基于CFD的汽車水泵優化設計

金鋒 劉兵 章娜

摘要：針對增壓直噴發動機冷卻系統水泵揚程、效率、汽蝕問題，進行具體分析，使用一維、三維CFD方式來進行優化、驗證設計性能。首先根據發動機的最大熱負荷工況下冷卻系統帶走的熱量，初步確定水泵的流量需求;其次使用一維CFD軟件對冷卻系統進行具體的分析，對水泵進行優化;最后使用三維CFD軟件與建模軟件來計算葉輪、蝸殼等，并據此優化設計方案。

關鍵詞：水泵;優化設計;CFD;冷卻設計

中圖分類號：U463.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0017-02

0? 引言

汽車水泵是實現發動機能量轉換的核心部件之一，隨著汽車耗油量需求不斷下降，汽車水泵性能不斷提高的同時，需要降低水泵功率消耗等來滿足汽車的油耗要求。

1? 研究背景

在汽車零部件當中發動機是非常重要的零部件之一，主要功能是實現能量轉換。汽車發動機在工作期間最高燃燒溫度達到2500℃，因此設計的時候，必須在內部設計冷卻系統來防止汽車發動機過熱。國內汽車水泵的設計效率一般低于設計工況的效率。以城市運行汽車為例，汽車駕駛過程中一般運行速度大多無法達到設計工況的情況。因此基于水泵的CFD流場設計來預測性能，實質就是建立泵內場特征與水泵轉動特性之間的關系，這也逐漸成為研究領域內的重要課題[1]。

以下以某型號汽車發動機水泵的優化設計案例，來展示基于CFD的汽車水泵優化設計過程。

2? 水泵性能需求計算

2.1 流量需求

水泵流量必須保證冷卻系統的正常運轉需要，如果水泵流量小則無法提供足夠的冷卻，發動機容易造成過熱損壞;如果流量過大，則發動機水套溫差較小，存在較大的能量損失。基于可靠性方面的需求，水套溫差范圍的一般控制在6℃左右。設計工況下，冷卻液要帶走發動機額定功率50～55%左右的熱量，具體計算公式：（1）

在上述公式當中，Q（kW）表示發動機的運行凈功率最大數值;ρ（kg/m3）表示冷卻液密度;C（kj/kg.K）表示比熱容;△Τ（K）為設計中水套溫差;計算結果是理論需求流量V（m3/s）。運用該公式，能夠計算出具體工況下冷卻系統所需要的水流量。

2.2 揚程需求

根據一維CFD軟件的Flowmaster分析該冷卻系統壓降值（見圖1），取合適的安全系數，即可確定該冷卻系統所需要的水泵升壓數值量，即揚程需求量具體數值。

3? 水泵流場分析

3.1 三維CFD的算法

使用三維CFD軟件來分析汽車水泵的三維流動，在計算中湍流模型選擇RNG，通過使用有限體積法來計算空間離散，同時對流項使用二階迎風格式擴散項求差，SIMPLE算法實現耦合求解，為保證計算精度，在優化之前水泵的網格數量均在五百萬以上。三維CFD數值模擬技術能描述復雜流動、燃燒現象、爆炸超壓形成、燃燒的具體過程。和一維的經驗模擬相比，三維CFD模擬技術更可達到與實際效果符合性更高的計算結果，這是其他經驗模擬無法實現的。CFD模擬需要注意三維幾何模型的詳細搭建、邊界選擇、周圍環境等，模擬當中使用的參數盡可能與實際工況相一致。三維計算進口邊界給定溫度為93℃，總壓0.15MPa，得到出口計算揚程。固體壁面給定恒無滑移邊界，同時運動與靜止部件的設計均采用multiple reference frame（MRF），蝸殼區域坐標固定，葉輪區域為運動坐標。

3.2 該算法的可靠性驗證

在給定邊界的基礎上設計出原水泵模型，針對原水泵模型進行CFD計算，將計算結果與試驗結果相比較（見表1）。在比較中注意到，原水泵葉輪使用沖壓成型結構、單圓弧直葉片設計，蝸殼的擴散段比較短，流動的時候存在沖擊，因此效率較低，測試額定轉速為6000r/min，效率低于30%。從表1中可以看出，模擬計算結果與試驗結果吻合性較好，說明計算過程是可靠的。

4? 水泵的優化設計

4.1 柔性設計

在當前諸多研究當中，基于CFD流場的模擬已經作為水泵優化設計的重要研究點;冷卻系統的分析，能夠預測在一定轉速下，水泵流量、揚程等各方面性能;使用三維軟件來生成并計算葉輪、蝸殼模型，同時使用三維CFD軟件來進行分析，之后對其進行優化，以達到預期的設計效果，具體設計尺寸如表2。根據實際需求，綜合考慮葉輪的設計尺寸。

優化之后的葉輪使用閉式離心葉輪，減少葉頂間隙內存在的回流損失;為了提高葉片前緣吸力面的最低壓力，增加系統抗氣蝕性能，在葉片前緣使用向壓力面傾斜的設計方式，整個葉片呈現后掠葉型;通過調整子午流面的線型結構、葉片進出口角度等，從而實現對葉輪結構的優化設計。除了葉輪之外蝸殼的設計也比較重要，但是如果對蝸殼再次進行設置模型、分析需要消耗更高成本，因此渦殼暫時保持原狀，只進行微調;為保證葉輪能夠與原本的蝸殼相匹配，優化后的葉輪進口輪蓋直徑與葉輪直徑需要最大可能與原尺寸相近，具體參數與表2的設計相符合 [2]。

4.2 對設計方面的思考

為增加水泵揚程，可以從增加葉輪的外直徑、出口角度、葉片出口寬度、葉片數量等來進行優化。如果增加外輪外徑，就需要增加水泵的總體尺寸，但是汽車發動機對水泵的安裝位置及尺寸是有一定限制和要求的，因此該方式并不可取;為提高水泵的揚程，增加了葉輪出口角度，雖然揚程提高了，但是水泵的效率下降了，因此也不能選擇這種方式;增加葉片出口寬度與水泵總體尺寸，更不可行;在葉輪的現有空間上增加葉片數，不會增加水泵尺寸也不會影響到水泵的效率，該方案可行。因此部分人在優化葉輪的時候增加葉輪葉片數量，而且為了減少葉輪進出口的排擠，使用長短葉片相間的設計方案。但是由于模具造型及成本等系列原因，文章并沒有選擇增加葉輪葉片的設計方式[3]。

5? 計算結果對比分析

在對比（表3）中發現原水泵設計工況轉速為6000r.min-1下效率為27.2%，對于高轉速下的水泵效率，在優化之后水泵的水力性能得到了顯著提升：經過計算之后的效率提高接近一倍。高轉速下水泵抗氣蝕性能得到了顯著的提高（圖2），NPSHR有明顯的降低。

對比水泵流場，優化前后的靜壓力（見圖3）對比發現原本水泵壓力波動比較大，壓力場分布不均勻，葉片前緣根部壓力比較小，有汽蝕的風險。這與性能分析一致，優化之后的水泵壓力分布更均勻。原水泵葉片尾緣吸力面均存在高速旋渦，靠近隔舌和高速區域范圍更大、更加明顯，能量損失嚴重，轉換效率低;優化之后的壓力場分布均勻，旋渦有明顯的改善（見圖4）。

6? 結束語

綜上，使用CFD軟件來對汽車水泵原模型進行數值計算，根據計算結果，分析發現水泵內部出現能量損失現象比較明顯，需要進行優化。優化改進之后，提高了泵的整體性能，尤其是抗氣蝕性能有了明顯的提升。在流場分析當中原水泵葉片前緣根部存在明顯的氣蝕風險，優化之后明顯改善，效率也顯著提高。

參考文獻：

[1]周亞軍，王鐵力，楊建峰，等.基于CFD方法的豎井貫流泵裝置進出水流道優化設計[J].水利水電技術，2019，50（11）：64-71.

[2]黃芳芳，宋開通，吳亞東.基于CFD的電動汽車鋰電池包內部流場模擬及其結構優化設計[J].通信電源技術，2019（3）：128-129.

[3]HUANG Li-di，WANG Hao， WU Yi-meng，等.基于CFD的某校園宿舍區室外風環境模擬分析和優化設計[J].建筑節能， 2019，047（001）：57-62.