汽车水泵效率优化研究(3)

体的流动冲击带来的负压，但水泵的进水口径因为受发动机冷却系统的边界限制，大多不能改变，此时需要对叶轮进行优化设计，如开式叶轮或半开式叶轮改进为闭式叶轮，调整结构使叶轮处于流道的合理位置等，可以提升水泵的性能和效率，同时减少冲击损失，从而使抗汽蚀能力进一步提升。3 制定优化方案3.1 叶轮优化叶轮的结构形式分为开式、半开式和闭式三种。根据不同的使用边界选择合适的结构，与流道进行匹配。根据客户的要求，尽量不改变或小的改变（如现生产基础补充加工）来实现同时满足两个系列水泵性能前提下，尽可能的提升水泵效率，降低汽蚀风险。通过理论计算，及应用CFturbo设计分析，要达到客户要求的水泵转速3400r/min下流量600L/min时，水泵扬程达到21m，叶轮直径需要122mm～134mm之间才能达到效率最优。在保持现有叶轮直径保持115mm，水泵座连接尺寸不变的前提下，水泵叶轮设计要满足现有的性能要求，水泵叶轮形线仍须采用双曲率结构的S型叶片，但叶片出口后弯曲率减小，且出口逐渐修薄，使叶片的形状更符合流体流动性能，降低水泵消耗功率；叶轮叶片的进口部位向轴中心前伸，使叶片可以较早接触液体并使液体进入叶道做功，可以有效提升水泵的性能，降低冲击损失。叶轮的叶片形线改进如图2所示。图2 叶轮改进前后形线对比叶轮结构由原来的半开式改为闭式结构，约束液体在叶轮叶道内更好的流动，可以有效提升容积效率，降低压损，轴功率下降，从而使水泵效率提升；同时水泵性能也会得到小幅的提升。3.2 总成结构布置优化对现有水泵结构详细分析，发现前期设计还有优化的空间，如改变叶轮在流道中的位置，使叶片完全处于流道中，叶轮充分做功，提升水泵的性能，叶轮优化为闭式叶轮后，修改泵座与叶轮配合的间隙，有效提升容积效率，降低损失，提升水泵效率，同时使液体流动的更平稳，从而降低汽蚀产生的概率。改进方案如图3所示。图3 结构改进前后对比4 理论仿真分析在实际应用中，设计方案确定后，需要对设计方案进行理论仿真分析，并不断进行优化，然后确定设计方案再进行试验验证，最终冻结设计方案并投入生产。对性能和汽蚀的计算主要是利用Creo进行方案设计和模型处理，然后使用Pumplink软件对流体进行仿真分析。4.1 确定计算边界根据实际试验边界，对计算边界的进水口和出水口等进行确认，如图4。图4 计算边界4.2 进行网格划分根据计算的要求，对计算边界进行网格划分，网格大小与计算精度有关，一般选择最小1mm的单元即可满足泵的流体分析要求。网格划分结果如图5所示。图5 网格划分4.3 对计算边界进行参数选定分析对象选择离心式水泵，添加湍流和空化条件。流体方程选择k-ε湍流方程，空化选择对液体施加固定的气体百分数。其中数值方法和参数为了便于工程师的参数设定，结合实际应用软件定制为默认值。在进行CFD理论分析时，根据不同的需要对流体的参数进行定义，流体根据试验情况定义为清水，介质温度为80℃，同时将此温度下的动力粘度系数、汽化压力等进行定义，水的物理性能见表1，仅摘录部分参数供参考。水泵的进口定义为压力入口，且选进口总压，定义为一个大气压，即Pa，水泵的出口定义为体积流量，输入性能指标要求的流量150L/min和64L/min时对应的转速7200r/min和3600r/min分别进行计算。表1 水的物理性质179.21 130.77 100.50 80.07 65.60 54.94 46.88 40.61 35.65 31.65 28.38温度/℃饱和蒸汽压/kPa密度/（kg/m3）粘度μx105/（Pa·s）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.6082 1.2262 2.3346 4.2474 7.3766 12.34 19.923 31.164 47.375 70.136 101.33 999.9 999.7 998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.44.4 使用pumplink对计算边界进行计算并进行后处理参数和边界选定后，设置迭代次数，即可开始自动求解。求解完成后可以对流体进行压力、流速等分别进行显示和读取数据，并使结果已云图或流场的方式显示，通过计算的结果显示可以判定出流体的稳定性，一般压力最低点应为进口部位，最高点应为出口部位，若在流体中间出现大量高压区，甚至大于出口压力，则说明流体发生了阻塞，在高压区域需要进行改进；流体域内液体的流速应从叶轮入口部位到叶轮出口部位有显著的增加，在流道扩散管道处有明显的减小趋势。通过流场分析可以观察液流在流体域的流动情况，进而分析优化，改善流场，使液体流动更顺畅。仿真计算的流场和云图结果如图6和图7所示。图6 改进前后的压力流场和轴功率对比4.5 整理计算结果对计算结

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