基于CFD的汽車水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

金鋒 劉兵 章娜

摘要：針對(duì)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵揚(yáng)程、效率、汽蝕問題，進(jìn)行具體分析，使用一維、三維CFD方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱負(fù)荷工況下冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，初步確定水泵的流量需求;其次使用一維CFD軟件對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行具體的分析，對(duì)水泵進(jìn)行優(yōu)化;最后使用三維CFD軟件與建模軟件來(lái)計(jì)算葉輪、蝸殼等，并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：水泵;優(yōu)化設(shè)計(jì);CFD;冷卻設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0017-02

0? 引言

汽車水泵是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心部件之一，隨著汽車耗油量需求不斷下降，汽車水泵性能不斷提高的同時(shí)，需要降低水泵功率消耗等來(lái)滿足汽車的油耗要求。

1? 研究背景

在汽車零部件當(dāng)中發(fā)動(dòng)機(jī)是非常重要的零部件之一，主要功能是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作期間最高燃燒溫度達(dá)到2500℃，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須在內(nèi)部設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)來(lái)防止汽車發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。國(guó)內(nèi)汽車水泵的設(shè)計(jì)效率一般低于設(shè)計(jì)工況的效率。以城市運(yùn)行汽車為例，汽車駕駛過程中一般運(yùn)行速度大多無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)工況的情況。因此基于水泵的CFD流場(chǎng)設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)性能，實(shí)質(zhì)就是建立泵內(nèi)場(chǎng)特征與水泵轉(zhuǎn)動(dòng)特性之間的關(guān)系，這也逐漸成為研究領(lǐng)域內(nèi)的重要課題[1]。

以下以某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例，來(lái)展示基于CFD的汽車水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

2? 水泵性能需求計(jì)算

2.1 流量需求

水泵流量必須保證冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要，如果水泵流量小則無(wú)法提供足夠的冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)容易造成過熱損壞;如果流量過大，則發(fā)動(dòng)機(jī)水套溫差較小，存在較大的能量損失。基于可靠性方面的需求，水套溫差范圍的一般控制在6℃左右。設(shè)計(jì)工況下，冷卻液要帶走發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率50～55%左右的熱量，具體計(jì)算公式：（1）

在上述公式當(dāng)中，Q（kW）表示發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行凈功率最大數(shù)值;ρ（kg/m3）表示冷卻液密度;C（kj/kg.K）表示比熱容;△Τ（K）為設(shè)計(jì)中水套溫差;計(jì)算結(jié)果是理論需求流量V（m3/s）。運(yùn)用該公式，能夠計(jì)算出具體工況下冷卻系統(tǒng)所需要的水流量。

2.2 揚(yáng)程需求

根據(jù)一維CFD軟件的Flowmaster分析該冷卻系統(tǒng)壓降值（見圖1），取合適的安全系數(shù)，即可確定該冷卻系統(tǒng)所需要的水泵升壓數(shù)值量，即揚(yáng)程需求量具體數(shù)值。

3? 水泵流場(chǎng)分析

3.1 三維CFD的算法

使用三維CFD軟件來(lái)分析汽車水泵的三維流動(dòng)，在計(jì)算中湍流模型選擇RNG，通過使用有限體積法來(lái)計(jì)算空間離散，同時(shí)對(duì)流項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式擴(kuò)散項(xiàng)求差，SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)耦合求解，為保證計(jì)算精度，在優(yōu)化之前水泵的網(wǎng)格數(shù)量均在五百萬(wàn)以上。三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)能描述復(fù)雜流動(dòng)、燃燒現(xiàn)象、爆炸超壓形成、燃燒的具體過程。和一維的經(jīng)驗(yàn)?zāi)M相比，三維CFD模擬技術(shù)更可達(dá)到與實(shí)際效果符合性更高的計(jì)算結(jié)果，這是其他經(jīng)驗(yàn)?zāi)M無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。CFD模擬需要注意三維幾何模型的詳細(xì)搭建、邊界選擇、周圍環(huán)境等，模擬當(dāng)中使用的參數(shù)盡可能與實(shí)際工況相一致。三維計(jì)算進(jìn)口邊界給定溫度為93℃，總壓0.15MPa，得到出口計(jì)算揚(yáng)程。固體壁面給定恒無(wú)滑移邊界，同時(shí)運(yùn)動(dòng)與靜止部件的設(shè)計(jì)均采用multiple reference frame（MRF），蝸殼區(qū)域坐標(biāo)固定，葉輪區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。

3.2 該算法的可靠性驗(yàn)證

在給定邊界的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出原水泵模型，針對(duì)原水泵模型進(jìn)行CFD計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較（見表1）。在比較中注意到，原水泵葉輪使用沖壓成型結(jié)構(gòu)、單圓弧直葉片設(shè)計(jì)，蝸殼的擴(kuò)散段比較短，流動(dòng)的時(shí)候存在沖擊，因此效率較低，測(cè)試額定轉(zhuǎn)速為6000r/min，效率低于30%。從表1中可以看出，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，說(shuō)明計(jì)算過程是可靠的。

4? 水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 柔性設(shè)計(jì)

在當(dāng)前諸多研究當(dāng)中，基于CFD流場(chǎng)的模擬已經(jīng)作為水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要研究點(diǎn);冷卻系統(tǒng)的分析，能夠預(yù)測(cè)在一定轉(zhuǎn)速下，水泵流量、揚(yáng)程等各方面性能;使用三維軟件來(lái)生成并計(jì)算葉輪、蝸殼模型，同時(shí)使用三維CFD軟件來(lái)進(jìn)行分析，之后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，具體設(shè)計(jì)尺寸如表2。根據(jù)實(shí)際需求，綜合考慮葉輪的設(shè)計(jì)尺寸。

優(yōu)化之后的葉輪使用閉式離心葉輪，減少葉頂間隙內(nèi)存在的回流損失;為了提高葉片前緣吸力面的最低壓力，增加系統(tǒng)抗氣蝕性能，在葉片前緣使用向壓力面傾斜的設(shè)計(jì)方式，整個(gè)葉片呈現(xiàn)后掠葉型;通過調(diào)整子午流面的線型結(jié)構(gòu)、葉片進(jìn)出口角度等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了葉輪之外蝸殼的設(shè)計(jì)也比較重要，但是如果對(duì)蝸殼再次進(jìn)行設(shè)置模型、分析需要消耗更高成本，因此渦殼暫時(shí)保持原狀，只進(jìn)行微調(diào);為保證葉輪能夠與原本的蝸殼相匹配，優(yōu)化后的葉輪進(jìn)口輪蓋直徑與葉輪直徑需要最大可能與原尺寸相近，具體參數(shù)與表2的設(shè)計(jì)相符合 [2]。

4.2 對(duì)設(shè)計(jì)方面的思考

為增加水泵揚(yáng)程，可以從增加葉輪的外直徑、出口角度、葉片出口寬度、葉片數(shù)量等來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。如果增加外輪外徑，就需要增加水泵的總體尺寸，但是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)水泵的安裝位置及尺寸是有一定限制和要求的，因此該方式并不可取;為提高水泵的揚(yáng)程，增加了葉輪出口角度，雖然揚(yáng)程提高了，但是水泵的效率下降了，因此也不能選擇這種方式;增加葉片出口寬度與水泵總體尺寸，更不可行;在葉輪的現(xiàn)有空間上增加葉片數(shù)，不會(huì)增加水泵尺寸也不會(huì)影響到水泵的效率，該方案可行。因此部分人在優(yōu)化葉輪的時(shí)候增加葉輪葉片數(shù)量，而且為了減少葉輪進(jìn)出口的排擠，使用長(zhǎng)短葉片相間的設(shè)計(jì)方案。但是由于模具造型及成本等系列原因，文章并沒有選擇增加葉輪葉片的設(shè)計(jì)方式[3]。

5? 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

在對(duì)比（表3）中發(fā)現(xiàn)原水泵設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)速為6000r.min-1下效率為27.2%，對(duì)于高轉(zhuǎn)速下的水泵效率，在優(yōu)化之后水泵的水力性能得到了顯著提升：經(jīng)過計(jì)算之后的效率提高接近一倍。高轉(zhuǎn)速下水泵抗氣蝕性能得到了顯著的提高（圖2），NPSHR有明顯的降低。

對(duì)比水泵流場(chǎng)，優(yōu)化前后的靜壓力（見圖3）對(duì)比發(fā)現(xiàn)原本水泵壓力波動(dòng)比較大，壓力場(chǎng)分布不均勻，葉片前緣根部壓力比較小，有汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)。這與性能分析一致，優(yōu)化之后的水泵壓力分布更均勻。原水泵葉片尾緣吸力面均存在高速旋渦，靠近隔舌和高速區(qū)域范圍更大、更加明顯，能量損失嚴(yán)重，轉(zhuǎn)換效率低;優(yōu)化之后的壓力場(chǎng)分布均勻，旋渦有明顯的改善（見圖4）。

6? 結(jié)束語(yǔ)

綜上，使用CFD軟件來(lái)對(duì)汽車水泵原模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)水泵內(nèi)部出現(xiàn)能量損失現(xiàn)象比較明顯，需要進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化改進(jìn)之后，提高了泵的整體性能，尤其是抗氣蝕性能有了明顯的提升。在流場(chǎng)分析當(dāng)中原水泵葉片前緣根部存在明顯的氣蝕風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化之后明顯改善，效率也顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]周亞軍，王鐵力，楊建峰，等.基于CFD方法的豎井貫流泵裝置進(jìn)出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水利水電技術(shù)，2019，50（11）：64-71.

[2]黃芳芳，宋開通，吳亞東.基于CFD的電動(dòng)汽車鋰電池包內(nèi)部流場(chǎng)模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2019（3）：128-129.

[3]HUANG Li-di，WANG Hao， WU Yi-meng，等.基于CFD的某校園宿舍區(qū)室外風(fēng)環(huán)境模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑節(jié)能， 2019，047（001）：57-62.