新捷達(dá)水泵的內(nèi)流場(chǎng)仿真分析與性能測(cè)試

石廣豐，林　峰，邢云飛，沈棟平

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心，長(zhǎng)春 130021）

制造軟件

新捷達(dá)水泵的內(nèi)流場(chǎng)仿真分析與性能測(cè)試

石廣豐1，林峰2，邢云飛1，沈棟平3

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心，長(zhǎng)春 130021）

針對(duì)新捷達(dá)汽車水泵研制和后續(xù)使用過程中的性能分析，開展了對(duì)該型水泵內(nèi)流場(chǎng)的仿真分析與性能測(cè)試工作。首先對(duì)該水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并通過模型導(dǎo)入，采用Fluent流體分析軟件對(duì)不同轉(zhuǎn)速和流量工況下的水泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了水泵內(nèi)部葉輪表面的速度矢量分布和進(jìn)出口的表面壓力情況等，然后通過相關(guān)公式計(jì)算獲得了理論揚(yáng)程、效率數(shù)值。最后通過在水泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)水泵樣機(jī)的測(cè)試分析，獲得了相關(guān)分析結(jié)果及變化規(guī)律，驗(yàn)證了仿真模型的有效性，為新捷達(dá)汽車水泵的性能預(yù)測(cè)、定型制造和后續(xù)改進(jìn)工作提供了有效依據(jù)，也為同類技術(shù)研究提供了參考。

新捷達(dá)；水泵；內(nèi)流場(chǎng)；仿真分析；測(cè)試

0　引言

汽車水泵對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作具有重要作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作時(shí)，水泵通過循環(huán)冷卻水帶走缸體內(nèi)聚集的大量熱量，保證缸體的正常溫度從而維持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、正常地工作。水泵置于汽車前部的散熱器中，由水管相連通，構(gòu)成一個(gè)閉合循環(huán)系統(tǒng)。在缸體的出水口處，通過連接發(fā)動(dòng)機(jī)上的法蘭盤以及傳送皮帶，水泵工作運(yùn)轉(zhuǎn)并將水道內(nèi)的熱冷卻液泵出，將冷冷卻液泵入，最終實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)。在目前的汽車零部件開發(fā)過程中，為了縮短開發(fā)周期，結(jié)合仿真分析進(jìn)行試驗(yàn)研究的方法在整個(gè)開發(fā)過程中的應(yīng)用越來越多了。該方法已逐漸成為一種零部件開發(fā)過程十分必要的計(jì)算分析手段［1］。通過仿真分析所預(yù)測(cè)水泵的性能可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在熱負(fù)荷較高的情況下有良好的冷卻液流動(dòng)性［2］。

目前，泵體結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)仿真分析研究方面的相關(guān)報(bào)道很多［3～5］，但是研究結(jié)果往往因型而異，針對(duì)特定型號(hào)及結(jié)構(gòu)的水泵進(jìn)行特定分析十分重要。此外，在汽車水泵定型裝車后，通過使用也會(huì)暴露出新的問題，因此如何尋求改進(jìn)措施以提高其性能也顯得尤為重要。本文采用有限元流體力學(xué)模擬仿真分析的方法對(duì)新捷達(dá)汽車的水泵內(nèi)流場(chǎng)速度和壓力分布等性能參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算和分析，為相關(guān)研究提供了依據(jù)。

1　水泵的結(jié)構(gòu)組成及有限元模型

該水泵包括水泵殼、葉輪、入水口、出水口，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，葉輪中的葉片為沖壓件，共有7個(gè)葉片沿軸均布。水泵殼體內(nèi)部為漸開線形式，殼體與葉輪之間的最小間隙為0.35mm，殼體承壓面與葉片端面之間的最小間距為0.6mm，葉輪直徑為64mm。該型水泵的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求在常用的2000rpm低轉(zhuǎn)速工況下，流量需為24L/min，揚(yáng)程需為2.42m；而在5000rpm的高轉(zhuǎn)速工況下，流量需為80L/min，揚(yáng)程需為11.72m。

圖1　水泵的模型及結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)水泵物理模型要求，將水泵的流動(dòng)區(qū)域分成兩個(gè)大部分，即包含外壁的靜止區(qū)域和葉輪的動(dòng)態(tài)區(qū)域。使用ICEM軟件分別對(duì)水泵實(shí)體模型的兩個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格（四面體實(shí)體單元）。為了獲得更好的計(jì)算收斂性，將模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，并將水泵的大循環(huán)入口和出口分別拉伸出一段三棱柱構(gòu)成的體網(wǎng)格。整個(gè)水泵計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)為140萬，有限元模型如圖2所示。針對(duì)水泵和風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特點(diǎn)，在Fluent流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件中采用MRF（the Multiple Reference Frame Model）來求解［6］。模型設(shè)置采用定常模型、壓力基求解器、隱式、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。根據(jù)水泵進(jìn)口水流通道特點(diǎn)、質(zhì)量守恒定律以及進(jìn)水口處無大規(guī)模旋的假設(shè)定出水泵冷卻介質(zhì)的軸向流動(dòng)速度，并假設(shè)切向和徑向的速度均為0，采用速度進(jìn)口條件；出口邊界處選擇壓力出口類型。

圖2　葉輪及整泵的有限元模型

水泵性能分析過程中采用標(biāo)準(zhǔn)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960.00kg/m3；比熱容4215.9J/（kg.K）；粘度0.0002818kg/（m.s）；熱傳導(dǎo)系數(shù)0.6791W/（m.K）。

2　水泵內(nèi)流場(chǎng)的仿真分析

針對(duì)表1中兩種工況下不同流量和轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)需要，對(duì)水泵模型進(jìn)行了相應(yīng)條件下的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析。圖3為模擬出的工況一條件下葉輪表面及整泵的速度矢量分布，圖4為葉輪及整泵的壓強(qiáng)分布。使用同樣的方法，可計(jì)算分析出工況二下的各項(xiàng)結(jié)果。

圖3　葉輪及整泵的內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖

Fluent軟件能夠自動(dòng)進(jìn)行表面積分并獲得一個(gè)自定義的表面積分壓力值，即獲得進(jìn)、出口面的總壓力。在水泵中，設(shè)定泵出口總壓力P0out，進(jìn)口總壓力之差P0in，則水泵揚(yáng)程H［7］：

式（1）中，ρ液體密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2。ΔZ為汽車水泵的出口與進(jìn)口在垂直方向上的距離，一般對(duì)于臥式泵而言，此處值取為0。在后處理中通過仿真分析（如圖4所示）獲取了兩種工況下的進(jìn)出口表面壓力的數(shù)值，如表1所示。

圖4　葉輪及整泵的內(nèi)流場(chǎng)壓強(qiáng)分布圖

表1　仿真計(jì)算表面總壓力值

水泵的效率等于其有效功率和其輸入軸功率之間的比值，包括機(jī)械效率為ηm，容積效率為ηv和水力效率為ηh，可由相關(guān)理論公式計(jì)算得出［8］，有式（2）：

通過計(jì)算、分析可知：1）水泵在轉(zhuǎn)速2000rpm、流量24L/min工況條件下，模擬計(jì)算的水泵揚(yáng)程為2.638m，接近所設(shè)計(jì)的目標(biāo)揚(yáng)程2.42m；2）水泵在轉(zhuǎn)速5000rpm、流量80L/min工況條件下，模擬計(jì)算的水泵揚(yáng)程為13.616m，接近所設(shè)計(jì)的目標(biāo)揚(yáng)程11.72m?？梢?，在兩種常用工況下，該型水泵的模擬計(jì)算揚(yáng)程與設(shè)計(jì)目標(biāo)值基本相符。要考慮的額外因素是，由于有限元模擬計(jì)算中沒有考慮在實(shí)際情況下的容積損失情況，所以計(jì)算結(jié)果略高于實(shí)際工況下水泵的揚(yáng)程值［6］。此外，更多水泵仿真性能數(shù)據(jù)可以通過仿真模型獲得，方便實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。

3　水泵性能測(cè)試分析

經(jīng)設(shè)計(jì)制造（水泵樣機(jī)如圖5所示），針對(duì)某編號(hào)的新捷達(dá)汽車水泵進(jìn)行性能測(cè)試。水泵的性能試驗(yàn)在富奧汽車零部件技術(shù)研發(fā)中心完成，如圖6所示。所采用的試驗(yàn)臺(tái)集成度較高，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中配有人機(jī)互動(dòng)計(jì)算機(jī)軟件，用以方便簡(jiǎn)潔地對(duì)水泵的輸入進(jìn)行控制，而且對(duì)于壓力數(shù)據(jù)的提取也相當(dāng)方便快捷，直接呈現(xiàn)在應(yīng)用軟件當(dāng)中。輸入的變量包括水泵轉(zhuǎn)速和流量，在水泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出的是進(jìn)出水口的壓力值，再經(jīng)公式計(jì)算轉(zhuǎn)化為水泵的揚(yáng)程、整體效率等參數(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)速的測(cè)定由水泵試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x測(cè)定，該測(cè)量?jī)x的精度高于0.2級(jí)。水泵的流量由水泵試驗(yàn)臺(tái)的渦輪流量計(jì)來測(cè)量讀取，流量計(jì)精度高于1級(jí)。

圖5　水泵樣機(jī)

表2　4000rpm轉(zhuǎn)速工況下的測(cè)試參數(shù)

表3　6000rpm轉(zhuǎn)速工況下的測(cè)試參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2、表3以及仿真分析結(jié)果做出以下不同流量工況下的揚(yáng)程和水泵總效率特性曲線（實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)很多，本文僅以若干典型工況轉(zhuǎn)速為例進(jìn)行分析說明），如圖7、圖8所示。其中水泵揚(yáng)程隨著流量的增加均呈下降趨勢(shì)，而水泵效率隨著流量的增加均呈增加趨勢(shì)；隨著水泵轉(zhuǎn)速的增加揚(yáng)程增加明顯，但效率變化不大。

圖7　轉(zhuǎn)速RPM=4000工況下的流量-揚(yáng)程及流量-效率曲線圖

圖8　轉(zhuǎn)速RPM=6000工況下的流量-揚(yáng)程及流量-效率曲線圖

通過測(cè)試、計(jì)算和對(duì)比分析，在不同轉(zhuǎn)速、不同流量工況條件下對(duì)水泵的揚(yáng)程以及效率等性能參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。由以上統(tǒng)計(jì)曲線可知通過流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析獲得的總體數(shù)值以及變化規(guī)律基本與水泵試驗(yàn)臺(tái)得到的真實(shí)驗(yàn)數(shù)值相近，因此驗(yàn)證了水泵有限元內(nèi)流場(chǎng)分析模型仿真計(jì)算結(jié)果的正確性以及參數(shù)范圍允許的準(zhǔn)確性。分析所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差極有可能跟有限元模型的簡(jiǎn)化，以及仿真分析與實(shí)際測(cè)試時(shí)邊界條件的不完全對(duì)應(yīng)等因素有關(guān)，但可以根據(jù)用戶的使用反饋再通過軟件建模的深入細(xì)化進(jìn)行改善。

4　結(jié)論

通過對(duì)新捷達(dá)汽車水泵內(nèi)流場(chǎng)的仿真分析，直觀而有效地分析了水泵工作的內(nèi)流場(chǎng)速度和壓力分布情況，通過計(jì)算分析和試驗(yàn)對(duì)比獲得了水泵流量與水泵揚(yáng)程、效率之間的影響關(guān)系。驗(yàn)證了所建新捷達(dá)汽車水泵內(nèi)流場(chǎng)仿真分析模型的有效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新捷達(dá)水泵進(jìn)行性能分析的目的，為該水泵及同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)提供了有效手段。

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吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（201560）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。