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)湖北省重點實驗室，湖北　武漢　430070）

Cai Si，Zhang Chuyun

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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)湖北省重點實驗室，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，故對該水泵進行流場分析。將水泵的內(nèi)部流場模型導(dǎo)入Fluent中進行計算分析，得到水泵流場的速度、壓力及湍動能分布圖。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)該水泵存在壓力、湍動能分布不均，易發(fā)生汽蝕和能量消耗，故對該水泵模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再對新、舊水泵的分析結(jié)果進行比較和計算，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；數(shù)值模擬

0　引　言

CFD技術(shù)通過對流場的數(shù)值模擬分析，可以獲取大量的流場信息，與試驗相比具有信息量大、時間短、成本低的優(yōu)勢[1]。利用該技術(shù)得出的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比對，誤差較小，準(zhǔn)確度較高。汽車水泵是發(fā)動機重要部件，工作效率值得關(guān)注。汽車發(fā)動機冷卻水泵實質(zhì)為離心泵的一種，具有轉(zhuǎn)速高，運行工況變化大，效率偏低，比轉(zhuǎn)速較大等特點[2]。

利用CFD軟件，設(shè)定好邊界條件后，對某一水泵進行數(shù)值模擬，能夠有效得到內(nèi)部流場的速度、壓力、湍動能等的分布規(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中進行計算，對比二者可以發(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中對水泵進行三維建模，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，使冷卻液進行循環(huán)，達到其作用。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)計的好壞與水泵的效率、揚程和汽蝕現(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中進行處理，建立水泵內(nèi)部流場的三維模型。將水泵內(nèi)流場三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Fluent模塊，對模型進行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定。劃分時對水泵葉輪處的網(wǎng)格進行加密處理，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)流場網(wǎng)格模型

圖5　舊水泵內(nèi)流場網(wǎng)格模型

2　水泵內(nèi)流場數(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)部的相對運動時，水泵內(nèi)部的流動可以認為是三維定常不可壓湍流流動[4]。離心水泵采用的是N-S流動控制方程的簡化形式，該方程可以較準(zhǔn)確地模擬液體流動的實際情況，控制方程如式（1）。

式中，ui、uj為流場中各個坐標(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），保持默認值。將葉輪的壁面設(shè)置為移動壁面，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，保持默認值即可。由于SIMPLEC算法在求解過程中對速度場的處理較好，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行求解。

3　模擬結(jié)果分析

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

3.1水泵內(nèi)流場的壓力分布

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。改進后的水泵，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對蝸舌處產(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規(guī)律，減少對各壁面的沖擊，使動能得到充分利用，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湍動能分布

湍動能表示湍流脈動的程度，其大小和空間不均勻性也在一定程度上表明脈動擴散和粘性耗散損失的大小和發(fā)生范圍[6]。對比圖10和圖11，可以看出優(yōu)化后的水泵較原水泵湍動能分布更均勻，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能圖

圖11　舊水泵中間截面湍動能圖

3.4水泵揚程和效率的計算

水泵旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生的力矩傳遞給液體，液體獲得動能，帶動液體流動，進行冷卻循環(huán)的過程。在模擬計算機三維流場的基礎(chǔ)上，通過計算水泵進出口面的環(huán)量差和轉(zhuǎn)子的軸功，可求得水泵的揚程和效率[7]。水泵的揚程是指單位質(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)量的液體獲得的機械能，單位m[8]。

水泵揚程計算如式（4）

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

水泵的效率計算如式（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)進行計算，二者的轉(zhuǎn)速均設(shè)定為3000r/min，新水泵進口和出口的總壓分別為4.5542kPa和28.875kPa，舊水泵進口和出口的總壓分別為3.4974kPa和26.344Pa。計算完成后，對結(jié)果進行對比，見表1。

表1　新、舊水泵性能比較

通過對比計算數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的水泵效率有了進一步提升，達到了預(yù)期的效果。

4　結(jié)　論

CFD數(shù)值模擬既為設(shè)計開發(fā)起到了輔助作用，也起到優(yōu)化改進的作用，能夠在不做試驗的前提下預(yù)測設(shè)計效果，從而減少開發(fā)所耗費的時間和金錢，是現(xiàn)今普遍應(yīng)用的方式。利用Fluent對舊水泵的內(nèi)流場進行分析計算，找到問題并進行模型優(yōu)化，通過對比二者的計算結(jié)果，可以直觀地看出舊水泵的問題得到了緩解，達到了優(yōu)化的效果，對后續(xù)工作有一定的參考價值。由于水泵是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件，水泵工作時內(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，都會嚴重影響水泵工作效率，文中結(jié)合這幾點進行分析，使水泵的效率提升，起到了優(yōu)化作用。

參考文獻

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收稿日期：2015-12-01

文章編號：1002-4581（2016）02-0008-05

中圖分類號：U464.138+.1

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.003