基于STAR-CCM+的汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪流場仿真及優(yōu)化

蔡少波

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

冷卻水泵是汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的心臟，其作用是提高循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液的工作壓力，維持汽車發(fā)動機(jī)相關(guān)部件的冷卻液循環(huán)，防止汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度過高[1]。常用汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵為葉輪式離心泵，葉輪是冷卻水泵工作的核心，通過帶輪及轉(zhuǎn)軸帶動其旋轉(zhuǎn)，在葉片的作用下，葉輪中液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)作牽連運(yùn)動，并在葉片的驅(qū)駛下不斷地從旋轉(zhuǎn)著的葉輪中甩出，即相對葉輪的運(yùn)動。因此，葉輪的外徑大小，葉輪葉片的高低及角度，以及與冷卻水泵殼體的間隙，直接影響著冷卻水泵的性能。

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵常常不能滿足其高負(fù)荷工作時的散熱需求。本文針對某型汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵在強(qiáng)散熱工況下出現(xiàn)水量不足、水箱開鍋的情況，通過冷卻水泵葉輪流場仿真分析和葉輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期提高冷卻水泵的冷卻性能，更好地滿足冷卻系統(tǒng)散熱。

1 結(jié)構(gòu)模型簡化

普通汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪結(jié)構(gòu)類型眾多，典型結(jié)構(gòu)有帶框式、傾斜式、直葉式等[2]，如圖1所示。本文研究汽車發(fā)動機(jī)帶框式葉輪，設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速4 500rpm、額定流量60L/min、揚(yáng)程15m、外徑60.5mm、高23.5mm、8葉片周布。

圖1 典型汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉型結(jié)構(gòu)模型

由于汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵安裝于發(fā)動機(jī)機(jī)體側(cè)邊，其外殼體集成于機(jī)體內(nèi)部，與機(jī)體共同組成發(fā)動機(jī)冷卻系中的冷卻水道。汽車發(fā)動機(jī)冷卻水道縱橫交錯，與冷卻水泵共同作用部位尤其復(fù)雜。在實(shí)際流場仿真過程中，鑒于復(fù)雜的外殼結(jié)構(gòu)對葉輪工作狀態(tài)的分析并無實(shí)質(zhì)影響，唯一決定流量、壓力的是內(nèi)壁狀態(tài)，因而將復(fù)雜的冷卻水泵流道簡化成足夠長的進(jìn)、出口通道[3]（見圖2），一方面便于獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，另一方面也減輕計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力需求，提高分析效率。

圖2 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪流道簡化模型

2 葉輪網(wǎng)格劃分

整合冷卻水泵流道、水泵葉輪模型[4]，在ANSA軟件中合理簡化和幾何清理后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立相應(yīng)的有限元模型。其中，管道鑄件主要采用三角形網(wǎng)格最優(yōu)化劃分，網(wǎng)格尺寸3mm；冷卻水泵葉輪連接位置尺寸較小，因而采用混合單元尺寸，微小過渡處選用1mm、其余區(qū)域選用2～3mm劃分，用二階最優(yōu)過度計(jì)算劃分葉輪區(qū)域，保證分析精度和計(jì)算效率；大圓柱端為模型進(jìn)口（Inlet），小圓柱端為模型出口（Outlet），四周為壁面網(wǎng)格（Wall）；冷卻水泵葉輪和通道模型搭接處共用網(wǎng)格，總體有限元模型面網(wǎng)格劃分共計(jì)29 671個節(jié)點(diǎn)、59 370個單元。

將ANSA文件導(dǎo)出至STAR-CCM+軟件中進(jìn)行網(wǎng)格檢查，調(diào)整不合格的網(wǎng)格，確保后續(xù)生成體網(wǎng)格的質(zhì)量。設(shè)置Water和Fan 2個區(qū)域的邊界網(wǎng)格組，指定Water的網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格，邊緣棱柱層厚度1.5mm、增長率1.2%、層數(shù)3層；指定Fan的網(wǎng)格類型為薄體多邊棱柱體，層數(shù)3層。同時運(yùn)行計(jì)算生成體網(wǎng)格，并將關(guān)聯(lián)體網(wǎng)格至指定區(qū)域，總體分析模型體網(wǎng)格劃分（計(jì)207 850個單元），如圖3～圖4所示。

圖3 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪網(wǎng)格劃分

圖4 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵管道模型網(wǎng)格劃分

3 仿真分析

3.1 仿真設(shè)定

由冷卻水泵實(shí)際工作情況可知，冷卻水在通道內(nèi)的運(yùn)動可近似成不可壓縮的粘性湍流流動，控制方程選用雷諾平均N-S方程，可較為準(zhǔn)確地描述該運(yùn)動，利用標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon湍流模型可模擬冷卻水泵計(jì)算區(qū)域的三維湍流[5]，進(jìn)而獲得較為準(zhǔn)確的冷卻水泵內(nèi)流場性能參數(shù)分布情況。

模型的進(jìn)口采用速度入口，出口采用壓力（常壓）出口。葉輪轉(zhuǎn)動Fan區(qū)域的模型選擇三維定常恒密度模型，同時選用單元質(zhì)量校正和分離固體能量模型，并設(shè)置該區(qū)域網(wǎng)格為動網(wǎng)格，指定其坐標(biāo)系為基于葉輪中心圓孔建立的圓柱坐標(biāo)系，在計(jì)算過程中定義驅(qū)動轉(zhuǎn)速為4 500rpm；冷卻水流動Water區(qū)域的模型選擇三維定常恒密度模型，同時選用單元質(zhì)量校正、分離流體溫度和精確壁面距離模型，以改善計(jì)算精度。

3.2 仿真結(jié)果分析

指定所需監(jiān)控位置視窗，設(shè)置模型迭代參數(shù)，計(jì)算迭代至收斂后，可獲得主要仿真結(jié)果。

（1）靜壓分布。汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪表面靜壓分布如圖5所示。在該工況下，冷卻水泵葉輪總體工作時葉輪和外框上邊緣受力較大，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高；側(cè)邊通道導(dǎo)流處葉片表面靜壓力最大，達(dá)136.07KPa。

圖5 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪表面靜壓分布

根據(jù)簡化揚(yáng)程H的計(jì)算公式[6]：

其中，Pout, Pin分別為進(jìn)口、出口處流體的平均壓力（Pa）；ρ為水的密度，取971.8kg/m3；g為重力加速度，取9.8m/s2。截取進(jìn)口、出口壓力可求得該模型揚(yáng)程H0約為16.03m。

（2）速度分布。汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵流場在Z=5mm截?cái)嗝娴乃俣确植既鐖D6所示。在該工況下，通道中的冷卻水經(jīng)冷卻水泵葉輪加壓后，急速流出，在出口中段達(dá)到最大流速13.13m/s。

圖6 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵流場在Z=5mm截?cái)嗝娴乃俣确植?/p>

根據(jù)質(zhì)量流量Q與流速V的換算公式：

其中，V為出口截面流速（m/s），S為出口截面積（m2）。截取出口流速可求得該模型質(zhì)量流量Q0約為61.79L/min。

綜合分析可知，冷卻水泵葉輪工作時，冷卻水在經(jīng)過冷卻水泵葉輪導(dǎo)流加壓后，沿其流道快速流出，在出口段形成局部負(fù)壓，會有部分渦流產(chǎn)生，同時靠外側(cè)冷卻水與管道相對速度高，摩擦損失過大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在強(qiáng)發(fā)熱工況下，冷卻水循環(huán)流量不足，不能滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 建立模型

由于汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵流場出口段負(fù)壓區(qū)過大，管道摩擦損失大，不利于冷卻水快速流通，同時幾何參數(shù)不同的葉輪，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及氣動性能表現(xiàn)完全不同[7]。以原型葉輪為基礎(chǔ)，建立葉型前傾15度、葉片數(shù)不同的改型葉輪數(shù)模，其參數(shù)見表1。

表1 改型葉輪數(shù)模參數(shù)

4.2 計(jì)算分析

按上述步驟對改進(jìn)的模型再次進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得具體流場參數(shù)。汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪Type-3在Z=5mm截?cái)嗝娴乃俣确植既鐖D7所示，改型葉輪模型仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

圖7 汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪Type-3在Z=5mm截?cái)嗝娴乃俣确植?/p>

表2 改型葉輪模型仿真計(jì)算結(jié)果

由表2可知，與原型葉輪相比，葉輪Type-2在保證原冷卻性能的前提下，單件葉輪體積減少76.14mm3，節(jié)約生產(chǎn)制造成本；葉輪Type-3在Z=5mm截?cái)嗝娴乃俣确植硷@示，出口段局部負(fù)壓區(qū)域面積減小，管道中間高速流動液體更加集中，其計(jì)算流量和揚(yáng)程均有上升，可為系統(tǒng)提供更多的冷卻水，適用于更為復(fù)雜的汽車發(fā)動機(jī)冷卻工況。

5 結(jié)束語

本文通過對汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵葉輪進(jìn)行流場仿真，求解計(jì)算獲得其相關(guān)性能參數(shù)，找出葉輪結(jié)構(gòu)對其性能的影響規(guī)律，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，葉輪在工作時產(chǎn)生的局部渦流和通道壁面大摩擦損耗會引起冷卻水泵冷卻性能下降；8葉前傾改型葉輪能改善流道通流條件，以滿足汽車發(fā)動機(jī)的強(qiáng)發(fā)熱工況。同時了解流場相關(guān)規(guī)律可大幅縮短冷卻水泵葉輪設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本，對企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

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