CFD的水泵數值分析

Auto Engicer2010 (4)Enge汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CoominDesign-nnovationCFD的水泵數值分析劉小平郭蘭顧維東(天津汽夏利汽個(gè)股份有限公司產(chǎn) 品開(kāi)發(fā)中心摘要:CFD模擬可以直觀(guān)了解產(chǎn)品內的復雜流動(dòng)現象，對提高設計能力、改進(jìn)和優(yōu)化設備具有重要的作用。文章建立了發(fā)動(dòng)機冷卻水泵的實(shí)際工作模型，對水泵體內部的三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬;研究了水泵內部復雜流場(chǎng)中各個(gè)位置.上壓力分布、速度分布和湍動(dòng)能情況;分析水泵的水力損失，對發(fā)動(dòng)機水泵的揚程和水力效率性能進(jìn)行分析和預測，計算結果與試驗結果相差不超過(guò)8%，表明利用CFD數值模擬分析具有很高的可靠性，能充分反映水泵內部流動(dòng)的復雜情況，可以為水泵結構設計和性能改進(jìn)提供理論依據。關(guān)鍵詞:內燃機;數值模擬; CFD;水泵;性能預測Numerical Simulation of Water Pump Based on CFDAbstract: CFD simulation can directly reflect the internal complex fluid and plays an important role in improving designcapability and optimizing equipment. The actual model of cooling water pump of international combustion engine isestablished, and the simulation of the three dimensional turbulent flow fields is carried out based on CFD. Based onthe results of the simulation, each of parameters of different positions in the complex flow field in the internal bodyof the water pump, including the distribution of pressure, velocity, turbulent kinetic energy and the hydraulic loss ofpump are analyzed. The analysis and prognostication about the lift and the efficiency of the water pump are realized.The difference between the simulation and the testing pumps is not more than 8 percent. It indicates that using CFDnumerical simulation is of high reliability and the simulation results can fully reflect the complex internal flow in waterpump and provide the theoretical basis for the structure design and performance improvement.Key words: Internal combustion engine; Numerical simulation; CFD; Water pump; Performance prediction水泵設計是-項復雜的過(guò)程，在設計中各種因素約成本， 主要分為水泵本體和缸蓋水泵部分。水泵本互相影響，滿(mǎn)足給定要求的水泵可能有不同的設計方體 主要由水泵殼體、水泵葉片、水泵皮帶輪及水泵水案。采用CFD技術(shù)在設計初期就能夠從大量的設計封等 構成，水泵本體直接安裝在發(fā)動(dòng)機缸體上，水泵.方案中篩選出所需要的設計方案，大大減少設計中的皮帶輪和曲軸皮帶輪通過(guò)皮帶以1.2的傳動(dòng)比連接。盲目性1-3]。文章采用CFD技術(shù)進(jìn)行- -款1.3L發(fā)動(dòng)水泵 本體和水泵在發(fā)動(dòng)機缸體上安裝位置的三維實(shí)體機冷卻水泵內部流場(chǎng)數值計算，分析損失分布，為冷模型圖， 如圖1和圖2所示。卻水泵的優(yōu)化設計打基礎。借助CFD技術(shù)，可以得G到水泵內任意位置的流動(dòng)細節，如速度、壓力、能量損失、壓力脈動(dòng)、湍動(dòng)量及漩渦等，從而可進(jìn)行能量與汽蝕特性預測，并進(jìn)行優(yōu)化設計等。1數值計算模型1.1水泵葉輪三 維結構的幾何建模中國煤化工本發(fā)動(dòng)機在實(shí)際設計中，考慮整機的緊湊性和節1YH| CNMHGN 0,圖1水泵本體圖2發(fā)動(dòng)機缸體水泵安裝位置-21 -Auto Egiceg技術(shù)聚焦FOCUSEngmn汽車(chē)工程師2010年4月設計創(chuàng )新1.2邊界設定和網(wǎng)格生成條件為自由流邊界;水泵轉速為7 200 r/min。利用CFD軟件star cd進(jìn)行表面網(wǎng)格重構以提高2計算結果 與分析表面網(wǎng)格的質(zhì)量，在表面網(wǎng)格重構時(shí)，使用隨曲率網(wǎng)在計算過(guò)程中監控參數的殘差情況，包括:流體絡(luò )自動(dòng)加密，同時(shí)設定自動(dòng)控制網(wǎng)格的表面質(zhì)量達到連續性、3個(gè)方向的速度分量、湍流能及湍流耗散率，0.1。因為整個(gè)水泵系統幾何形狀比較復雜，所以采所有殘差都小于 1X103時(shí)，認為計算結果收斂。用多面體網(wǎng)格進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。多面體網(wǎng)格具有良好star cd后處理功能強大,可以直觀(guān)地了解流場(chǎng)中的的幾何外形適應能力，能夠較精確地反應細微區域的速度分布和壓力分布:以及發(fā)現旋渦區和脫流區等;幾何特征，水泵流體域模型，如圖3所示。整個(gè)分析還可計算得到任意2個(gè)過(guò)水斷面間的水力損失和泵的模型包括3個(gè)流體區域，分別為進(jìn)水區域、葉輪旋轉揚程等， 并且可以預測水泵葉輪上的扭矩及水泵的水區域及蝸殼計算區域。通過(guò)3個(gè)交接面相互相連，水力 效率。泵多面體網(wǎng)格數量總計93417個(gè)。2.1葉輪和蝸殼內部流場(chǎng)的壓力分布圖4示出設計工況下水泵內部流場(chǎng)數值計算的壓力分布圖，圖5示出葉輪和蝸殼中間截面流場(chǎng)的壓力分布圖。由圖4和圖5可以看出，從進(jìn)口到出口，是一個(gè)靜壓不斷增大的過(guò)程。冷卻水進(jìn)入泵體后，通過(guò)擴散逐步把動(dòng)能轉化為壓能。由于粘性流體和慣性力的作用，隨著(zhù)半徑增大，壓力逐漸增大。圖3水泵流體域模型1.3計算方法與邊界條件在水泵CFD分析中，主要采用MRF(movingreference frame)模型對轉子旋轉區域進(jìn)行模擬計算。水泵中的水流是有粘性的，粘性在靠近固體壁面的區域表現影響最為突出，粘性常常引起旋渦和脫流等現象，從而導致水力損失中。對于水泵來(lái)講，在進(jìn)行CFD分析時(shí)，粘性是不可忽略的。也就是說(shuō)，水流-178 146 -27 620.3 122905 273430 423956 574 481不能按理想流體對待，必須按湍流處理。根據發(fā)動(dòng)機總壓力/Pa水泵的實(shí)際工作環(huán)境，冷卻液為50%水與50%乙二圖4水泵壓力圖醇的混合物，取其在105 C和180 kPa條件下的物性參數;冷卻液在發(fā)動(dòng)機水泵內的流動(dòng)視為穩態(tài)和絕熱的不可，壓縮湍流。計算采用segregated方法，湍流模型為RANS算法中的realizable k &湍流模型，模型中的系數均采用默認值。臨近壁面的區域采用highy+壁函數處理，固壁面采用無(wú)滑移邊界條件。在差分格式中，壓力項采用標準格式，速度、湍動(dòng)能和湍流粘性系數均.采用二階迎風(fēng)格式，壓力與速度之間的耦合算法為SIMPIE，求解過(guò)程中各松弛因子為:壓力項0.3, 速度項0.7，湍動(dòng)能項和湍流粘性系數項0.5，湍流耗散-136560 -2077.2中國煤化工535 855率項0.3。YH| CNMHG進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，v= 2.967 7m/s;出口邊界圖5水泵中間截面壓力圖-22 -AutoBngineer第4期Enge汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CoomiDesign-Innovation由于轉速較高，在進(jìn)口范圍內形成低壓區，在離出水段外側 的流速較高，內側的流速較低，形成了速蝸殼出口較近的葉片底部存在負壓區，此處也應是最度差， 因此在此處形成了旋流。容易發(fā)生汽蝕的區域。另外，蝸殼在起始與泵出口交圖9示出沿Z軸-一個(gè)截面的靜壓力分布圖。由圖接處存大壓力較大的區域，主要是該處葉片與蝸殼的9可以看出，在葉輪后蓋與泵體的間隙存在明顯的回距離很小，在冷卻水的粘性力作用下壓力迅速增大。流， 容積損失較大。另外，在進(jìn)口部分也存在一定的葉片工作面壓力和工作背面壓力分布，如圖6和漩渦區， 在進(jìn)口部分的水套加工工藝孔處更加明顯。圖7所示。由圖6和圖7可見(jiàn)，工作面和工作背面的壓力分布基本呈現周期性。從葉片進(jìn)口邊到出口邊高壓力區逐漸減小，與工作面相比，背面的靜壓力比工作面小，其原因主要是軸向旋渦的作用。0.510 835.891 91 1.27316.654 22.03527.416速度(m/)圖8中間截面的絕對速度分布圖80118.4 174216 268313 362411 456 508550 606總壓力/Pa圖6葉片工作面的壓力分布圖0.261 90 5.044 59.827 114.61019.39224.175速度/(m/)-1.78146 -47754.2 82637.2 213029 343420 473 812圖9沿Z軸截面的速度分布圖2.3湍動(dòng)能分布圖7葉片工作背面的壓力分布圖湍動(dòng)能表示了湍流脈動(dòng)的程度，其大小和空間不2.2 速度分布圖8示出水泵中間截面的速度分布圖。由圖8可均勻性也在--定程度上表明了脈動(dòng)擴散和粘性耗散損以看出，隨著(zhù)葉輪圓周直徑的增大，圓周速度增大，失的大小和發(fā)生范圍。圖10示出中間截面的湍動(dòng)能則速度隨之增大。進(jìn)入泵體(缸體)后，由于流速逐分布圖。由圖10可以得出，湍動(dòng)能比較小的藍色區漸降低，動(dòng)能轉化為壓能。葉輪和蝸殼的整個(gè)流場(chǎng)的域存在于出口處中國煤化工流動(dòng)穩定。速度矢量分布合理。在出口處存在漩渦區，這是由于在轉子接近出口MHCNMH G動(dòng)擾動(dòng)，出-23 -AntoEnginee技術(shù)聚焦FOCUSEngmn汽車(chē)工程師2010年4月設計.創(chuàng )新現流體撞擊等現象，增大了水力損失。量為135 L/min，試驗得出的揚程為19m，水力效率為25%。由CFD計算可得出輸出的進(jìn)口及出口總壓力為: P-=4.682 622X103 Pa; Pout =2.056 395 X 10'Pa;M =2.154 N:m，代入式(1) 和式(2), 可得水泵的揚程為20.5 m,水力效率為27.5%，整體誤差小于8%。這樣就獲得了一個(gè)工況下的外特性，如果計算多個(gè)工況點(diǎn)，就可以繪制出水泵的流量-揚程曲線(xiàn)和流量-效率關(guān)系曲線(xiàn)，從而預測出水泵在全工況范圍內的性能。3結論1)CFD為分析水泵內部復雜流場(chǎng)提供了-種新的手段，基于湍流模式水泵的計算，已能夠獲得與實(shí)0.286 694.0890 7.891 311.694 15.496 19.298際情況基本相符的流動(dòng)細節，并對水泵系統的性能特性進(jìn)行預測，為研究和開(kāi)發(fā)高性能水泵提供新的理論湍動(dòng)能/(Jkg)圖10中間截面的湍動(dòng)能分布圖和技術(shù)依據。2.4水泵揚程和水力效率的預測2)文章CFD分析是針對單相流體的，但水泵在水泵葉輪帶著(zhù)液體旋轉時(shí)把力矩傳給冷卻液，使高溫實(shí)際工作中存在一定的氣液兩相流，有必要進(jìn)行冷卻液的運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,從而完成了能量的轉換。二相流的分析;另外CFD模擬中的近壁面處理仍需葉輪就是通過(guò)葉片把力矩傳給液體，使液體的能量增要進(jìn)一步深入研究。加。在模擬計算三維流場(chǎng)的基礎上，通過(guò)計算水泵進(jìn)參考文獻.出口面的環(huán)量差和轉子的軸功，可求得水泵的實(shí)際揚[1] 王福軍,黎耀軍，王文娥，等.水泵CFD應用中的若干問(wèn)題與思考[].排灌機械，2005， 23(5): 1-9.程和水泵的水力效率5-0。在水泵中，規定葉輪的揚[2]王福軍。計算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件的理論與應用[M].北京:程是葉輪出口總水頭與進(jìn)口總水頭之差,葉輪的揚程，清華大學(xué)出版社，2004.如式(1)所示。[3] Goto Akira, Nohmi Motohiko, Sakurai Takaki, et al.Hydrodynamic design system for pumps based Oil 3-D CAD, CFD,H=Pout = Pin +△z(1)and inverse design method [J]. 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