基于ANSYS CFX的冷却水泵流体试验及数据分析

冯天昱

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

基于ANSYS CFX的冷却水泵流体试验及数据分析

冯天昱

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

冷却水泵是发动机闭式冷却循环系统中的重要部件，而拟使冷却水泵达到更高的效率和更好的输水量，需要研究冷却水泵的结构参数变化对特性的影响以及如何调整才能达到预想的效果，采用ANSYS CFX对不同结构的冷却水泵进行流场分析来获取相应数据来进行对比分析。

冷却水泵；出水管；流场分析；ANSYS CFX

0 前言

冷却水泵[1]是发动机闭式冷却循环系统中的重要部件，它的好坏决定发动机的经济性、动力性和可靠性，冷却液的出水量主要影响冷却水泵的工作效率，从而影响发动机的整体性能[2]，冷却水泵的效率、功率也都是依靠出水量大小来确定，因此水泵出水量的确定是至关重要的。在水泵结构参数中管道长度会影响出水量大小，因此本文用ANSYS CFX[3]软件来分析出水管道不同长度对冷却水泵流体分布状态的影响规律。

1 冷却水泵外特性参数

通过CFX流场分析数值计算可以得到冷却水泵的外特性参数，主要参数[4]有扬程H、轴功率P和效率η.

扬程计算公式为：

式中：Pout、Pin为冷却水泵的进出口压力（Pa）；△h为进出口端面高度差（m）；ρ为液体密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）.

轴功率计算公式为：

冷却系统有效输出功率为Pe=ρgQH，因此效率η的计算公式：

2 流场仿真分析

2.1 旧蜗壳冷却水泵的流场分析

冷却水泵为铸铁材料，叶轮[5]主要也是铸铁材料，表面涂防水，防锈，防高温漆，泵轴采用45号锰钢，叶轮外径为81 mm，出口宽度为14 mm，叶片为开式，叶片数为6片，叶片包角φ为85°～110°.

设定冷却水泵在转速2500 r/min，静态温度为288 K，环境大气压 100 000 Pa，水温恒温为 25°，设定流体时使用湍流状态，其他参数[6]不变，只改变出水管的长度，来对比分析结果。选取水泵的进口体积流量为 50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min、90 L/min和100 L/min 6个不同的流场进行数值分析计算，每个数据点都要经过几次重复的试验，并取个平均值来进行正确分析，经过流场分析仿真出旧涡壳冷却水泵的静压力和速度矢量图如图1和图2所示。

图1 旧蜗壳静压力矢量图

图2 旧蜗壳速度矢量图

从上表1中数据可以分析出，扬程逐渐减少，而轴承功率增大，当流量70 L/min时效率最高。当冷却液进入冷却水泵后，由于叶轮的高速运转，冷却液进入蜗壳时会有很大的冲击，因此在叶轮的出口处静压力较大，而继续上升的过程中动力能变为压力能，但由于一些管道摩擦阻力会影响出口处的压力平稳，靠近管道壁处压力较小，出现压力分散的现象，液体进入冷却水泵时速度较低，流动均匀，当接触叶轮后，经过高速运转，进入蜗壳后，速度逐渐增加。

表1 旧蜗壳冷却水泵外特性参数

2.2 新蜗壳冷却水泵的流场分析

当冷却水泵的出水管长度缩短为15 mm，其他参数不变，得出新涡壳冷却水泵的静压力和速度矢量图如图3和图4所示。

图3 新蜗壳静压力矢量图

图4 新蜗壳静压力和速度矢量

通过表2中数据可以分析出，新蜗壳冷却水泵的轴功率几乎不变，扬程和效率的变化规律也没有明显改变。将新旧蜗壳冷却水泵的外特性进行对比分析得出，在不考虑管道的摩擦阻力和泵的损耗的情况下，短的出水管在出口处比相对较长的压力小，导致压力差变小，扬程变小，出水量多，但效率会有所降低，因此，在实际设计中，为了有更好效率，扬程也达到适中，出口管道会有很大的影响，适当高度的管道会使出水量更多，出口平稳，出口压力更均匀。

表2 新蜗壳冷却水泵外特性参数

实验结果与数值计算结果虽然在数值上存在一定的误差，主要原因是数值计算时对模型进行了一系列假设，模型的精度难以保证，同时也忽略了部分进出口结构装置所造成的能量损失带来的影响。但是，数值计算结果与实验数据整体变化趋势一致。新蜗壳冷却水泵扬程上有所减少，效率下降，但出水量有所增高，扬程和流量是成反比的。

3 结束语

在研究冷却水泵过程中，还需要考虑叶轮的叶片包角，出口管径的大小等，这些也都会影响冷却水泵的扬程、功率、效率和出水量等特性。为了更好地设计出一个冷却水泵，这些因素都要考虑，而本文只选了一个因素来研究对冷却水泵特性的影响。

[1]Cho H，Jung D，Filipi Z S，et al.Application of Controllable Electric Coolant Pump for Fuel Economy and Cooling Perfor mance Improvement[J].Journal of Engineering for Gas Tur bines&Power，2004，129（1）：43-50.

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]吴 杰.汽车发动机冷却系统水泵设计及流场仿真分析[D].重庆：重庆大学，2013.

[4]金树德，陈次昌.现代水泵设计方法[M].北京：兵器工业出版社，1993.

[5]佘 翔.基于AMESim的汽车发动机冷却系统仿真分析[D].西安：长安大学，2014.

[6]金树德，陈次昌.现代水泵设计方法[M].北京：兵器工业出版社，1993.

Fluid Test and Data Analysis of the Cooling Water Pump

FENG Tian-yu
（Shenyang Ligong University School of Automobile and Transportation，Shenyang Liaoning 110159，China）

Cooling water pump is an important part of closed cooling cycle system of engine，quantity of water make the cooling water pump to achieve higher efficiency and better，need to study the changes of structure parameters of cooling water pump on the influence of characteristics and how to adjust to achieve the desired effect，the ANSYS CFX for flow field of cooling water pump of different structures to obtain the corresponding data for comparative analysis.

cooling water pump；outlet pipe；flow field analysis；ANSYS CFX

TH311

A

1672-545X（2017）10-0026-02

2017-07-05

冯天昱（1992-），男，辽宁葫芦岛人，硕士研究生，研究方向：车辆结构分析与安全性。