尹曼莉 嚴(yán)冬 葉伊蘇

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的氣蝕破壞是縮短汽車?yán)鋮s系統(tǒng)壽命、產(chǎn)生振動(dòng)噪聲等危害的關(guān)鍵因素，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的抗氣蝕性能，本文以某汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)為例，利用AVL-FIRE軟件對(duì)水泵性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分別對(duì)大川、循環(huán)時(shí)水泵及旁通管路的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)水泵氣蝕傾向，最后針對(duì)水泵氣蝕部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水泵;旁通管路;CFD;氣蝕;優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分之一，其作用是通過(guò)對(duì)冷卻液進(jìn)行加壓，保證其在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，加速熱量的散發(fā)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常工作。水泵作為冷卻系統(tǒng)的“心臟”，其性能對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和使用壽命有著直接影響，而氣蝕現(xiàn)象對(duì)其性能具有重要的影響。氣蝕的產(chǎn)生和發(fā)展往往會(huì)伴隨振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，不僅會(huì)導(dǎo)致水泵性能的下降，同時(shí)也會(huì)造成水泵結(jié)構(gòu)的破壞，氣蝕現(xiàn)象造成的性能急降和氣蝕破壞嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以對(duì)水泵氣蝕的預(yù)測(cè)也就尤為重要。

本文在某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的概念設(shè)計(jì)階段，利用AVL-FIRE軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，在性能預(yù)測(cè)的同時(shí)，同時(shí)預(yù)測(cè)大/小循環(huán)時(shí)冷卻水泵及旁通管路內(nèi)部的流場(chǎng)分布，評(píng)估氣蝕傾向，為預(yù)防和減輕葉輪氣蝕提供了理論依據(jù)，并根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化建議。

1 冷卻水泵的匹配

根據(jù)某汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要先選擇與之匹配的冷卻水泵。

1.1水泵設(shè)計(jì)流量的計(jì)算

首先根據(jù)冷卻系統(tǒng)散熱量Qw確定冷卻液需求量。冷卻系統(tǒng)散熱量Qw，受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算，初估Qw時(shí)，可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算：

Qw=Ne×η

（1）

其中：Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，η為各支路傳給冷卻系統(tǒng)熱量占Ne的百分比（經(jīng)驗(yàn)值）。

發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為140 kW，冷卻系統(tǒng)中包括機(jī)水套和油冷卻器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得水套散熱量Qw1=65.4 kW，油冷散熱量Qw2=11.6 kW。

然后確定冷卻液需求量，根據(jù)散人冷卻系統(tǒng)中的熱量，可以根據(jù)公式（2）算出冷卻液的循環(huán)量Vw：

其中：Vw為冷卻部件的設(shè)計(jì)流量，ρ為冷卻液密度，c為冷卻液比熱容，ΔT為冷卻液溫差（經(jīng)驗(yàn)值）。

冷卻液類型為W/C=50%的乙二醇溶液，根據(jù)其在101.2℃時(shí)的物理特性，計(jì)算可得冷卻液需求量也是水泵設(shè)計(jì)流量為176 L/min（水套及油冷需求量之和）。

1.2 水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的計(jì)算

在概念設(shè)計(jì)階段，水泵揚(yáng)程一般通過(guò)一維冷卻系統(tǒng)性能仿真計(jì)算得出，一維冷卻系統(tǒng)模型如圖1所示，計(jì)算得以為冷卻系統(tǒng)模型最大壓力為150 kPa，即水泵揚(yáng)程設(shè)計(jì)目標(biāo)值為14.8 m。

通過(guò)水泵流量及揚(yáng)程設(shè)計(jì)目標(biāo)的計(jì)算，確定該水泵在轉(zhuǎn)速7500 rpm，流量176 L/min時(shí)的揚(yáng)程為14.8 m。

2 冷卻水泵性能分析

2.1 水泵幾何模型的建立

水泵3D模型如圖2（a）所示，水泵主要由水泵蝸殼、葉輪、進(jìn)水管和出水管組成。用CATIA軟件對(duì)水泵幾何模型進(jìn)行流體域表面的抽取后，利用AVL-FIRE軟件，根挺各表面的曲率變化等特征設(shè)置不同的網(wǎng)格大小，并對(duì)壁面處，尤其是曲率半徑較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格模型如圖2（b）所示。

2.2水泵計(jì)算模型的建立及邊界條件

以時(shí)均N-S方程作為基本控制方程，采用k-zeta-f湍流模型，邊界條件采用進(jìn)口壓力，出口質(zhì)量流量，分別用穩(wěn)態(tài)MRF（多重參考坐標(biāo)系，相對(duì)滑移網(wǎng)格，作為初始流場(chǎng)計(jì)算）及瞬態(tài)Slidingmesh（滑移網(wǎng)格，更為接近實(shí)際流場(chǎng)）技術(shù)對(duì)水泵進(jìn)行CFD分析，計(jì)算水泵揚(yáng)程及液壓效率，其特性曲線分別如圖3 （a）、（b）所示，

以額定工況為例，水泵流量為176 L/min時(shí)，通過(guò)兩種分析方法得到的水泵揚(yáng)程及液壓效率均在設(shè)計(jì)值之上，其中穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的結(jié)果略高于瞬態(tài)，由于穩(wěn)態(tài)計(jì)算已經(jīng)能夠初步預(yù)測(cè)水泵性能，瞬態(tài)汁算一般可省略。通過(guò)水泵CFD性能預(yù)測(cè)，也進(jìn)一步驗(yàn)證初期所選或設(shè)計(jì)的水泵匹配性，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3 大/小循環(huán)冷卻性能分析

3.1 冷卻水泵及帶節(jié)溫器的旁通管路模型說(shuō)明

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)而言，水泵性能達(dá)標(biāo)不足以代表整個(gè)冷卻系統(tǒng)性能達(dá)標(biāo)，要保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常工作，水套、旁通管路、節(jié)溫器的設(shè)計(jì)也尤為重要，本文暫不預(yù)測(cè)水套冷卻性能，主要是對(duì)大川、循環(huán)回路的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，而回路流動(dòng)是否順暢，與節(jié)溫器開(kāi)肩/關(guān)閉是時(shí)旁通管路的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。圖4為某汽油機(jī)冷卻大/小循環(huán)回路圖。

在概念設(shè)計(jì)階段，針對(duì)大/小循環(huán)回路還需對(duì)管路進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)節(jié)溫器開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，連接的旁通管路CFD模型如圖5所示，其中（a）為節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)水泵及管路網(wǎng)格模型，（b）為節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)水泵及管路網(wǎng)格模型，（c）為節(jié)溫器開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)網(wǎng)格模型。與水冷性能仿真分析相同，同樣采用兩種MRF和Sliding技術(shù)方法進(jìn)行CFD仿真分析。

3.2節(jié)溫器開(kāi)啟（大循環(huán)回路）CFD分析結(jié)果

如圖6（a）流量一流阻曲線圖所示，通過(guò)擬合不同流量邊界下節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)兩端流阻的曲線，對(duì)比一維冷卻性能仿真時(shí)相應(yīng)的流阻值，可知，當(dāng)節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，水泵流量為150 L/min時(shí)，節(jié)溫器兩端阻力為160 mhar，而在概念設(shè)計(jì)前的一維冷卻性能模擬中，水泵流量為140L/min時(shí)，節(jié)溫器兩端阻力為200 mbar，三維仿真結(jié)果顯示比一維性能仿真預(yù)估的結(jié)果較好，該管路的設(shè)計(jì)不會(huì)造成水泵葉輪氣蝕現(xiàn)象。

圖6（b）為水泵在額定轉(zhuǎn)速下，流量為176 L/min時(shí)，管路壓力云圖，其中節(jié)溫器兩端壓力為252 mbar，與一維冷卻性能仿真結(jié)果接近。

圖6（c）顯示在不同流量邊界下，水泵及旁通管路各區(qū)域氣蝕體積出現(xiàn)情況，當(dāng)節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，冷卻液溫度101.2℃，水泵入口壓力為1992 mbar，水泵流速為250 L/min時(shí)，葉輪工作而出現(xiàn)明顯氣蝕現(xiàn)象。

圖6（d）擬合了各區(qū)域隨流量變化的氣蝕余量變化，所謂氣蝕余量是指在泵吸人口處單位重量液體所具有的超過(guò)氣蝕壓力的富余能量，即泵人口處冷卻液所具有的總水頭與液體氣蝕時(shí)的壓差。在節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，水泵流量176 L/min，氣蝕安全余量為+112 mbar（+85 mbar考慮補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)壓力水平），這說(shuō)明冷卻液溫度101.2℃，水泵人幾壓力1992 mbar為安全邊界。當(dāng)水泵流量超過(guò)200 L/min時(shí)，氣蝕安全余量低于0，有氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 節(jié)溫器關(guān)閉（小循環(huán)回路）CFD分析結(jié)果

如圖7 （a）流量一流阻曲線圖所示，通過(guò)擬合不同流量邊界下節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)兩端流阻的曲線，并對(duì)比一維冷卻性能仿真時(shí)相應(yīng)的流阻值。從CFD仿真結(jié)果可知，當(dāng)節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)，水泵流量為150 L/min時(shí)，節(jié)溫器兩端阻力為3265 mbar，而在概念設(shè)計(jì)前的一維冷卻性能預(yù)估中，水泵流量為131 L/min時(shí)，節(jié)溫器兩端阻力264 mbar，三維仿真結(jié)果遠(yuǎn)大于一維，根據(jù)仿真經(jīng)驗(yàn)，該處極有可能有氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖7（b）為水泵在額定轉(zhuǎn)速下，流量為176 L/min時(shí)，管路壓力云圖，其中節(jié)溫器兩端壓力為4483 mbar，與一維冷卻性能仿真不符。

圖7（c）顯示在不同流量邊界下，預(yù)測(cè)管路、節(jié)溫器、吸力側(cè)、蝸殼、葉輪氣蝕分布及氣泡體積大小，當(dāng)節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)，隨流量增大，各區(qū)域均出現(xiàn)氣蝕體積變大的趨勢(shì)，但是在節(jié)溫器及管路氣蝕體積高達(dá)1 40cm³，而造成嚴(yán)重氣蝕的原因是因?yàn)楣?jié)溫器關(guān)閉時(shí)，旁通管路阻力過(guò)大，氣泡在高壓的作用下突然被水壓壓迫，在氣泡破裂的瞬間，水流因慣性以高速?zèng)_向氣泡中心，在氣泡閉合去內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部水錘現(xiàn)象。

圖7（d）擬合了各區(qū)域隨流量變化的氣蝕余量變化，當(dāng)水泵流量超過(guò)100 L/min時(shí)，氣蝕安全余量已低于0，有氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖8顯示MRF和Sliding兩種方法模擬的水泵氣蝕位置，可以看出氣蝕初生位置發(fā)生在葉輪進(jìn)口的低壓區(qū)，并逐漸由葉片的背面擴(kuò)展到葉片的工作面、葉輪的出口位置，蝸殼的末端。通過(guò)MRF和Sliding分析的氣蝕結(jié)果結(jié)果顯示，MRF低估了氣蝕現(xiàn)象，Sliding可以較真是的反應(yīng)氣蝕現(xiàn)象。

4 水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)大小循環(huán)回路CFD仿真結(jié)果分析可知，節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，旁通管路流通較順暢，流阻處于正常值;可當(dāng)節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)，預(yù)測(cè)氣蝕位置判斷是由于冷卻液在旁通管路流動(dòng)不順暢造成葉輪局部壓力過(guò)高，所以具體優(yōu)化方案如圖9所示，主要是節(jié)溫器關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)水泵連接旁通管路出水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增大出水口面積，同時(shí)將出水口結(jié)構(gòu)變平緩。

在相同邊界條件下對(duì)小循環(huán)的部分管路流體域進(jìn)行CFD分析，分析結(jié)果如圖10所示。

如圖10（a）流量一流阻曲線圖所示，優(yōu)化后，水泵流量為175 mbar時(shí)，節(jié)溫器兩端阻力為由637 mbar，接近一維性能仿真值，較優(yōu)化前有極大改善。

圖10 （b）為水泵在額定轉(zhuǎn)速下，流量為176L/min時(shí)，管路壓力云圖，對(duì)比圖7（b），由于旁通管路進(jìn)口截面積增大，管路流動(dòng)順暢，阻力下降明顯。

圖10（c）顯示優(yōu)化后，水泵流量176 L/min時(shí)，吸力側(cè)和葉輪的氣蝕現(xiàn)象得到明顯改善。

圖10（d）顯示優(yōu)化后，最少氣蝕余量接近200 mbar，足夠安全。

5 結(jié)論

1）根據(jù)一維冷卻性能仿真結(jié)果得到冷卻水泵的設(shè)計(jì)目標(biāo)值并進(jìn)行水泵選型匹配。

2）用MRF和Sliding網(wǎng)格技術(shù)對(duì)冷卻水泵進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)水泵揚(yáng)程及液壓效率。在水泵設(shè)計(jì)初期，通過(guò)MRF方法基本可以預(yù)測(cè)水泵性能。

3）針對(duì)大/小循環(huán)回路中，開(kāi)啟/關(guān)閉節(jié)溫器時(shí)，對(duì)水泵及旁通管路進(jìn)行CFD分析，預(yù)測(cè)氣蝕風(fēng)險(xiǎn)及發(fā)生氣蝕區(qū)域，主要在小循環(huán)回路時(shí)會(huì)有氣蝕現(xiàn)象，根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)建議，再次進(jìn)行CFD分析后，優(yōu)化方案已無(wú)氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。

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