CFD下汽車水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)探析
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摘要：針對增壓直噴發(fā)動機(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方式來進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能。首先根據(jù)發(fā)動機(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軟件對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行具體的分析，對水泵進(jìn)行優(yōu)化；最后使用三維CFD軟件與建模軟件來計(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)
0引言
汽車水泵是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(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)來防止汽車發(fā)動機(jī)過熱。國內(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)行速度大多無法達(dá)到設(shè)計(jì)工況的情況。因此基于水泵的CFD流場設(shè)計(jì)來預(yù)測性能，實(shí)質(zhì)就是建立泵內(nèi)場特征與水泵轉(zhuǎn)動特性之間的關(guān)系，這也逐漸成為研究領(lǐng)域內(nèi)的重要課題[1]。以下以某型號汽車發(fā)動機(jī)水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例，來展示基于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法提供足夠的冷卻，發(fā)動機(jī)容易造成過熱損壞；如果流量過大，則發(fā)動機(jī)水套溫差較小，存在較大的能量損失?；诳煽啃苑矫娴男枨?，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水泵流場分析
3.1三維CFD的算法
使用三維CFD軟件來分析汽車水泵的三維流動，在計(jì)算中湍流模型選擇RNG，通過使用有限體積法來計(jì)算空間離散，同時(shí)對流項(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)量均在五百萬以上。三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)能描述復(fù)雜流動、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。固體壁面給定恒無滑移邊界，同時(shí)運(yùn)動與靜止部件的設(shè)計(jì)均采用multiplereferenceframe（MRF），蝸殼區(qū)域坐標(biāo)固定，葉輪區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動坐標(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，流動的時(shí)候存在沖擊，因此效率較低，測試額定轉(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；使用三維軟件來生成并計(jì)算葉輪、蝸殼模型，同時(shí)使用三維CFD軟件來進(jìn)行分析，之后對其進(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)動機(jī)對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?。粸樘岣咚玫膿P(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)，不會增加水泵尺寸也不會影響到水泵的效率，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)果對比分析
在對比（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。對比水泵流場，優(yōu)化前后的靜壓力（見圖3）對比發(fā)現(xiàn)原本水泵壓力波動比較大，壓力場分布不均勻，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)化之后的壓力場分布均勻，旋渦有明顯的改善（見圖4）。
6結(jié)束語
綜上，使用CFD軟件來對汽車水泵原模型進(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)：
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作者:金鋒 劉兵 章娜 單位:飛龍汽車部件股份有限公司