体深度S的取值范围为0. 64mm~I. 24_，非光滑单元体的直径 D取值范围为1. 28~2. 48。设计凹坑型单元体尺寸时，主要考虑以下参数：直径D、横向间 距W、纵向间距L和凹坑深度S，见图10a、图10b。本实用新型选取D = 2mm, W = 3mm, L = 5_，S= 1_，以四种排列方式，在液力变矩器栗轮的内、外环表面进行处理，四种常见的排 列方法，见图Ila(矩阵排列）、图Ilb (等差排列）、图Ilc (菱形排列）、图Ild(随机排列）。 对单个流道进行CFD仿真评估，为了验证非光滑表面的减阻效果，减阻率被定义为
[0117]
(6)
[0118] 其中Cns及Csm分别是非光滑表面及光滑表面上由粘性力因子C v及压力因子Cp组 成的总的系数，粘性力因子Cv及压力因子C p分别被定义为
[0119]
Π )
[0120] 式中V是栗轮壳体上流体的平均速度，P为流体密度，A是壳体表面上的面积。图 12为在4~8m/s的进口速度条件下四种排列方式的减阻效果。四种排列方式中，矩形排 列减阻效果最佳，减阻率最高可达到6%。因此，本实用新型将非光滑单元体以矩形排列方 式，在液力变矩器栗轮的内、外环表面进行处理，见图9a、图％。
[0121] 4具有乳突疏水表面的液力变矩器导轮叶片
[0122] 在实际的液流流动过程中，液力变矩器导轮叶片的压力面出口区域容易产生非周 期性的流动分离，尤其是在压力面的尾部区域（出口区域），液流通常具有较高的湍流度， 叶片近壁面的液流速度相对较大，导致壁面摩擦阻力和速度梯度也会相应变大，能量损失 较为严重，因此本实用新型在其压力面出口区域设置了仿生乳突结构，如图13所示。根据 大量的分析结果，本实用新型将乳突结构的半径R的取值范围设计为〇. 〇4mm~0. 1mm，乳突 非光滑单元凸起高度H的取值范围为0. 06mm~0. 16mm，乳突单元体的间距Wr范围0.1 mm~ 0.25mm，如图14a、图14b所示。在这种情况下，水滴在叶片乳突结构表面上的接触角大于 150°，为超疏水表面，此时的仿生叶片能够减小壁面摩擦阻力，改善流动状态。图13显示 的是设计尺寸为HX RX R = 0. 16mmX0.1 mmXO. Imm的乳突单元体，间距Wr为100 μ m，接触 角达到157.6°。乳突单元体群分布在叶片压力面尾部，分布均匀，且乳突区域的整体宽度 Lt为15mm，具体位置如图13所示。
[0123] 5具有多生物特征的双涡轮液力变矩器
[0124] 通过上述各个仿生部件的设计，综合考虑双涡轮液力变矩器各项性能的要求，将 各个工作轮中的原始叶片替换成仿生叶片，从而组成仿生叶片组，在此基础之上，将栗轮 内、外环表面部分区域加工成凹坑型的非光滑表面，同时，在仿生导轮叶片的吸力面上布置 U型仿生沟槽，在压力面设置乳突疏水表面。最终，将仿生叶片组、仿生沟槽、非光滑表面、疏 水表面四种因素融入到双涡轮液力变矩器中，发明出一种具有多种生物特征的仿生耦合双 涡轮液力变矩器。
[0125] 仿生型液力变矩器与常规变矩器相比之下，启动扭矩比上，仿生型从4. 27升高到 4. 45,详见附图15。在低转速比与高转速比区间的最高效率值分别为83. 16%，84. 67%， 提高的数值分别为1. 19, 1. 51个百分点，在速比0. 6工况下，最低效率从64. 18%提高到 67. 39%，详见附图15、图16、图17。栗轮容量系数CF仿生叶片组变化较小，详见图17。综 上所述，相比于原有变矩器，仿生型液力变矩器的启动扭矩与最高效率都有所增大，说明液 力元件的仿生设计可以减小其液力损失，具有良好的减阻增效效果，提高其工作效率，从而 改善了整机的工作性能。
【主权项】
1. 一种耦合仿生双涡轮液力变矩器，包括栗轮（I)，栗轮外环（11)，栗轮内环（12)，第 一涡轮（2)，导轮（3)，第二涡轮（4);其特征在于所述第一涡轮（2)的叶片采用仿生叶片， 其环量分配函数的多项式为：y = ax4+bx3+cx2+dx+e，其中X为中弧线上各等分点的横坐标， y为相应的环量分配值，参数a，b，c，d，e的取值范围为如下：2. 根据权利要求1所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于a = 4. 1141，b =-5. 08, c = -0· 1494, d = 0· 1369, e = 0· 9918。3. 根据权利要求1所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述栗轮（1)的叶 片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y = ax3+bx2+cx+d，其中X为中弧线上各等分 点的横坐标，y为相应的环量分配值，参a，b，c，d的取值范围如下： 4. 根据权利要求3所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3)的叶 片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y = ax3+bx2+cx+d，其中X为中弧线上各等分 点的横坐标，y为相应的环量分配值，参数a，b，c，d的取值范围如下：5. 根据权利要求1、3所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3)的 叶片吸力面上靠近叶片入口的前部布置U型仿生沟槽，该仿生沟槽的高度h和间距s的尺 寸取值范围为 〇 < s < 0· 83mm，0 < h < 1mm。6. 根据权利要求5所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述仿生沟槽的高 度h和间距s的尺寸分别为h = 0. 5mm，s = 0. 5_。7. 根据权利要求5所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述第二涡轮（4) 的叶片采用仿生叶片，其环量分配函数多项式为：y = ax2+bx+c，其中X为中弧线上各等分 点的横坐标，y为相应的环量分配值；参数a，b，c的取值范围如下：8. 根据权利要求1、3所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述栗轮内环和 栗轮外环上分布有球形凹坑。9. 根据权利要求8所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述凹坑呈矩阵排 列。10. 根据权利要求1、4所述的耦合仿生双涡轮液力变矩器，其特征在于所述导轮（3)叶 片的压力面出口区域均匀分布乳突单元体形成仿生乳突结构，乳突单元体半径R的取值范 围为0· 04mm~0· 1mm，高度H的取值范围为0· 06mm~0· 16mm，乳突单元体之间的间距Wr 的取值范围为〇· Imm~〇· 25mm〇
【专利摘要】本实用新型涉及一种耦合仿生双涡轮液力变矩器，该变矩器包括泵轮，泵轮外环，泵轮内环，第一涡轮，导轮，第二涡轮；所述第一涡轮的叶片采用仿生叶片，其环量分配函数的多项式为：y＝ax4+bx3+cx2+dx+e，其中x为中弧线上各等分点的横坐标，y为相应的环量分配值，3.0619≤a≤6.0894，-6.0787≤b≤-3.8151，-0.406≤c≤0.0147，-0.1814≤d≤0.4725，0.5972≤e≤1.5149。本实用新型第一涡轮叶片采用仿生叶片，与原始常规双涡轮液力变矩器相比，提高了启动扭矩比和效率，并且泵轮容量系数大于采用常规叶片的液力变矩器。
【IPC分类】F16H41/26, F16H41/04
【公开号】CN204878582
【申请号】CN201520661279
【发明人】刘春宝, 杨化龙, 刘长锁, 徐东
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月28日