汽車發(fā)動(dòng)機(jī)離心式水泵葉輪的設(shè)計(jì)研究

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的核心部件，燃料在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度急劇升高，為使得發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下都能在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?，同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排的目的，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的功能性能提出了很高的要求。水泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，水泵的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能否高效的工作起到了至關(guān)重要的作用，而葉輪是水泵能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，旋轉(zhuǎn)葉輪吸入口壓力低，迫使液體進(jìn)入葉輪，然后葉輪對(duì)液體做功，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使液體獲得壓力能和動(dòng)能。葉輪設(shè)計(jì)的目的是最大限度減少液體流動(dòng)損失，讓液體獲得較多的能量，這些帶有能量的液體進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、氣門等進(jìn)行冷卻，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

前期水泵葉輪的設(shè)計(jì)主要依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相似泵原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，這對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求極高且設(shè)計(jì)成功率較低、設(shè)計(jì)成本高；本研究以國內(nèi)某知名汽車廠家的一款發(fā)動(dòng)機(jī)所需水泵的性能要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，提出了將《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》中的單因素試驗(yàn)方法及正交試驗(yàn)方法結(jié)合CFD仿真分析，確定葉輪的最佳參數(shù)組合，然后再根據(jù)最佳的葉輪參數(shù)制造葉輪及水泵總成進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為水泵葉輪的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 葉輪直徑單因素CFD仿真分析

葉輪單因素CFD仿真分析的主要目的是研究葉輪直徑對(duì)水泵性能的影響規(guī)律，確定葉輪直徑，為后續(xù)仿真分析提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)汽車廠家的要求水泵轉(zhuǎn)速n=7980rpm、流量Q=135L/min、揚(yáng)程H≥11.55m，通過理論計(jì)算確定葉輪的基本尺寸，即：葉輪外徑D=47mm、出口寬度b

=9mm?？沙醪酱_定單因素仿真分析的葉輪直徑為45mm、46mm、47mm、48mm、49mm，其他參數(shù)根據(jù)相似泵選定。因此，本試驗(yàn)是在水泵轉(zhuǎn)速n=7980rpm、流量Q=135L/min、葉片數(shù)為7、壓裝高度(葉輪上蓋板距進(jìn)水口的距離)為1mm、出口寬度為9mm的條件下，以揚(yáng)程、效率和軸功率為CFD仿真分析指標(biāo)，對(duì)葉輪直徑進(jìn)行的單因素CFD仿真分析，CFD仿真分析方案及CFD仿真分析結(jié)果見表1。

從CFD仿真分析結(jié)果可知，在CFD仿真分析所用的葉輪參數(shù)范圍內(nèi)，隨著葉輪直徑的增大，水泵揚(yáng)程不斷增加、軸功率不斷提高、水泵效率先增加后降低。為綜合考慮葉輪直徑對(duì)水泵性能的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)分析，將本次CFD仿真分析指標(biāo)(水泵揚(yáng)程、水泵軸功率和水泵效率)的加權(quán)系數(shù)分別設(shè)定為0.5、-0.2、0.7，加權(quán)后的參數(shù)及分析結(jié)果見表2。

此外，龍蟒大地農(nóng)業(yè)有限公司亮出了“龍蟒大地”品牌代言，著實(shí)“酷”了一把！除了為產(chǎn)品代言、為品牌代言，還有許多企業(yè)通過獎(jiǎng)牌展示自己品牌含金量的。山東嘉農(nóng)生物工程有限公司將剛剛獲得的“2018年中國有機(jī)肥行業(yè)十佳知名品牌”在展臺(tái)亮出，工作人員高興地說：“今年公司榮獲“有機(jī)肥行業(yè)十佳知名品牌”，能在磷復(fù)肥產(chǎn)銷會(huì)這一行業(yè)盛會(huì)上展示，既是對(duì)我們公司的鼓勵(lì)和鞭策，也是對(duì)行業(yè)的一種承諾，我們絕不辜負(fù)這一金字招牌，在做大的同時(shí)更要做強(qiáng)品牌?！?/p>

在對(duì)參加留學(xué)生漢語教學(xué)實(shí)踐的二年級(jí)學(xué)生的實(shí)踐過程的觀察中，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)徒觀察對(duì)實(shí)踐學(xué)生造成的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：課堂的管理與師生關(guān)系方面。在實(shí)習(xí)教師成長的過程中，他們所觀察到的傳統(tǒng)課堂，教師對(duì)學(xué)生的管理是課堂中規(guī)范的制定與執(zhí)行、師生之間的對(duì)抗與服從、營造課堂環(huán)境。

由表5所示的極差分析數(shù)據(jù)可知，葉輪葉片數(shù)A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C對(duì)水泵揚(yáng)程、水泵效率和水泵軸功率影響的主次順序不同，得到的三組較優(yōu)參數(shù)組合均不一致，因此需要采用加權(quán)綜合評(píng)分法確定水泵綜合指標(biāo)對(duì)CFD仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的極差處理，進(jìn)而確定葉輪葉片數(shù)A、葉輪安裝高度B及葉輪出口寬度C的較優(yōu)參數(shù)組合。揚(yáng)程是衡量水泵性能的最重要的指標(biāo)，水泵揚(yáng)程過低會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作，水泵揚(yáng)程過高會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)過冷、導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗過高；水泵的效率和水泵軸功率的高低會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。綜合考慮，將水泵揚(yáng)程、水泵軸功率和水泵效率的加權(quán)系數(shù)分別設(shè)定為0.6、-0.2、0.6。對(duì)CFD正交仿真分析所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和加權(quán)評(píng)分處理，然后按照單項(xiàng)仿真指標(biāo)的方法進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表6所示。

擬合所得多項(xiàng)式回歸方程的相關(guān)系數(shù)RR=0.9864，說明上述所得的擬合方程的精度可以滿足CFD仿真分析要求，并能較真實(shí)的表達(dá)葉輪直徑對(duì)水泵綜合性能的影響規(guī)律。利用數(shù)據(jù)處理軟件，繪制CFD仿真所得數(shù)據(jù)點(diǎn)和仿真范圍內(nèi)回歸方程的多項(xiàng)式擬合曲線，如圖1所示。從多項(xiàng)式擬合曲線可知，在CFD仿真分析所用的葉輪參數(shù)范圍內(nèi)，隨著葉輪直徑的增加，水泵綜合指標(biāo)先升高后降低，并且在葉輪直徑為47.25mm時(shí)，水泵的綜合指標(biāo)最優(yōu)。因此，可將葉輪直徑定為47.25mm進(jìn)行后續(xù)的CFD仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)加權(quán)后所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，建立綜合指標(biāo)ψ與葉輪直徑D之間的多項(xiàng)式回歸方程：

2 CFD正交仿真分析

本次CFD仿真分析是在水泵轉(zhuǎn)速n=7980rpm、流量Q=135L/min、葉輪直徑為47.25mm的條件下，以水泵揚(yáng)程、水泵效率和水泵軸功率為CFD仿真分析指標(biāo)，對(duì)葉輪葉片數(shù)、葉輪出口寬度和葉輪安裝高度進(jìn)行正交試驗(yàn)的CFD仿真分析，仿真分析的各因素水平編碼表如表4所示，選用L9(34)正交表，并且將葉輪葉片數(shù)A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C分別安排在正交表的第1、2、4列，第3列選為空白列，CFD正交仿真分析的方案及仿真分析結(jié)果如表4所示。

2.1 CFD正交仿真分析的設(shè)計(jì)

為了研究葉輪葉片數(shù)A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C對(duì)水泵性能的影響主次順序，并得到三個(gè)因素的較優(yōu)參數(shù)組合，對(duì)表4所示的正交仿真分析結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表5所示。

本仿真分析是基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，以葉輪直徑單因素CFD仿真試驗(yàn)確定的葉輪直徑為基礎(chǔ)，驗(yàn)證葉輪葉片數(shù)、葉輪出口寬度及葉輪安裝高度三因素對(duì)水泵各性能指標(biāo)影響程度的主次順序和影響的顯著性，并且得到葉輪葉片數(shù)、葉輪出口寬度及葉輪安裝高度的較優(yōu)參數(shù)組合，為水泵葉輪的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

2.2 CFD正交仿真分析數(shù)據(jù)處理

本次CFD正交仿真分析以水泵揚(yáng)程H、水泵軸功率P和水泵效率η為衡量水泵性能的指標(biāo)，選取對(duì)水泵性能影響較大的葉輪葉片數(shù)A、葉輪安裝高度B及葉輪出口寬度C作為CFD仿真分析的因素進(jìn)行三因素三水平的CFD正交仿真分析，根據(jù)單因素CFD仿真分析的結(jié)果將葉輪直徑定為47.25mm。CFD正交仿真分析因素水平編碼表如表3所示。

梔子苷對(duì)照品（批號(hào)：110749-201410，純度：≥100%）、芍藥苷對(duì)照品（批號(hào)：110736-201438，純度：≥96.4%）、丹皮酚對(duì)照品（批號(hào)：110708-201407，純度：≥99.9%）均購自中國食品藥品檢定研究院；甲醇、乙腈均為色譜純，其余試劑均為分析純，水為一級(jí)純化水。

ψ=2.785D

-407.14D

+19823D-321370

由正交仿真分析加權(quán)綜合評(píng)分值的極差分析結(jié)果可知，葉輪的較優(yōu)參數(shù)組合為葉輪葉片數(shù)為9、葉輪安裝高度為0.8mm、葉輪出口寬度為10.5mm?？赏ㄟ^制作手工葉輪及水泵進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

所以如今工作都兩年了，她不僅沒有存款，還為了買鞋刷了很多信用卡。每個(gè)月都得緊巴巴地過，甚至欠了簡東亮半年的房租了。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

由CFD正交仿真分析可以得到葉輪的較優(yōu)參數(shù)，但是考慮到CFD仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的差異性，為了使設(shè)計(jì)的葉輪性能更加可靠可信，需要在CFD正交仿真分析得到的葉輪較優(yōu)參數(shù)下制作相應(yīng)的葉輪及水泵進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果：水泵轉(zhuǎn)速n=7980rpm、流量Q=135L/min、水泵揚(yáng)程139.5kPa、效率41.29%。該試驗(yàn)結(jié)果在預(yù)期范圍內(nèi)，且滿足客戶對(duì)水泵性能的需求。

4 試驗(yàn)結(jié)論

利用CFD仿真分析的方法、結(jié)合《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》中的單因素試驗(yàn)方法及正交試驗(yàn)方法的思路，根據(jù)客戶給的發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的性能參數(shù)進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)，從極差分析中得到葉輪的最佳參數(shù)，制作相應(yīng)的葉輪及水泵進(jìn)行性能試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)仿真分析的數(shù)據(jù)可靠且滿足客戶的需求。該設(shè)計(jì)方法成本低、效率高，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)離心泵葉輪的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)。

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