新捷达水泵的内流场仿真分析与性能测试

石广丰，林　峰，邢云飞，沈栋平

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130022；3.富奥汽车零部件股份有限公司研发中心，长春 130021）

制造软件

新捷达水泵的内流场仿真分析与性能测试

石广丰1，林峰2，邢云飞1，沈栋平3

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130022；3.富奥汽车零部件股份有限公司研发中心，长春 130021）

针对新捷达汽车水泵研制和后续使用过程中的性能分析，开展了对该型水泵内流场的仿真分析与性能测试工作。首先对该水泵的结构进行了三维实体建模，并通过模型导入，采用Fluent流体分析软件对不同转速和流量工况下的水泵内流场进行了数值模拟，获得了水泵内部叶轮表面的速度矢量分布和进出口的表面压力情况等，然后通过相关公式计算获得了理论扬程、效率数值。最后通过在水泵性能测试试验台上对水泵样机的测试分析，获得了相关分析结果及变化规律，验证了仿真模型的有效性，为新捷达汽车水泵的性能预测、定型制造和后续改进工作提供了有效依据，也为同类技术研究提供了参考。

新捷达；水泵；内流场；仿真分析；测试

0　引言

汽车水泵对于汽车发动机的正常工作具有重要作用。在发动机高效工作时，水泵通过循环冷却水带走缸体内聚集的大量热量，保证缸体的正常温度从而维持发动机稳定、正常地工作。水泵置于汽车前部的散热器中，由水管相连通，构成一个闭合循环系统。在缸体的出水口处，通过连接发动机上的法兰盘以及传送皮带，水泵工作运转并将水道内的热冷却液泵出，将冷冷却液泵入，最终实现热循环。在目前的汽车零部件开发过程中，为了缩短开发周期，结合仿真分析进行试验研究的方法在整个开发过程中的应用越来越多了。该方法已逐渐成为一种零部件开发过程十分必要的计算分析手段［1］。通过仿真分析所预测水泵的性能可以保证发动机在热负荷较高的情况下有良好的冷却液流动性［2］。

目前，泵体结构流体动力学仿真分析研究方面的相关报道很多［3～5］，但是研究结果往往因型而异，针对特定型号及结构的水泵进行特定分析十分重要。此外，在汽车水泵定型装车后，通过使用也会暴露出新的问题，因此如何寻求改进措施以提高其性能也显得尤为重要。本文采用有限元流体力学模拟仿真分析的方法对新捷达汽车的水泵内流场速度和压力分布等性能参数进行了相关计算和分析，为相关研究提供了依据。

1　水泵的结构组成及有限元模型

该水泵包括水泵壳、叶轮、入水口、出水口，具体结构如图1所示。其中，叶轮中的叶片为冲压件，共有7个叶片沿轴均布。水泵壳体内部为渐开线形式，壳体与叶轮之间的最小间隙为0.35mm，壳体承压面与叶片端面之间的最小间距为0.6mm，叶轮直径为64mm。该型水泵的设计指标要求在常用的2000rpm低转速工况下，流量需为24L/min，扬程需为2.42m；而在5000rpm的高转速工况下，流量需为80L/min，扬程需为11.72m。

图1　水泵的模型及结构组成

根据水泵物理模型要求，将水泵的流动区域分成两个大部分，即包含外壁的静止区域和叶轮的动态区域。使用ICEM软件分别对水泵实体模型的两个部分进行网格划分。采用非结构化的四面体网格（四面体实体单元）。为了获得更好的计算收敛性，将模型结构进行适当简化，并将水泵的大循环入口和出口分别拉伸出一段三棱柱构成的体网格。整个水泵计算模型的网格数为140万，有限元模型如图2所示。针对水泵和风机等旋转机械的特点，在Fluent流体动力学仿真软件中采用MRF（the Multiple Reference Frame Model）来求解［6］。模型设置采用定常模型、压力基求解器、隐式、标准k-ε湍流模型。根据水泵进口水流通道特点、质量守恒定律以及进水口处无大规模旋的假设定出水泵冷却介质的轴向流动速度，并假设切向和径向的速度均为0，采用速度进口条件；出口边界处选择压力出口类型。

图2　叶轮及整泵的有限元模型

水泵性能分析过程中采用标准大气压下，100℃的水和乙二醇混合液作为冷却液，其相关的物理参数如下：密度960.00kg/m3；比热容4215.9J/（kg.K）；粘度0.0002818kg/（m.s）；热传导系数0.6791W/（m.K）。

2　水泵内流场的仿真分析

针对表1中两种工况下不同流量和转速的设计需要，对水泵模型进行了相应条件下的流体动力学数值分析。图3为模拟出的工况一条件下叶轮表面及整泵的速度矢量分布，图4为叶轮及整泵的压强分布。使用同样的方法，可计算分析出工况二下的各项结果。

图3　叶轮及整泵的内流场速度矢量图

Fluent软件能够自动进行表面积分并获得一个自定义的表面积分压力值，即获得进、出口面的总压力。在水泵中，设定泵出口总压力P0out，进口总压力之差P0in，则水泵扬程H［7］：

式（1）中，ρ液体密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2。ΔZ为汽车水泵的出口与进口在垂直方向上的距离，一般对于卧式泵而言，此处值取为0。在后处理中通过仿真分析（如图4所示）获取了两种工况下的进出口表面压力的数值，如表1所示。

图4　叶轮及整泵的内流场压强分布图

表1　仿真计算表面总压力值

水泵的效率等于其有效功率和其输入轴功率之间的比值，包括机械效率为ηm，容积效率为ηv和水力效率为ηh，可由相关理论公式计算得出［8］，有式（2）：

通过计算、分析可知：1）水泵在转速2000rpm、流量24L/min工况条件下，模拟计算的水泵扬程为2.638m，接近所设计的目标扬程2.42m；2）水泵在转速5000rpm、流量80L/min工况条件下，模拟计算的水泵扬程为13.616m，接近所设计的目标扬程11.72m。可见，在两种常用工况下，该型水泵的模拟计算扬程与设计目标值基本相符。要考虑的额外因素是，由于有限元模拟计算中没有考虑在实际情况下的容积损失情况，所以计算结果略高于实际工况下水泵的扬程值［6］。此外，更多水泵仿真性能数据可以通过仿真模型获得，方便实验对比分析。

3　水泵性能测试分析

经设计制造（水泵样机如图5所示），针对某编号的新捷达汽车水泵进行性能测试。水泵的性能试验在富奥汽车零部件技术研发中心完成，如图6所示。所采用的试验台集成度较高，在实验台中配有人机互动计算机软件，用以方便简洁地对水泵的输入进行控制，而且对于压力数据的提取也相当方便快捷，直接呈现在应用软件当中。输入的变量包括水泵转速和流量，在水泵实验台输出的是进出水口的压力值，再经公式计算转化为水泵的扬程、整体效率等参数指标。转速的测定由水泵试验台的转速测量仪测定，该测量仪的精度高于0.2级。水泵的流量由水泵试验台的涡轮流量计来测量读取，流量计精度高于1级。

图5　水泵样机

表2　4000rpm转速工况下的测试参数

表3　6000rpm转速工况下的测试参数

根据实验数据表2、表3以及仿真分析结果做出以下不同流量工况下的扬程和水泵总效率特性曲线（实际测试数据很多，本文仅以若干典型工况转速为例进行分析说明），如图7、图8所示。其中水泵扬程随着流量的增加均呈下降趋势，而水泵效率随着流量的增加均呈增加趋势；随着水泵转速的增加扬程增加明显，但效率变化不大。

图7　转速RPM=4000工况下的流量-扬程及流量-效率曲线图

图8　转速RPM=6000工况下的流量-扬程及流量-效率曲线图

通过测试、计算和对比分析，在不同转速、不同流量工况条件下对水泵的扬程以及效率等性能参数进行了预测。由以上统计曲线可知通过流体动力学仿真计算分析获得的总体数值以及变化规律基本与水泵试验台得到的真实验数值相近，因此验证了水泵有限元内流场分析模型仿真计算结果的正确性以及参数范围允许的准确性。分析所出现的数据偏差极有可能跟有限元模型的简化，以及仿真分析与实际测试时边界条件的不完全对应等因素有关，但可以根据用户的使用反馈再通过软件建模的深入细化进行改善。

4　结论

通过对新捷达汽车水泵内流场的仿真分析，直观而有效地分析了水泵工作的内流场速度和压力分布情况，通过计算分析和试验对比获得了水泵流量与水泵扬程、效率之间的影响关系。验证了所建新捷达汽车水泵内流场仿真分析模型的有效性，实现了对新捷达水泵进行性能分析的目的，为该水泵及同类产品的设计、制造、维护提供了有效手段。

［1］ 陈元华，唐学.基于CFD技术的柴油机水流分配器计算分析［J］.制造业与自动化，2013，35（3）:136-138.

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［3］ 侯献军，金雪，刘志恩，颜伏伍，袁守利.基于Fluent的车用冷却水泵内流场分析及改进［A］.武汉:湖北省内燃机学会2009年学术年会［C］.2009，6.

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［5］ Goto Akira， Nohmi Motohiko， Sakurai Takaki， Hydrodynamic design system for pumps based Oil 3-D CAD，CFD and inverse design method［J］.Transactions of the ASME，2002，124（2）:329-335.

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［8］ 李彦军，黄良勇，袁寿其，严登丰.大型泵与泵装置效率特性预测理论分析［J］.农业机械学报，2009（01）:44-49.

Simulation analysis of inner flow field and performance testing of new JETTA automobile water pump

SHI Guang-feng1，LIN Feng2，XING Yun-fei3，SHEN Dong-ping4

TH164

A

1009-0134（2016）09-0027-04

2016-05-03

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（201560）

石广丰（1981 -），男，辽宁人，副教授，博士，研究方向为先进制造技术。