基于ANSYS CFX的冷卻水泵流體試驗及數據分析

馮天昱

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽110159）

基于ANSYS CFX的冷卻水泵流體試驗及數據分析

馮天昱

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽110159）

冷卻水泵是發動機閉式冷卻循環系統中的重要部件，而擬使冷卻水泵達到更高的效率和更好的輸水量，需要研究冷卻水泵的結構參數變化對特性的影響以及如何調整才能達到預想的效果，采用ANSYS CFX對不同結構的冷卻水泵進行流場分析來獲取相應數據來進行對比分析。

冷卻水泵；出水管；流場分析；ANSYS CFX

0 前言

冷卻水泵[1]是發動機閉式冷卻循環系統中的重要部件，它的好壞決定發動機的經濟性、動力性和可靠性，冷卻液的出水量主要影響冷卻水泵的工作效率，從而影響發動機的整體性能[2]，冷卻水泵的效率、功率也都是依靠出水量大小來確定，因此水泵出水量的確定是至關重要的。在水泵結構參數中管道長度會影響出水量大小，因此本文用ANSYS CFX[3]軟件來分析出水管道不同長度對冷卻水泵流體分布狀態的影響規律。

1 冷卻水泵外特性參數

通過CFX流場分析數值計算可以得到冷卻水泵的外特性參數，主要參數[4]有揚程H、軸功率P和效率η.

揚程計算公式為：

式中：Pout、Pin為冷卻水泵的進出口壓力（Pa）；△h為進出口端面高度差（m）；ρ為液體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）.

軸功率計算公式為：

冷卻系統有效輸出功率為Pe=ρgQH，因此效率η的計算公式：

2 流場仿真分析

2.1 舊蝸殼冷卻水泵的流場分析

冷卻水泵為鑄鐵材料，葉輪[5]主要也是鑄鐵材料，表面涂防水，防銹，防高溫漆，泵軸采用45號錳鋼，葉輪外徑為81 mm，出口寬度為14 mm，葉片為開式，葉片數為6片，葉片包角φ為85°～110°.

設定冷卻水泵在轉速2500 r/min，靜態溫度為288 K，環境大氣壓 100 000 Pa，水溫恒溫為 25°，設定流體時使用湍流狀態，其他參數[6]不變，只改變出水管的長度，來對比分析結果。選取水泵的進口體積流量為 50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min、90 L/min和100 L/min 6個不同的流場進行數值分析計算，每個數據點都要經過幾次重復的試驗，并取個平均值來進行正確分析，經過流場分析仿真出舊渦殼冷卻水泵的靜壓力和速度矢量圖如圖1和圖2所示。

圖1 舊蝸殼靜壓力矢量圖

圖2 舊蝸殼速度矢量圖

從上表1中數據可以分析出，揚程逐漸減少，而軸承功率增大，當流量70 L/min時效率最高。當冷卻液進入冷卻水泵后，由于葉輪的高速運轉，冷卻液進入蝸殼時會有很大的沖擊，因此在葉輪的出口處靜壓力較大，而繼續上升的過程中動力能變為壓力能，但由于一些管道摩擦阻力會影響出口處的壓力平穩，靠近管道壁處壓力較小，出現壓力分散的現象，液體進入冷卻水泵時速度較低，流動均勻，當接觸葉輪后，經過高速運轉，進入蝸殼后，速度逐漸增加。

表1 舊蝸殼冷卻水泵外特性參數

2.2 新蝸殼冷卻水泵的流場分析

當冷卻水泵的出水管長度縮短為15 mm，其他參數不變，得出新渦殼冷卻水泵的靜壓力和速度矢量圖如圖3和圖4所示。

圖3 新蝸殼靜壓力矢量圖

圖4 新蝸殼靜壓力和速度矢量

通過表2中數據可以分析出，新蝸殼冷卻水泵的軸功率幾乎不變，揚程和效率的變化規律也沒有明顯改變。將新舊蝸殼冷卻水泵的外特性進行對比分析得出，在不考慮管道的摩擦阻力和泵的損耗的情況下，短的出水管在出口處比相對較長的壓力小，導致壓力差變小，揚程變小，出水量多，但效率會有所降低，因此，在實際設計中，為了有更好效率，揚程也達到適中，出口管道會有很大的影響，適當高度的管道會使出水量更多，出口平穩，出口壓力更均勻。

表2 新蝸殼冷卻水泵外特性參數

實驗結果與數值計算結果雖然在數值上存在一定的誤差，主要原因是數值計算時對模型進行了一系列假設，模型的精度難以保證，同時也忽略了部分進出口結構裝置所造成的能量損失帶來的影響。但是，數值計算結果與實驗數據整體變化趨勢一致。新蝸殼冷卻水泵揚程上有所減少，效率下降，但出水量有所增高，揚程和流量是成反比的。

3 結束語

在研究冷卻水泵過程中，還需要考慮葉輪的葉片包角，出口管徑的大小等，這些也都會影響冷卻水泵的揚程、功率、效率和出水量等特性。為了更好地設計出一個冷卻水泵，這些因素都要考慮，而本文只選了一個因素來研究對冷卻水泵特性的影響。

[1]Cho H，Jung D，Filipi Z S，et al.Application of Controllable Electric Coolant Pump for Fuel Economy and Cooling Perfor mance Improvement[J].Journal of Engineering for Gas Tur bines&Power，2004，129（1）：43-50.

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]吳 杰.汽車發動機冷卻系統水泵設計及流場仿真分析[D].重慶：重慶大學，2013.

[4]金樹德，陳次昌.現代水泵設計方法[M].北京：兵器工業出版社，1993.

[5]佘 翔.基于AMESim的汽車發動機冷卻系統仿真分析[D].西安：長安大學，2014.

[6]金樹德，陳次昌.現代水泵設計方法[M].北京：兵器工業出版社，1993.

Fluid Test and Data Analysis of the Cooling Water Pump

FENG Tian-yu
（Shenyang Ligong University School of Automobile and Transportation，Shenyang Liaoning 110159，China）

Cooling water pump is an important part of closed cooling cycle system of engine，quantity of water make the cooling water pump to achieve higher efficiency and better，need to study the changes of structure parameters of cooling water pump on the influence of characteristics and how to adjust to achieve the desired effect，the ANSYS CFX for flow field of cooling water pump of different structures to obtain the corresponding data for comparative analysis.

cooling water pump；outlet pipe；flow field analysis；ANSYS CFX

TH311

A

1672-545X（2017）10-0026-02

2017-07-05

馮天昱（1992-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向：車輛結構分析與安全性。