汽车水泵的数值模拟及性能预测研究

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目前 ，汽车发动机广泛采用离心式水泵作为其冷却系统强制循环的主要部件。随着发动机结构的不断改进，部件的工作空间更受限制，对水泵的工作性能及紧凑性要求也 日益严格。与普通离心泵相比，汽车水泵更注重可靠性以及环境影响等方面要求，并追求在满足流量和扬程的前提下，具有较大的转速、旧能小的体积。这些特点使得汽车水泵中的流动比-般离心泵中的流动更为复杂、性能更加难以预测 J。

根据不同的划分条件，汽车水泵的叶轮有前弯、后弯，开式、半开式和闭式之分。除叶轮外的其它部件结构也有区别，可以针对发动机空间的限制采用不同的结构。如进水室有经过弯管道直接进入叶轮的，也有特殊的环形结构，需经过周向流动后才能进入叶轮；对于蜗壳结构，有梯形截面，也有矩形截面，有等高的，还有高度渐变的。在进行数值模拟时综合考虑多种汽车水泵的结构形式，并分别计算、比较其水力损失，为选择合理的结构形式做出指导，从而能够较全面地进行汽车水泵的性能2012年 11月 28日收到第-作者简介：刘 静(1988-)，女，江苏淮安人，硕士在读，研究方向：流体机械。E-mail：liunijing###163.tom。

1 数值模拟1.1 几何模型针对汽车水泵外形的特殊性，选取了结构上有代表 的三个汽车水泵模型进行水力学分析。其三维图和结构特点如表 1所示，具体的性能参数见表2。

1.2 模型网格划分从泵的三维模型可以看出各个计算模型的进水室、叶轮和蜗壳等部件结构复杂，各部件之间的流动又会相互影响，所以泵中流动情况更为复杂。

如果分开对各部件进行 CFD计算 ，不考虑各部件之间的相互影响，计算得到的流场必然会大大偏离实际流场，为此现采用整体计算的方法〖虑到三个泵模型的出口部分均为圆形管或长方体，结构比较简单，所以采用结构化网格；而蜗壳、叶轮及进水室形式比较复杂，故采用适应性较强的非结构化网格进行划分，并且对叶轮进口、蜗舌等流动变化剧烈的地方进行网格加密。

1.3 CFD计算设置流动介质为2个大气压，80 c下的水，密度P971.8 kg/m ，动力黏度系数 3.57 X 10～kg/m·S)。为方便求解作如下基本假设：流体是不可压缩的，流体在流场中绝热流动，叶轮人口流体流动均匀 ]。

2960 科 学 技 术 与 工 程 13卷冰、 褥较流量系数/0 0010 5 l0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0流量系数 /0 001图 1 汽车水泵性能曲线图转数，具有很好的代表性，基于水泵的相似理论，在水泵选型时，可以根据某-水泵具体的性能曲线来借鉴这三种水泵的结构形式。

与传统水泵相比，汽车水泵的扬程、效率偏低 ，考虑到其结构受限，不能按照常规的水泵设计方法选择各部件结构，所以有必要根据其特有的结构形式进行水力分析。

3 水力损失3.1 各部件水力损失计算方法通常分析离心式水泵损失时主要考虑机械损失、水力损失和容积损失。到 目前为止，还不能从理论上精确计算泵内的各种损失，尤其是水力损失的估算更为困难。离心泵的水力损失-般由进水室、叶轮、蜗壳、出口管四个部件的水力损失组成。

由于泵内流动过于复杂，很难精确地计算各个部件的水力损失，通常都是针对-个或者多个泵进行研究，并通过理论分析结合经验修正来计算各项损失 ，各部件的水力损失公式见表3。

表3 各部件的水力损失公式部件名称 水力损失公式 说明进水室叶轮蜗壳出口管为进水室水力损失系数； 为进水室出口平均速度f2为叶轮流道水力损失系数； 2为叶轮出口相对速度为蜗壳水力损失系数； 为蜗壳内的平均速度为出口管水力损失系数； 为出口管 出口平均谏度3.2 各部件水力损失系数的回归分析利用数值计算结果对各部件损失模型进行回归分析，对于进水室、蜗壳、出口管这些静止部件，将损失系数与雷诺数进行拟合，由于叶轮是转动部件，将损失系数与比转数进行拟合，从而得到水力损失系数的表达式及其参数大小，具体见表4。

表4 各部件损失系数的表达式及参数吆 嵋1 2 3 4 ，5 ， ，， ， l fl1 2 3 4△ △ △ △11期 刘 静，等：汽车水泵的数值模拟及性能预测研究 2961这三个模型泵中同-部件水力损失的回归表达式对应的数据分布如图2所示。

署j . -- 、 i- 嬲njlOO(b)0：的拟合曲线O 1 2 3 4 5 6 7蜗壳出U Re/105(C)0 的拟合曲线l 2 3 4 5 6出口段出口Re/lO(d)0 的拟合曲线图 2 各部件损失系数的拟合曲线为了研究泵中各部件不同结构形式对水力损失的影响，结合各部件损失系数的拟合曲线进行对比分析。在图2中，进水室部分，三个泵的拟合曲线都符合三次方程形式。只有 2号泵，当Re>350 000时水力损失系数为-定值，这是环形管存在缺口所致。1号泵、3号泵的曲线走势基本相同，不同在于1号泵结构简单、损失系数较小且曲线过渡平缓；3号泵由于采用 了圆形管和环形管结构，损失系数较大。

叶轮部分，三个泵的拟合 曲线走势基本相同，都符合幂函数形式。但三个泵的水力损失系数变化范围不同，这是由它们各自的比转数大婿定的。

蜗壳部分，三个泵的总体走势均符合二次方程形式，水力损失系数随着 e的增大而减小，但在150 000

出口管部分，3个泵的拟合 曲线均符合幂函数形式。2号泵的水力损失系数最小，因为其出口与蜗壳过渡平滑；3号泵的出口段采用了长方体结构，在流动中的沿程损失比圆形管大，水力损失系数也相对较大。

4 不同水泵的同部件流场分析如图3-图 5所示，其中总压参数的参考压力为所分析截面的平均压力。

4.1 各泵进水室流场分析1号泵采用两圆管串联形式，结构简单。图 3中，整个进水室压力分布均匀，仅在两圆管连接处靠近叶轮进 口小部分区域出现比较明显的压降，总体水力损失很校2号泵采用圆管与环形管形式，