论文部分内容阅读
摘要： 本文通过常规的理论设计方法延伸出一种双出水口涡流室的设计方法;利用公式计算：推导出涡流室截面对于两侧出水口不同流量和不同扬程需求的计算方式。
Abstract： In this paper， a design method of double outlet vortex chamber is extended by the conventional theoretical design method.Calculate by formula： deduces the calculation method of the section of cortex chamber for different flow and different head requirements of the two sides of the outlet.
關键词： 双出水口涡流室;流量;扬程
Key words： double outlet vortex chamber;flow;head
中图分类号：U463.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0018-02
0 引言
汽车行业的竞争日益激烈，汽车厂商对于发动机的要求也越来越高，节能、高效成为汽车厂商以及发动机厂家提升核心竞争力的关键，同样也就要求各个零部件提升后自身效率，降低能耗，精准对应客户需求等。下面我们就通过一个案例，共同探讨汽车水泵双出水口涡流室的设计方法。
1 设计需求
1.1 涡流室（压水室）的作用
①收集从叶轮中流出的液体，并输送到排出口;②保证流出叶轮的流动是轴对称的，从而使叶轮内具有稳定的相对运动，以减少叶轮内的水力损失;③降低液流速度，使速度能转换成压能;④消除液体从叶轮流出的旋转运动，以避免由此造成的水利损失[1]。
1.2 通过具体案例：满足涡流室需求，见图1。
左侧：转速n=7200rpm，流量Q左=199L/min，扬程
H左≥ 17.8m;右侧：转速n=7200rpm，流量Q右=141L/min，扬程H右≥16m;另外要求实测/分析结果：（H左-H右）=（1.8±0.5）m;效率≥45%。
2 计算分析
2.1 水泵比转速nS的计算
2.2 水泵叶轮基本尺寸计算
利用速度系数法计算出叶轮的基本尺寸：
2.3 水泵左右侧流道截面面积计算
利用速度系数法计算出水泵涡流室的各个截面面积：
然而该水泵为双流道水泵，即水泵转动一圈经由两个流道，且左右两侧流量和扬程不一致，因此根据两侧流道所需要的能耗，将360°的流道进行比例分配：
因此左、右涡流室的隔舌安放角分别为左侧：18°右侧：12°，根据左、右侧总的流道分配角度，以及截面面积，利用三维软件画出整个涡流室16个截面，并制作三维数模，如图2所示。
2.4 涡流室模型的建立以及CFD仿真分析
CFD计算结果与试验数据对比分析，通过比较得出，计算误差在5%之内，因此利用CFD技术能够为新产品的设计开发提供理论依据[3]。
按照上述结论将整理好的涡流室以及叶轮导入CFD仿真软件见图3、图4。
借助CFD分析，可以得到流体内任意位置的流动细节，如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍流量等，从而可进行能量与汽蚀特性的预测，以及进行优化设计[2]。
加载湍流模型、层流模型、紊流模型等进行稳态CFD仿真分析：转速：7200rpm，进水口设置：100kPa，左侧出水口流量：199L/min，右侧出水口流量：141L/min，结果如图5所示。
①左侧出水口：H左=21m，右侧出水口：H右=19.5m;较要求值分别高出3.2m和3.5m;根据之前经验：计算与实际偏差5%，因此初步判断扬程符合设计要求！
②（H左-H右）=1.5m，要求值：（1.8±0.5）m，初步判定满足左右扬程差的设计要求！
3 结束语
本文通过速度系数法，计算出水泵流体域基本参数，并根据这些基本参数利用三维软件建立流体域的3D模型，然后导入CFD仿真软件中，仿真计算出水泵流量、扬程、效率等参数，以此实现设计需求。希望读者通过阅读本文，对涡流室流道的设计能力以及泵的流体仿真设计能力有一定的提升，加深对速度系数法的理解，对双流道流域以及多流道流域的设计有新的设计思路。
参考文献：
[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2010.
[2]王福军.计算流体动力学分析线CFD软件的理论与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]韦李娜，王燕飞，沈栋平，等.基于CFD的汽车离心水泵性能分析[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014，37（5）：83-86.
Abstract： In this paper， a design method of double outlet vortex chamber is extended by the conventional theoretical design method.Calculate by formula： deduces the calculation method of the section of cortex chamber for different flow and different head requirements of the two sides of the outlet.
關键词： 双出水口涡流室;流量;扬程
Key words： double outlet vortex chamber;flow;head
中图分类号：U463.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0018-02
0 引言
汽车行业的竞争日益激烈，汽车厂商对于发动机的要求也越来越高，节能、高效成为汽车厂商以及发动机厂家提升核心竞争力的关键，同样也就要求各个零部件提升后自身效率，降低能耗，精准对应客户需求等。下面我们就通过一个案例，共同探讨汽车水泵双出水口涡流室的设计方法。
1 设计需求
1.1 涡流室（压水室）的作用
①收集从叶轮中流出的液体，并输送到排出口;②保证流出叶轮的流动是轴对称的，从而使叶轮内具有稳定的相对运动，以减少叶轮内的水力损失;③降低液流速度，使速度能转换成压能;④消除液体从叶轮流出的旋转运动，以避免由此造成的水利损失[1]。
1.2 通过具体案例：满足涡流室需求，见图1。
左侧：转速n=7200rpm，流量Q左=199L/min，扬程
H左≥ 17.8m;右侧：转速n=7200rpm，流量Q右=141L/min，扬程H右≥16m;另外要求实测/分析结果：（H左-H右）=（1.8±0.5）m;效率≥45%。
2 计算分析
2.1 水泵比转速nS的计算
2.2 水泵叶轮基本尺寸计算
利用速度系数法计算出叶轮的基本尺寸：
2.3 水泵左右侧流道截面面积计算
利用速度系数法计算出水泵涡流室的各个截面面积：
然而该水泵为双流道水泵，即水泵转动一圈经由两个流道，且左右两侧流量和扬程不一致，因此根据两侧流道所需要的能耗，将360°的流道进行比例分配：
因此左、右涡流室的隔舌安放角分别为左侧：18°右侧：12°，根据左、右侧总的流道分配角度，以及截面面积，利用三维软件画出整个涡流室16个截面，并制作三维数模，如图2所示。
2.4 涡流室模型的建立以及CFD仿真分析
CFD计算结果与试验数据对比分析，通过比较得出，计算误差在5%之内，因此利用CFD技术能够为新产品的设计开发提供理论依据[3]。
按照上述结论将整理好的涡流室以及叶轮导入CFD仿真软件见图3、图4。
借助CFD分析，可以得到流体内任意位置的流动细节，如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍流量等，从而可进行能量与汽蚀特性的预测，以及进行优化设计[2]。
加载湍流模型、层流模型、紊流模型等进行稳态CFD仿真分析：转速：7200rpm，进水口设置：100kPa，左侧出水口流量：199L/min，右侧出水口流量：141L/min，结果如图5所示。
①左侧出水口：H左=21m，右侧出水口：H右=19.5m;较要求值分别高出3.2m和3.5m;根据之前经验：计算与实际偏差5%，因此初步判断扬程符合设计要求！
②（H左-H右）=1.5m，要求值：（1.8±0.5）m，初步判定满足左右扬程差的设计要求！
3 结束语
本文通过速度系数法，计算出水泵流体域基本参数，并根据这些基本参数利用三维软件建立流体域的3D模型，然后导入CFD仿真软件中，仿真计算出水泵流量、扬程、效率等参数，以此实现设计需求。希望读者通过阅读本文，对涡流室流道的设计能力以及泵的流体仿真设计能力有一定的提升，加深对速度系数法的理解，对双流道流域以及多流道流域的设计有新的设计思路。
参考文献：
[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2010.
[2]王福军.计算流体动力学分析线CFD软件的理论与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]韦李娜，王燕飞，沈栋平，等.基于CFD的汽车离心水泵性能分析[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014，37（5）：83-86.