新捷達水泵的內流場仿真分析與性能測試

石廣豐，林　峰，邢云飛，沈棟平

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022；3.富奧汽車零部件股份有限公司研發中心，長春 130021）

制造軟件

新捷達水泵的內流場仿真分析與性能測試

石廣豐1，林峰2，邢云飛1，沈棟平3

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022；3.富奧汽車零部件股份有限公司研發中心，長春 130021）

針對新捷達汽車水泵研制和后續使用過程中的性能分析，開展了對該型水泵內流場的仿真分析與性能測試工作。首先對該水泵的結構進行了三維實體建模，并通過模型導入，采用Fluent流體分析軟件對不同轉速和流量工況下的水泵內流場進行了數值模擬，獲得了水泵內部葉輪表面的速度矢量分布和進出口的表面壓力情況等，然后通過相關公式計算獲得了理論揚程、效率數值。最后通過在水泵性能測試試驗臺上對水泵樣機的測試分析，獲得了相關分析結果及變化規律，驗證了仿真模型的有效性，為新捷達汽車水泵的性能預測、定型制造和后續改進工作提供了有效依據，也為同類技術研究提供了參考。

新捷達；水泵；內流場；仿真分析；測試

0　引言

汽車水泵對于汽車發動機的正常工作具有重要作用。在發動機高效工作時，水泵通過循環冷卻水帶走缸體內聚集的大量熱量，保證缸體的正常溫度從而維持發動機穩定、正常地工作。水泵置于汽車前部的散熱器中，由水管相連通，構成一個閉合循環系統。在缸體的出水口處，通過連接發動機上的法蘭盤以及傳送皮帶，水泵工作運轉并將水道內的熱冷卻液泵出，將冷冷卻液泵入，最終實現熱循環。在目前的汽車零部件開發過程中，為了縮短開發周期，結合仿真分析進行試驗研究的方法在整個開發過程中的應用越來越多了。該方法已逐漸成為一種零部件開發過程十分必要的計算分析手段［1］。通過仿真分析所預測水泵的性能可以保證發動機在熱負荷較高的情況下有良好的冷卻液流動性［2］。

目前，泵體結構流體動力學仿真分析研究方面的相關報道很多［3～5］，但是研究結果往往因型而異，針對特定型號及結構的水泵進行特定分析十分重要。此外，在汽車水泵定型裝車后，通過使用也會暴露出新的問題，因此如何尋求改進措施以提高其性能也顯得尤為重要。本文采用有限元流體力學模擬仿真分析的方法對新捷達汽車的水泵內流場速度和壓力分布等性能參數進行了相關計算和分析，為相關研究提供了依據。

1　水泵的結構組成及有限元模型

該水泵包括水泵殼、葉輪、入水口、出水口，具體結構如圖1所示。其中，葉輪中的葉片為沖壓件，共有7個葉片沿軸均布。水泵殼體內部為漸開線形式，殼體與葉輪之間的最小間隙為0.35mm，殼體承壓面與葉片端面之間的最小間距為0.6mm，葉輪直徑為64mm。該型水泵的設計指標要求在常用的2000rpm低轉速工況下，流量需為24L/min，揚程需為2.42m；而在5000rpm的高轉速工況下，流量需為80L/min，揚程需為11.72m。

圖1　水泵的模型及結構組成

根據水泵物理模型要求，將水泵的流動區域分成兩個大部分，即包含外壁的靜止區域和葉輪的動態區域。使用ICEM軟件分別對水泵實體模型的兩個部分進行網格劃分。采用非結構化的四面體網格（四面體實體單元）。為了獲得更好的計算收斂性，將模型結構進行適當簡化，并將水泵的大循環入口和出口分別拉伸出一段三棱柱構成的體網格。整個水泵計算模型的網格數為140萬，有限元模型如圖2所示。針對水泵和風機等旋轉機械的特點，在Fluent流體動力學仿真軟件中采用MRF（the Multiple Reference Frame Model）來求解［6］。模型設置采用定常模型、壓力基求解器、隱式、標準k-ε湍流模型。根據水泵進口水流通道特點、質量守恒定律以及進水口處無大規模旋的假設定出水泵冷卻介質的軸向流動速度，并假設切向和徑向的速度均為0，采用速度進口條件；出口邊界處選擇壓力出口類型。

圖2　葉輪及整泵的有限元模型

水泵性能分析過程中采用標準大氣壓下，100℃的水和乙二醇混合液作為冷卻液，其相關的物理參數如下：密度960.00kg/m3；比熱容4215.9J/（kg.K）；粘度0.0002818kg/（m.s）；熱傳導系數0.6791W/（m.K）。

2　水泵內流場的仿真分析

針對表1中兩種工況下不同流量和轉速的設計需要，對水泵模型進行了相應條件下的流體動力學數值分析。圖3為模擬出的工況一條件下葉輪表面及整泵的速度矢量分布，圖4為葉輪及整泵的壓強分布。使用同樣的方法，可計算分析出工況二下的各項結果。

圖3　葉輪及整泵的內流場速度矢量圖

Fluent軟件能夠自動進行表面積分并獲得一個自定義的表面積分壓力值，即獲得進、出口面的總壓力。在水泵中，設定泵出口總壓力P0out，進口總壓力之差P0in，則水泵揚程H［7］：

式（1）中，ρ液體密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2。ΔZ為汽車水泵的出口與進口在垂直方向上的距離，一般對于臥式泵而言，此處值取為0。在后處理中通過仿真分析（如圖4所示）獲取了兩種工況下的進出口表面壓力的數值，如表1所示。

圖4　葉輪及整泵的內流場壓強分布圖

表1　仿真計算表面總壓力值

水泵的效率等于其有效功率和其輸入軸功率之間的比值，包括機械效率為ηm，容積效率為ηv和水力效率為ηh，可由相關理論公式計算得出［8］，有式（2）：

通過計算、分析可知：1）水泵在轉速2000rpm、流量24L/min工況條件下，模擬計算的水泵揚程為2.638m，接近所設計的目標揚程2.42m；2）水泵在轉速5000rpm、流量80L/min工況條件下，模擬計算的水泵揚程為13.616m，接近所設計的目標揚程11.72m。可見，在兩種常用工況下，該型水泵的模擬計算揚程與設計目標值基本相符。要考慮的額外因素是，由于有限元模擬計算中沒有考慮在實際情況下的容積損失情況，所以計算結果略高于實際工況下水泵的揚程值［6］。此外，更多水泵仿真性能數據可以通過仿真模型獲得，方便實驗對比分析。

3　水泵性能測試分析

經設計制造（水泵樣機如圖5所示），針對某編號的新捷達汽車水泵進行性能測試。水泵的性能試驗在富奧汽車零部件技術研發中心完成，如圖6所示。所采用的試驗臺集成度較高，在實驗臺中配有人機互動計算機軟件，用以方便簡潔地對水泵的輸入進行控制，而且對于壓力數據的提取也相當方便快捷，直接呈現在應用軟件當中。輸入的變量包括水泵轉速和流量，在水泵實驗臺輸出的是進出水口的壓力值，再經公式計算轉化為水泵的揚程、整體效率等參數指標。轉速的測定由水泵試驗臺的轉速測量儀測定，該測量儀的精度高于0.2級。水泵的流量由水泵試驗臺的渦輪流量計來測量讀取，流量計精度高于1級。

圖5　水泵樣機

表2　4000rpm轉速工況下的測試參數

表3　6000rpm轉速工況下的測試參數

根據實驗數據表2、表3以及仿真分析結果做出以下不同流量工況下的揚程和水泵總效率特性曲線（實際測試數據很多，本文僅以若干典型工況轉速為例進行分析說明），如圖7、圖8所示。其中水泵揚程隨著流量的增加均呈下降趨勢，而水泵效率隨著流量的增加均呈增加趨勢；隨著水泵轉速的增加揚程增加明顯，但效率變化不大。

圖7　轉速RPM=4000工況下的流量-揚程及流量-效率曲線圖

圖8　轉速RPM=6000工況下的流量-揚程及流量-效率曲線圖

通過測試、計算和對比分析，在不同轉速、不同流量工況條件下對水泵的揚程以及效率等性能參數進行了預測。由以上統計曲線可知通過流體動力學仿真計算分析獲得的總體數值以及變化規律基本與水泵試驗臺得到的真實驗數值相近，因此驗證了水泵有限元內流場分析模型仿真計算結果的正確性以及參數范圍允許的準確性。分析所出現的數據偏差極有可能跟有限元模型的簡化，以及仿真分析與實際測試時邊界條件的不完全對應等因素有關，但可以根據用戶的使用反饋再通過軟件建模的深入細化進行改善。

4　結論

通過對新捷達汽車水泵內流場的仿真分析，直觀而有效地分析了水泵工作的內流場速度和壓力分布情況，通過計算分析和試驗對比獲得了水泵流量與水泵揚程、效率之間的影響關系。驗證了所建新捷達汽車水泵內流場仿真分析模型的有效性，實現了對新捷達水泵進行性能分析的目的，為該水泵及同類產品的設計、制造、維護提供了有效手段。

［1］ 陳元華，唐學.基于CFD技術的柴油機水流分配器計算分析［J］.制造業與自動化，2013，35（3）:136-138.

［2］ 劉琦.基于CFD的離心泵整機流場數值模擬［D］.吉林大學，2008.

［3］ 侯獻軍，金雪，劉志恩，顏伏伍，袁守利.基于Fluent的車用冷卻水泵內流場分析及改進［A］.武漢:湖北省內燃機學會2009年學術年會［C］.2009，6.

［4］ 丁靜波，寇子明，王賢輝.基于FLUENT的礦用多功能水泵聯動閥流場仿真分析［J］.煤礦機械，2012，40（3）:60-63.

［5］ Goto Akira， Nohmi Motohiko， Sakurai Takaki， Hydrodynamic design system for pumps based Oil 3-D CAD，CFD and inverse design method［J］.Transactions of the ASME，2002，124（2）:329-335.

［6］ 王瑞金.FLUENT技術基礎與應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［7］ 劉小平，郭蘭，顧維東.CFD的水泵數值分析［J］.汽車工程師，2010（4）:21-24.

［8］ 李彥軍，黃良勇，袁壽其，嚴登豐.大型泵與泵裝置效率特性預測理論分析［J］.農業機械學報，2009（01）:44-49.

Simulation analysis of inner flow field and performance testing of new JETTA automobile water pump

SHI Guang-feng1，LIN Feng2，XING Yun-fei3，SHEN Dong-ping4

TH164

A

1009-0134（2016）09-0027-04

2016-05-03

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（201560）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，研究方向為先進制造技術。