基于CFD的車(chē)用水泵汽蝕性能的計(jì)算與預(yù)測(cè)

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的重視，作為汽車(chē)動(dòng)力的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保節(jié)能技術(shù)發(fā)展備受關(guān)注

。在目前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化及緊湊化設(shè)計(jì)尤其受到也來(lái)越多的重視，對(duì)水泵提出的要求：體積小、重量輕、成本低、工藝性好、可靠性高

。

【跑塘】因?yàn)槟愕呐芴翉亩俪蓸I(yè)務(wù)成交，這與我們多次的客戶(hù)走訪(fǎng)離不開(kāi)關(guān)系，沒(méi)有人能夠躺在家里就能把業(yè)務(wù)做好，特別是我們所從事的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)服務(wù)人員，一線(xiàn)養(yǎng)殖戶(hù)的信息相對(duì)閉塞，獲取外界實(shí)時(shí)信息的能力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較有限，只有我們?nèi)サ教令^一線(xiàn)進(jìn)行宣傳推廣，養(yǎng)殖戶(hù)才能夠更加充分地了解到公司優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和細(xì)致的服務(wù)，進(jìn)而選擇使用相關(guān)產(chǎn)品。

當(dāng)前車(chē)用水泵在結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及先進(jìn)材料和工藝的應(yīng)用上取得較大的發(fā)展，葉輪采用注塑材質(zhì)，泵體、蝸殼等大量應(yīng)用壓鑄鋁等，在水泵更輕更緊湊的同時(shí)，帶來(lái)新的問(wèn)題。由于鑄鋁材料抗汽蝕性較差，使得鑄鋁水泵相對(duì)鑄鐵水泵更容易被汽蝕破壞，輕則產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，水泵性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致泵體汽蝕穿孔破裂，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

目前水泵的汽蝕余量無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算直接求得，汽蝕試驗(yàn)是確定水泵汽蝕余量的唯一可靠方法，本文將基于汽蝕發(fā)生的基本理論，探索借助CFD軟件對(duì)水泵汽蝕余量進(jìn)行計(jì)算及預(yù)測(cè)的方法。

1 泵內(nèi)汽蝕現(xiàn)象及危害

水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，過(guò)流部分的局部區(qū)域，在一定溫度下，當(dāng)液體內(nèi)部壓力降低至該溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，液體便在該處開(kāi)始汽化，產(chǎn)生蒸汽并形成氣泡，氣泡隨液體向后流動(dòng)至高壓處時(shí)，氣泡周?chē)母邏阂后w，致使氣泡急驟地縮小直至重新凝結(jié)為液體，在氣泡凝結(jié)的同時(shí)，周?chē)后w將以高速填充空穴，發(fā)生相互撞擊而形成水擊，這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上將使過(guò)流部件受到?jīng)_擊破壞，上述產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過(guò)流部件遭到破壞的過(guò)程就是泵中的汽蝕過(guò)程

。

部分縣級(jí)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)存在運(yùn)行不穩(wěn)定情況，如個(gè)別無(wú)線(xiàn)廣播啟動(dòng)后不能及時(shí)復(fù)位；無(wú)線(xiàn)廣播站設(shè)施裸露，風(fēng)吹日曬容易老化，造成設(shè)備失靈；短信發(fā)送平臺(tái)經(jīng)常死機(jī)，出現(xiàn)短信發(fā)送不出的情況等。

汽蝕發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的氣泡將改變流道內(nèi)流速的分布，使水泵的流量、揚(yáng)程的降低，效率下降，同時(shí)引起振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，長(zhǎng)時(shí)間的汽蝕會(huì)使過(guò)流表面產(chǎn)生疲勞剝落，產(chǎn)生不可逆的損壞，影響使用壽命，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，不希望汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

2 汽蝕產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防

2.1 汽蝕發(fā)生機(jī)理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽蝕機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并提出了許多的觀(guān)點(diǎn)和理論，其中最具代表性的是Knapp的“氣核理論”

。認(rèn)為液體中存在微小的汽核，汽核使液體的抗拉強(qiáng)度降低，當(dāng)液體的壓強(qiáng)低于飽和蒸汽壓力時(shí)，汽核迅速膨脹形成氣泡，導(dǎo)致汽蝕發(fā)生。隨著技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量?jī)x器和測(cè)量手段的提高，進(jìn)一步證實(shí)了汽核是誘發(fā)氣泡，導(dǎo)致汽蝕的直接原因之一。

車(chē)用水泵普遍采用離心式水泵

。一般認(rèn)為，在離心泵的過(guò)流區(qū)域中，壓力最低區(qū)域位于離心泵葉輪入口偏后位置，并且葉輪入口附近壓力隨著流量的增大而逐步降低，因此該區(qū)域?yàn)殡x心泵最易且最先發(fā)生汽蝕區(qū)域。但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，基于輕量化設(shè)計(jì)的車(chē)用水泵，汽蝕多發(fā)生于泵體。這是因?yàn)槿~輪材質(zhì)為PPS+GF40，具有較強(qiáng)的抗汽蝕能力，而本體采用鑄鋁材質(zhì)，抗汽蝕能力相對(duì)較弱。與此同時(shí)，葉輪形式的不同也影響汽蝕發(fā)生的位置，對(duì)于開(kāi)式或半開(kāi)式的葉輪，汽蝕多發(fā)生于與葉輪配合的蝸殼的錐面，見(jiàn)圖1上圖；對(duì)于閉式葉輪，汽蝕多發(fā)生于蝸道的隔舌位置，如圖1下圖。

根據(jù)離心泵發(fā)生汽蝕條件的理論關(guān)系

，水泵在運(yùn)行過(guò)程中是否發(fā)生汽蝕，與泵本身的抗汽蝕性能與泵的使用條件和邊界兩個(gè)方面有關(guān)，因此，引入泵的汽蝕余量NPSHr(又稱(chēng)必需汽蝕余量)和裝置汽蝕余量NPSHa兩個(gè)參數(shù)。水泵不發(fā)生汽蝕的條件： NPSHa > NPSHr。

裝置汽蝕余量NPSHa：表示泵進(jìn)口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力的凈剩水頭，大小由吸入裝置決定，值越大泵越不容易發(fā)生汽蝕。必需汽蝕余量NPSHr：表示泵不發(fā)生汽蝕，要求在泵進(jìn)口處單位重量液體具有超過(guò)汽化壓力水頭的富余量，大小由泵本身幾何參數(shù)決定，值越小泵抗汽蝕能力越強(qiáng)。

圖2顯示了汽蝕余量隨流量變化的趨勢(shì)，NPSHa隨流量的增加而較小，NPSHr隨流量的增加而增加。NPSHa與 NPSHr的差值越大，越不容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

裝置汽蝕余量

的理論計(jì)算見(jiàn)公式(2)。

第3步：令Zi=P1i-P0i，計(jì)算的95%CI，若Zi＞0，且大于的95%CI上限，則該患者被視作適合于A(yíng)處理，用newsubgroup=1表示；若Zi＜0，且小于的95%CI下限，則該患者被視作適合于B處理，用newsubgroup=2表示；其他個(gè)體被分至亞組C，用newsubgroup=3表示。

2.2 汽蝕的預(yù)防措施

2.2.1 減小必需汽蝕余量NPSHr

泵的必需汽蝕余量NPSHr的理論計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

(1)

—葉片進(jìn)口稍前的相對(duì)速度；

這時(shí)，同學(xué)們才小聲議論，并陸續(xù)舉報(bào)：“白虎隊(duì)”成員小王在班上扯女生頭發(fā)，小曹拿別人東西不還，小黃和值日生“叫板”，小但總在放學(xué)路上欺侮同學(xué)，小胡經(jīng)常逼迫別人叫他“老大”……做錯(cuò)事不可怕，可悲的是他們似乎并不知道自己錯(cuò)在哪里。

式中：

—葉片進(jìn)口稍前的絕對(duì)速度；

—重力加速度；

—葉片進(jìn)口壓降系數(shù)；該值與水泵進(jìn)口處的幾何形狀(葉片數(shù)、沖角、葉片厚度及分布等)有關(guān)。

另一方面，線(xiàn)下渠道就更加豐富，例如可以與揚(yáng)州廣陵書(shū)社合作，廣陵書(shū)社一直致力于挖掘江蘇豐厚的地方文化底蘊(yùn)和學(xué)術(shù)資源，出版了大量古籍圖書(shū)，書(shū)畫(huà)收藏和反映江蘇各地風(fēng)俗面貌、歷史文化的書(shū)籍。如果可以與廣陵書(shū)社合作，那么微信公眾號(hào)則會(huì)受到來(lái)自各地專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，這不僅有利于傳播揚(yáng)州文化，還有助于增強(qiáng)揚(yáng)州文化的影響力。此外，社會(huì)發(fā)展學(xué)院和文學(xué)院的老師在外出交流訪(fǎng)談時(shí)也可以推廣此公眾號(hào)。

根據(jù)公式(1)，減小

，可通過(guò)減小

、

和

實(shí)現(xiàn)，常采取的措施有：a) 適當(dāng)增大葉輪進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度；b) 加大葉輪前蓋板進(jìn)口部分曲率半徑；c) 增大葉片進(jìn)口寬度；d) 葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向入口方向延伸等。以上措施會(huì)減小水的流速，相應(yīng)地減小壓力降和水力損失，但流速過(guò)度減小會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生停滯區(qū)和反向流，造成汽蝕性能的惡化。

2.2.2增大裝置汽蝕余量

(3) 仿真分析：設(shè)置水泵轉(zhuǎn)速、流量、流體介質(zhì)參數(shù)等，將水泵的進(jìn)口壓力作為變量，計(jì)算不同進(jìn)口壓力下水泵的出口壓力。見(jiàn)圖4。

香娭毑哪一年嫁到白家灣來(lái)的似乎也沒(méi)有個(gè)準(zhǔn)數(shù)，香娭毑痛苦地回憶往事的時(shí)候，有時(shí)說(shuō)是1948年，有時(shí)又說(shuō)是1949年，香娭毑的老公寶剛爹在幸福地回憶往事的時(shí)候，則有時(shí)說(shuō)是1949，有時(shí)又說(shuō)是1948年。老倆口自己都搞坨數(shù)不清，別人就更不用說(shuō)了，這也無(wú)關(guān)緊要，緊要的是，香娭毑是寶剛爹的爺娘耍了一點(diǎn)手腕用現(xiàn)在的話(huà)說(shuō)叫做陰謀詭計(jì)騙過(guò)來(lái)的。

(2)

根據(jù)公式(2)，增大

，可采取的措施如有：a) 增大

，泵的吸入口增壓；b) 減小泵的吸入高度；c) 減小泵前水力損失，如減少閥的使用、縮短管的長(zhǎng)度、增大管的直徑等；d) 降低液體的溫度，減小飽和蒸汽壓力。概括為增壓、降高、減阻、降溫。

3 汽蝕余量與水泵的設(shè)計(jì)

汽蝕余量對(duì)于水泵的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分重要的基本參數(shù)。基于2.1的汽蝕條件理論，為防止水泵汽蝕，水泵設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)具體的汽蝕性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，如果用戶(hù)給定了具體使用條件，則設(shè)計(jì)泵的汽蝕余量NPSHr必須小于按使用條件確定的裝置汽蝕余量NPSHa。

(1) 流體域提?。簩ㄋ萌~輪、蝸道、進(jìn)口和出口部分的流體部分的空間區(qū)域提取出來(lái)，進(jìn)出口封閉并實(shí)體化處理，建立流體域?qū)嶓w模型，見(jiàn)圖3。

這些汽蝕余量有如下的關(guān)系：

≤(

)

≤

≤(

)

(3)

表1為某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的開(kāi)發(fā)輸入，根據(jù)輸入的水泵使用邊界，通過(guò)公式(2)、(3)可以提出水泵設(shè)計(jì)的必需汽蝕余量指標(biāo)。

根據(jù)公式(2)，計(jì)算水泵裝置汽蝕余量如下：

根據(jù)公式(3)，安全余量系數(shù)取1

3，得泵的汽蝕余量為：

=[

]

1

3=

1

3=3

89m

通過(guò)計(jì)算，該機(jī)型水泵的

的設(shè)計(jì)指標(biāo)3.9m。參考此指標(biāo)進(jìn)行水泵葉輪、渦道設(shè)計(jì)， 保證設(shè)計(jì)完成的水泵

≤3

89m，欲提高泵的汽蝕性能，可參考2

2

1中的理論及措施盡量減小

。

設(shè)計(jì)完成的水泵，需要進(jìn)行汽蝕試驗(yàn)(參JB/T8126.2)測(cè)出臨界汽蝕余量

，此時(shí)

=

，以此來(lái)判斷水泵是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。要完成水泵的汽蝕試驗(yàn)，必須具備滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備及臺(tái)架，并制作水泵試驗(yàn)樣件、試驗(yàn)工裝，然后進(jìn)行臺(tái)架安裝及測(cè)試，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此過(guò)程驗(yàn)證周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。有的水泵，需要多輪的設(shè)計(jì)改進(jìn)才能滿(mǎn)足汽蝕余量性能指標(biāo)，按此試驗(yàn)方法驗(yàn)證水泵汽蝕性能?chē)?yán)重制約水泵的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和開(kāi)發(fā)成本。

4 臨界汽蝕余量的仿真計(jì)算

隨著汽蝕理論研究的深入及流體仿真軟件功能的完善，借助計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真軟件進(jìn)行水泵汽蝕余量的計(jì)算與模擬成為可能

。本文中使用的CFD軟件為PumpLinx，為一款針對(duì)泵閥類(lèi)仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，集成先進(jìn)的全空化模型，可以精確模擬包含空化在內(nèi)的流動(dòng)問(wèn)題。

話(huà)音剛落，市旅游發(fā)展委主任呂玲回答說(shuō)：“我市旅游資源最大的特點(diǎn)是山水生態(tài)資源豐富，現(xiàn)有20家國(guó)家A級(jí)景區(qū)都在山間與鄉(xiāng)村。一直以來(lái)，我們都是通過(guò)大力發(fā)展鄉(xiāng)村旅游帶動(dòng)全域旅游。下一步，我們將以建設(shè)‘國(guó)內(nèi)高端鄉(xiāng)村旅游目的地’為目標(biāo)，進(jìn)一步整合資源，打造精品，在實(shí)施‘三化’上下功夫，不斷推動(dòng)鄉(xiāng)村旅游提質(zhì)升級(jí)?！?/p>

將設(shè)計(jì)完成的水泵三維模型，進(jìn)行如下基本步驟操作：

目前通過(guò)汽蝕試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證NPSHr是唯一可靠的方法，試驗(yàn)方法見(jiàn)JB/T8126.2

。通過(guò)試驗(yàn)繪制揚(yáng)程與汽蝕余量的曲線(xiàn)，揚(yáng)程下降3%時(shí)的裝置汽蝕余量即為臨界汽蝕余量NPSHc。通過(guò)汽蝕試驗(yàn)，一方面可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的泵是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的NPSHr值(基于客戶(hù)具體使用條件計(jì)算)；另一方面，對(duì)于已有的泵，考慮一個(gè)安全余量，得到許用汽蝕余量[NPSH](一般取(1.1-1.5)NPSHc)，可以作為用戶(hù)確定使用邊界或幾何安裝高度的參考和依據(jù)。

(2) 仿真前處理：將處流體域模型導(dǎo)入到仿真軟件中，對(duì)模型進(jìn)行邊界切分定義、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建交互、模型調(diào)用及邊界設(shè)置等。

根據(jù)教育部辦公廳《關(guān)于開(kāi)展全國(guó)農(nóng)村學(xué)校藝術(shù)教育實(shí)驗(yàn)工作的通知》（教體藝廳[2000]1號(hào)）精神，湛江市霞山區(qū)于2013年被教育部確定為“全國(guó)農(nóng)村學(xué)校藝術(shù)教育實(shí)驗(yàn)區(qū)”，并于2016年底順利通過(guò)省級(jí)驗(yàn)收。

繼續(xù)以第3章中提及的某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)水泵設(shè)計(jì)為例，如圖3所示。在CFD仿真軟件中模擬汽蝕試驗(yàn)的過(guò)程，水泵轉(zhuǎn)速3500rpm，流量為420L/min，介質(zhì)為80℃的清水，水泵的進(jìn)口壓力由120KPa開(kāi)始逐次降低，每個(gè)進(jìn)口壓力下，水泵運(yùn)行至出口壓力穩(wěn)定為止。圖5為不同進(jìn)口壓力下，水泵進(jìn)出口總壓的結(jié)果曲線(xiàn)圖。

對(duì)仿真完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。并基于CFD數(shù)據(jù)計(jì)算生成水泵的汽蝕余量特性曲線(xiàn)圖，見(jiàn)圖6。

在紅磷及其三鹵化物或氯化亞砜的催化下，脂肪酸的a-H可被氯、溴取代生成a-鹵代酸，此反應(yīng)被稱(chēng)為Hell-Volhard-Zelin-Sky反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：

根據(jù)汽蝕試驗(yàn)方法，找到揚(yáng)程下降3%對(duì)應(yīng)的裝置汽蝕余量NPSHa，即為水泵臨界汽蝕余量值NPSHc，從而間接地確認(rèn)了對(duì)應(yīng)流量下水泵的汽蝕余量NPSHr。從表2可以看出，該水泵在流量為420L/min時(shí)的臨界汽蝕余量為2.9m，滿(mǎn)足第3章中提出的汽蝕性能指標(biāo)3.89m的要求。

5 汽蝕試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于CFD仿真計(jì)算的泵汽蝕余量的準(zhǔn)確性，按仿真水泵的模型制作水泵樣件進(jìn)行了的汽蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖7。

汽蝕試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖8。從試驗(yàn)結(jié)果看，該水泵樣件的汽蝕余量為3.13m，滿(mǎn)足3.89m設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比CFD仿真計(jì)算結(jié)果和汽蝕試驗(yàn)結(jié)果，以試驗(yàn)結(jié)果基準(zhǔn)，仿真結(jié)果的誤差為-7.3%，根據(jù)公式(2)分析，造成差異的原因?yàn)槲胙b置水力損失 h

，汽蝕余量的計(jì)算時(shí)該項(xiàng)忽略，而實(shí)際的汽蝕試驗(yàn)中含有該項(xiàng)損失，因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中存在管道的沿程損失及管接頭、彎管引起的局部壓力損失。

到20周，寶寶體重增加到300克，從16周的120克到20周的300克，這4周時(shí)間里寶寶增重180克，平均每周才45克。孕婦到20周應(yīng)該可以增重4千克。如果孕媽媽想要控制體重，這時(shí)增重3千克即可，因?yàn)樵?0周前增重的4千克里有2千克是非必需增重的間質(zhì)，相對(duì)而言可以減少一點(diǎn)，所以增重3千克也可以。

6 結(jié)論及展望

1、水泵的汽蝕余量是水泵設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，目前通過(guò)汽蝕試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證NPSHr是唯一可靠的方法。本文通過(guò)CFD仿真軟件模擬汽蝕試驗(yàn)過(guò)程的方法來(lái)獲取水泵NPSHc，在水泵設(shè)計(jì)階段即可其汽蝕性能進(jìn)行評(píng)估，無(wú)需制作樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可大大縮短研發(fā)周期及降低研發(fā)成本。

2、通過(guò)仿真結(jié)果跟試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差可控制在10%以?xún)?nèi)，考慮到汽蝕試驗(yàn)本身亦存在一定誤差，認(rèn)為通過(guò)CFD仿真計(jì)算汽蝕余量的方法有效。

目前，在計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備日益普及的情況下，移動(dòng)學(xué)習(xí)也加快了發(fā)展的腳步，以其高效性與便捷性的特點(diǎn)，基本滿(mǎn)足當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。但許多學(xué)生使用移動(dòng)設(shè)備并不用來(lái)學(xué)習(xí)，他們甚至不知道什么叫移動(dòng)學(xué)習(xí)。通過(guò)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)存在這樣的現(xiàn)象：1）百分之三十的學(xué)生沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)移動(dòng)學(xué)習(xí)這一名詞，他們主要注重的是移動(dòng)設(shè)備的娛樂(lè)性，如：打游戲、聊天等性能。2）百分之七十的學(xué)生對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)感興趣，但由于不了解與不普及，所以不會(huì)使用移動(dòng)學(xué)習(xí)或由于家庭條件與學(xué)習(xí)環(huán)境所限，并沒(méi)有能力使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)學(xué)習(xí)[2]。

3、基于目前的研究結(jié)果，可以在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，增加吸入裝置水力損失 h

的參數(shù)修正，來(lái)進(jìn)一步提升仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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