不同葉輪形式對(duì)汽車?yán)鋮s水泵性能的影響

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的其應(yīng)用環(huán)境比較特殊，作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部件之一，其工作效果將直接影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果

。冷卻系統(tǒng)顧名思義，指的是維持發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度環(huán)境正常的工作系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)能夠帶走引擎因燃燒所產(chǎn)生的熱量，將引擎溫度控制在合理范圍之內(nèi)。根據(jù)冷卻方式的不同，市面上常用的發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為兩種類型，分別是氣冷式及水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)取得的冷卻效果如何，直接取決于水泵的工作性能。目前國(guó)內(nèi)部分發(fā)動(dòng)機(jī)水泵生產(chǎn)加工企業(yè)，并未冷卻水泵的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中跟隨時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，沒(méi)有及時(shí)更新設(shè)計(jì)理念、方法。設(shè)計(jì)要點(diǎn)依然局限在壽命、可靠性和成本上，在一定程度上忽視了對(duì)水泵效率的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致汽車水泵工作效率不能達(dá)到用戶的預(yù)期，這一問(wèn)題亟待改進(jìn)。

③ 王燕晶.“中國(guó)風(fēng)”歌曲流行現(xiàn)狀及其在對(duì)外漢語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川:四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版第26卷第5期,2011.

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵與葉輪概述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵，實(shí)際設(shè)計(jì)、安裝的整套流程，會(huì)被安裝空間所限制。為了在有限的環(huán)境內(nèi)充分發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的性能，設(shè)計(jì)出了體積小、制作簡(jiǎn)便，利于批量生產(chǎn)等發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵

。冷卻水泵包含泵體、葉輪、軸連軸承、水封、皮帶輪等部件。其中，葉輪屬于核心功能部件的范疇，葉輪的規(guī)格參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)冷卻水泵性能將產(chǎn)生直接且深遠(yuǎn)的影響

。冷卻水泵的葉輪有蓋板的被稱為開(kāi)式葉輪，無(wú)蓋板的被稱為閉式葉輪。另外根據(jù)分類方式的不同，還有鑄鐵葉輪、沖壓葉輪、塑料葉輪、直葉片葉輪、單曲率葉片葉輪、空間扭曲形葉片葉輪等等

。目前國(guó)內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的葉輪設(shè)計(jì)中，開(kāi)始向國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)企業(yè)學(xué)習(xí)新技術(shù)，塑料葉輪的設(shè)計(jì)逐步落地。冷卻液既能隨葉輪旋轉(zhuǎn)，又能在同一時(shí)間從轉(zhuǎn)動(dòng)著的葉輪中流出

。

根據(jù)以上內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵中的葉輪使用的哪一種設(shè)計(jì)形式，當(dāng)葉輪葉片處于工作狀態(tài)時(shí)，都會(huì)給內(nèi)部液體帶來(lái)一定量的阻力，首次影響水泵工作效率就會(huì)降低

。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵中使用開(kāi)式的葉輪，主要優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成型制造便捷；開(kāi)式的葉輪應(yīng)用不足在于對(duì)殼體配合讀有著較高的要求，在其應(yīng)用后大大增加了泵體流道表面加工、水泵總成裝配的精度，工作難度有所提升

。同時(shí)這種的葉輪結(jié)構(gòu)工作效率相對(duì)較低，可能會(huì)造成能源及經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)。目前扭曲葉片葉輪在工業(yè)用泵領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)有優(yōu)勢(shì)在工業(yè)用泵領(lǐng)域也已得到廣泛肯定

。但在汽車水泵葉輪的設(shè)計(jì)方面，較少會(huì)用到扭曲葉片葉輪，更多采用圓柱形葉片葉輪。這是因?yàn)榕で~片葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸較小，葉輪成型困難。為了更好的達(dá)成汽車節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)，可以對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響進(jìn)行分析，從新材料的應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面提升車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵節(jié)能效果

。

2 不同葉輪形式對(duì)汽車?yán)鋮s水泵性能的影響分析

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

模型建立：研究中將某型汽車水泵作為研究對(duì)象。工作參數(shù)調(diào)整完全符合設(shè)備使用需求的前提下，設(shè)計(jì)開(kāi)式和閉式 葉供冷卻水泵使用，構(gòu)建出兩種葉輪零件的立體模型。葉輪零件三維模型如圖1所示。得出葉輪零件的立體模型后，即可得出計(jì)算區(qū)域模型。區(qū)域由進(jìn)口、葉輪、蝸殼及出口這四大部分構(gòu)成。其中關(guān)鍵零部件蝸殼，以及葉輪水體的模型如圖2所示。為更快得出更精準(zhǔn)的研究計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)口部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為圓柱形。為提升對(duì)比計(jì)算的精準(zhǔn)度，研究中適當(dāng)延長(zhǎng)了出口部分的水體長(zhǎng)度。裝配模型如圖3所示。構(gòu)建出清晰明確的模型圖，創(chuàng)造了豐富的計(jì)算對(duì)比有利條件，有助于提升后續(xù)工作效率，提升后續(xù)工作成果。在進(jìn)行汽車水泵的內(nèi)部流場(chǎng)的CFD計(jì)算的準(zhǔn)備工作中，需要進(jìn)行計(jì)算區(qū)域離散化，將設(shè)計(jì)完備的計(jì)算模型導(dǎo)入軟件，完成網(wǎng)格劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格邊是能夠持續(xù)性保持正交性的，因此其延展比的實(shí)際控制難度并不高，也很容易生成自適應(yīng)網(wǎng)格，這樣的優(yōu)勢(shì)條件給計(jì)算精度的提升創(chuàng)造了充足的便捷條件

。

內(nèi)流場(chǎng)對(duì)比分析：數(shù)據(jù)計(jì)算完成后，將結(jié)果整理分析水泵中截面上的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)比兩種葉輪水泵設(shè)計(jì)在內(nèi)部流態(tài)的優(yōu)劣。以圖像的形式表現(xiàn)出水泵中截面靜壓分布，將為對(duì)比閉式和開(kāi)式葉輪設(shè)計(jì)對(duì)水泵性能的影響增加真實(shí)性數(shù)據(jù)，觀察更清晰，結(jié)果更精確。對(duì)比分析發(fā)動(dòng)機(jī)水泵中截面靜壓分布云圖像特征，發(fā)現(xiàn)兩種葉輪設(shè)計(jì)下，從進(jìn)口到出口的過(guò)程中，葉輪結(jié)構(gòu)承受的壓力都逐漸增加。冷卻水進(jìn)入泵體后，擴(kuò)散過(guò)程中其動(dòng)能被逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，受黏性流體和慣性力作用，半徑增大，壓力增大。進(jìn)口位置受此影響易出現(xiàn)低壓區(qū)，易被汽蝕。經(jīng)研究對(duì)比，閉式葉輪入口處有較為顯著的低壓區(qū)，這也表明閉式葉設(shè)計(jì)有助于改善水泵汽蝕性能。

邊界條件設(shè)置：根據(jù)既往相關(guān)研究結(jié)果顯示，用 CFD方法對(duì)比不同流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的工作情況意義重要。這種研究方式經(jīng)多次實(shí)踐，證實(shí)結(jié)果真實(shí)、可靠。數(shù)據(jù)結(jié)果可以作為研究流體機(jī)械工作情況，探究流體機(jī)械改進(jìn)方式的重要依據(jù)。本次研究中，設(shè)計(jì)開(kāi)式和閉式 葉供冷卻水泵使用，構(gòu)建出兩種葉輪零件的立體模型。對(duì)兩組模型分別進(jìn)行了全流場(chǎng)三維數(shù)值的計(jì)算。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為太古界太華群、中元古界長(zhǎng)城系熊耳群、薊縣系高山河群、新元古界官道口群、中生界白堊系、新生界古近系、新近系和第四系等，其中太古界太華群在區(qū)域北部出露，構(gòu)成本區(qū)古老的結(jié)晶基底，主要由一套變質(zhì)達(dá)角閃巖相的中深變質(zhì)巖及少量混合巖組成，為本區(qū)金礦物質(zhì)的主要來(lái)源之一。

外特性對(duì)比分析：數(shù)據(jù)計(jì)算完成后，將結(jié)果整理得到汽車水泵的流量-效率曲線和流量-揚(yáng)程曲線，以此直觀地表現(xiàn)出數(shù)值模擬結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)式葉輪水泵設(shè)計(jì)在額定工況下的揚(yáng)程較高，對(duì)比閉式葉輪水泵設(shè)計(jì)的工作效率，開(kāi)式葉輪水泵設(shè)計(jì)效率顯著較低。對(duì)比閉式葉輪水泵設(shè)計(jì)的功率，開(kāi)式葉輪水泵設(shè)計(jì)消耗功率顯著較高。據(jù)此判斷閉式葉輪在工作效率、功率消耗方面的優(yōu)勢(shì)較為顯著。

④與Ⅱ?qū)Ρ?得出的結(jié)論(寫出兩點(diǎn)):____。定向移動(dòng)”和“電極反應(yīng)生成H+、OH-”兩個(gè)因素影響,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,電極反應(yīng)比離子定向遷移速率明顯要快,所以電極反應(yīng)對(duì)電極附近pH的影響是主要因素

為觀察水泵內(nèi)部流態(tài)，研究截取水泵中截面流線。發(fā)現(xiàn)開(kāi)式葉輪截面流線內(nèi)部存在明顯的漩渦和回流，而葉輪內(nèi)部回流會(huì)降低離心泵性能。這是因?yàn)殇鰷u的出現(xiàn)會(huì)損耗水泵工作中的能量，嚴(yán)重時(shí)其引發(fā)的噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重影響冷卻水泵工作狀態(tài)。觀察水泵中截面流線，發(fā)現(xiàn)閉式葉輪內(nèi)部流動(dòng)更順暢，回流問(wèn)題極少出現(xiàn)，在流動(dòng)狀況上的優(yōu)勢(shì)較為顯著。

分析兩種模型中截面的湍動(dòng)能分布，發(fā)現(xiàn)湍動(dòng)程度可反映湍流脈動(dòng)程度。對(duì)比兩種葉輪水泵設(shè)計(jì)在湍動(dòng)能分布方面的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)開(kāi)式葉輪內(nèi)部存在明確的流動(dòng)紊亂問(wèn)題，葉輪內(nèi)部湍動(dòng)能較大，受擾動(dòng)影響損失了較大流動(dòng)能。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪無(wú)明顯流動(dòng)紊亂問(wèn)題，湍動(dòng)能較小

。結(jié)合水泵中截面靜壓分布，發(fā)現(xiàn)閉式葉輪獲得的壓升顯著較高，而需要的輸入功率較低，水力效率較高，對(duì)比開(kāi)式葉輪在節(jié)省能量方面優(yōu)勢(shì)明顯。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)閉式葉輪水泵設(shè)計(jì)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬可行性。流量-揚(yáng)程曲線、流量-效率曲線分別如圖4、5所示。觀察流量-揚(yáng)程曲線，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近，研究計(jì)算得到的揚(yáng)程數(shù)值，同樣機(jī)模擬試驗(yàn)得到的揚(yáng)程數(shù)值，兩者基本符合。小流量工況點(diǎn)處，研究計(jì)算得到的揚(yáng)程數(shù)值數(shù)值偏小，大流量工況點(diǎn)數(shù)值偏差則相反。觀察流流量-效率曲線如，發(fā)現(xiàn)在大流量工況點(diǎn)，效率計(jì)算數(shù)值偏大，數(shù)值偏差與流量增長(zhǎng)間的正相關(guān)關(guān)系明顯。在小流量工況點(diǎn)，效率計(jì)算結(jié)果同樣機(jī)模擬試驗(yàn)得到的數(shù)值，兩者基本符合。盡管試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在偏差無(wú)法避免，但通過(guò)觀察變化趨勢(shì)，依然可以得出相符合的結(jié)論，模擬結(jié)果可靠性高、真實(shí)有效，為水泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。上述研究中使用的CFD 計(jì)算對(duì)水泵工作性能影響因素的考慮并不足夠充分，汽車?yán)鋮s水泵在實(shí)際運(yùn)行中。設(shè)備面臨的細(xì)節(jié)問(wèn)題只會(huì)是更加復(fù)雜的。上面對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果的分析為不同葉輪形式對(duì)汽車?yán)鋮s水泵性能的影響提供了參考。

3 結(jié)論

以某型汽車水泵為研究對(duì)象，選用開(kāi)式和閉式的葉輪，對(duì)比使用性能。依靠Fluent軟件提供模擬技術(shù)支持，構(gòu)建了葉輪內(nèi)部流動(dòng)的立體化的模型。在全流場(chǎng)三維數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了閉式葉輪的工作性能。數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵采用閉式葉輪設(shè)計(jì)，在水力效率、汽蝕性能、流動(dòng)穩(wěn)定流暢性方面優(yōu)勢(shì)較大。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)閉式葉輪水泵設(shè)計(jì)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬可行性。盡管試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在偏差無(wú)法避免，但通過(guò)觀察變化趨勢(shì)，依然可以得出相符合的結(jié)論，模擬結(jié)果可靠性高、真實(shí)有效，為水泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵性能將受到葉輪形式的直接影響。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵，采用閉式葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)顯著。葉輪結(jié)構(gòu)形式對(duì)水泵效率具有舉足輕重的作用。通過(guò)分析上述內(nèi)容，可知保持汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水泵其他零件結(jié)構(gòu)不變時(shí)，將葉輪設(shè)計(jì)成閉式空間扭曲葉片，對(duì)提升冷卻水泵工作效率的幫助作用是比較突出的。但這種冷卻水泵葉輪設(shè)計(jì)形式，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足，加工制造中遇到了很多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，模具設(shè)計(jì)等工序的難度較高。因此目前絕大多數(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水泵加工企業(yè)，沒(méi)有選擇產(chǎn)出這種閉式空間扭曲葉片葉輪。隨著技術(shù)的發(fā)展以及加工制造經(jīng)驗(yàn)的積累，未來(lái)加工企業(yè)如果能獲得這種閉式空間扭曲葉片葉輪成熟的加工技術(shù)，勢(shì)必可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵葉輪設(shè)計(jì)制造的一次新突破，不斷設(shè)計(jì)調(diào)試模具，借鑒以往額葉輪模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加大方案推廣力度，提升相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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