汽车冷却水泵设计与流场仿真分析

发布时间：2020-08-03 13:28

【摘要】：汽车水泵是发动机冷却系统的核心部件,对发动机的动力性、经济性和可靠性有显著影响。由于布局、空间的限制,设计人员通常采用提高转速、加大流量的方法来减小汽车冷却水泵的总体尺寸与体积,导致通流空间狭小,流道几何形状复杂,流动方向变化大,从而影响冷却水泵的综合性能。我国汽车保有量超过2亿辆,但调查研究与统计数据表明,现有发动机冷却水泵在不同程度上存在能耗高、效率低等突出工程技术问题,不利于节能减排。因此,深入开展汽车冷却水泵的设计与分析研究工作,对掌握泵内冷却介质流动规律、提高水泵性能、保障发动机高效可靠运行有重要意义。论文以某型汽车发动机冷却水泵的改进设计为研究目标,通过数字化设计、仿真分析、样件研制、性能测试等方面的研究工作,实现了原型冷却水泵的改进及性能改善,提高了冷却水泵质量。论文主要工作如下:(1)开展了原型冷却水泵的改进设计。基于离心泵基本理论、水力模型数据库及相似设计方法,在不改变安装边界条件的情况下,改变了原件叶轮的结构形式,调整了叶片参数,增加了蜗壳出口处的水流导向结构,完成了轴连轴承及水密封的选型,为后续数模设计、流场分析与样件研制奠定了基础。(2)构建了冷却水泵的三维模型。采用Solid Works软件进行了冷却水泵本体结构及流道几何形状的数字化设计,通过Solid Works与ANSYS Workbench之间的数据交换接口与MESH功能模块,实现了冷却水泵流道模型的网格划分。(3)进行了冷却水泵的原件与改进件的数值计算。采用N-S控制方程,标准k-ε湍流模型,SIMPLEC算法及动静耦合技术,应用CFX流体分析软件对原件与改进件进行多工况数值模拟,得到了冷却水泵内流场的压力分布图、速度矢量图及外特性曲线。对比分析表明,改进件在扬程、效率等指标上优于原件。(4)完成了冷却水泵样件试验研究。CFD数值计算结果与性能测试结果吻合较好,验证了该型发动机的冷却水泵改进设计的有效性和可行性。经对比改进前后冷却水泵实验数据发现,冷却水泵设计点转速为3000r/min,流量为95.81L/min时,扬程提高到4.06米,效率提高到21.72%;转速为6000r/min,流量为189.48/Lmin时,扬程提高到18.46米,效率提高到34.03%,实现了增效降耗的预期研究目标。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.138.1
【图文】：

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达到 2460 万辆，同比增长百分之四点七；2016 年我国汽车总销量约达到 2803 万辆，比增长百分之十三点七[1-3]。由此可见汽车的需求市场是具有良好的发展前景的[4]。汽水泵是整个汽车冷却系统的核心部件，汽车水泵的工作性能直接决定发动机的工况以使用寿命。汽车冷却水泵通过水泵中的冷却介质在发动机工作的过程中将过多的热量走从而达到冷却的作用，使冷却水泵中的冷却介质温度和发动机的温度能达到一个热衡，从而使发动机能够正常工作[5]。在汽车冷却系统中，汽车冷却水泵中的叶轮通过转，使得冷却介质获得压力以及流速后，在发动机水道中流动。从而确保汽车能够在温情况下正常工作。如果水泵在使用过程中坏掉不能正常工作，发动机产生的热量就来不及排出，如果没有让发动机得到适合的冷却，会使得发动机的燃油经济性变低，件的磨损会增加，工作效率将降低。使得汽车发动机的动力性、经济实用性、可靠性体下降[6-7]。所以冷却系统的工作性能直接影响了汽车的动力系统。近些年节能减排、色环保是社会发展的主题，并且对汽车的排放标准也在逐渐提高，所以我们对汽车冷冷却系统以及汽车水泵的要求也越来越高了[8-9]。发动机冷却系统各个部件的名称以汽车冷却水泵的剖面图如图 1.1 所示：2 112 3 4 5 667

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PPm上所述，可以看出水泵的总的效率为水力效率hη 、容积效率vη 以及水效率η 其表达式为：mvhTTTTTTTTHHQQPgQHQHQHPgQHPgQHηηηρρρη = ===率与有效功率之差是汽车冷却水泵泵内的损失功率，其数值大小可。在不考虑冷却水泵机械损失和容积损失的情况下，汽车冷却水泵的率为有效功率与轴功率的比值，用η 表示，PPeη =汽车冷却水泵的典型结构车冷却水泵的主要部件有：叶轮、泵壳、泵轴、轴连轴承、密封环1 2 3 4 5 6

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汽车水泵涡室Fig.3.1Automotivewaterpumpvortexchamber

【参考文献】