CFD的水泵数值分析 CFD的水泵数值分析

CFD的水泵数值分析

  • 期刊名字:汽车工程师
  • 文件大小:167kb
  • 论文作者:刘小平,郭兰,顾维东
  • 作者单位:天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心
  • 更新时间:2020-09-25
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论文简介

Auto Engicer2010 (4)Enge汽车工程师FOCUS技术聚焦CoominDesign-nnovationCFD的水泵数值分析刘小平郭兰顾维东(天津汽夏利汽个股份有限公司产 品开发中心摘要:CFD模拟可以直观了解产品内的复杂流动现象,对提高设计能力、改进和优化设备具有重要的作用。文章建立了发动机冷却水泵的实际工作模型,对水泵体内部的三维湍流流场进行CFD模拟;研究了水泵内部复杂流场中各个位置.上压力分布、速度分布和湍动能情况;分析水泵的水力损失,对发动机水泵的扬程和水力效率性能进行分析和预测,计算结果与试验结果相差不超过8%,表明利用CFD数值模拟分析具有很高的可靠性,能充分反映水泵内部流动的复杂情况,可以为水泵结构设计和性能改进提供理论依据。关键词:内燃机;数值模拟; CFD;水泵;性能预测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水泵设计是-项复杂的过程,在设计中各种因素约成本, 主要分为水泵本体和缸盖水泵部分。水泵本互相影响,满足给定要求的水泵可能有不同的设计方体 主要由水泵壳体、水泵叶片、水泵皮带轮及水泵水案。采用CFD技术在设计初期就能够从大量的设计封等 构成,水泵本体直接安装在发动机缸体上,水泵.方案中筛选出所需要的设计方案,大大减少设计中的皮带轮和曲轴皮带轮通过皮带以1.2的传动比连接。盲目性1-3]。文章采用CFD技术进行- -款1.3L发动水泵 本体和水泵在发动机缸体上安装位置的三维实体机冷却水泵内部流场数值计算,分析损失分布,为冷模型图, 如图1和图2所示。却水泵的优化设计打基础。借助CFD技术,可以得G到水泵内任意位置的流动细节,如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍动量及漩涡等,从而可进行能量与汽蚀特性预测,并进行优化设计等。1数值计算模型1.1水泵叶轮三 维结构的几何建模中国煤化工本发动机在实际设计中,考虑整机的紧凑性和节1YH| CNMHGN 0,图1水泵本体图2发动机缸体水泵安装位置-21 -Auto Egiceg技术聚焦FOCUSEngmn汽车工程师2010年4月设计创新1.2边界设定和网格生成条件为自由流边界;水泵转速为7 200 r/min。利用CFD软件star cd进行表面网格重构以提高2计算结果 与分析表面网格的质量,在表面网格重构时,使用随曲率网在计算过程中监控参数的残差情况,包括:流体络自动加密,同时设定自动控制网格的表面质量达到连续性、3个方向的速度分量、湍流能及湍流耗散率,0.1。因为整个水泵系统几何形状比较复杂,所以采所有残差都小于 1X103时,认为计算结果收敛。用多面体网格进行体网格划分。多面体网格具有良好star cd后处理功能强大,可以直观地了解流场中的的几何外形适应能力,能够较精确地反应细微区域的速度分布和压力分布:以及发现旋涡区和脱流区等;几何特征,水泵流体域模型,如图3所示。整个分析还可计算得到任意2个过水断面间的水力损失和泵的模型包括3个流体区域,分别为进水区域、叶轮旋转扬程等, 并且可以预测水泵叶轮上的扭矩及水泵的水区域及蜗壳计算区域。通过3个交接面相互相连,水力 效率。泵多面体网格数量总计93417个。2.1叶轮和蜗壳内部流场的压力分布图4示出设计工况下水泵内部流场数值计算的压力分布图,图5示出叶轮和蜗壳中间截面流场的压力分布图。由图4和图5可以看出,从进口到出口,是一个静压不断增大的过程。冷却水进入泵体后,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,压力逐渐增大。图3水泵流体域模型1.3计算方法与边界条件在水泵CFD分析中,主要采用MRF(movingreference frame)模型对转子旋转区域进行模拟计算。水泵中的水流是有粘性的,粘性在靠近固体壁面的区域表现影响最为突出,粘性常常引起旋涡和脱流等现象,从而导致水力损失中。对于水泵来讲,在进行CFD分析时,粘性是不可忽略的。也就是说,水流-178 146 -27 620.3 122905 273430 423956 574 481不能按理想流体对待,必须按湍流处理。根据发动机总压力/Pa水泵的实际工作环境,冷却液为50%水与50%乙二图4水泵压力图醇的混合物,取其在105 C和180 kPa条件下的物性参数;冷却液在发动机水泵内的流动视为稳态和绝热的不可,压缩湍流。计算采用segregated方法,湍流模型为RANS算法中的realizable k &湍流模型,模型中的系数均采用默认值。临近壁面的区域采用highy+壁函数处理,固壁面采用无滑移边界条件。在差分格式中,压力项采用标准格式,速度、湍动能和湍流粘性系数均.采用二阶迎风格式,压力与速度之间的耦合算法为SIMPIE,求解过程中各松弛因子为:压力项0.3, 速度项0.7,湍动能项和湍流粘性系数项0.5,湍流耗散-136560 -2077.2中国煤化工535 855率项0.3。YH| CNMHG进口边界为速度进口,v= 2.967 7m/s;出口边界图5水泵中间截面压力图-22 -AutoBngineer第4期Enge汽车工程师FOCUS技术聚焦CoomiDesign-Innovation由于转速较高,在进口范围内形成低压区,在离出水段外侧 的流速较高,内侧的流速较低,形成了速蜗壳出口较近的叶片底部存在负压区,此处也应是最度差, 因此在此处形成了旋流。容易发生汽蚀的区域。另外,蜗壳在起始与泵出口交图9示出沿Z轴-一个截面的静压力分布图。由图接处存大压力较大的区域,主要是该处叶片与蜗壳的9可以看出,在叶轮后盖与泵体的间隙存在明显的回距离很小,在冷却水的粘性力作用下压力迅速增大。流, 容积损失较大。另外,在进口部分也存在一定的叶片工作面压力和工作背面压力分布,如图6和漩涡区, 在进口部分的水套加工工艺孔处更加明显。图7所示。由图6和图7可见,工作面和工作背面的压力分布基本呈现周期性。从叶片进口边到出口边高压力区逐渐减小,与工作面相比,背面的静压力比工作面小,其原因主要是轴向旋涡的作用。0.510 835.891 91 1.27316.654 22.03527.416速度(m/)图8中间截面的绝对速度分布图80118.4 174216 268313 362411 456 508550 606总压力/Pa图6叶片工作面的压力分布图0.261 90 5.044 59.827 114.61019.39224.175速度/(m/)-1.78146 -47754.2 82637.2 213029 343420 473 812图9沿Z轴截面的速度分布图2.3湍动能分布图7叶片工作背面的压力分布图湍动能表示了湍流脉动的程度,其大小和空间不2.2 速度分布图8示出水泵中间截面的速度分布图。由图8可均匀性也在--定程度上表明了脉动扩散和粘性耗散损以看出,随着叶轮圆周直径的增大,圆周速度增大,失的大小和发生范围。图10示出中间截面的湍动能则速度随之增大。进入泵体(缸体)后,由于流速逐分布图。由图10可以得出,湍动能比较小的蓝色区渐降低,动能转化为压能。叶轮和蜗壳的整个流场的域存在于出口处中国煤化工流动稳定。速度矢量分布合理。在出口处存在漩涡区,这是由于在转子接近出口MHCNMH G动扰动,出-23 -AntoEnginee技术聚焦FOCUSEngmn汽车工程师2010年4月设计.创新现流体撞击等现象,增大了水力损失。量为135 L/min,试验得出的扬程为19m,水力效率为25%。由CFD计算可得出输出的进口及出口总压力为: P-=4.682 622X103 Pa; Pout =2.056 395 X 10'Pa;M =2.154 N:m,代入式(1) 和式(2), 可得水泵的扬程为20.5 m,水力效率为27.5%,整体误差小于8%。这样就获得了一个工况下的外特性,如果计算多个工况点,就可以绘制出水泵的流量-扬程曲线和流量-效率关系曲线,从而预测出水泵在全工况范围内的性能。3结论1)CFD为分析水泵内部复杂流场提供了-种新的手段,基于湍流模式水泵的计算,已能够获得与实0.286 694.0890 7.891 311.694 15.496 19.298际情况基本相符的流动细节,并对水泵系统的性能特性进行预测,为研究和开发高性能水泵提供新的理论湍动能/(Jkg)图10中间截面的湍动能分布图和技术依据。2.4水泵扬程和水力效率的预测2)文章CFD分析是针对单相流体的,但水泵在水泵叶轮带着液体旋转时把力矩传给冷却液,使高温实际工作中存在一定的气液两相流,有必要进行冷却液的运动状态发生变化,从而完成了能量的转换。二相流的分析;另外CFD模拟中的近壁面处理仍需叶轮就是通过叶片把力矩传给液体,使液体的能量增要进一步深入研究。加。在模拟计算三维流场的基础上,通过计算水泵进参考文献.出口面的环量差和转子的轴功,可求得水泵的实际扬[1] 王福军,黎耀军,王文娥,等.水泵CFD应用中的若干问题与思考[].排灌机械,2005, 23(5): 1-9.程和水泵的水力效率5-0。在水泵中,规定叶轮的扬[2]王福军。计算流体动力学分析CFD软件的理论与应用[M].北京:程是叶轮出口总水头与进口总水头之差,叶轮的扬程,清华大学出版社,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]. Transactions of the ASME, 2002,Pg式中: H扬程,m;124(2): 329-335.P.一进口总压力,Pa;[4] 章梓雄,董曾南.粘性流体力学[M]. 北京:清华大学出版社,2004.[5]李允昌495Q 内燃机冷却水泵的优化设计[D].广西:广西大学,Pou-- 出口总压力,Pa;2008.P-- 冷却液的体积质量,kg/m';[6]钱健.离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟研究[D].江苏:扬州大学,重力加速度,m/s';2003.Oz一蜗壳出口与叶轮进口在垂直方向的距(收稿日期: 2009-12-30)离,m;该泵Oz =0。叶轮的水力效率,如式(2)所示。_PgQH(2)Mo .式中: 7n-- -水力效率;Q一-水泵的流量, m'/s;M一-叶片正、背面表面受到的绕Z轴的力矩之和,N:m;中国煤化工o-- -叶轮的转动角速度, rad/s.MHCNMHG该水泵在标定工况下水泵转速为7 200 r/min,流- 24-

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