石廣豐，邢云飛，沈棟平

(1.長春理工大學(xué)，吉林長春 130022；2.富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心,吉林長春 130021)

某型汽車水泵流體動力學(xué)仿真與試驗

石廣豐1，邢云飛1，沈棟平2

(1.長春理工大學(xué)，吉林長春 130022；2.富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心,吉林長春 130021)

水泵工作過程中內(nèi)部循環(huán)水的流體動力學(xué)特性對水泵性能產(chǎn)生重要影響，通過水泵流體動力學(xué)仿真分析可以預(yù)先為水泵定型投產(chǎn)后的性能研究提供依據(jù)。本文采用流體動力學(xué)仿真軟件對某型汽車水泵進行了流體動力學(xué)有限元建模分析，并針對不同轉(zhuǎn)速和流量工況條件開展了相關(guān)仿真模擬、計算對比和試驗研究。既驗證了水泵流體動力學(xué)仿真模型及內(nèi)部流體運動規(guī)律分析的有效性，又獲得了該水泵的理論揚程、軸功率和總效率等數(shù)值，總結(jié)了相關(guān)影響規(guī)律，為該汽車水泵的設(shè)計、性能預(yù)測和制造提供了理論依據(jù)。

汽車水泵；流體動力；揚程；軸功率；效率

1 前言

汽車發(fā)動機水泵是通過內(nèi)部葉輪帶動循環(huán)水進行能量轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)冷卻的，內(nèi)部復(fù)雜的液體流動狀態(tài)及動力損失須通過水泵的揚程和效率等指標來綜合反映。通過水泵內(nèi)部復(fù)雜循環(huán)水的流動狀態(tài)和壓力分布等具體特征可以對水泵的工作性能進行預(yù)測[1]，從而完成對水泵的性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進。而部分水泵內(nèi)部流動情況的特征參數(shù)很難通過試驗測試直接獲得，借助于有限元流體動力學(xué)仿真分析的方法逐漸成為汽車水泵產(chǎn)品研制過程中必不可少的手段[2]。

雖然目前關(guān)于汽車水泵內(nèi)流場仿真研究方面的個案很多[3～8]，但是由于水泵具體結(jié)構(gòu)或類型的差異，相關(guān)工藝參數(shù)和分析結(jié)果很難普遍應(yīng)用，所以針對特定型號的水泵產(chǎn)品建立一套試用的流體動力學(xué)仿真模型并開展分析十分關(guān)鍵。本文采用計算機流體力學(xué)仿真分析軟件FLUENT對某型汽車水泵進行相關(guān)性能預(yù)測分析,通過和試驗數(shù)據(jù)相對比驗證仿真模型的有效性并獲得相關(guān)規(guī)律，為水泵的試驗和生產(chǎn)制造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。這對于減少水泵產(chǎn)品的研制、改進成本和周期，提高其性能具有重要價值。

2 水泵結(jié)構(gòu)的有限元建模

所研究的水泵主體結(jié)構(gòu)包括殼體、渦輪、入水口、出水口等，如圖1所示。其中，渦輪是水泵的核心動力部件，其直徑為64 mm，內(nèi)部共有7個沖壓葉片沿軸均布。渦殼為漸開線形式，它與葉輪之間的最小間隙為0.35 mm，該殼體承壓面與葉片端面之間的最小間距為0.6 mm。

圖1 水泵的幾何結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)水泵工作時的結(jié)構(gòu)功能，將水泵的流動區(qū)域分成2個部分，即包含外壁的靜態(tài)區(qū)域和渦輪的流體動態(tài)區(qū)域。在ICEM軟件環(huán)境下采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格(四面體實體單元)分別對水泵實體模型的2個部分進行網(wǎng)格劃分。由于壓力分布在開口表面上是不連續(xù)的，會影響求解的收斂性。因此為了獲得較好的收斂解，將汽車水泵的循環(huán)進口和出口分別拉伸出一段體網(wǎng)格，有限元模型如圖2～4所示。整個水泵有限元模型的網(wǎng)格數(shù)為140萬，根據(jù)網(wǎng)格劃分質(zhì)量的分析結(jié)果(如圖5)，可以得出全局網(wǎng)格質(zhì)量較為精確的信息。其中，質(zhì)量小于0.4的部分相加之和為9.885%，此數(shù)值滿足一般網(wǎng)格質(zhì)量要求10%以下的要求。由此可以得出所建立的水泵流體動力學(xué)有限元仿真模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量滿足計算要求，從而在一定程度上保證了求解結(jié)果的準確性。

圖2 水泵整體的有限元模型

圖3 水泵靜態(tài)區(qū)域縱向剖面的體網(wǎng)格

圖4 渦輪旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域剖面上的體網(wǎng)格

針對水泵這類旋轉(zhuǎn)機械的特點，在FLUENT軟件中可以采用多重參考系法來求解。模型設(shè)置采用定常模型、壓力基求解器、隱式、標準k-ε湍流模型。根據(jù)水泵進口水流通道特點、質(zhì)量守恒定律以及進口處無大規(guī)模旋的假設(shè)確定水泵冷卻介質(zhì)的軸向流動速度，并假設(shè)切向和徑向的速度均為0，采用速度進口條件；出口邊界處設(shè)置壓力出口類型。水泵性能分析過程中采用標準大氣壓下，100 ℃的水和乙二醇混合液作為冷卻液，其相關(guān)的物理參數(shù)如下：密度960.00 kg/m3； 比熱容4215.9 J/(kg·K)； 黏度0.0002818 kg/(m·s)； 熱傳導(dǎo)系數(shù)0.6791 W/( m·K)。

3 水泵的流體動力學(xué)仿真與計算分析

為了提供分析依據(jù)，表1給出了該型水泵的2種常用工況(低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速)下的水泵轉(zhuǎn)速、流量和揚程設(shè)計指標，從而對有限元仿真模型進行相應(yīng)條件下的流體動力學(xué)模擬分析。由于流體的總壓(總能量)為靜壓和動壓之和(忽略位能)，動壓體現(xiàn)為流體速度，可由流量進行轉(zhuǎn)化。所以為了分析水泵內(nèi)部的流體動力學(xué)特性，下面從水泵的速度、靜壓和總壓3方面開展分析。

表1 水泵的設(shè)計要求性能指標

圖6為工況一條件下模擬出的渦輪內(nèi)部流體的速度矢量分布，圖7為模擬出的整泵內(nèi)部流體的速度矢量分布。

圖6 渦輪表面的絕對速度矢量

圖7 整泵絕對速度矢量

從圖中可以看出，渦輪內(nèi)部總體的流動趨勢較為良好，并沒有明顯的流動分離流動現(xiàn)象出現(xiàn)；渦輪內(nèi)的各個流道的流動成對稱分布狀態(tài)。渦輪流道內(nèi)流體絕對速度成逐漸增加趨勢，沿著渦輪流道內(nèi)的流體相對速度成逐漸減小趨勢，并且渦片表面的流體流線形狀與渦片的形狀基本保持相同輪廓。從圖6和圖7中還可以看出，整泵內(nèi)流場的流動情況與葉輪內(nèi)流場的流動情況基本保持相同，表明出入口的結(jié)構(gòu)拉長(為了計算收斂考慮)并未對仿真結(jié)果造成影響。

從圖8～11可知，渦輪各個葉片處流場的壓力分布較為均勻；在沿著蝸殼流道的方向上，渦輪內(nèi)流體的壓力值先降低后增加，在蝸殼的出口處達到壓力值最高，而最低壓力值在渦輪進口處貼近渦片進口的邊緣上出現(xiàn)。在同一半徑處，渦片工作表面的壓力遠遠高于非工作表面。

圖8 渦輪內(nèi)部靜壓分布

圖9 整泵流場靜壓分布

圖10 渦輪內(nèi)部的總壓分布

圖11 整泵流場總壓分布

通過FLUENT軟件后處理功能自動進行表面積分并獲得一個自定義的表面積分壓力值，即獲得工況一條件下，水泵進水口表面總壓為-13438.9 Pa,出水口表面總壓為11379.4Pa；工況二條件下，水泵進水口表面總壓為-44383.7Pa，出水口表面總壓為83715.6Pa。使用同樣的方法，可計算分析出工況二下的各項結(jié)果。也可借助水泵有限元仿真模型獲得更多的流場內(nèi)部信息。

定義進水口表面的總壓為P0out，出水口表面的總壓為P0in，則水泵揚程H[9]：

H=(P0out-P0in)/(ρg)+ΔZ

(1)

式中ρ——液體密度，kg/m3g——重力加速度，m/s2ΔZ——汽車水泵的出口與進口在垂直方向上的距離，一般而言，對于臥式泵來說，取ΔZ=0

水泵的效率為其有效功率和其輸入軸功率的比值，也可由相關(guān)理論公式計算得出[10]：

η=ηmηvηh

(2)

式中ηm——機械效率ηv——容積效率ηh——水力效率

3個效率參數(shù)可分別根據(jù)水泵的設(shè)定參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真計算參數(shù)求得。

通過計算分析可知：

(1)水泵在轉(zhuǎn)速2000r/min、流量24L/min工況條件下，流體動力學(xué)模擬計算的水泵揚程為2.638m，接近設(shè)計目標2.42m；

(2)水泵在5000r/min、流量80L/min工況條件下，流體動力學(xué)模擬計算的水泵揚程為13.616m，接近設(shè)計目標值11.72m?？梢?，在常用的低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下，該型水泵的仿真計算揚程與設(shè)計目標值基本相符。

4 試驗分析

通過設(shè)計分析，研制后的水泵性能試驗在某汽車零部件技術(shù)研發(fā)中心的水泵性能試驗機上完成。經(jīng)過測試可以獲得不同流量工況下水泵的揚程、軸功率和總效率，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 轉(zhuǎn)速2000 r/min、不同流量工況下水泵測試的揚程、軸功率和總效率

表3 轉(zhuǎn)速5000 r/min、不同流量工況下水泵測試的揚程、軸功率和總效率

對比表1～3可知，工況一條件下的水泵測試揚程為2.59m，接近仿真計算揚程值2.638m和設(shè)計目標值2.42m；工況二條件下的水泵測試揚程為11.52m,接近仿真計算揚程值13．616m和設(shè)計目標值11．72m，這也說明了仿真分析模型和分析結(jié)果的有效性。

從表2，3可看出：隨著水泵流量的增加，水泵揚程均下降，但是高轉(zhuǎn)速時的揚程普遍比低轉(zhuǎn)速時的高。低轉(zhuǎn)速時，水泵軸功率隨流量的增加變化不大，但是高轉(zhuǎn)速時，水泵軸功率隨流量的增加略有增加，而且均高于低轉(zhuǎn)速時的軸功率。隨著流量的增加，水泵總效率普遍增加，但是低轉(zhuǎn)速時水泵總效率較高。這表明該水泵在較低轉(zhuǎn)速和較低軸功率條件下就可以獲得較理想的效率和揚程；如果想繼續(xù)增加揚程，就要增加轉(zhuǎn)速和流量，但是要犧牲一定的軸功率和總效率。

5 結(jié)語

針對汽車水泵開展的流體動力學(xué)仿真模型可以用于實際研究，而且采用流體動力學(xué)數(shù)值和解析綜合的求解方法可以有效結(jié)合試驗，更加全面地分析水泵的相關(guān)工藝影響規(guī)律。相關(guān)研究表明：所研究水泵在較低轉(zhuǎn)速和較低軸功率條件下就可以獲得較理想的效率和揚程數(shù)值，但是要想繼續(xù)增加揚程，就要在犧牲一定的軸功率和總效率的前提下增加水泵的轉(zhuǎn)速和流量。

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Fluid Dynamics Simulation and Experiment of Certain Automobile Water Pump

SHI Guang-feng1,XING Yun-fei1,SHEN Dong-ping2

(1.Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Fawer Automotive Parts Limited Company,Changchun 130021,China)

The fluid dynamic characteristics of internal circulating water during the pump work process have an important impact on the performance of the pump.The pump fluid dynamics simulation analysis can provide reference for advance performance research of the pump before set and put into production.In this paper,the fluid dynamic simulation modeling analysis of the automobile water pump is done using the fluid dynamic simulation software,and the relevant simulation,calculation and experiment researches are carried out according to the different speed and flow conditions.Not only are the validities of the pump fluid dynamics simulation model and the law analysis of internal fluid motion verified,but also the theoretical lift pump,numerical shaft power and total efficiency are got.Finally,the relative influencing rules are summarized.The work in this paper provides a theoretical basis for the design,performance prediction and manufacturing of the automobile water pump.

automobile water pump;fluid dynamics;head;shaft power;efficiency

1005-0329(2017)03-0011-04

2016-05-06

2016-12-20

TH311

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.003

石廣豐(1981-)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事先進制造技術(shù)的研究，通訊地址：130022 吉林長春市衛(wèi)星路長春理工大學(xué)南區(qū)科技大廈A座415，E-mail:shiguangfeng@cust.edu.cn。