（动力机械及工程专业论文）465q内燃机冷却水泵的优化设计.pdf

4 6 5 0 内燃机冷却水泵的优化设计 摘要 目前，和其他很多国家相比，我国发动机冷却水泵的整体性能还比较 低，设计和制造工艺比较落后，需要改进和提高的地方还有很多。本文主 要是针对桂林前进机械厂的4 6 5 q 汽油机冷却水泵，探讨影响该水泵的主要 问素，提供有效的改进方案。为以后该类水泵结构的优化和性能的提高提 供一个方向，并为提高整个发动机的整机冷却效果提供一个理论指导。 本文的主要工作及研究成果如下： 1 通过三维造型软件u g 、商用计算流体力学软件g a m b i t 、f l u e n t ， 分别对4 6 5 q 发动机冷却水泵的叶轮和蜗壳的流道进行实体建模、网格生成、 前处理、数值计算和后处理。研究冷却水泵内部流场的静压分布、速度矢 量分布和湍动能，分析水泵的水力损失。模拟出的数据和试验数据比较吻 合，相同工况下，模拟出来的水泵扬程和试验得出的扬程相差不超过6 ， 说明利用c f d 数值模拟分析具有很高的可靠性，为探讨主要影响因素、提 高冷却水泵性能的优化设计作了铺垫。 2 对冷却水泵叶轮和蜗壳的几个主要几何参数进行理论分析，包括： 叶片数、叶片进口安放角、叶片出口安放角、叶轮出口宽度、叶轮外径、 流道形状、叶片型线等。为下一步探讨主要影响因素、提高冷却水泵性能 的优化设计提供理论基础。 3 利用第二章的模拟结果和第三章的理论分析，分别从叶片结构参数 和蜗壳结构参数两个方面探讨对该水泵流场的影响因素。从模拟结果来 看，造成该水泵流场比较差的主要因素是蜗壳的压水室发生突变，流体流 向发生突变的地方离叶轮太近，造成叶片间的流体遭到主导性的破坏。针 对此分析结果，提出优化方案和模型。 关键词：冷却水泵计算流体力学数值模拟 优化设计 h t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e4 6 5 qe n g i n e c o o l i n g ( 舡e rp u m p a b s r t r a c t a tp r e s e n t , c o m p a r e dt om a n yo t h e rc o u n t r i e s ，o u re n g i n ec o o l a n t p u m p si n t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ei ss t i l l r e l a t i v e l yl o w e r ，d e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s a r eb a c k w a r d m a n ya r e a sn e e dt oi m p r o v ea n d e n h a n c e t h i sp a p e ri sm a i n l yd i r e c t e da g a i n s t4 6 5qg a s o l i n ee n g i n ec o o l i n g w a t e rp u m p so fq i a n j i nm a c h i n e r yp l a n ti ng u i l i n , d i s c u s si n f l u e n c i n gf a c t o r s a n da s k e dt op r o v i d ea ne f f e c t i v ei m p r o v e m e n tp r o g r a m i tp r o v i d e sad i r e c t i o n f o ri m p r o v i n go ft h es 仃u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ep u m p si nt h ef u t u r e ，a n d p r o v i d e sac o m p l e t em a c h i n et h e o r e t i c a lg u i d a n c et oi m p r o v et h ee n g i n e s c o o l i n ge f - f e c t t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e3 dm o d e lo ft h ei m p e l l e ra n dt h ev o l u t eo ft h e4 6 5 qw a t e rp u m pi s b u i l tb yu s i n gt h es o f t w a r eo fp r o e n g i n e e r , a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n eb y u s i n gg a m b i t a n df l u e n t s i m u l a t i o nr e s u l t sa lef o c u so nt h ed i s t r i b u t i o no f h y d r a u l i cl o s so ft h ew h o l ef l o wf i e l d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no f s t a t i cp r e s s u r e 、 i i i v e l o c i t yv e c t o ra n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya r ea n a l y z e d t h ew h o l ef l o wf i e l d o ft h ep u m pi ss t u d i e da n dt h eh y d r a u l i cl o s so fp u m pi sa n a l y z e d t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o nl i f ta n dt h et e s t i n gp u m p sl i f t i sn o tm o r e t h a n6p e r c e n t s i tn o t e st h a tu s i n gc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sh i g hr e l i a b i l i t y i ti sf o r e s h a d o wt oe x p l o r et h em a i nf a c t o r sa n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o o l i n gw a t e rp u m po p t i m a ld e s i g n 2 s o m ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so fi m p e l l e ra n dv o l u t ea r et h e o r e t i c a l l y a n a l y z e dt oo b t a i nt h ee f f e c t o np u m pp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gl e a v e s ，l e a f i m p o r t sp l a c e dk o k , k o kp l a c e dl e a fe x p o r t s ，e x p o r t sw i d t ho f t h ei m p e l l e r , t h e i m p e l l e rd i a m e t e r f l o ws h a p ea n dl e a ft y p el i n e s i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s f o rd i s c u s s i n gt h em a i nf a c t o r st oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fc o o l i n gw a t e r p u m pd e s i g no p t i m i z a t i o n 。 3 u s i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h es e c o n dc h a p t e ra n dt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si nt h et h i r dc h a p t e r , w ec a n f i n do u tt h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r b e t w e e nv o l u t el e a fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s f r o mt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h em a i nf a c t o rc a u s i n gt h ep u m pf l o wr a t h e rp o o ri st h e v o l u t es t r u c t u r e f l u i df l o wf r o mt h e1 0 c a lm u t a t i o no c c u r r e dt o oc l o s et ot h e i m p e l l e r , c a u s i n gt h ef l u i dl e a v e st h ed o m i n a n td a m a g e f r o mt h i sa n a l y s i s ，w ec a np r o p o s eo p t i m i z a t i o na n dm o d e l i n g k e y w o r d s ：c o o l i n gp u m p ；c f d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：7 磬烫易m 年6 月y j 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：老妫导师签名：锨州年月万日 广西大学硕士学位论文4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 1 1 概述 第一章绪论 内燃机配附件是内燃机工业的基础，它与内燃机工业的发展息息相关。先进的内 燃机工业必须有一个“全面发展、重大突破，实现同步发展”的内燃机配附件基础工 业作支撑。随着内燃机产品的不断更新换代，我国内燃机配附件的制造技术与产品质 量有了长足的进步。 计算机现代设计技术，新材料的推广得到行业的普遍重视。从总体上看，我国内 燃机配附件生产已形成一个比较完整的体系。但在长期计划经济体制下，生产厂布点 过多，产量少，制造技术和装备还比较落后，现代设计技术尚处起步阶段，产品开发 能力差，大部分产品与国外相比差距甚大，而且产品可靠性比较差，寿命只有国外同 类产品的一半，严重影响了我国内燃机工业的水平大幅度提高。 内燃机配附件中，就行业水平而言，冷却水泵并非处于先进状态。该件在研究开 发、机理探索、产品品位、工艺装配、检测技术以及配套满足度等方面，与世界先进 水平比较均有差距。 冷却水泵作为内燃机冷却系统的重要部件，其适用性和可靠性越来越受到设计、 制造和使用者的普遍重视。现代轿车的高速发展以及内燃机强化技术的普遍应用，更 是大大推动了冷却水泵技术的发展。此外，基础产业的发展和计算机技术的普及，是 水泵专业厂生产了大量高品质产品。 电子技术的发展为泵类产品的高效节能设计提供了便利条件，使泵类产品实现小 型化设计成为可能。将计算机和计算软件应用于当代泵的设计、开发、制造已经成为 现代泵企业提升竞争能力的方法。以下为泵传统设计方法和依据现代泵设计方法的对 比。 图1 - i 传统设计方法 f i g l - 1t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 图卜2 现代设计方法 f i g l - 2m o d e md e s i g nm e t h o d 从上图可以看出现代泵设计和传统的泵设计之间的区别在于：现代泵的设计在试 验以前先进行仿真模拟，并做优化设计。而传统的泵设计在初步模型设计后就进行性 能试验，满足不了要求后重新设计图纸。现代泵设计方法的优点在于，减少了试验次 数，从而降低了设计成本，提高设计效率，由于计算机强大的计算能力，和精确的数 值模拟，进而大大的提高了泵的设计能力和设计质量。 随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学( c f d ) 技术已广泛应用于流体机械 内部流动的研究。c f d 是在流动基本方程的控制下对流动的数值模拟。c f d 方法与 传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。数值模拟 的优点在于能解决理论研究和试验研究无法解决的复杂流动问题，因此，用数值方法 研究叶轮内部流场已成为改进和优化叶轮设计的一个重要手段。 1 2 计算流体力学简介 通常流体运动的研究方法有理论分析、实验研究和数值模拟。在对旋转机械、喷 管、管道等内部流动的实验研究时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制 周期长，从而使得实验研究受到了很大的限制。单独的理论分析方法对于较复杂的非 线性流动现象，目前为止还有些无能为力，而数值模拟将以自身的特点和独特的功能， 与理论分析及实验研究相结合，相辅相成，逐渐成为研究流体运动的新学科计算 流体力学( 简称c f d ，且 j c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 。它是一门多领域交叉的学 科，涉及到计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等 学科。c f d 方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。 计算流体动力学( c f d ) 是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分 方程组，并且对上述现象进行过程模拟。c f d 一般用来进行流体动力学的基础研究， 复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要 广西大掌硕士掌位论文4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、 难度高的实验研究来说，c f d 的优点就更为突出。因此。将c f d 与工程研究相结合， 不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量和费用。可以说，c f d 是一 种有效和经济的研究手段。但是，数值模拟的方法不能完全替代实验，也不能替代理 论分析。理论分析的最大特点是可以给出带普遍性的信息，在很多情况下可得到封闭 的、简单的公式，因此可以用最小的代价和时间给出规律性的结果和变化趋势。理论 分析的方法目前仍然应用于实际问题的解决中，主要是在初步设计阶段。但是理论分 析方法常常无法用于研究复杂的、以非线性为主的流动现象。 与实验相比，数值模拟有以下主要特点：计算出的流场不受空间和时间的限制， 而且不受测试仪器的干扰，影响流场的各种物理因素也可以通过输入量的变化而加以 控制，还可以分析其影响的程度等。这是试验中无法实现的，但是数值模拟中可以实 现，只是数值模拟的最终结果仍需要用实验来检验和验证。 1 2 1c f d 的特点 c f d 就是一种以计算机为基础的研究流体流动和传质问题的数值方法，它运用各 种离散化方法建立不同的数值模型，并通过计算机进行数值计算和数值模拟。在时间 上和空间上获得定性和定量描述流场的数值解。它具有如下主要特点： 1 适应性强、应用面广 流动问题的控制方程一般是非线性的、自变量多、计算域的几何形状任意、边界 条件复杂，对这些无法求得解析解的问题，用数值解能很好地满足工程需要。其次， 数值方法一般利用计算机进行各种数值试验。它不受物理模型实验规律的限制，不需 要花费原型生产和重复测试的代价，大大减少财力、时间以及伴随着一种新设计的风 险。而且它还具有模拟真实条件和理想条件的能力，对各种难以实现的实验条件或不 能实现的条件进行模拟。 2 可视化 随着并行计算技术和图像处理技术的发展，c f d 能够将计算中所产生的数字信息 转变成直观的、以图形或图像形式表示的信息。使研究者能观察到模拟和计算的过程， 并进行交互控制。实现了科学可视化，为研究者提供了更详尽的、更直观的微观流体 动力学，便于理解、判断和修改。 3 对物理模型实验和经验的依赖性强 广西大学硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 数值方法并不同于物理模型实验，一开始能给出流动现象并定量地描述。它需要 原形观测或物理模型试验提供某些流动参数，并对建立的数学模型进行验证。此外， 目前还没有一种标准用来评价c f d 的计算结果的有效性，它的应用还依赖于理论的 分析、经验的判断和实验的验证。 4 依赖于基本方程 数值计算依赖于基本方程的可靠性，且最终结果不能提供任何形式的解析表达 式，并存在计算误差。因为数值计算的本质是以离散方程代替微分方程，离散点毕竟 是有限的，所以必然存在计算误差。 1 2 2 通用的c f d 商业软件 目前，许多软件公司开发了许多有关流动和传质的商用软件包，例如有f l u e n t 、 p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、a n s y s 、f l o w 3 d 、i c e mc f d 、g r i d p r o 、c f d2 0 0 0 等，其 中应用相对较广泛的也就是f l u e n t 、p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 这几个软件包。这些软 件都具有强大的计算功能，能够处理各种关于流体流动、热传质、质量输运、多相流、 化学反应、燃烧现象以及与固体相关的变形和应力的问题。 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用软件包，在美国的市场份额为6 0 。它具有 丰富的物理模型、先进的数值模拟以及强大的后处理功能。f l u e n t 提供了从不可压到 可压、层流、湍流等很大范围内的模拟能力。在f l u e n t 中，输运现象的数学模型与所 模拟的几何图形的复杂情况是结合在一起的，它具有丰富的物理模型、先进的数值模 拟以及强大的后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油工业、涡轮机设计等方面都 有广泛的应用。f l u e n t 的软件设计从用户需求出发，基于“c f d 计算机软件群的概念 ， 针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，在计算速度、稳定性 和精度等各方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 软件群，从而高 效率地解决各个领域复杂流动的计算问题。这些不同软件都可以计算流场，传热和化 学反应，在各软件之间可以方便地进行数值交换，各种软件采用统一的前后端处理工 具，这就为f l u e n t 的通用化建立了基础。f l u e n t 软件的结构由前处理、求解器及后处 理三大模块组成。f l u e n t 软件中采用g a m b i t 作为专用的前处理软件，使网格可以 有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对干三维流动，可以生成四面 体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格。其自适 应功能可对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。【5 6 】 4 广西大学硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 f l u e n t 软件的求解模块是其核心部分，该模块的数学模型是以n s 方程组与各 种湍流模型为主体，在加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非 牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运 方程与关系式。采用的是有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程 中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动 采用耦合法。此外，f l u e n t 软件采用的二阶迎风格式是b a r t h 与j e r p e r s e n 针对非结构 网格提出的多维梯度重构法，较成功的用于非结构网格的二阶迎风格式，能较好的处 理畸变网格的计算，使其在技术上处于领先。 f l u e n t 软件的后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，还能以动画形 式演示非定常的流动过程。 1 3 国内外发展状况 c f d 作为一种工程研究和设计手段开始于七十年代，由于受到计算机硬件和计 算费用的制约，c f d 最初只是在核工业和航空业中获得应用。随着计算机技术的飞 跃发展，计算机成本的逐渐下降、性能不断改进，在八十年代初期，c f d 已被引入 汽车制造业和化工领域，但是它仍未能得到广泛应用。只是在近十年中，计算机的计 算速度和存贮能力已有大幅度提高，而计算机硬件成本急剧下降，很多工程技术人员 都能够很容易使用计算机工作台，因此c f d 才在一般工程设计中得到广泛应用。相 应的数值计算与模拟也得到了广泛的应用。如今c f d 已在很多专业领域获得了广泛 应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成功应用c f d 的例 子。例如借助于c f d ，环境工程师可以建立起环境模型来模拟全球变暖和有毒物质在 海洋和大气中的扩散；电器工程师可以利用c f d 模拟来寻找提高半导体效率的途径； 在化工领域，c f d 分析可以使系统操作的效率获得最大；在汽车工业，c f d 作为一 个有效工具可用于汽车通讯、汽车外形空气动力学、发动机模型和冷却等设计过程。 c f d 技术使我们能够深入了解干燥雾化室的设计，它可以确定气体流动状态，雾化 或气体混合，粒子温度和湿度的变化。燃烧室中化学反应的气体流动状态也可以用 c f d 来进行数值模型，而这一过程很难通过实验来测量。1 5 6 】 在泵的三维数值模拟方面，对叶轮机械内流的计算，早在上世纪四十年代末五十 年代初，就有人采用数值计算方法来预测离心压气机叶轮内的无粘流动。但具有完备 形态的内流数值模拟，一般认为始于吴仲华教授的s l 、s 2 两类相对流面理论之后，叶 5 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 轮机械内流无粘数值模拟才获得迅速发展。至七十年代，无粘数值模拟己达到相当高 的水平，并陆续应用于工业设计中。七十年代中期以后，考虑真实流体粘性效应的数 值模拟受到人们的重视。自八十年代以来，离心泵叶轮内流的计算有了较大的发展。 1 9 8 6 年，t a n a b e 等用原始变量方法、有限元离散，数值计算了离心泵叶轮内部三维湍 流流动。1 9 8 9 年，e w a l ds t e c k 等采用速度一涡量方法，有限差分离散，数值计算了一 离心泵叶轮内部三维层流流动。1 9 9 2 年，s h iq i n g p i n g 等和g o e d e 等先后发表了离心泵 叶轮内的二维、三维粘性流动的数值计算结果。1 9 9 4 年，戴江、吴玉林等在离心泵叶 轮内两相流动的数值模拟上作了可贵的探索。【4 8 】 近几年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图 解法；过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段在 计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通 过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为 设计工具在很多领域发挥作用。对于水泵内部的流体流动，过去主要借助基本的理论 分析和模型试验，而现在大多采用c f d 的方法加以分析和解决。随着c f d 分析技术 的发展，流体机械的优化设计则大为简化。它解决了理论研究和试验研究难以解决的 复杂的流动问题，用数值分析方法研究水泵内部流场已成为水泵优化设计的一个重要 手段，可大量节省时间，缩短开发周期，降低设计成本。用数值方法研究内部流场方 法应用越来越广泛。 1 4 本课题的来源 本课题以桂林市前进机械厂4 6 5 q 冷却水泵为研究对象，该水泵在使用过程中主 要出现的问题是：水泵额定流量下的扬程比较低，水封密封不好，水泵效率低下，索 赔率比较高，致使该厂生产的该型水泵盈利不高，严重制约了该型水泵的成批量生产， 产量相对比较低。应厂方要求，本文主要是从对叶轮以及蜗壳的优化设计着手，提高 4 6 5 q 型发动机冷却水泵的扬程，提高密封质量，优化蜗壳螺线，使得该型发动机冷 却水泵性能得到有效的提高。 1 。5 本课题的意义 随着内燃机匹配要求与强化程度的提高，以及应用领域的拓展，不断提出特殊的 工况要求，从而对冷却水泵技术要求不断提高。近年来，又由于汽车的价格降幅比较 6 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 大，很多汽车配件的价格也比较低，要想这些产品达到比较好的性能，不能单单从这 些产品的材料、制作工艺以及购买好的配件上下功夫，而要着重从产品的结构上对其 进行优化，改进产品的性能。 鉴于此，本文就是对4 6 5 q 发动机冷却水泵的结构进行优化，来进一步满足发动 机及其整车的要求。运用先进的设计方法，对叶轮及蜗壳进行优化分析，采用可靠的 计算机分析软件，对其蜗壳内的液体流道进行有限元流道分析，优化流道内的压力分 派，从整体上提高该型水泵的性能。 1 6 本课题研究的内容 图l - 3 为本文研究的4 6 5 q 发动机冷却水泵的三维结构图。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 通过阅读大量文献，了解水泵的现状和离心泵优化技术这一课题的研究背 景，并研究c f d 技术在流体机械中的应用前景。 ( 2 ) 从理论上分析水泵叶轮和蜗壳的几何参数对水泵性能的影响，研究参数包 括：叶片进口角、叶片出口角、叶轮出口宽度、蜗室形状、流道形状、叶片型线等。 并分析水泵制造工艺性对水泵性能的影响。 ( 3 ) 采用三维造型软件u g 和计算流体力学专用软件g a m b i t 、f l u e n t 对其 叶轮和蜗壳进行实体建模、网格生成、前处理、数值计算。并通过分析水泵内部流场， 研究水力损失的存在。 ( 4 ) 基于4 6 5 q 发动机冷却水泵内部流场的数值计算进行性能预测，探讨影响 水泵性能的主要因素，并对水泵作优化设计。 7 广西大学硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 ( a ) 蜗壳( b ) 叶轮 图1 - 34 6 5 q 发动机冷却水泵的三维结构图。 f i g l - 3t h e3 ds t r u c t u r eo ft h e4 6 5 qe n g i n ec o o l i n gp u m 8 e - 西大掌硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 2 1 概述 第二章4 6 5 0 冷却水泵内部流场的数值计算 c f d 方法、传统理论分析方法和实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整 体系。而且c f d 方法克服了理论分析方法和实验测试方法的许多困难如：经费投入、 人力和物力的巨大耗费以及周期长等。很多文献【2 0 2 l2 2 1 已经证明，c f d 技术在流体 机械领域己显示出了明显的优势。用c f d 方法研究流体机械内部流场已成为其优化 设计的一个重要手段。本章采用c f d 技术进行4 6 5 q 冷却水泵内部流场数值计算， 并分析损失分布，为对4 6 5 q 冷却水泵的优化设计作铺垫。 图2 1 为4 6 5 q 汽油机的水循环及水泵位置图【3 5 j ( a ) 正视图 1 a ( b ) 俯视图 图2 - 14 6 5 q 汽油机的水循环及水泵位置图 f i 9 2 1t h el o c a t i o no f w a t e rp u m pi n4 6 5 qg a s o l i n ee n g i n e 该水泵的基本参数： 模拟工况( 一) ：转速n = 6 0 0 0 r m i n ，流量1 0 0 l m i n ，设计扬程1 2 m 模拟工况( 一) ：转速n = 3 0 0 0 r m i n ，流量4 0 l m i n ，设计扬程3 5 m 9 4 6 5 q 内燃和p 令却水泵的优化设计 2 2 模型建立和g a m b l t 前处理 用g a m b i t 分别对叶轮和蜗壳流道进行三维实体建模，叶轮流道及蜗壳流道的三 维模型如图2 2 、图2 3 所示。叶轮的旋转轴为z 轴，蜗壳的转向轴也是z 轴。 图2 2 叶轮流道三维计算模型 f i 9 2 - 2t h e3 dm o d e lo f r o t a t i o n 2 3 网格的生成 图2 - 3 蜗壳流道三维计算模型 丘9 2 3t h e3 dm o d e lo fs c r o l l 模型建成以后，就要进行网格的划分，网格的生成总的来说是自动进行的。在三 维问题中，常用的网格单元有：h c x ( 六面体单元) 、h e x w e d g e ( 网格主要由六面体组 成，个别位置可以有契形体) 、t e t h y b r i d ( 主要由四面体组成，个别位置可以有六 面体、椎体等) 。常用的网格类型有m a p ( 规则的结构网格) 、s u b m a p ( 块结构网格) 、 c o o p e r ( 非结构网格) 、t g r i d ( 混合) 网格等。要注意的是，结构网格和块结构网格 中只能使用h e x 单元，非结构网格可以使用h e x 单元或h e x w e d g e 单元，混合网格 可以使用t e t w e d g e 单元。对于复杂模型，使用混合单元比较容易成功。 因水泵模型几何形状复杂，所以采用适用性强、对具有复杂边界模型特别有效的 非结构化混合网格， 2 4 指定边界类型和体的类型 在s o l v e r 菜单中指定求解器为f i ，i 厄n t 5 6 ，并利用o p e r a t i o n z o n e s p e c i f y b o u n d a r yt y p e s 命令指定叶片的工作面、背面、叶片盖板面为w a l l ，叶轮进u i 面为 v e l o c i t y i n l e t ，叶轮出口面为0 u t f l o w ，然后指定体的类型，此处体只有一 1 0 广西大尊啊页士掌位论文4 6 5 q 内燃和p 令却水泵的优化设计 个，其类型定义为f l u i d ，操作完后，网格模型已经包含有边界信息和体的类型。调 用f i l e e x p o r t 2 d e s h 命令可以将上面的网格模型存盘。 t 伽d 软件读入( r e a d ) 叶轮和泵体的m e s h 文件，然后写出( w t e ) ，保 存为m e s h 格式的文件。这样叶轮和泵体两部分独立的网格由t g r i d 自动合并。至此， 流场计算的前处理工作就全部完成了。其中网格划分是最耗时的环节，也是直接影响 流场计算精度和效率的关键因素，计算域的网格，很难划分成功，即使成功了，如果 网格质量很差，导入f l u e n t 计算的时候，可能出现错误，或者收敛趋势出现振荡， 不同网格计算的结果也有一定的差异。为此，在c f d 计算中，三维造型和网格划分对 计算结果起着至关重要的作用，也是花费时间较多的一个部分。 2 5 泵内流场的求解 2 5 1 控制方程 图2 - 4 网格图 f i 9 2 - 4g r i dp l a n s 1 基本方程组 质量守恒和动量守恒是描述水力机械内部流体流动的基本规律。在某一计算工况 下叶轮的转速是恒定的。当选用与转轮主轴一起旋转的非惯性坐标系来描述相对运动 时，转轮内部的相对运动可以认为是定常的。这样，在以z 轴为旋转轴，以叶轮角速 度。旋转的相对直角坐标系( x ，y ，z ) 中，考虑至l j b o u s s i n e s q 涡粘性模型，不可压缩， 1 1 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 定常流动的连续性方程和动量方程数学表达式为： ( 1 ) 连续性方程 望+ a ( e u ) 4 - 堕型+ a ( p w ) ：o 动苏 砂 龙 其中：p 流体的密度，k g m 3 ； “速度矢量厅在x 方向的分量，m s ； ，速度矢量露在y 方向的分量，m s ； w 速度矢量露在z 方向的分量，m s 。 ( 2 ) 动量方程 掣+ d i v ( p u 垆一夏o p + 警+ 等+ 誓+ c 掣+ d i v ( p v 垆一考+ 鲁+ 可o r + 誓+ c 掣+ d i v ( p w 妒一鲁+ 孥+ 堡0 3 , + 等+ e 其中：p 静压，p a ； 乃是应力张量，p a ； 只外部体积力源项。 根据广义牛顿公式【3 0 】，应力张量可表示为： k = 2 票+ 胁( 露) 苏 砀却考+ 胁( 厅) f 。= 2 i 3 u + 肋v ( 露) f 42 z = = + 以d i v l “j 化 。 勺2 磊 k2 乞 2 勺 其中：动力粘度，p a 协 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一加一缸知一锄知一砂 + + + 抛一砂锄一瑟加一出 ，l，l a 心 厶 广西大掌硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的俄化设计 兄第二粘度，一般可取力：一2f 3 1 1 ，p a s 。 3 2 湍流模型 目前涡粘模型中应用最广泛的是二方程模型，其最基本的模型是标准七一s 模型， 标准七一占方程可表示如下【2 7 2 8 】： 舻吒专 昙c p 七，+ 毒 p w j k - ( z + 箦，考 = 户c 见一g ， c 2 5 ， 昙c 胆，+ 毒 鹏s 一 + 考 _ 尸妻c q 见一g s ， 其中：仇湍动能尼的生成项，由下式确定： 见：丝( 挈+ 挈) 婺 ( 2 6 ) p 刁，c i呶i 呶i e 、吒、吒、q 和c 2 为湍流模型系数，可分别取值为o 0 9 、1 0 、1 3 、1 4 4 和1 9 2 。 2 5 2 设置算法和求解控制参数 在以上设置后，原则上可以让f l u e n t 开始进行求解计算，但为了更好的控制 求解过程，需要在求解器中进行某些设置。 ， s i m p l e c 是s i m p l e 算法的改进算法之一。它是由v a nd o o r m a l 和r a j m b y 【3 0 】 所提出的。前者较后者迭代收敛速度快，因此选择s m p l e c 算法。由于求解器选择 的是分离式的，所有方程中的对流项均用一阶迎风格式离散保持默认。设置窗口如图 4 6 5 q 内囊审p 令却水泵的俄1 七设计 2 5 3 边界条件 图2 - 5 算法和求解控制参数设置窗口图 f i 9 2 5 吐圮a l g o r i t h ms e t t i n gw i n d o w 1 进口边界 f l u e n t 中提供的进口边界有速度进口、压力进口和质量进口三种边界条件，在 这里选用速度进口边界条件。叶轮进口处假定流动是轴对称的，无旋的，速度只有轴 向分量，且其大小是一致的，那么叶轮进口处的速度可以按照下式计算： k 2 芒 ( 2 - 7 ) 式中i k 为叶轮进口面积，q 为流量 对于进口边界处的湍动能和湍动能耗散，目前还没有理论上精确计算这两个参数 的方法，只能通过试验得到，在计算中，根据湍动强度和特征长度来计算，其计算公 式为： 七= 兰( 霉) 2 s 叫4 盖 式中特征长度l 可以按等效管径计算。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 广西大掣顾士茸q 立论文4 6 5 q 内燃机泠却水泵的俄化设计 关于进口参考压力，这里可以设定其压力为0 。在流场的计算中，压力总是按相 对值表示的，实际求解的压力也只是相对压力( 相对进口而言) 才有意义，因此进口 压力的设定，并不影响有意义计算的结果。若选择进口压力为0 ，可以直观地得出流 场的计算结果。 设置窗口如图2 - 6 i 瓣 蓊鬻鬣豢 a s 图2 - 6 进口边界条件设置窗口 f i 醇- 6i l l 】衄蛐w i n d o w 2 出口边界 f l u e n t 中提供的出口边界条件有出流、压力出口、压力远场等类型，其中出流 ( o u t f l o w ) 边界适用于出口流动完全发展，求解前压力和速度未知的情况，如果在 出口处选择一个垂直于流动方向的面，那么在该面上的所有变量( 压力除外) ，其梯 度都是0 ，即： 型：o 锄(2-10) 式中耷为除压力外的所有物理量。 在f u e n t 中指定出口边界为o u t f l o w 后，不需要再对出口边界做任何设定。 3 壁面条件 f l u e n t 中固体壁面边界有壁面、对称、周期、轴等类型。在粘性流动中，壁面 处默认为无滑移边界条件，也就是说固体壁面与液体的相对速度为o ，在本计算中由 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 于叶轮是旋转运行的，所以设定壁面为旋转边界，并且指定旋转轴为z 轴，根据右手 定则旋转，速度为- - 6 0 0 0 r p m ，设置窗口如图2 7 。对于蜗壳的壁面，设为无滑移边 界条件，设置窗口如图2 8 。 图2 7 旋转壁面设置窗口 f i 9 2 - 7m o v i n gw a l ls e t t i n gw i n d o w 1 6 4 6 5 q 内燃柳冷却水泵的优化设计 4 i n t e r f a c e 面 图2 - 8 静止壁面设置窗口 叶轮与蜗壳对应的面分别设置为i n t e r f a c e 面，然后再在f l u e n t 里合并，实现 动静耦合，如图2 - 9 。 di n i i n 诺j f _ f i 品z o 斋蓄 歪 毒 w o k e i n t e r l a c e y e l u m i n t c d a c c l w o k e _ | n t c r f a c e y c l u m i n t c d a c l 鲎筮譬鎏幽 黛 驻篮琏誊鎏连崖堂监姒 鬣 图2 - 9i n t e r f a c e 面合并耦合窗口 f i 萨- 9i n t e r f a cm e r g e rw i n d o w 一 鋈幽瀚酒鞫 广西大掌硕士掌位论文 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 2 6 计算过程 利用f u e n t ，流场计算的过程如下： 1 导入网格模型； 2 检查网格模型； 3 选择求解器( 单精度分离求解器) 和运行环境； 4 决定计算模型； 5 设置材料特性； 6 置边界条件； 7 整流动求解的相关参数： 8 初始化流场； 9 开始求解； l o 显示求解结果； 1 1 保存求解结果； 1 2 如有必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程。 需要注意的是，f l u e n t 求解器分为单精度和双精度两类。单精度求解速度快， 内存占用少，一般选用单精度求解器就可以满足要求了。 在计算过程中监控一下参数的残差情况：连续性、三个方向的速度分量、湍流能、 湍流耗散率。所有残差都小于l o e 3 时，认为计算结果收敛。进行迭代计算时观察收 敛参差图，发现异常情况及时处理，并修改有关参数进行再次迭代计算。 广西大国页士掌位论文4 6 5 q 内燃机冷却水泵的优化设计 o啦强嘲 硒动岫。：蚀 i t e r 斑i 叽s 2 7 模拟结果分析 图2 1 0 残差收敛图 f i 醇- 10r e s i d u a lc o n v e r g e n c e 2 7 1 叶轮和蜗壳内部流场的静压分布分析 图3 4 和图3 5 是设计工况下叶轮和蜗壳内部流场数值计算的静压分布图叶轮和 蜗壳中间截面流场的静压分布。结合图2 - 1 l 至图2 一1 5 可以看出，从进口到出口，是一 个静压不断增大的过程。冷却水以环量进入泵体( 缸体) 后，通过扩散逐步把动能转 化为压能。由于粘性流体和惯性力的作用，随着半径增大，静压力也逐渐增大。 ( a ) 6 0 0 0 r m i n( b ) 3 0 0 0r r a i n 1 9 - - o2 0 呻i f ! l t e n t63 t 埘p h ht l 州 蛳 罨i ； 蝴 蛳 眦 蝴 j ! | 芒 刮 制 利 h 和 悼 悻 忙 悼 悼 一 一 二 4 6 5 q 内燃机冷却水泵的伉化设计 图2 1 1 静压力场分布图 f i 9 2 - 11t h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s