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摘要:針對增壓直噴發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵揚(yáng)程、效率、汽蝕問題,進(jìn)行具體分析,使用一維、三維cfd方式來進(jìn)行優(yōu)化、驗證設(shè)計性能。首先根據(jù)發(fā)動機(jī)的最大熱負(fù)荷工況下冷卻系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行具體的分析,對水泵進(jìn)行優(yōu)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(jù)此優(yōu)化設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞:水泵;優(yōu)化設(shè)計;CFD;冷卻設(shè)計
0引言
汽車水泵是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)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(dāng)中發(fā)動機(jī)是非常重要的零部件之一,主要功能是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。汽車發(fā)動機(jī)在工作期間最高燃燒溫度達(dá)到2500℃,因此設(shè)計的時候,必須在內(nèi)部設(shè)計冷卻系統(tǒng)來防止汽車發(fā)動機(jī)過熱。國內(nèi)汽車水泵的設(shè)計效率一般低于設(shè)計工況的效率。以城市運(yùn)行汽車為例,汽車駕駛過程中一般運(yùn)行速度大多無法達(dá)到設(shè)計工況的情況。因此基于水泵的CFD流場設(shè)計來預(yù)測性能,實質(zhì)就是建立泵內(nèi)場特征與水泵轉(zhuǎn)動特性之間的關(guān)系,這也逐漸成為研究領(lǐng)域內(nèi)的重要課題[1]。以下以某型號汽車發(fā)動機(jī)水泵的優(yōu)化設(shè)計案例,來展示基于CFD的汽車水泵優(yōu)化設(shè)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(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要,如果水泵流量小則無法提供足夠的冷卻,發(fā)動機(jī)容易造成過熱損壞;如果流量過大,則發(fā)動機(jī)水套溫差較小,存在較大的能量損失?;诳煽啃苑矫娴男枨?,水套溫差范圍的一般控制在6℃左右。設(shè)計工況下,冷卻液要帶走發(fā)動機(jī)額定功率50~55%左右的熱量,具體計算公式:(1)在上述公式當(dāng)中,Q(kW)表示發(fā)動機(jī)的運(yùn)行凈功率最大數(shù)值;ρ(kg/m3)表示冷卻液密度;C(kj/kg.K)表示比熱容;△Τ(K)為設(shè)計中水套溫差;計算結(jié)果是理論需求流量V(m3/s)。運(yùn)用該公式,能夠計算出具體工況下冷卻系統(tǒng)所需要的水流量。
2.2揚(yáng)程需求
根據(jù)一維CFD軟件的Flowmaster分析該冷卻系統(tǒng)壓降值(見圖1),取合適的安全系數(shù),即可確定該冷卻系統(tǒng)所需要的水泵升壓數(shù)值量,即揚(yáng)程需求量具體數(shù)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(fēng)格式擴(kuò)散項求差,SIMPLE算法實現(xiàn)耦合求解,為保證計算精度,在優(yōu)化之前水泵的網(wǎng)格數(shù)量均在五百萬以上。三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)能描述復(fù)雜流動、燃燒現(xiàn)象、爆炸超壓形成、燃燒的具體過程。和一維的經(jīng)驗?zāi)M相比,三維CFD模擬技術(shù)更可達(dá)到與實際效果符合性更高的計算結(jié)果,這是其他經(jīng)驗?zāi)M無法實現(xiàn)的。CFD模擬需要注意三維幾何模型的詳細(xì)搭建、邊界選擇、周圍環(huán)境等,模擬當(dāng)中使用的參數(shù)盡可能與實際工況相一致。三維計算進(jìn)口邊界給定溫度為93℃,總壓0.15MPa,得到出口計算揚(yáng)程。固體壁面給定恒無滑移邊界,同時運(yùn)動與靜止部件的設(shè)計均采用multiplereferenceframe(MRF),蝸殼區(qū)域坐標(biāo)固定,葉輪區(qū)域為運(yùn)動坐標(biāo)。
3.2該算法的可靠性驗證
在給定邊界的基礎(chǔ)上設(shè)計出原水泵模型,針對原水泵模型進(jìn)行CFD計算,將計算結(jié)果與試驗結(jié)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(jié)構(gòu)、單圓弧直葉片設(shè)計,蝸殼的擴(kuò)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(zhuǎn)速為6000r/min,效率低于30%。從表1中可以看出,模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性較好,說明計算過程是可靠的。
4水泵的優(yōu)化設(shè)計
4.1柔性設(shè)計
在當(dāng)前諸多研究當(dāng)中,基于CFD流場的模擬已經(jīng)作為水泵優(yōu)化設(shè)計的重要研究點(diǎn);冷卻系統(tǒng)的分析,能夠預(yù)測在一定轉(zhuǎn)速下,水泵流量、揚(yáng)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(jìn)行分析,之后對其進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果,具體設(shè)計尺寸如表2。根據(jù)實際需求,綜合考慮葉輪的設(shè)計尺寸。優(yōu)化之后的葉輪使用閉式離心葉輪,減少葉頂間隙內(nèi)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(tǒng)抗氣蝕性能,在葉片前緣使用向壓力面傾斜的設(shè)計方式,整個葉片呈現(xiàn)后掠葉型;通過調(diào)整子午流面的線型結(jié)構(gòu)、葉片進(jìn)出口角度等,從而實現(xiàn)對葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。除了葉輪之外蝸殼的設(shè)計也比較重要,但是如果對蝸殼再次進(jìn)行設(shè)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(jìn)行微調(diào);為保證葉輪能夠與原本的蝸殼相匹配,優(yōu)化后的葉輪進(jìn)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(shù)與表2的設(shè)計相符合[2]。
4.2對設(shè)計方面的思考
為增加水泵揚(yáng)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(shù)量等來進(jìn)行優(yōu)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(fā)動機(jī)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??;為提高水泵的揚(yáng)程,增加了葉輪出口角度,雖然揚(yáng)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(xiàn)有空間上增加葉片數(shù),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(yōu)化葉輪的時候增加葉輪葉片數(shù)量,而且為了減少葉輪進(jìn)出口的排擠,使用長短葉片相間的設(shè)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(shè)計方式[3]。
5計算結(jié)果對比分析
在對比(表3)中發(fā)現(xiàn)原水泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速為6000r.min-1下效率為27.2%,對于高轉(zhuǎn)速下的水泵效率,在優(yōu)化之后水泵的水力性能得到了顯著提升:經(jīng)過計算之后的效率提高接近一倍。高轉(zhuǎn)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(yōu)化前后的靜壓力(見圖3)對比發(fā)現(xiàn)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(fēng)險。這與性能分析一致,優(yōu)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(qū)域范圍更大、更加明顯,能量損失嚴(yán)重,轉(zhuǎn)換效率低;優(yōu)化之后的壓力場分布均勻,旋渦有明顯的改善(見圖4)。
6結(jié)束語
綜上,使用CFD軟件來對汽車水泵原模型進(jìn)行數(shù)值計算,根據(jù)計算結(jié)果,分析發(fā)現(xiàn)水泵內(nèi)部出現(xiàn)能量損失現(xiàn)象比較明顯,需要進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化改進(jìn)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(dāng)中原水泵葉片前緣根部存在明顯的氣蝕風(fēng)險,優(yōu)化之后明顯改善,效率也顯著提高。
參考文獻(xiàn):
[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(jìn)出水流道優(yōu)化設(shè)計[J].水利水電技術(shù),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(nèi)部流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].通信電源技術(shù),2019(3):128-129.
[3]HUANGLi-di,WANGHao,WUYi-meng,等.基于CFD的某校園宿舍區(qū)室外風(fēng)環(huán)境模擬分析和優(yōu)化設(shè)計[J].建筑節(jié)能,2019,047(001):57-62.
作者:金鋒 劉兵 章娜 單位:飛龍汽車部件股份有限公司