一种集成式热管理模块用水泵的噪声优化研究

郑凡 金永镇 邓湘 卜江华 周龙龙

摘  要：集成式熱管理模块用暖风水泵为插入式，并与水道直接相连。在整车上当水泵高转速时，车内噪声突出，主观感受非常差，车内主驾噪声645Hz峰值声压级36.5dB（A），经分析其峰值为暖风水泵的8阶噪声。本文研究了暖风水泵性能和流动噪声随流量的变化规律及特性。当水泵叶轮连续掠过隔舌时，叶轮与隔舌间空间位置固定的流体微团受到周期性挤压，其压力出现周期性波动，并对外辐射脉动压力，反作用于叶轮上产生周期性不平衡的径向力，导致机体振动。通过水泵隔舌圆角大小对瞬态压力脉动特性的影响及流场特性的CFD仿真，发现增大隔舌圆角后，叶轮前端与隔舌间间隙增大，因而动静干涉减弱，叶频处的压力脉动幅值明显减弱，其作为振动激励源的影响也随之减弱。经过整车测试，车内噪声在645Hz峰值降到20dB（A）以下，满足整车目标要求。

关键词：集成式热管理模块；暖风水泵；流动噪声；叶轮隔舌间隙

中图分类号：U467       文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2023）02-0078-06

Research on Noise Optimization of Water Pump for An Integrated Thermal Management Module

ZHENG Fan， JIN Yong-zhen， DENG Xiang ， BU Jiang-hua， ZHOU Long-long

（ Voyah Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China ）

Abstract： The heating water pump of the integrated thermal management module is directly connected to the water channel in a plug-in way. The noise inside the vehicle at high speed of the heating water pump is prominent on the whole vehicle， and the subjective feeling is very badly. The driving noise inside the vehicle is at 645Hz， with a peak sound pressure level of 36.5dB （A）. According to analysis， the peak value is the 8th order noise of the water pump. In this paper， the performance and flow noise of the water pump have been studied. When the pump impeller continuously sweeps over the diaphragm， the fluid micro mass with fixed spatial position between the impeller and the diaphragm is squeezed periodically. Its pressure fluctuates periodically， and the external radiation pulsating pressure reacts on the impeller to generate periodic unbalanced radial force and cause the body vibration. Through the CFD simulation of the influence of the fillet size of the water pump diaphragm on the transient pressure fluctuation characteristics and the flow field characteristics， it is found that the clearance between the front end of the impeller and the diaphragm increases after the fillet size of the diaphragm is increased， so the dynamic and static interference is weakened. The amplitude of pressure pulsation at the blade frequency is obviously weakened after increasing the corner angle of the tongue spacer， and its influence as the vibration excitation source is also weakened. After the vehicle test， the peak value of the noise inside the vehicle is reduced to below 20dB （A） at 645Hz， the vehicle target requirements have been realized.

Key Words： Integrated Thermal Management Module; Heating Water Pump; Flow Noise; Impeller Tongue Clearance

郑   凡

毕业于河北工程大学，本科学历，现就职于岚图汽车科技有限公司，高级工程师，从事新能源汽车热管理系统专业开发研究工作。已发论文《集成式热管理模块多通水阀设计》。

前    言

随着新能源汽车的快速发展，热管理系统发挥着越来越重要的角色，而未来热管理系统的发展趋势是开发集成热管理模块系统，将冷却液侧和冷媒侧的各系统部件集成在一个超级模块里面，具有性能提升，减重降本的优势。而新能源汽车对NVH性能的要求越来越高，集成模块将多个回路的水泵集成在一个模块里面，水泵安装方式为插入式，水泵泵头的形状和尺寸也发生很大的变化。

集成式热管理模块的水泵为泵头直接插入装配在集成水壶（集成流道板）内。如图1所示暖风水泵的入水口缩短直接插入集成水壶水道内，水泵与水壶水道之间采用径向密封；暖风水泵的出水口缩短至蜗壳上跟集成水壶的水道直接相连配合。相对于传统分布式热管理系统，水泵安装在支架上，布置位置调整度较大，进出水管口由胶管进行连接。集成水壶插入式水泵的蜗壳的形状变化较大，水泵的出水口的脉动噪声，湍动能等影响较大，且水泵的振动及腔体噪声有放大风险。本文通过研究水泵蜗壳隔舌的圆角大小对水泵性能和流动噪声随流量的变化规律及特性，通过计算仿真及台架和整车测试，来验证一种优化水泵噪声的方法。

1    计算模型和仿真结果

1.1   水泵参数

暖风水泵的设计参数如表1所示。水泵轴频：f1=n/60=80Hz，叶片通过频率：fBP=8f1=640Hz[1-3]。如图2所示水泵叶轮结构示意图。

1.2   水泵计算模型

叶轮连续掠过隔舌时，叶轮与隔舌间空间位置固定的流体微团受到周期性挤压，其压力出现周期性波动，并对外辐射压力脉动， 反作用于叶轮上产生周期性不平 衡的径向力，导致机体振动。动静干涉引起的隔舌处流体压力脉动是离心泵内部振动主要激励源之一（如图3所示） 。本文利用CFD仿真手段分析35W暖风水泵隔舌圆角大小的影响。

计算设定：工况设定：13L/min，叶轮转速4800rpm（轴频80，叶频640）；体网格数：水泵入口流量500万多面体网格，叶轮表面和隔舌头处进行网格细化；湍流模型：RANS SST K-ω模型；工作介质：水；计算方法：定常初场-冻结转子法、瞬态计算-滑移网格法；隔舌圆角：R0.2（原状态），R2（对策方案）。如图4，图5所示：

压力监测点设置：Ф43基圆与圆角圆心、基圆圆心连线的交点A。待瞬态运行六个循环后，开始记录测点A的压力脉动数据。如图6所示。

1.3   计算结果

水泵不同隔舌圆角大小其附近流场对比（图7）。对速度场及压力场，压力脉动时域，压力脉动频谱进行仿真计算分析隔舌圆角大小对瞬态压力脉动特性的影响。

增大隔舌圆角后，叶轮前端与隔舌间间隙增大，因而动静干涉减弱，从压力脉动的频域对比图8可以看出增大隔舌圆角后叶频处的压力脉动幅值明显减弱，其作为振动激励源的影响也随之减弱。

为充分研究隔舌圆角大小对水泵噪声的影响，在方案设计过程中设定了R0.5，R1，R1.5，R2，R2.5，R3六种不同圆角的方案。根据实际测试及综合评估隔舌R角对水泵性能的影响，R1和R2圆角的效果最佳。本文选取R1和R2圆角方案分析压力脉动频域对比，如图9所示：

可以得出结论：R2隔舌圆角水泵压力脉动在640Hz的叶频幅值远小于R1圆角水泵；在轴频、叶频二倍频、叶频三倍频压力脉动幅值大于R1圆角水泵。

2    测试验证

2.1   基础方案测试

暖风水泵高转速时车内噪声突出，主观感受非常差，噪声峰值在600-650Hz，经分析峰值为水泵8阶噪声。图10为93%&90%占空比base 状態测试结果。车内主驾噪声645Hz峰值声压级36.5dB（A）。

2.2   对策方案验证

水泵内部出口处涡舌圆角改制如图11所示R1和R2两种方案，改善水泵出水压力脉动。

对策后方案验证结论：1.主驾内耳水泵8阶噪声，整体降低5-10dB（A），占空比93%降低约20dB（A），主观感受改善明显；2.对策后，右后内耳水泵8阶噪声，占空比90%降低约20dB（A），主观感受改善明显；3.对策后，暖风水泵转速略有降低。如图12-14所示。

如表2和表3试验结论：1、R1对策后，主驾水泵8阶噪声，占空比93%降低约20dB（A），主观感受改善明显，主观评价5.57分；2、R2硬模件对策后，主驾水泵8阶噪声，占空比93%降低约21dB（A），右后噪声也降低约5.3dB（A）主观感受改善明显，主观评价5.57.5分；3、建议按照R2方案推进整改。

3    水泵性能测试

3.1   计算结果

水泵不同隔泵隔舌R角和间隙，对水泵性能影响较大。水泵旋转将产生的力矩传递给液体，液体获得动能，带动液体流动，进行冷却循环的过程。通过计算水泵进出口的环量差和转子的轴功，可求得水泵的扬程和效率[4-7]。水泵的扬程是指单位质量的液体通过水泵后获得的能量，即水泵吸入口与出口的单位质量的液体获得的机械能，单位m。水泵扬程计算公式（1）。

m=Q×ρ，为1s内的液体质量m；

F=m×g，为1s内的液体重力F；

W1=F×H，为1s内水泵将液体泵至扬程高度所做的功，即水泵实际功率（P1）；

P=P1/η，即水泵实际功率除以效率为电机输入功率；

根据上述过程：

水泵蜗壳隔舌R角的性能对比测试，从图15可看出水泵隔舌R2圆角的扬程H在同等流量下最大可达7.2m，优于R1圆角方案。同时功率P及效率η也略好于隔舌R1方案水泵。

图15 水泵性能测试曲线

4    结论

通过仿真和试验测试，可以得到以下结论：

（1）将水泵蜗壳隔舌R圆角由R0.2改到R2后，主驾内耳水泵8阶噪声（645Hz），整体降低20dB（A），主观感受改善明显；增大隔舌R角是改善水泵阶频噪声的一种有效方案。

（2）增大水泵隔舌圆角后，叶轮前端与隔舌间间隙增大，因而动静干涉减弱，压力脉动幅值明显减弱，其作为振动激励源的影响也随之减弱。R2隔舌圆角水泵压力脉动幅值小于R1圆角水泵。

（3）水泵的隔舌R1的扬程及效率要略低于水泵隔舌R2方案。

参考文献：

[1]何希杰，颜春万，尚淑君，曹建清.泵隔舌间隙对性能影响的试验研究[J].流体机械，1995，23（6）：9-12.

[2]万伦，宋文武，石建伟，陈建旭，罗旭，李鑫. 隔舌形状对离心泵水力性能的影响[J]. 水泵技术， 2018， （3）： 6-10.

[3]刘锦涛，李永，胡齐，高永，庄保堂. 基于湍动能的水泵水轮机无叶区流动分析[J]. 工程热物理学报，2015，36（9）： 1933-1936.

[4]刘全忠，宫汝志，王洪杰，张勇. 离心泵隔舌间隙对叶轮流体作用力的影响[J]. 水泵技术，2009，（4）： 26-29.

[5]司乔瑞，袁寿其，袁建平. 叶轮隔舌问隙对离心泵性能和流动噪声影响的试验研究[J]. 振动与冲击，2016，35（3）： 164-168.

[6]秦爱义. 正确设计杂质泵蜗壳隔舌提高水泵效率与性能 [J]. 河北煤炭，2000，（2）： 48-49.

[7]司乔瑞，横亚光，袁寿其，袁建平. 蜗壳形状对离心泵流动诱导噪声的影響[J]. 排灌机械工程学报，2015，33（3）： 209-215.

专家推荐语

王伟民

东风汽车集团有限公司技术中心

整车热管理总工程师  研究员级高级工程师

集成式热管理模块是新能源汽车整车热管理系统的一个重要组成部分，具有减重降本、动力舱布置更加美观、热管理性能提升等优势，是整车热管理系统开发的一个全新领域。论文作者研究了集成式热管理模块中的重要零部件之一的暖风水泵流动噪声和性能随流量的变化规律及特性，发现增大隔舌圆角到R2后，叶轮前端与隔舌间间隙增大，因而动静干涉减弱，叶频处的压力脉动幅值明显减弱，其作为振动激励源的影响也随之减弱。经过整车测试，车内噪声在采取有效的改善对策以后，满足了整车NVH性能目标要求。

论文目标明确，改善对策得当，效果良好，具有较高的学术水平和应用价值。