基于CFD 的汽車(chē)水泵性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹占龍，曾振宇，何 理，龔青山

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車(chē)泵業(yè)有限公司，湖北 十堰 442000）

1 引言

汽車(chē)水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心部件之一，隨著汽車(chē)油耗限值不斷降低，就要不斷提高提高水泵性能、降低水泵功率消耗，以滿(mǎn)足汽車(chē)油耗要求。傳統(tǒng)的驗(yàn)證汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能的方法，主要有兩種：一種是參考已有的水利模型，按照水泵相似定律進(jìn)行尺寸縮放設(shè)計(jì)，另一種是按照速度系數(shù)法進(jìn)行的理論設(shè)計(jì)。而汽車(chē)水泵因受安裝空間限制較大，轉(zhuǎn)速高、尺寸小，一些優(yōu)秀的水利模型很難符合其應(yīng)用條件。普遍采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)[1-2]。而理論設(shè)計(jì)值和實(shí)物測(cè)試結(jié)果一般差異較大。在以往進(jìn)行水泵設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)葉輪與流道進(jìn)行（2～3）次或同時(shí)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的樣件試制與試驗(yàn)。設(shè)計(jì)周期約3 個(gè)月，且優(yōu)化效果有限。隨著計(jì)算機(jī)和商業(yè)CFD 軟件的發(fā)展，CFD 軟件在水泵設(shè)計(jì)性能的預(yù)測(cè)得到了廣泛應(yīng)用。以某汽車(chē)水泵性能設(shè)計(jì)參數(shù)為例，使用商業(yè)CFD軟件PumpLinx 對(duì)水泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)其性能，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使其達(dá)到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的預(yù)定要求。以CFD 分析代替實(shí)物樣件試驗(yàn)，有效的減少了樣件試制，縮短了汽車(chē)水泵的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)可以降低開(kāi)發(fā)的實(shí)物成本投入。

2 水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

水泵的基本性能參數(shù)分別為：流量Q 為523L/min，揚(yáng)程H為大于等于22.4m，轉(zhuǎn)速n 為3914r/min，功率為小于等于3.5kW。水泵泵的正常工作溫度t 為90℃，使用的冷卻液為（30～50）%濃度乙二醇與水混合液。水泵的形狀參數(shù)條件為：徑向最大尺寸為193mm，葉輪凸出安裝面高度12mm，皮帶輪安裝高度75mm，水泵進(jìn)口直徑58mm，水泵出口直徑58mm。由以上參數(shù)可以得到水泵設(shè)計(jì)點(diǎn)比轉(zhuǎn)速為129.4，水泵效率≥54.7%，并且水泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)不能過(guò)高，否則將會(huì)導(dǎo)致水泵功耗過(guò)大。

3 水泵幾何模型

根據(jù)水泵的性能參數(shù)和形狀參數(shù)條件，按速度系數(shù)法，初步計(jì)算、選取水泵性能相關(guān)的參數(shù)。設(shè)計(jì)計(jì)算出水泵的過(guò)流部件參數(shù)為，水泵進(jìn)口直徑58mm，水泵出口直徑58mm，葉輪進(jìn)口直徑60mm，葉輪出口直徑110mm，葉輪出口寬度8.6mm，葉片出口角47°，葉片數(shù)8，葉片厚度 2.2mm，葉輪錐角150°，葉片進(jìn)口角25.5°，渦室隔舌安放角30°，渦室基圓直徑123.5mm，渦殼流道第8 截面面積827.6mm2。根據(jù)上述參數(shù)建立水泵過(guò)流部件以及流體3D 模型[3]，其中葉輪流體建立時(shí)，將旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系某一坐標(biāo)軸重合，并利用三維設(shè)計(jì)軟件，從零件模型抽取流體域。流體裝配時(shí)，優(yōu)先裝配葉輪流體，并且葉輪流體坐標(biāo)系與裝配組件坐標(biāo)系重合。葉輪密封環(huán)間隙流體厚度0.7mm，葉輪后端蓋流體省略。最終得到的水泵裝配三維模型，如圖1 所示。

4 水泵的CFD 仿真分析與優(yōu)化

利用CFD 分析軟件PumpLinx 流體計(jì)算軟件對(duì)過(guò)流部件流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值仿真分析計(jì)算，其主要流程為：前處理，包括模型導(dǎo)入、曲面分解及定義、網(wǎng)格劃分、交互面定義、求解模塊選取及設(shè)置、邊界條件設(shè)置等；求解；后處理，包括參考點(diǎn)和截面的創(chuàng)建、壓力、速度、扭矩等曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)顯示及輸出等。

4.1 CFD 仿真分析前處理

首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入建立的水泵裝配三維模型，并調(diào)整各參數(shù)值，使得導(dǎo)出曲面均勻、精細(xì)、失真小[4]。在PumpLinx 流體計(jì)算軟件中對(duì)水泵流體域采用通用網(wǎng)格生成方法生成六面體網(wǎng)格，并對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化，劃分的模型網(wǎng)格，如圖2 所示。劃分的總網(wǎng)格量為92 萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分后根據(jù)水泵的性能參數(shù)和使用條件進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。

圖2 水泵模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Water Pump Model Grid

4.2 CFD 仿真分析結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可以得到水泵的性能參數(shù)，如表1 所示。從表中可以看出，揚(yáng)程為22.1m，小于水泵要求的性能參數(shù)?？梢缘玫綁毫υ茍D，如圖3 所示。從水泵的壓力云圖顯示可以看出，圖中圈出位置壓力、速度變化不均勻，液體高壓在渦殼流道內(nèi)較早產(chǎn)生，顯示第8 截面附近流道面積不足。綜上，從而可以知道當(dāng)前設(shè)計(jì)的水泵設(shè)計(jì)性能沒(méi)有達(dá)到要求。

表1 水泵性能參數(shù)Tab.1 Water Pump Performance Parameters

圖3 水泵壓力云圖Fig.3 The Pressure Cloud of Water Pump

4.3 第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

針對(duì)第8 截面附近流道面積不足的問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)流道截面，以增加渦殼流道第8 截面及其附近流道面積，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)的，如圖4 所示。同時(shí)優(yōu)化渦殼流體。

圖4 渦殼流道截面積曲線(xiàn)Fig.4 The Curve of Cross Section Area of Vortex Shell Channel

對(duì)優(yōu)化后的水泵進(jìn)行仿真分析，得到水泵的性能參數(shù)，如表2 所示。水泵的壓力和速度云圖，如圖5、圖6 所示。

表2 第一次優(yōu)化水泵性能參數(shù)Tab.2 The Optimal Pump Performance Parameters for the First Time

圖5 第一次優(yōu)化后的水泵壓力云圖Fig.5 The Pressure Cloud of the Pump After the First Optimization

圖6 第一次優(yōu)化后的水泵速度云圖Fig.6 The Speed Cloud of the Pump After the First Optimization

從第一次優(yōu)化后的水泵性能參數(shù)、壓力和速度云圖可以看出，水泵的壓力、速度變化不均勻現(xiàn)象消除。水泵的效率提升了0.8%。水泵的揚(yáng)程達(dá)到了22.5m，水泵的性能已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但揚(yáng)程僅超過(guò)設(shè)計(jì)揚(yáng)程0.1m，安全系數(shù)不高，還需要增加水泵揚(yáng)程，水泵還需要優(yōu)化。

4.4 第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了增加水泵揚(yáng)程，可以從增加葉輪外徑、增加葉輪出口角、增加葉片出口寬度、增加葉片數(shù)來(lái)考慮。如果增加葉輪外徑，就要增加水泵總體尺寸，而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)水泵尺寸是有限制的，方案不可行。增加葉輪出口角，揚(yáng)程提高了，但會(huì)降低水泵效率，方案不可行。增加葉片出口寬度，增加水泵總體尺寸，方案不可行。增加葉片數(shù)，葉輪上有空間，并且不會(huì)增加水泵尺寸，且不影響水泵效率，方案可行。確定優(yōu)化措施為：增加葉片數(shù)2。為減小葉輪進(jìn)口排擠，采用長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化后的水泵進(jìn)行仿真分析，得到水泵的性能參數(shù)，如表3 所示。水泵的壓力和速度云圖，如圖7、圖8 所示。

圖7 第二次優(yōu)化后的水泵壓力云圖Fig.7 The Pressure Cloud of the Pump After the Second Optimization

圖8 第二次優(yōu)化后的水泵速度云圖Fig.8 The Speed Cloud of the Pump After the Second Optimization

從第二次優(yōu)化后的水泵性能參數(shù)、壓力和速度云圖可以看出，水泵揚(yáng)程為22.9m，增加0.5m，增幅2.2%，效率也有所提高，水泵的壓力均勻。但是通過(guò)水泵速度云圖可以看出，長(zhǎng)葉片背后液體有明顯回流，所以需要對(duì)短葉片偏置位置進(jìn)行調(diào)整，還需要進(jìn)行優(yōu)化。

4.5 第三次優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了避免水泵液體出現(xiàn)回流現(xiàn)象，將短葉片偏置向長(zhǎng)葉片背面移動(dòng)[5-6]。對(duì)優(yōu)化后的水泵進(jìn)行仿真分析，得到水泵的性能參數(shù)，如表4 所示。水泵的壓力云圖和速度云圖，如圖9、圖10 所示。

表4 第三次優(yōu)化水泵性能參數(shù)Tab.4 The Optimal Pump Performance Parameters for the Third Time

圖9 第三次優(yōu)化后的水泵壓力云圖Fig.9 The Pressure Cloud of the Pump After the Third Optimization

圖10 第三次優(yōu)化后的水泵速度云圖Fig.10 The Speed Cloud of the Pump After the Third Optimization

從第三次優(yōu)化后的水泵性能參數(shù)、壓力和速度云圖可以看出，長(zhǎng)葉片背后液體回流狀況有改善，水泵揚(yáng)程沒(méi)有增加，效率也有所提高，水泵的壓力、速度云圖分布均勻。

5 水泵實(shí)物試制及試驗(yàn)分析

按上述CFD 分析軟件PumpLinx 第三次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行水泵實(shí)物制作，如圖11 所示。并進(jìn)行水泵實(shí)物性能相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表5 所示。

表5 水泵實(shí)物性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 The Physical Performance Test Data of Water Pump

圖11 水泵試制實(shí)物圖Fig.11 The Trial Production of Water Pump

將水泵實(shí)物性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD 分析軟件PumpLinx 計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到的流量-揚(yáng)程曲線(xiàn)，如圖12 所示。得到的流量-效率曲線(xiàn)，如圖13 所示。

圖12 流量-揚(yáng)程曲線(xiàn)Fig.12 The Curve of Flow Head

圖13 流量-效率曲線(xiàn)Fig.13 The Curve of Flow Efficiency

從CFD 模擬分析和實(shí)物得到的流量揚(yáng)程和流量效率對(duì)比可以看出，兩者的曲線(xiàn)吻合較好，雖然CFD 模擬值與試驗(yàn)值存在一定的誤差，但曲線(xiàn)整體的變化趨勢(shì)一致，從而驗(yàn)證了CFD 數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

6 結(jié)論

運(yùn)用CFD 技術(shù)，對(duì)水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并預(yù)測(cè)了其性能參數(shù)，為水泵的設(shè)計(jì)制造提供了依據(jù)，制造了水泵的實(shí)物模型，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，和CFD 數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果接近度較高，證明了該方法的可行性，為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了依據(jù)和參考。