基于CFD的汽車冷卻系統(tǒng)水泵葉輪設計與實驗*

吳 杰，唐 倩，張元勛，馮琪翔

(重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

1 前言

水泵是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的核心部件，其性能直接決定發(fā)動機的運行狀況。汽車發(fā)動機冷卻水泵，實質為離心泵的一種，具有轉速高，運行工況變化大，效率偏低，比轉速較大等特點［1］。國內外學者都曾對離心泵做過多方面的研究，王秀勇、王燦星等人應用CFD技術對離心泵性能進行了預測，Nicholas Pedersen，P.Gaetani等人就葉輪對離心泵的影響進行了深入研究［2－5］。由于汽車水泵僅作為汽車發(fā)動機的配件，應用面較窄，這方面的研究并未多見，近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量的增加，汽車相關零部件性能逐漸受到重視，對汽車水泵的研究價值也日益體現(xiàn)出來。

筆者針對某型號汽車水泵在運行過程中功率大、效率低等問題，經(jīng)分析提出一種新型的半閉式擺線葉輪設計方法，對水泵葉輪進行重新設計，使新水泵能在性能上獲得提高，滿足汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的使用要求，保證發(fā)動機能長期、安全、可靠、高效的運行。

2 葉輪設計

受發(fā)動機結構限制，葉輪外徑保持不變，對葉輪的設計主要體現(xiàn)在葉片設計上。

2.1 葉片型線

離心泵設計理論［6－8］中提到，為了得到符合流動規(guī)律的葉片，將葉輪內的液流從進口向內分成若干層，每層相當于一個流面。液體只沿著每層流動，層與層之間的液體互不混雜，將葉輪內的流動簡化為研究幾個流面上的流動。假設在每個軸面上的流動相同，在同一個過水斷面上軸面速度均勻分布，于是只需在各計算流面上，求出液體質點的運動軌跡，然后運用擺線擬合軌跡，便得到了葉輪葉片型線方程:

為了減小葉輪出口處回流，出口采用一段弧線修型:

式中:A，B為影響型線長度的系數(shù);a，b，c為影響葉片彎曲程度的系數(shù)。

2.2 葉片數(shù)和厚度

葉片數(shù)對泵的揚程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。為了使葉輪流道里液流有比較均勻的平均速度，以及減少在一個葉片上的壓力差，同時考慮盡量減少葉片的排擠和表面摩擦，葉片數(shù)目Z=6。葉片厚度一般是根據(jù)強度及鑄造工藝的可能性而確定的。根據(jù)強度計算的葉片較薄，故一般都能滿足強度需要，新葉輪葉片厚度取2 mm［6］。

2.3 葉片布置

長短葉片相間的布置形式可以避免葉輪進口排擠問題，改善了葉輪流道的擴散狀況，穩(wěn)定液流［9］。新葉輪在葉片布置上采用了長短葉片相間的布置方式。

3 數(shù)值模擬

Fluent作為一種CFD軟件，可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，因具有多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，能達到最佳的收斂速度和求解精度，同時具有靈活的非結構化網(wǎng)格和基于解的自適應網(wǎng)格技術及成熟的物理模型，在流體領域應用十分廣泛［10］。通過導入水泵模型，進行網(wǎng)格劃分，邊界設置，最后運用Fluent內置求解器進行運算可得到水泵流道的數(shù)值模擬結果。

3.1 模型建立和流道網(wǎng)格劃分

水泵外徑60 mm，舊葉輪葉片數(shù)7，新葉輪葉片數(shù)6，長短葉片交替對稱布置，利用三維建模軟件PROE建立葉輪的實體模型。舊葉輪和新葉輪三維模型分別如圖1所示。通過葉輪模型，建立水泵的流道模型并導入Fluent前處理軟件Gambit進行網(wǎng)格劃分和邊界設定，網(wǎng)格劃分時對葉輪部分進行網(wǎng)格加密，完成后的流道網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 新(右)舊(左)葉輪三維模型

圖2 新舊葉輪流道網(wǎng)格模型

3.2 控制方程和湍流模型

N－S方程比較準確的描述了液體實際的流動，本文采用時均化處理的N－S方程作為流動控制方程，標準k－ε模型作為湍流模型，采用SIMPLEC算法計算壓力速度耦合。

控制方程表達式:

式中:ui，uj為流場中各坐標軸方向的平均速度;P為壓力;x為位移;ρ為流體密度;μ為黏性系數(shù);Rij為雷諾應力張量，Rij=－

湍流模型表達式:

式中:k表示湍動能;ε表示能量耗散率;σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能;YM是由于在可壓縮湍流過渡的擴散產(chǎn)生的波動;C1，C2，C3以及其余參數(shù)為可以確定的常量。

3.3 求解邊界條件設定

針對本文模型，計算時共需設定四個邊界條件，分別如下:

(1)進口條件:采用速度進口(Velocity－inlet)，指定入口速度值。

(2)出口條件:出口設為自由流出邊界(Outflow)，保證流動是完成發(fā)展的。

(3)壁面條件。壁面設置為無滑移的固定壁面(Wall)，葉輪壁面施加一個旋轉速度。

(4)接觸面條件。葉輪與蝸殼流道兩部分流體的相互作用通過設置接觸面(Interface)來進行傳遞。

4 結果分析

本文對水泵葉輪轉數(shù)3000 r/min，流量40 L/min工況下的水泵流場進行了分析。在此工況下，經(jīng)過Fluent軟件計算，得到了水泵流道的壓力分布圖(如圖3所示)以及速度矢量圖(如圖4所示)。

圖3 新舊葉輪總壓對比圖

從圖3可以看出，水進入葉輪后，葉輪葉片對水流做功，壓力逐漸升高，葉片出口位置達到最大值。相比于舊葉輪，新葉輪水泵流道的壓力分布更為均勻，尤其體現(xiàn)在葉輪根部。同時還可以看出舊葉輪低壓區(qū)分布范圍廣，在這些區(qū)域產(chǎn)生汽蝕的可能性較大，從而對水泵造成比較嚴重的破壞，使用性能大大降低。

圖4 新舊葉輪速度矢量對比圖

從圖4可以看出，水進入葉輪后，速度隨著葉輪半徑的增加速度逐漸升高，在出口處速度達到最大值。由于舊葉輪軸向無過渡，水流方向由軸向突然轉變變?yōu)閺较?，產(chǎn)生較大沖擊，并且舊葉輪葉片型線不合理，出口存在較多的回流，葉片對水流的做功不充分，速度分布不均勻，能量損失嚴重，效率低。新葉輪葉片型線更符合液體的流動規(guī)律，出口回流現(xiàn)象減少，水流從軸向到徑向平穩(wěn)過渡，并且在水流從葉輪進入蝸殼的過程中，對水流充分做功，使葉輪的機械能充分轉化為水的動能，效率更高。

5 實驗與結論

在水泵試驗平臺分別對新舊葉輪水泵進行了性能實驗，通過控制水泵流量，得到水泵轉速為3000 r/min時各個運行工況下水泵的外特性參數(shù)，并分別繪制了新舊葉輪的流量－效率和流量－功率對比曲線，分別如圖5和圖6所示。

圖5 流量－效率曲線圖

從圖中可以看出，新型半封閉式擺線葉輪相比于舊葉輪，水泵的功率降低在30%以上，效率提高約兩個百分點，與流場分析結果相應。

圖6 流量－功率曲線圖

本文通過數(shù)值模擬與實驗結合的方法，證明了新型半封閉擺線葉輪水泵在性能上有一定的優(yōu)越性，為汽車冷卻系統(tǒng)水泵設計提供了一種新的思路。

［1］李 華.基于水力損失模型的汽車水泵性能預測的研究［D］.上海:上海交通大學，2012.

［2］王秀勇，王燦星.基于數(shù)值模擬的離心泵性能預測［J］.流體機械，2007，35(10):9 －13.

［3］Nicholas Pedersen，Poul S.Larsen.Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off－ Design Conditions［J］.Journal of Fluids Engineering，2003(125):62 －72.

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［6］關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊［M］.北京:宇航出版社，1995.

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［8］金樹德，陳次昌.現(xiàn)代水泵設計方法［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1993.

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