基于STAR-CCM+的汽车发动机冷却水泵叶轮流场仿真及优化

蔡少波

（温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035）

0 引 言

冷却水泵是汽车发动机冷却系统的心脏，其作用是提高循环系统中冷却液的工作压力，维持汽车发动机相关部件的冷却液循环，防止汽车发动机运行温度过高[1]。常用汽车发动机冷却水泵为叶轮式离心泵，叶轮是冷却水泵工作的核心，通过带轮及转轴带动其旋转，在叶片的作用下，叶轮中液体随叶轮旋转作牵连运动，并在叶片的驱驶下不断地从旋转着的叶轮中甩出，即相对叶轮的运动。因此，叶轮的外径大小，叶轮叶片的高低及角度，以及与冷却水泵壳体的间隙，直接影响着冷却水泵的性能。

随着汽车技术的不断发展，现有汽车发动机冷却水泵常常不能满足其高负荷工作时的散热需求。本文针对某型汽车发动机冷却水泵在强散热工况下出现水量不足、水箱开锅的情况，通过冷却水泵叶轮流场仿真分析和叶轮的改进设计，以期提高冷却水泵的冷却性能，更好地满足冷却系统散热。

1 结构模型简化

普通汽车发动机冷却水泵叶轮结构类型众多，典型结构有带框式、倾斜式、直叶式等[2]，如图1所示。本文研究汽车发动机带框式叶轮，设计额定转速4 500rpm、额定流量60L/min、扬程15m、外径60.5mm、高23.5mm、8叶片周布。

图1 典型汽车发动机冷却水泵叶型结构模型

由于汽车发动机冷却水泵安装于发动机机体侧边，其外壳体集成于机体内部，与机体共同组成发动机冷却系中的冷却水道。汽车发动机冷却水道纵横交错，与冷却水泵共同作用部位尤其复杂。在实际流场仿真过程中，鉴于复杂的外壳结构对叶轮工作状态的分析并无实质影响，唯一决定流量、压力的是内壁状态，因而将复杂的冷却水泵流道简化成足够长的进、出口通道[3]（见图2），一方面便于获得高质量的网格，另一方面也减轻计算机的计算能力需求，提高分析效率。

图2 汽车发动机冷却水泵叶轮流道简化模型

2 叶轮网格划分

整合冷却水泵流道、水泵叶轮模型[4]，在ANSA软件中合理简化和几何清理后进行网格划分，建立相应的有限元模型。其中，管道铸件主要采用三角形网格最优化划分，网格尺寸3mm；冷却水泵叶轮连接位置尺寸较小，因而采用混合单元尺寸，微小过渡处选用1mm、其余区域选用2～3mm划分，用二阶最优过度计算划分叶轮区域，保证分析精度和计算效率；大圆柱端为模型进口（Inlet），小圆柱端为模型出口（Outlet），四周为壁面网格（Wall）；冷却水泵叶轮和通道模型搭接处共用网格，总体有限元模型面网格划分共计29 671个节点、59 370个单元。

将ANSA文件导出至STAR-CCM+软件中进行网格检查，调整不合格的网格，确保后续生成体网格的质量。设置Water和Fan 2个区域的边界网格组，指定Water的网格类型为多面体网格，边缘棱柱层厚度1.5mm、增长率1.2%、层数3层；指定Fan的网格类型为薄体多边棱柱体，层数3层。同时运行计算生成体网格，并将关联体网格至指定区域，总体分析模型体网格划分（计207 850个单元），如图3～图4所示。

图3 汽车发动机冷却水泵叶轮网格划分

图4 汽车发动机冷却水泵管道模型网格划分

3 仿真分析

3.1 仿真设定

由冷却水泵实际工作情况可知，冷却水在通道内的运动可近似成不可压缩的粘性湍流流动，控制方程选用雷诺平均N-S方程，可较为准确地描述该运动，利用标准K-Epsilon湍流模型可模拟冷却水泵计算区域的三维湍流[5]，进而获得较为准确的冷却水泵内流场性能参数分布情况。

模型的进口采用速度入口，出口采用压力（常压）出口。叶轮转动Fan区域的模型选择三维定常恒密度模型，同时选用单元质量校正和分离固体能量模型，并设置该区域网格为动网格，指定其坐标系为基于叶轮中心圆孔建立的圆柱坐标系，在计算过程中定义驱动转速为4 500rpm；冷却水流动Water区域的模型选择三维定常恒密度模型，同时选用单元质量校正、分离流体温度和精确壁面距离模型，以改善计算精度。

3.2 仿真结果分析

指定所需监控位置视窗，设置模型迭代参数，计算迭代至收敛后，可获得主要仿真结果。

（1）静压分布。汽车发动机冷却水泵叶轮表面静压分布如图5所示。在该工况下，冷却水泵叶轮总体工作时叶轮和外框上边缘受力较大，对结构强度要求较高；侧边通道导流处叶片表面静压力最大，达136.07KPa。

图5 汽车发动机冷却水泵叶轮表面静压分布

根据简化扬程H的计算公式[6]：

其中，Pout, Pin分别为进口、出口处流体的平均压力（Pa）；ρ为水的密度，取971.8kg/m3；g为重力加速度，取9.8m/s2。截取进口、出口压力可求得该模型扬程H0约为16.03m。

（2）速度分布。汽车发动机冷却水泵流场在Z=5mm截断面的速度分布如图6所示。在该工况下，通道中的冷却水经冷却水泵叶轮加压后，急速流出，在出口中段达到最大流速13.13m/s。

图6 汽车发动机冷却水泵流场在Z=5mm截断面的速度分布

根据质量流量Q与流速V的换算公式：

其中，V为出口截面流速（m/s），S为出口截面积（m2）。截取出口流速可求得该模型质量流量Q0约为61.79L/min。

综合分析可知，冷却水泵叶轮工作时，冷却水在经过冷却水泵叶轮导流加压后，沿其流道快速流出，在出口段形成局部负压，会有部分涡流产生，同时靠外侧冷却水与管道相对速度高，摩擦损失过大，导致发动机在强发热工况下，冷却水循环流量不足，不能满足实际使用要求。

4 结构优化设计

4.1 建立模型

由于汽车发动机冷却水泵流场出口段负压区过大，管道摩擦损失大，不利于冷却水快速流通，同时几何参数不同的叶轮，其结构强度及气动性能表现完全不同[7]。以原型叶轮为基础，建立叶型前倾15度、叶片数不同的改型叶轮数模，其参数见表1。

表1 改型叶轮数模参数

4.2 计算分析

按上述步骤对改进的模型再次进行仿真计算，获得具体流场参数。汽车发动机冷却水泵叶轮Type-3在Z=5mm截断面的速度分布如图7所示，改型叶轮模型仿真计算结果见表2。

图7 汽车发动机冷却水泵叶轮Type-3在Z=5mm截断面的速度分布

表2 改型叶轮模型仿真计算结果

由表2可知，与原型叶轮相比，叶轮Type-2在保证原冷却性能的前提下，单件叶轮体积减少76.14mm3，节约生产制造成本；叶轮Type-3在Z=5mm截断面的速度分布显示，出口段局部负压区域面积减小，管道中间高速流动液体更加集中，其计算流量和扬程均有上升，可为系统提供更多的冷却水，适用于更为复杂的汽车发动机冷却工况。

5 结束语

本文通过对汽车发动机冷却水泵叶轮进行流场仿真，求解计算获得其相关性能参数，找出叶轮结构对其性能的影响规律，并对其结构进行改进。仿真结果表明，叶轮在工作时产生的局部涡流和通道壁面大摩擦损耗会引起冷却水泵冷却性能下降；8叶前倾改型叶轮能改善流道通流条件，以满足汽车发动机的强发热工况。同时了解流场相关规律可大幅缩短冷却水泵叶轮设计周期，降低研发成本，对企业实际产品的结构设计优化有一定的指导意义。

[1] 陈家瑞.汽车构造：上册[M].3版.北京：机械工业出版社，2009：239-240.

[2] 李维强，李伟，施卫东，等.汽车发动机冷却水泵的研究进展[J].排灌机械工程学报，2016（1）：9-17.

[3] 刘婷婷，王彤，杨波，等.汽车水泵性能三维数值模拟及结构改进[J].工程热物理学报，2009（6）：961-963．

[4] 张婷婷，袁寿其，刘建瑞，等.汽车冷却水泵叶轮多参数对其外特性影响分析[J].汽车工程学报，2013（2）：100-105．

[5] 吴杰，唐倩，张元勋，等.基于CFD的汽车冷却系统水泵叶轮设计与实验[J].机械研究与应用，2013（2）：89-91．

[6] 薛党勤.汽车冷却水泵优化设计及汽蚀振动特性研究[D].北京：中国农业大学工学院，2015.

[7] 陈山，杨策，杨长茂，等.几何参数对离心叶轮强度和气动性能影响的研究[J].流体机械，2012（3）：21-26.