基于CFD的车用水泵汽蚀性能的计算与预测

0 引言

随着社会对环保节能的重视，作为汽车动力的核心部件，发动机的环保节能技术发展备受关注

。在目前激烈的市场竞争中，发动机的轻量化及紧凑化设计尤其受到也来越多的重视，对水泵提出的要求：体积小、重量轻、成本低、工艺性好、可靠性高

。

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当前车用水泵在结构的标准化、模块化及先进材料和工艺的应用上取得较大的发展，叶轮采用注塑材质，泵体、蜗壳等大量应用压铸铝等，在水泵更轻更紧凑的同时，带来新的问题。由于铸铝材料抗汽蚀性较差，使得铸铝水泵相对铸铁水泵更容易被汽蚀破坏，轻则产生噪音和振动，水泵性能下降，严重时会导致泵体汽蚀穿孔破裂，影响发动机正常工作。

目前水泵的汽蚀余量无法通过理论计算直接求得，汽蚀试验是确定水泵汽蚀余量的唯一可靠方法，本文将基于汽蚀发生的基本理论，探索借助CFD软件对水泵汽蚀余量进行计算及预测的方法。

1 泵内汽蚀现象及危害

水泵在运转过程中，过流部分的局部区域，在一定温度下，当液体内部压力降低至该温度下的饱和蒸汽压力时，液体便在该处开始汽化，产生蒸汽并形成气泡，气泡随液体向后流动至高压处时，气泡周围的高压液体，致使气泡急骤地缩小直至重新凝结为液体，在气泡凝结的同时，周围液体将以高速填充空穴，发生相互撞击而形成水击，这种现象发生在固体壁上将使过流部件受到冲击破坏，上述产生气泡和气泡破裂使过流部件遭到破坏的过程就是泵中的汽蚀过程

。

部分县级山洪灾害监测预警系统存在运行不稳定情况，如个别无线广播启动后不能及时复位；无线广播站设施裸露，风吹日晒容易老化，造成设备失灵；短信发送平台经常死机，出现短信发送不出的情况等。

汽蚀发生时产生的气泡将改变流道内流速的分布，使水泵的流量、扬程的降低，效率下降，同时引起振动产生噪声，长时间的汽蚀会使过流表面产生疲劳剥落，产生不可逆的损坏，影响使用寿命，严重时导致事故发生。因此，不希望汽蚀现象的发生。

2 汽蚀产生机理及预防

2.1 汽蚀发生机理

国内外学者对汽蚀机理进行了大量的研究，并提出了许多的观点和理论，其中最具代表性的是Knapp的“气核理论”

。认为液体中存在微小的汽核，汽核使液体的抗拉强度降低，当液体的压强低于饱和蒸汽压力时，汽核迅速膨胀形成气泡，导致汽蚀发生。随着技术的进步，测量仪器和测量手段的提高，进一步证实了汽核是诱发气泡，导致汽蚀的直接原因之一。

车用水泵普遍采用离心式水泵

。一般认为，在离心泵的过流区域中，压力最低区域位于离心泵叶轮入口偏后位置，并且叶轮入口附近压力随着流量的增大而逐步降低，因此该区域为离心泵最易且最先发生汽蚀区域。但统计发现，基于轻量化设计的车用水泵，汽蚀多发生于泵体。这是因为叶轮材质为PPS+GF40，具有较强的抗汽蚀能力，而本体采用铸铝材质，抗汽蚀能力相对较弱。与此同时，叶轮形式的不同也影响汽蚀发生的位置，对于开式或半开式的叶轮，汽蚀多发生于与叶轮配合的蜗壳的锥面，见图1上图；对于闭式叶轮，汽蚀多发生于蜗道的隔舌位置，如图1下图。

根据离心泵发生汽蚀条件的理论关系

，水泵在运行过程中是否发生汽蚀，与泵本身的抗汽蚀性能与泵的使用条件和边界两个方面有关，因此，引入泵的汽蚀余量NPSHr(又称必需汽蚀余量)和装置汽蚀余量NPSHa两个参数。水泵不发生汽蚀的条件： NPSHa > NPSHr。

装置汽蚀余量NPSHa：表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力的净剩水头，大小由吸入装置决定，值越大泵越不容易发生汽蚀。必需汽蚀余量NPSHr：表示泵不发生汽蚀，要求在泵进口处单位重量液体具有超过汽化压力水头的富余量，大小由泵本身几何参数决定，值越小泵抗汽蚀能力越强。

图2显示了汽蚀余量随流量变化的趋势，NPSHa随流量的增加而较小，NPSHr随流量的增加而增加。NPSHa与 NPSHr的差值越大，越不容易发生汽蚀现象。

装置汽蚀余量

的理论计算见公式(2)。

第3步：令Zi=P1i-P0i，计算的95%CI，若Zi＞0，且大于的95%CI上限，则该患者被视作适合于A处理，用newsubgroup=1表示；若Zi＜0，且小于的95%CI下限，则该患者被视作适合于B处理，用newsubgroup=2表示；其他个体被分至亚组C，用newsubgroup=3表示。

2.2 汽蚀的预防措施

2.2.1 减小必需汽蚀余量NPSHr

泵的必需汽蚀余量NPSHr的理论计算见公式(1)。

(1)

—叶片进口稍前的相对速度；

这时，同学们才小声议论，并陆续举报：“白虎队”成员小王在班上扯女生头发，小曹拿别人东西不还，小黄和值日生“叫板”，小但总在放学路上欺侮同学，小胡经常逼迫别人叫他“老大”……做错事不可怕，可悲的是他们似乎并不知道自己错在哪里。

式中：

—叶片进口稍前的绝对速度；

—重力加速度；

—叶片进口压降系数；该值与水泵进口处的几何形状(叶片数、冲角、叶片厚度及分布等)有关。

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根据公式(1)，减小

，可通过减小

、

和

实现，常采取的措施有：a) 适当增大叶轮进口直径和叶轮出口宽度；b) 加大叶轮前盖板进口部分曲率半径；c) 增大叶片进口宽度；d) 叶片进口边适当向入口方向延伸等。以上措施会减小水的流速，相应地减小压力降和水力损失，但流速过度减小会导致产生停滞区和反向流，造成汽蚀性能的恶化。

2.2.2增大装置汽蚀余量

(3) 仿真分析：设置水泵转速、流量、流体介质参数等，将水泵的进口压力作为变量，计算不同进口压力下水泵的出口压力。见图4。

香娭毑哪一年嫁到白家湾来的似乎也没有个准数，香娭毑痛苦地回忆往事的时候，有时说是1948年，有时又说是1949年，香娭毑的老公宝刚爹在幸福地回忆往事的时候，则有时说是1949，有时又说是1948年。老俩口自己都搞坨数不清，别人就更不用说了，这也无关紧要，紧要的是，香娭毑是宝刚爹的爷娘耍了一点手腕用现在的话说叫做阴谋诡计骗过来的。

(2)

根据公式(2)，增大

，可采取的措施如有：a) 增大

，泵的吸入口增压；b) 减小泵的吸入高度；c) 减小泵前水力损失，如减少阀的使用、缩短管的长度、增大管的直径等；d) 降低液体的温度，减小饱和蒸汽压力。概括为增压、降高、减阻、降温。

3 汽蚀余量与水泵的设计

汽蚀余量对于水泵的设计是一个十分重要的基本参数。基于2.1的汽蚀条件理论，为防止水泵汽蚀，水泵设计时必须根据具体的汽蚀性能要求进行设计和验证，如果用户给定了具体使用条件，则设计泵的汽蚀余量NPSHr必须小于按使用条件确定的装置汽蚀余量NPSHa。

(1) 流体域提取：将包括水泵叶轮、蜗道、进口和出口部分的流体部分的空间区域提取出来，进出口封闭并实体化处理，建立流体域实体模型，见图3。

这些汽蚀余量有如下的关系：

≤(

)

≤

≤(

)

(3)

表1为某机型发动机水泵的开发输入，根据输入的水泵使用边界，通过公式(2)、(3)可以提出水泵设计的必需汽蚀余量指标。

根据公式(2)，计算水泵装置汽蚀余量如下：

根据公式(3)，安全余量系数取1

3，得泵的汽蚀余量为：

=[

]

1

3=

1

3=3

89m

通过计算，该机型水泵的

的设计指标3.9m。参考此指标进行水泵叶轮、涡道设计， 保证设计完成的水泵

≤3

89m，欲提高泵的汽蚀性能，可参考2

2

1中的理论及措施尽量减小

。

设计完成的水泵，需要进行汽蚀试验(参JB/T8126.2)测出临界汽蚀余量

，此时

=

，以此来判断水泵是否满足设计指标。要完成水泵的汽蚀试验，必须具备满足标准的试验设备及台架，并制作水泵试验样件、试验工装，然后进行台架安装及测试，最后进行数据处理，此过程验证周期长，费用高。有的水泵，需要多轮的设计改进才能满足汽蚀余量性能指标，按此试验方法验证水泵汽蚀性能严重制约水泵的开发进度和开发成本。

4 临界汽蚀余量的仿真计算

随着汽蚀理论研究的深入及流体仿真软件功能的完善，借助计算流体力学(CFD)仿真软件进行水泵汽蚀余量的计算与模拟成为可能

。本文中使用的CFD软件为PumpLinx，为一款针对泵阀类仿真的专业软件，集成先进的全空化模型，可以精确模拟包含空化在内的流动问题。

话音刚落，市旅游发展委主任吕玲回答说：“我市旅游资源最大的特点是山水生态资源丰富，现有20家国家A级景区都在山间与乡村。一直以来，我们都是通过大力发展乡村旅游带动全域旅游。下一步，我们将以建设‘国内高端乡村旅游目的地’为目标，进一步整合资源，打造精品，在实施‘三化’上下功夫，不断推动乡村旅游提质升级。”

将设计完成的水泵三维模型，进行如下基本步骤操作：

目前通过汽蚀试验来验证NPSHr是唯一可靠的方法，试验方法见JB/T8126.2

。通过试验绘制扬程与汽蚀余量的曲线，扬程下降3%时的装置汽蚀余量即为临界汽蚀余量NPSHc。通过汽蚀试验，一方面可以验证设计的泵是否满足设计要求的NPSHr值(基于客户具体使用条件计算)；另一方面，对于已有的泵，考虑一个安全余量，得到许用汽蚀余量[NPSH](一般取(1.1-1.5)NPSHc)，可以作为用户确定使用边界或几何安装高度的参考和依据。

(2) 仿真前处理：将处流体域模型导入到仿真软件中，对模型进行边界切分定义、网格划分、创建交互、模型调用及边界设置等。

根据教育部办公厅《关于开展全国农村学校艺术教育实验工作的通知》（教体艺厅[2000]1号）精神，湛江市霞山区于2013年被教育部确定为“全国农村学校艺术教育实验区”，并于2016年底顺利通过省级验收。

继续以第3章中提及的某机型发动机水泵设计为例，如图3所示。在CFD仿真软件中模拟汽蚀试验的过程，水泵转速3500rpm，流量为420L/min，介质为80℃的清水，水泵的进口压力由120KPa开始逐次降低，每个进口压力下，水泵运行至出口压力稳定为止。图5为不同进口压力下，水泵进出口总压的结果曲线图。

对仿真完成的数据导出进行分析，见表2。并基于CFD数据计算生成水泵的汽蚀余量特性曲线图，见图6。

在红磷及其三卤化物或氯化亚砜的催化下，脂肪酸的a-H可被氯、溴取代生成a-卤代酸，此反应被称为Hell-Volhard-Zelin-Sky反应，反应机理如下：

根据汽蚀试验方法，找到扬程下降3%对应的装置汽蚀余量NPSHa，即为水泵临界汽蚀余量值NPSHc，从而间接地确认了对应流量下水泵的汽蚀余量NPSHr。从表2可以看出，该水泵在流量为420L/min时的临界汽蚀余量为2.9m，满足第3章中提出的汽蚀性能指标3.89m的要求。

5 汽蚀试验验证

为了验证基于CFD仿真计算的泵汽蚀余量的准确性，按仿真水泵的模型制作水泵样件进行了的汽蚀试验。试验台架见图7。

汽蚀试验的结果见图8。从试验结果看，该水泵样件的汽蚀余量为3.13m，满足3.89m设计要求。

对比CFD仿真计算结果和汽蚀试验结果，以试验结果基准，仿真结果的误差为-7.3%，根据公式(2)分析，造成差异的原因为吸入装置水力损失 h

，汽蚀余量的计算时该项忽略，而实际的汽蚀试验中含有该项损失，因为试验过程中存在管道的沿程损失及管接头、弯管引起的局部压力损失。

到20周，宝宝体重增加到300克，从16周的120克到20周的300克，这4周时间里宝宝增重180克，平均每周才45克。孕妇到20周应该可以增重4千克。如果孕妈妈想要控制体重，这时增重3千克即可，因为在20周前增重的4千克里有2千克是非必需增重的间质，相对而言可以减少一点，所以增重3千克也可以。

6 结论及展望

1、水泵的汽蚀余量是水泵设计的重要参数之一，目前通过汽蚀试验来验证NPSHr是唯一可靠的方法。本文通过CFD仿真软件模拟汽蚀试验过程的方法来获取水泵NPSHc，在水泵设计阶段即可其汽蚀性能进行评估，无需制作样件进行试验验证，可大大缩短研发周期及降低研发成本。

2、通过仿真结果跟试验结果进行对比，误差可控制在10%以内，考虑到汽蚀试验本身亦存在一定误差，认为通过CFD仿真计算汽蚀余量的方法有效。

目前，在计算机、手机等设备日益普及的情况下，移动学习也加快了发展的脚步，以其高效性与便捷性的特点，基本满足当代大学生的学习需求。但许多学生使用移动设备并不用来学习，他们甚至不知道什么叫移动学习。通过调查研究，发现存在这样的现象：1）百分之三十的学生没有听说过移动学习这一名词，他们主要注重的是移动设备的娱乐性，如：打游戏、聊天等性能。2）百分之七十的学生对移动学习感兴趣，但由于不了解与不普及，所以不会使用移动学习或由于家庭条件与学习环境所限，并没有能力使用移动设备进行移动学习[2]。

3、基于目前的研究结果，可以在仿真结果的基础上，增加吸入装置水力损失 h

的参数修正，来进一步提升仿真结果的准确性。

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