束流设计及假设优化方案

液力元件的早期研制主要凭借经验，采用多种模型及试验来筛选、改进，最后定型，本质上基于一维束流设计方法。随着计算技术的发展，要求应用现代三维流动计算方法来进行设计，以期能够使研制产品的试验性能与计算性能相一致。本书限于篇幅，主要介绍束流设计方法。

由于束流理论的一些假设与实际流动状况差别很大，一些损失按固定流道方法计算与旋转流道内流动并不相符，再加上参数众多，使得计算既复杂又困难。同时，实际试验性能与计算性能差别很大，一般仅以计算性能作为初算，第一轮试制后再根据试验性能以一般理论为指导，进行修改设计，需要几经修改才能最后定型；或者设计多种工作轮，通过试验来选配。因此，研制的周期较长，工作量大，成本费用高。

因此，人们为完善建立在束流理论基础上的设计方法，使其具有工程实用价值，进行了多方面的研究工作，研究主要集中在以下几个问题的解决：流动偏离的量化、摩擦与冲击损失系数的确定、轴向力的计算、几何参数与性能指标间的规律，以及全面简便设计方法的探索。

以较为复杂的综合式液力变矩器为例，在束流设计体系中首先要确定有效直径和循环圆，而后假设计算工况液流无冲击进入工作轮，以变矩工况效率达到最高的观点进行设计。但在车辆中应用时，工况变化范围较大，其他工况性能无法控制，为在产品试制前就能控制设计工况、零速工况和耦合器工况等典型工况的性能，通常是将计算工况结果作为叶片的初始设计，再通过相对参数法等计算方法进行叶片配置的优化，渐次逼近设计指标，而后通过三维建模和流场分析对特性进行验证，如与设计指标差异较大则重新进行叶栅系统几何参数的调整。

一维束流理论认为，液流通过工作轮流道中的流动是一元流动（即束流），它的几个基本假设为：

（1）工作腔内整个空间流道，可看作在工作腔外环与内环间的无数个无限薄的绕同一旋转轴线旋转而成的流面组成，而工作液体沿无数多个流面的运动状态，可以用液体质点沿某一个旋转曲面的运动来代替。此时假设全部液体的质量均集中于该流面的运动质点上，并把此流面称为平均流面或中间流面，于是就可把空间流动简化为平面流动。

（2）各叶轮的叶片数目无限多，叶片厚度无限薄。因此，任何旋转流面均由无限多条相同的液体质点的运动流线所组成，并且液体质点的运动流线与在此流面内的叶片形状一致。中间流面上也由无限条与叶片形状一致的中间流线所组成。工作腔内的中间流线是指中间流面与轴面的交线。(www.xing528.com)

（3）工作液体质点在任一流面上的运动，对于旋转轴线是完全对称的，因此任何质点在流面上的流动轨迹是相同的。与旋转轴线距离相同的点，其运动参数也完全相同。这样，中间流面的情况就可由中间流线的流动状况来代表。因此，一个复杂的空间三维流动只要把流面上全部质点的质量集中在某个质点上，就可以用中间流面上的中间流线上的流动来代替，见图12.3.1。

图12.3.1　工作轮中液体的空间流动及其束流简化

（4）工作液体在液力元件工作腔内无叶片区内流动时，由于没有叶片和忽略了摩擦阻力，因而无液体能和机械能的转换，也无外转矩的作用。因此，任一叶轮入口处的液体流动状况与前一工作轮出口的液体流动状况相同。

（5）各叶轮入口处液体流动状况的变化，不影响叶轮出口处液体的流动情况。

只有通过上述假设，液力元件工作腔中的液体流动才可用中间流线上的流动来表述，以后基于束流理论的分析均以此为基础。