基于STAR-CCM+的汽車發動機冷卻水泵葉輪流場仿真及優化

蔡少波

（溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

冷卻水泵是汽車發動機冷卻系統的心臟，其作用是提高循環系統中冷卻液的工作壓力，維持汽車發動機相關部件的冷卻液循環，防止汽車發動機運行溫度過高[1]。常用汽車發動機冷卻水泵為葉輪式離心泵，葉輪是冷卻水泵工作的核心，通過帶輪及轉軸帶動其旋轉，在葉片的作用下，葉輪中液體隨葉輪旋轉作牽連運動，并在葉片的驅駛下不斷地從旋轉著的葉輪中甩出，即相對葉輪的運動。因此，葉輪的外徑大小，葉輪葉片的高低及角度，以及與冷卻水泵殼體的間隙，直接影響著冷卻水泵的性能。

隨著汽車技術的不斷發展，現有汽車發動機冷卻水泵常常不能滿足其高負荷工作時的散熱需求。本文針對某型汽車發動機冷卻水泵在強散熱工況下出現水量不足、水箱開鍋的情況，通過冷卻水泵葉輪流場仿真分析和葉輪的改進設計，以期提高冷卻水泵的冷卻性能，更好地滿足冷卻系統散熱。

1 結構模型簡化

普通汽車發動機冷卻水泵葉輪結構類型眾多，典型結構有帶框式、傾斜式、直葉式等[2]，如圖1所示。本文研究汽車發動機帶框式葉輪，設計額定轉速4 500rpm、額定流量60L/min、揚程15m、外徑60.5mm、高23.5mm、8葉片周布。

圖1 典型汽車發動機冷卻水泵葉型結構模型

由于汽車發動機冷卻水泵安裝于發動機機體側邊，其外殼體集成于機體內部，與機體共同組成發動機冷卻系中的冷卻水道。汽車發動機冷卻水道縱橫交錯，與冷卻水泵共同作用部位尤其復雜。在實際流場仿真過程中，鑒于復雜的外殼結構對葉輪工作狀態的分析并無實質影響，唯一決定流量、壓力的是內壁狀態，因而將復雜的冷卻水泵流道簡化成足夠長的進、出口通道[3]（見圖2），一方面便于獲得高質量的網格，另一方面也減輕計算機的計算能力需求，提高分析效率。

圖2 汽車發動機冷卻水泵葉輪流道簡化模型

2 葉輪網格劃分

整合冷卻水泵流道、水泵葉輪模型[4]，在ANSA軟件中合理簡化和幾何清理后進行網格劃分，建立相應的有限元模型。其中，管道鑄件主要采用三角形網格最優化劃分，網格尺寸3mm；冷卻水泵葉輪連接位置尺寸較小，因而采用混合單元尺寸，微小過渡處選用1mm、其余區域選用2～3mm劃分，用二階最優過度計算劃分葉輪區域，保證分析精度和計算效率；大圓柱端為模型進口（Inlet），小圓柱端為模型出口（Outlet），四周為壁面網格（Wall）；冷卻水泵葉輪和通道模型搭接處共用網格，總體有限元模型面網格劃分共計29 671個節點、59 370個單元。

將ANSA文件導出至STAR-CCM+軟件中進行網格檢查，調整不合格的網格，確保后續生成體網格的質量。設置Water和Fan 2個區域的邊界網格組，指定Water的網格類型為多面體網格，邊緣棱柱層厚度1.5mm、增長率1.2%、層數3層；指定Fan的網格類型為薄體多邊棱柱體，層數3層。同時運行計算生成體網格，并將關聯體網格至指定區域，總體分析模型體網格劃分（計207 850個單元），如圖3～圖4所示。

圖3 汽車發動機冷卻水泵葉輪網格劃分

圖4 汽車發動機冷卻水泵管道模型網格劃分

3 仿真分析

3.1 仿真設定

由冷卻水泵實際工作情況可知，冷卻水在通道內的運動可近似成不可壓縮的粘性湍流流動，控制方程選用雷諾平均N-S方程，可較為準確地描述該運動，利用標準K-Epsilon湍流模型可模擬冷卻水泵計算區域的三維湍流[5]，進而獲得較為準確的冷卻水泵內流場性能參數分布情況。

模型的進口采用速度入口，出口采用壓力（常壓）出口。葉輪轉動Fan區域的模型選擇三維定常恒密度模型，同時選用單元質量校正和分離固體能量模型，并設置該區域網格為動網格，指定其坐標系為基于葉輪中心圓孔建立的圓柱坐標系，在計算過程中定義驅動轉速為4 500rpm；冷卻水流動Water區域的模型選擇三維定常恒密度模型，同時選用單元質量校正、分離流體溫度和精確壁面距離模型，以改善計算精度。

3.2 仿真結果分析

指定所需監控位置視窗，設置模型迭代參數，計算迭代至收斂后，可獲得主要仿真結果。

（1）靜壓分布。汽車發動機冷卻水泵葉輪表面靜壓分布如圖5所示。在該工況下，冷卻水泵葉輪總體工作時葉輪和外框上邊緣受力較大，對結構強度要求較高；側邊通道導流處葉片表面靜壓力最大，達136.07KPa。

圖5 汽車發動機冷卻水泵葉輪表面靜壓分布

根據簡化揚程H的計算公式[6]：

其中，Pout, Pin分別為進口、出口處流體的平均壓力（Pa）；ρ為水的密度，取971.8kg/m3；g為重力加速度，取9.8m/s2。截取進口、出口壓力可求得該模型揚程H0約為16.03m。

（2）速度分布。汽車發動機冷卻水泵流場在Z=5mm截斷面的速度分布如圖6所示。在該工況下，通道中的冷卻水經冷卻水泵葉輪加壓后，急速流出，在出口中段達到最大流速13.13m/s。

圖6 汽車發動機冷卻水泵流場在Z=5mm截斷面的速度分布

根據質量流量Q與流速V的換算公式：

其中，V為出口截面流速（m/s），S為出口截面積（m2）。截取出口流速可求得該模型質量流量Q0約為61.79L/min。

綜合分析可知，冷卻水泵葉輪工作時，冷卻水在經過冷卻水泵葉輪導流加壓后，沿其流道快速流出，在出口段形成局部負壓，會有部分渦流產生，同時靠外側冷卻水與管道相對速度高，摩擦損失過大，導致發動機在強發熱工況下，冷卻水循環流量不足，不能滿足實際使用要求。

4 結構優化設計

4.1 建立模型

由于汽車發動機冷卻水泵流場出口段負壓區過大，管道摩擦損失大，不利于冷卻水快速流通，同時幾何參數不同的葉輪，其結構強度及氣動性能表現完全不同[7]。以原型葉輪為基礎，建立葉型前傾15度、葉片數不同的改型葉輪數模，其參數見表1。

表1 改型葉輪數模參數

4.2 計算分析

按上述步驟對改進的模型再次進行仿真計算，獲得具體流場參數。汽車發動機冷卻水泵葉輪Type-3在Z=5mm截斷面的速度分布如圖7所示，改型葉輪模型仿真計算結果見表2。

圖7 汽車發動機冷卻水泵葉輪Type-3在Z=5mm截斷面的速度分布

表2 改型葉輪模型仿真計算結果

由表2可知，與原型葉輪相比，葉輪Type-2在保證原冷卻性能的前提下，單件葉輪體積減少76.14mm3，節約生產制造成本；葉輪Type-3在Z=5mm截斷面的速度分布顯示，出口段局部負壓區域面積減小，管道中間高速流動液體更加集中，其計算流量和揚程均有上升，可為系統提供更多的冷卻水，適用于更為復雜的汽車發動機冷卻工況。

5 結束語

本文通過對汽車發動機冷卻水泵葉輪進行流場仿真，求解計算獲得其相關性能參數，找出葉輪結構對其性能的影響規律，并對其結構進行改進。仿真結果表明，葉輪在工作時產生的局部渦流和通道壁面大摩擦損耗會引起冷卻水泵冷卻性能下降；8葉前傾改型葉輪能改善流道通流條件，以滿足汽車發動機的強發熱工況。同時了解流場相關規律可大幅縮短冷卻水泵葉輪設計周期，降低研發成本，對企業實際產品的結構設計優化有一定的指導意義。

[1] 陳家瑞.汽車構造：上冊[M].3版.北京：機械工業出版社，2009：239-240.

[2] 李維強，李偉，施衛東，等.汽車發動機冷卻水泵的研究進展[J].排灌機械工程學報，2016（1）：9-17.

[3] 劉婷婷，王彤，楊波，等.汽車水泵性能三維數值模擬及結構改進[J].工程熱物理學報，2009（6）：961-963．

[4] 張婷婷，袁壽其，劉建瑞，等.汽車冷卻水泵葉輪多參數對其外特性影響分析[J].汽車工程學報，2013（2）：100-105．

[5] 吳杰，唐倩，張元勛，等.基于CFD的汽車冷卻系統水泵葉輪設計與實驗[J].機械研究與應用，2013（2）：89-91．

[6] 薛黨勤.汽車冷卻水泵優化設計及汽蝕振動特性研究[D].北京：中國農業大學工學院，2015.

[7] 陳山，楊策，楊長茂，等.幾何參數對離心葉輪強度和氣動性能影響的研究[J].流體機械，2012（3）：21-26.