車用冷卻水泵的分析與優(yōu)化

蔡　思，張楚云

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院　現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北　武漢　430070）

Cai Si，Zhang Chuyun

?

車用冷卻水泵的分析與優(yōu)化

蔡思，張楚云

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

Cai Si，Zhang Chuyun

摘要：因某公司車用冷卻水泵工作效率低下，故對(duì)該水泵進(jìn)行流場(chǎng)分析。將水泵的內(nèi)部流場(chǎng)模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算分析，得到水泵流場(chǎng)的速度、壓力及湍動(dòng)能分布圖。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)該水泵存在壓力、湍動(dòng)能分布不均，易發(fā)生汽蝕和能量消耗，故對(duì)該水泵模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再對(duì)新、舊水泵的分析結(jié)果進(jìn)行比較和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的水泵工作效率得到提高。

關(guān)鍵詞：冷卻水泵；效率；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0　引　言

CFD技術(shù)通過對(duì)流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，可以獲取大量的流場(chǎng)信息，與試驗(yàn)相比具有信息量大、時(shí)間短、成本低的優(yōu)勢(shì)[1]。利用該技術(shù)得出的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)，誤差較小，準(zhǔn)確度較高。汽車水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件，工作效率值得關(guān)注。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵實(shí)質(zhì)為離心泵的一種，具有轉(zhuǎn)速高，運(yùn)行工況變化大，效率偏低，比轉(zhuǎn)速較大等特點(diǎn)[2]。

利用CFD軟件，設(shè)定好邊界條件后，對(duì)某一水泵進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠有效得到內(nèi)部流場(chǎng)的速度、壓力、湍動(dòng)能等的分布規(guī)律，這為水泵的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。改變水泵葉輪的形狀，導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比二者可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后水泵汽蝕現(xiàn)象得到改善，提高了水泵的工作效率，經(jīng)過優(yōu)化的水泵其可靠性得到了提升。

1　數(shù)值計(jì)算模型

1.1水泵三維模型的建立

該水泵模型主要由水泵殼體、水泵葉輪、水泵蓋板、節(jié)溫器蓋等組成，根據(jù)給定的水泵參數(shù)確定水泵的三維模型，在UG中對(duì)水泵進(jìn)行三維建模，圖1為水泵殼體模型。

圖1　冷卻水泵殼體模型

汽車水泵通過水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)加壓，使冷卻液進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到其作用。汽車水泵根據(jù)配套要求、工作條件的差別，一般分為離心泵、旋渦泵、活塞式往復(fù)泵和旋轉(zhuǎn)式容積泵等[3]。葉片設(shè)計(jì)的好壞與水泵的效率、揚(yáng)程和汽蝕現(xiàn)象相關(guān)。圖2、圖3分別為新、舊葉輪的三維模型圖。

圖2　新水泵葉輪模型

圖3　舊水泵葉輪模型

1.2水泵內(nèi)流場(chǎng)模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)已建立的水泵三維模型，在UG中進(jìn)行處理，建立水泵內(nèi)部流場(chǎng)的三維模型。將水泵內(nèi)流場(chǎng)三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Fluent模塊，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定。劃分時(shí)對(duì)水泵葉輪處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，新、舊水泵內(nèi)流場(chǎng)的網(wǎng)格數(shù)分別為773084和695803。圖4和圖5為已劃分好網(wǎng)格的水泵模型。

圖4　新水泵內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格模型

圖5　舊水泵內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2　水泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1控制方程

當(dāng)選用與主軸一起旋轉(zhuǎn)的非慣性坐標(biāo)系來描述汽車水泵內(nèi)部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，水泵內(nèi)部的流動(dòng)可以認(rèn)為是三維定常不可壓湍流流動(dòng)[4]。離心水泵采用的是N-S流動(dòng)控制方程的簡(jiǎn)化形式，該方程可以較準(zhǔn)確地模擬液體流動(dòng)的實(shí)際情況，控制方程如式（1）。

式中，ui、uj為流場(chǎng)中各個(gè)坐標(biāo)軸方向的平均速度，r為流體密度，x為位移，Rij為雷諾應(yīng)力張量。

2.2湍流模型

由于水泵內(nèi)部流體流動(dòng)無規(guī)律雜亂，流體的速度、壓力變化都是任意的，所以該水泵的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型，該模型的方程如下。

2.3求解的邊界條件設(shè)定

入口的邊界條件為速度入口（Velocity Inlet），設(shè)置初始速度為2.8m/s，水泵的出口設(shè)置為自由流出（Out Flow），保持默認(rèn)值。將葉輪的壁面設(shè)置為移動(dòng)壁面，而蝸殼的壁面設(shè)定為靜止壁面，二者的交界面設(shè)定為Interface，使旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域相耦合。旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域采用多重坐標(biāo)系（Multiple Reference Frame），設(shè)置葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，設(shè)置旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)及旋轉(zhuǎn)軸方向，采用右手螺旋法則判定，旋轉(zhuǎn)速度為3000r/min。蝸殼部分設(shè)定為靜止區(qū)域，保持默認(rèn)值即可。由于SIMPLEC算法在求解過程中對(duì)速度場(chǎng)的處理較好，可以起到加速迭代收斂的效果，故采用該壓力速度耦合算法進(jìn)行求解。

3　模擬結(jié)果分析

設(shè)定好邊界條件后，開始計(jì)算，觀察殘差圖的曲線走向，若發(fā)現(xiàn)走向趨勢(shì)不對(duì)可立即暫停計(jì)算，修改邊界條件等。本次計(jì)算設(shè)置的收斂精度為1×10-3，殘差圖主要檢測(cè)3個(gè)方向的速度、連續(xù)性、湍流耗散率和湍流強(qiáng)度，當(dāng)誤差小于收斂精度時(shí)即收斂。計(jì)算完成后在CFD-Post中進(jìn)行后處理，通過后處理圖形可以對(duì)新、舊水泵進(jìn)行對(duì)比。

3.1水泵內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布

圖6和圖7分別為新、舊水泵中間截面的靜壓分布，從圖中可以看出舊水泵的壓力分布不均，低壓區(qū)較多，水泵葉輪容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，影響水泵的效率和使用的可靠性，且舊水泵在出水段有一塊明顯的低壓區(qū)，容易影響液體的流動(dòng)。改進(jìn)后的水泵，壓力分布更均勻，液體從葉輪流出到蝸殼部分的壓力不會(huì)突然減小，在蝸殼處出現(xiàn)的低壓區(qū)也得到了改善。從兩者壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)葉輪旋轉(zhuǎn)部分壓力最高，隨著液體從葉輪部分流出到蝸殼部分，壓力減小流速加快。

圖6　新水泵中間截面壓力云圖

圖7　舊水泵中間截面壓力云圖

3.2葉輪旋轉(zhuǎn)部分速度分布

從圖8、圖9中可以看出液體從入口進(jìn)入，速度隨著葉輪半徑增大而增大，并可明顯看出葉輪部分出口處的速度突然增大。對(duì)比新、舊水泵出口處的速度分布，舊水泵在此處的速度突然增大會(huì)對(duì)蝸舌處產(chǎn)生沖擊，并且在葉輪葉片處也有沖擊，容易造成能量損失和破壞。新水泵的葉片形狀更加符合液體的流動(dòng)規(guī)律，減少對(duì)各壁面的沖擊，使動(dòng)能得到充分利用，從而提高水泵工作效率。

圖8　新水泵葉輪中間截面速度矢量圖

圖9　舊水泵葉輪中間截面速度矢量圖

3.3湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能表示湍流脈動(dòng)的程度，其大小和空間不均勻性也在一定程度上表明脈動(dòng)擴(kuò)散和粘性耗散損失的大小和發(fā)生范圍[6]。對(duì)比圖10和圖11，可以看出優(yōu)化后的水泵較原水泵湍動(dòng)能分布更均勻，且在蝸殼出口處沒有明顯突然增大的區(qū)域。故經(jīng)過優(yōu)化的水泵水力損失較小，提高了水泵工作效率。

圖10　新水泵中間截面湍動(dòng)能圖

圖11　舊水泵中間截面湍動(dòng)能圖

3.4水泵揚(yáng)程和效率的計(jì)算

水泵旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生的力矩傳遞給液體，液體獲得動(dòng)能，帶動(dòng)液體流動(dòng)，進(jìn)行冷卻循環(huán)的過程。在模擬計(jì)算機(jī)三維流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算水泵進(jìn)出口面的環(huán)量差和轉(zhuǎn)子的軸功，可求得水泵的揚(yáng)程和效率[7]。水泵的揚(yáng)程是指單位質(zhì)量的液體通過水泵后獲得的能量，即水泵吸入口與出口處單位質(zhì)量的液體獲得的機(jī)械能，單位m[8]。

水泵揚(yáng)程計(jì)算如式（4）

式中，H為揚(yáng)程，Pin和Pout分別為進(jìn)口和出口的總壓力，r為液體的密度，g為重力加速度，Dz為蝸殼出口與葉輪進(jìn)口在垂直方向的距離，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵進(jìn)出口的安裝高度差Dz幾乎為0，可以忽略。查看Fluent報(bào)告，可以得到進(jìn)口和出口的總壓，即可計(jì)算出新、舊水泵的揚(yáng)程。

水泵的效率計(jì)算如式（5）。

式中，Q為水泵流量，M為旋轉(zhuǎn)力矩，w為水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度[9]。

根據(jù)模擬分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，二者的轉(zhuǎn)速均設(shè)定為3000r/min，新水泵進(jìn)口和出口的總壓分別為4.5542kPa和28.875kPa，舊水泵進(jìn)口和出口的總壓分別為3.4974kPa和26.344Pa。計(jì)算完成后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1　新、舊水泵性能比較

通過對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的水泵效率有了進(jìn)一步提升，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4　結(jié)　論

CFD數(shù)值模擬既為設(shè)計(jì)開發(fā)起到了輔助作用，也起到優(yōu)化改進(jìn)的作用，能夠在不做試驗(yàn)的前提下預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)效果，從而減少開發(fā)所耗費(fèi)的時(shí)間和金錢，是現(xiàn)今普遍應(yīng)用的方式。利用Fluent對(duì)舊水泵的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，找到問題并進(jìn)行模型優(yōu)化，通過對(duì)比二者的計(jì)算結(jié)果，可以直觀地看出舊水泵的問題得到了緩解，達(dá)到了優(yōu)化的效果，對(duì)后續(xù)工作有一定的參考價(jià)值。由于水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件，水泵工作時(shí)內(nèi)部壓力分布不均勻，速度流向不一致，與壁面發(fā)生碰撞等，都會(huì)嚴(yán)重影響水泵工作效率，文中結(jié)合這幾點(diǎn)進(jìn)行分析，使水泵的效率提升，起到了優(yōu)化作用。

參考文獻(xiàn)

[1]沈棟平.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵CFD數(shù)值模擬研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[2]李華.基于水力損失模型的汽車水泵性能預(yù)測(cè)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3]翁祖亮.冷卻水泵實(shí)用技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004：35-52.

[4]袁壽其.低比速離心泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：15-43.

[5]吳杰.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)及流場(chǎng)仿真分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[6]李允昌.465Q內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南寧：廣西大學(xué)，2008.

[7]錢健，李鑫.泵葉輪內(nèi)部三維紊流數(shù)值模擬研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2003.

[8]劉小平，郭蘭，顧維東.CFD的水泵數(shù)值分析[J].汽車工程師，2010（4）：21-24.

[9]袁壽其，張婷婷，張金風(fēng)，等.汽車?yán)鋮s水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（2）：94-97.

收稿日期：2015-12-01

文章編號(hào)：1002-4581（2016）02-0008-05

中圖分類號(hào)：U464.138+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.003