某型汽车水泵流体动力学仿真与试验

石广丰，邢云飞，沈栋平

(1.长春理工大学，吉林长春 130022；2.富奥汽车零部件股份有限公司研发中心,吉林长春 130021)

某型汽车水泵流体动力学仿真与试验

石广丰1，邢云飞1，沈栋平2

(1.长春理工大学，吉林长春 130022；2.富奥汽车零部件股份有限公司研发中心,吉林长春 130021)

水泵工作过程中内部循环水的流体动力学特性对水泵性能产生重要影响，通过水泵流体动力学仿真分析可以预先为水泵定型投产后的性能研究提供依据。本文采用流体动力学仿真软件对某型汽车水泵进行了流体动力学有限元建模分析，并针对不同转速和流量工况条件开展了相关仿真模拟、计算对比和试验研究。既验证了水泵流体动力学仿真模型及内部流体运动规律分析的有效性，又获得了该水泵的理论扬程、轴功率和总效率等数值，总结了相关影响规律，为该汽车水泵的设计、性能预测和制造提供了理论依据。

汽车水泵；流体动力；扬程；轴功率；效率

1 前言

汽车发动机水泵是通过内部叶轮带动循环水进行能量转换从而实现冷却的，内部复杂的液体流动状态及动力损失须通过水泵的扬程和效率等指标来综合反映。通过水泵内部复杂循环水的流动状态和压力分布等具体特征可以对水泵的工作性能进行预测[1]，从而完成对水泵的性能优化和结构改进。而部分水泵内部流动情况的特征参数很难通过试验测试直接获得，借助于有限元流体动力学仿真分析的方法逐渐成为汽车水泵产品研制过程中必不可少的手段[2]。

虽然目前关于汽车水泵内流场仿真研究方面的个案很多[3～8]，但是由于水泵具体结构或类型的差异，相关工艺参数和分析结果很难普遍应用，所以针对特定型号的水泵产品建立一套试用的流体动力学仿真模型并开展分析十分关键。本文采用计算机流体力学仿真分析软件FLUENT对某型汽车水泵进行相关性能预测分析,通过和试验数据相对比验证仿真模型的有效性并获得相关规律，为水泵的试验和生产制造提供理论依据和指导。这对于减少水泵产品的研制、改进成本和周期，提高其性能具有重要价值。

2 水泵结构的有限元建模

所研究的水泵主体结构包括壳体、涡轮、入水口、出水口等，如图1所示。其中，涡轮是水泵的核心动力部件，其直径为64 mm，内部共有7个冲压叶片沿轴均布。涡壳为渐开线形式，它与叶轮之间的最小间隙为0.35 mm，该壳体承压面与叶片端面之间的最小间距为0.6 mm。

图1 水泵的几何结构模型

根据水泵工作时的结构功能，将水泵的流动区域分成2个部分，即包含外壁的静态区域和涡轮的流体动态区域。在ICEM软件环境下采用非结构化的四面体网格(四面体实体单元)分别对水泵实体模型的2个部分进行网格划分。由于压力分布在开口表面上是不连续的，会影响求解的收敛性。因此为了获得较好的收敛解，将汽车水泵的循环进口和出口分别拉伸出一段体网格，有限元模型如图2～4所示。整个水泵有限元模型的网格数为140万，根据网格划分质量的分析结果(如图5)，可以得出全局网格质量较为精确的信息。其中，质量小于0.4的部分相加之和为9.885%，此数值满足一般网格质量要求10%以下的要求。由此可以得出所建立的水泵流体动力学有限元仿真模型的网格划分质量满足计算要求，从而在一定程度上保证了求解结果的准确性。

图2 水泵整体的有限元模型

图3 水泵静态区域纵向剖面的体网格

图4 涡轮旋转流体区域剖面上的体网格

针对水泵这类旋转机械的特点，在FLUENT软件中可以采用多重参考系法来求解。模型设置采用定常模型、压力基求解器、隐式、标准k-ε湍流模型。根据水泵进口水流通道特点、质量守恒定律以及进口处无大规模旋的假设确定水泵冷却介质的轴向流动速度，并假设切向和径向的速度均为0，采用速度进口条件；出口边界处设置压力出口类型。水泵性能分析过程中采用标准大气压下，100 ℃的水和乙二醇混合液作为冷却液，其相关的物理参数如下：密度960.00 kg/m3； 比热容4215.9 J/(kg·K)； 黏度0.0002818 kg/(m·s)； 热传导系数0.6791 W/( m·K)。

3 水泵的流体动力学仿真与计算分析

为了提供分析依据，表1给出了该型水泵的2种常用工况(低转速和高转速)下的水泵转速、流量和扬程设计指标，从而对有限元仿真模型进行相应条件下的流体动力学模拟分析。由于流体的总压(总能量)为静压和动压之和(忽略位能)，动压体现为流体速度，可由流量进行转化。所以为了分析水泵内部的流体动力学特性，下面从水泵的速度、静压和总压3方面开展分析。

表1 水泵的设计要求性能指标

图6为工况一条件下模拟出的涡轮内部流体的速度矢量分布，图7为模拟出的整泵内部流体的速度矢量分布。

图6 涡轮表面的绝对速度矢量

图7 整泵绝对速度矢量

从图中可以看出，涡轮内部总体的流动趋势较为良好，并没有明显的流动分离流动现象出现；涡轮内的各个流道的流动成对称分布状态。涡轮流道内流体绝对速度成逐渐增加趋势，沿着涡轮流道内的流体相对速度成逐渐减小趋势，并且涡片表面的流体流线形状与涡片的形状基本保持相同轮廓。从图6和图7中还可以看出，整泵内流场的流动情况与叶轮内流场的流动情况基本保持相同，表明出入口的结构拉长(为了计算收敛考虑)并未对仿真结果造成影响。

从图8～11可知，涡轮各个叶片处流场的压力分布较为均匀；在沿着蜗壳流道的方向上，涡轮内流体的压力值先降低后增加，在蜗壳的出口处达到压力值最高，而最低压力值在涡轮进口处贴近涡片进口的边缘上出现。在同一半径处，涡片工作表面的压力远远高于非工作表面。

图8 涡轮内部静压分布

图9 整泵流场静压分布

图10 涡轮内部的总压分布

图11 整泵流场总压分布

通过FLUENT软件后处理功能自动进行表面积分并获得一个自定义的表面积分压力值，即获得工况一条件下，水泵进水口表面总压为-13438.9 Pa,出水口表面总压为11379.4Pa；工况二条件下，水泵进水口表面总压为-44383.7Pa，出水口表面总压为83715.6Pa。使用同样的方法，可计算分析出工况二下的各项结果。也可借助水泵有限元仿真模型获得更多的流场内部信息。

定义进水口表面的总压为P0out，出水口表面的总压为P0in，则水泵扬程H[9]：

H=(P0out-P0in)/(ρg)+ΔZ

(1)

式中ρ——液体密度，kg/m3g——重力加速度，m/s2ΔZ——汽车水泵的出口与进口在垂直方向上的距离，一般而言，对于卧式泵来说，取ΔZ=0

水泵的效率为其有效功率和其输入轴功率的比值，也可由相关理论公式计算得出[10]：

η=ηmηvηh

(2)

式中ηm——机械效率ηv——容积效率ηh——水力效率

3个效率参数可分别根据水泵的设定参数、结构参数及仿真计算参数求得。

通过计算分析可知：

(1)水泵在转速2000r/min、流量24L/min工况条件下，流体动力学模拟计算的水泵扬程为2.638m，接近设计目标2.42m；

(2)水泵在5000r/min、流量80L/min工况条件下，流体动力学模拟计算的水泵扬程为13.616m，接近设计目标值11.72m。可见，在常用的低转速和高转速工况下，该型水泵的仿真计算扬程与设计目标值基本相符。

4 试验分析

通过设计分析，研制后的水泵性能试验在某汽车零部件技术研发中心的水泵性能试验机上完成。经过测试可以获得不同流量工况下水泵的扬程、轴功率和总效率，结果如表2和表3所示。

表2 转速2000 r/min、不同流量工况下水泵测试的扬程、轴功率和总效率

表3 转速5000 r/min、不同流量工况下水泵测试的扬程、轴功率和总效率

对比表1～3可知，工况一条件下的水泵测试扬程为2.59m，接近仿真计算扬程值2.638m和设计目标值2.42m；工况二条件下的水泵测试扬程为11.52m,接近仿真计算扬程值13．616m和设计目标值11．72m，这也说明了仿真分析模型和分析结果的有效性。

从表2，3可看出：随着水泵流量的增加，水泵扬程均下降，但是高转速时的扬程普遍比低转速时的高。低转速时，水泵轴功率随流量的增加变化不大，但是高转速时，水泵轴功率随流量的增加略有增加，而且均高于低转速时的轴功率。随着流量的增加，水泵总效率普遍增加，但是低转速时水泵总效率较高。这表明该水泵在较低转速和较低轴功率条件下就可以获得较理想的效率和扬程；如果想继续增加扬程，就要增加转速和流量，但是要牺牲一定的轴功率和总效率。

5 结语

针对汽车水泵开展的流体动力学仿真模型可以用于实际研究，而且采用流体动力学数值和解析综合的求解方法可以有效结合试验，更加全面地分析水泵的相关工艺影响规律。相关研究表明：所研究水泵在较低转速和较低轴功率条件下就可以获得较理想的效率和扬程数值，但是要想继续增加扬程，就要在牺牲一定的轴功率和总效率的前提下增加水泵的转速和流量。

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Fluid Dynamics Simulation and Experiment of Certain Automobile Water Pump

SHI Guang-feng1,XING Yun-fei1,SHEN Dong-ping2

(1.Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Fawer Automotive Parts Limited Company,Changchun 130021,China)

The fluid dynamic characteristics of internal circulating water during the pump work process have an important impact on the performance of the pump.The pump fluid dynamics simulation analysis can provide reference for advance performance research of the pump before set and put into production.In this paper,the fluid dynamic simulation modeling analysis of the automobile water pump is done using the fluid dynamic simulation software,and the relevant simulation,calculation and experiment researches are carried out according to the different speed and flow conditions.Not only are the validities of the pump fluid dynamics simulation model and the law analysis of internal fluid motion verified,but also the theoretical lift pump,numerical shaft power and total efficiency are got.Finally,the relative influencing rules are summarized.The work in this paper provides a theoretical basis for the design,performance prediction and manufacturing of the automobile water pump.

automobile water pump;fluid dynamics;head;shaft power;efficiency

1005-0329(2017)03-0011-04

2016-05-06

2016-12-20

TH311

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.003

石广丰(1981-)，男，副教授，博士生导师，主要从事先进制造技术的研究，通讯地址：130022 吉林长春市卫星路长春理工大学南区科技大厦A座415，E-mail:shiguangfeng@cust.edu.cn。