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摘要：针对增压直喷发动机冷却系统水泵扬程、效率、汽蚀问题，进行具体分析，使用一维、三维CFD方式来进行优化、验证设计性能。首先根据发动机的最大热负荷工况下冷却系统带走的热量，初步确定水泵的流量需求;其次使用一维CFD软件对冷却系统进行具体的分析，对水泵进行优化;最后使用三维CFD软件与建模软件来计算叶轮、蜗壳等，并据此优化设计方案。
关键词：水泵;优化设计;CFD;冷却设计
中图分类号：U463.99 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0017-02
0 引言
汽车水泵是实现发动机能量转换的核心部件之一，随着汽车耗油量需求不断下降，汽车水泵性能不断提高的同时，需要降低水泵功率消耗等来满足汽车的油耗要求。
1 研究背景
在汽车零部件当中发动机是非常重要的零部件之一，主要功能是实现能量转换。汽车发动机在工作期间最高燃烧温度达到2500℃，因此设计的时候，必须在内部设计冷却系统来防止汽车发动机过热。国内汽车水泵的设计效率一般低于设计工况的效率。以城市运行汽车为例，汽车驾驶过程中一般运行速度大多无法达到设计工况的情况。因此基于水泵的CFD流场设计来预测性能，实质就是建立泵内场特征与水泵转动特性之间的关系，这也逐渐成为研究领域内的重要课题[1]。
以下以某型号汽车发动机水泵的优化设计案例，来展示基于CFD的汽车水泵优化设计过程。
2 水泵性能需求计算
2.1 流量需求
水泵流量必须保证冷却系统的正常运转需要，如果水泵流量小则无法提供足够的冷却，发动机容易造成过热损坏;如果流量过大，则发动机水套温差较小，存在较大的能量损失。基于可靠性方面的需求，水套温差范围的一般控制在6℃左右。设计工况下，冷却液要带走发动机额定功率50～55%左右的热量，具体计算公式：（1）
在上述公式当中，Q（kW）表示发动机的运行净功率最大数值;ρ（kg/m3）表示冷却液密度;C（kj/kg.K）表示比热容;△Τ（K）为设计中水套温差;计算结果是理论需求流量V（m3/s）。运用该公式，能够计算出具体工况下冷却系统所需要的水流量。
2.2 扬程需求
根据一维CFD软件的Flowmaster分析该冷却系统压降值（见图1），取合适的安全系数，即可确定该冷却系统所需要的水泵升压数值量，即扬程需求量具体数值。
3 水泵流场分析
3.1 三维CFD的算法
使用三维CFD软件来分析汽车水泵的三维流动，在计算中湍流模型选择RNG，通过使用有限体积法来计算空間离散，同时对流项使用二阶迎风格式扩散项求差，SIMPLE算法实现耦合求解，为保证计算精度，在优化之前水泵的网格数量均在五百万以上。三维CFD数值模拟技术能描述复杂流动、燃烧现象、爆炸超压形成、燃烧的具体过程。和一维的经验模拟相比，三维CFD模拟技术更可达到与实际效果符合性更高的计算结果，这是其他经验模拟无法实现的。CFD模拟需要注意三维几何模型的详细搭建、边界选择、周围环境等，模拟当中使用的参数尽可能与实际工况相一致。三维计算进口边界给定温度为93℃，总压0.15MPa，得到出口计算扬程。固体壁面给定恒无滑移边界，同时运动与静止部件的设计均采用multiple reference frame（MRF），蜗壳区域坐标固定，叶轮区域为运动坐标。
3.2 该算法的可靠性验证
在给定边界的基础上设计出原水泵模型，针对原水泵模型进行CFD计算，将计算结果与试验结果相比较（见表1）。在比较中注意到，原水泵叶轮使用冲压成型结构、单圆弧直叶片设计，蜗壳的扩散段比较短，流动的时候存在冲击，因此效率较低，测试额定转速为6000r/min，效率低于30%。从表1中可以看出，模拟计算结果与试验结果吻合性较好，说明计算过程是可靠的。
4 水泵的优化设计
4.1 柔性设计
在当前诸多研究当中，基于CFD流场的模拟已经作为水泵优化设计的重要研究点;冷却系统的分析，能够预测在一定转速下，水泵流量、扬程等各方面性能;使用三维软件来生成并计算叶轮、蜗壳模型，同时使用三维CFD软件来进行分析，之后对其进行优化，以达到预期的设计效果，具体设计尺寸如表2。根据实际需求，综合考虑叶轮的设计尺寸。
优化之后的叶轮使用闭式离心叶轮，减少叶顶间隙内存在的回流损失;为了提高叶片前缘吸力面的最低压力，增加系统抗气蚀性能，在叶片前缘使用向压力面倾斜的设计方式，整个叶片呈现后掠叶型;通过调整子午流面的线型结构、叶片进出口角度等，从而实现对叶轮结构的优化设计。除了叶轮之外蜗壳的设计也比较重要，但是如果对蜗壳再次进行设置模型、分析需要消耗更高成本，因此涡壳暂时保持原状，只进行微调;为保证叶轮能够与原本的蜗壳相匹配，优化后的叶轮进口轮盖直径与叶轮直径需要最大可能与原尺寸相近，具体参数与表2的设计相符合 [2]。
4.2 对设计方面的思考
为增加水泵扬程，可以从增加叶轮的外直径、出口角度、叶片出口宽度、叶片数量等来进行优化。如果增加外轮外径，就需要增加水泵的总体尺寸，但是汽车发动机对水泵的安装位置及尺寸是有一定限制和要求的，因此该方式并不可取;为提高水泵的扬程，增加了叶轮出口角度，虽然扬程提高了，但是水泵的效率下降了，因此也不能选择这种方式;增加叶片出口宽度与水泵总体尺寸，更不可行;在叶轮的现有空间上增加叶片数，不会增加水泵尺寸也不会影响到水泵的效率，该方案可行。因此部分人在优化叶轮的时候增加叶轮叶片数量，而且为了减少叶轮进出口的排挤，使用长短叶片相间的设计方案。但是由于模具造型及成本等系列原因，文章并没有选择增加叶轮叶片的设计方式[3]。
5 计算结果对比分析
在对比（表3）中发现原水泵设计工况转速为6000r.min-1下效率为27.2%，对于高转速下的水泵效率，在优化之后水泵的水力性能得到了显著提升：经过计算之后的效率提高接近一倍。高转速下水泵抗气蚀性能得到了显著的提高（图2），NPSHR有明显的降低。
对比水泵流场，优化前后的静压力（见图3）对比发现原本水泵压力波动比较大，压力场分布不均匀，叶片前缘根部压力比较小，有汽蚀的风险。这与性能分析一致，优化之后的水泵压力分布更均匀。原水泵叶片尾缘吸力面均存在高速旋涡，靠近隔舌和高速区域范围更大、更加明显，能量损失严重，转换效率低;优化之后的压力场分布均匀，旋涡有明显的改善（见图4）。
6 结束语
综上，使用CFD软件来对汽车水泵原模型进行数值计算，根据计算结果，分析发现水泵内部出现能量损失现象比较明显，需要进行优化。优化改进之后，提高了泵的整体性能，尤其是抗气蚀性能有了明显的提升。在流场分析当中原水泵叶片前缘根部存在明显的气蚀风险，优化之后明显改善，效率也显著提高。
参考文献：
[1]周亚军，王铁力，杨建峰，等.基于CFD方法的竖井贯流泵装置进出水流道优化设计[J].水利水电技术，2019，50（11）：64-71.
[2]黄芳芳，宋开通，吴亚东.基于CFD的电动汽车锂电池包内部流场模拟及其结构优化设计[J].通信电源技术，2019（3）：128-129.
[3]HUANG Li-di，WANG Hao， WU Yi-meng，等.基于CFD的某校园宿舍区室外风环境模拟分析和优化设计[J].建筑节能， 2019，047（001）：57-62.
关键词：水泵;优化设计;CFD;冷却设计
中图分类号：U463.99 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0017-02
0 引言
汽车水泵是实现发动机能量转换的核心部件之一，随着汽车耗油量需求不断下降，汽车水泵性能不断提高的同时，需要降低水泵功率消耗等来满足汽车的油耗要求。
1 研究背景
在汽车零部件当中发动机是非常重要的零部件之一，主要功能是实现能量转换。汽车发动机在工作期间最高燃烧温度达到2500℃，因此设计的时候，必须在内部设计冷却系统来防止汽车发动机过热。国内汽车水泵的设计效率一般低于设计工况的效率。以城市运行汽车为例，汽车驾驶过程中一般运行速度大多无法达到设计工况的情况。因此基于水泵的CFD流场设计来预测性能，实质就是建立泵内场特征与水泵转动特性之间的关系，这也逐渐成为研究领域内的重要课题[1]。
以下以某型号汽车发动机水泵的优化设计案例，来展示基于CFD的汽车水泵优化设计过程。
2 水泵性能需求计算
2.1 流量需求
水泵流量必须保证冷却系统的正常运转需要，如果水泵流量小则无法提供足够的冷却，发动机容易造成过热损坏;如果流量过大，则发动机水套温差较小，存在较大的能量损失。基于可靠性方面的需求，水套温差范围的一般控制在6℃左右。设计工况下，冷却液要带走发动机额定功率50～55%左右的热量，具体计算公式：（1）
在上述公式当中，Q（kW）表示发动机的运行净功率最大数值;ρ（kg/m3）表示冷却液密度;C（kj/kg.K）表示比热容;△Τ（K）为设计中水套温差;计算结果是理论需求流量V（m3/s）。运用该公式，能够计算出具体工况下冷却系统所需要的水流量。
2.2 扬程需求
根据一维CFD软件的Flowmaster分析该冷却系统压降值（见图1），取合适的安全系数，即可确定该冷却系统所需要的水泵升压数值量，即扬程需求量具体数值。
3 水泵流场分析
3.1 三维CFD的算法
使用三维CFD软件来分析汽车水泵的三维流动，在计算中湍流模型选择RNG，通过使用有限体积法来计算空間离散，同时对流项使用二阶迎风格式扩散项求差，SIMPLE算法实现耦合求解，为保证计算精度，在优化之前水泵的网格数量均在五百万以上。三维CFD数值模拟技术能描述复杂流动、燃烧现象、爆炸超压形成、燃烧的具体过程。和一维的经验模拟相比，三维CFD模拟技术更可达到与实际效果符合性更高的计算结果，这是其他经验模拟无法实现的。CFD模拟需要注意三维几何模型的详细搭建、边界选择、周围环境等，模拟当中使用的参数尽可能与实际工况相一致。三维计算进口边界给定温度为93℃，总压0.15MPa，得到出口计算扬程。固体壁面给定恒无滑移边界，同时运动与静止部件的设计均采用multiple reference frame（MRF），蜗壳区域坐标固定，叶轮区域为运动坐标。
3.2 该算法的可靠性验证
在给定边界的基础上设计出原水泵模型，针对原水泵模型进行CFD计算，将计算结果与试验结果相比较（见表1）。在比较中注意到，原水泵叶轮使用冲压成型结构、单圆弧直叶片设计，蜗壳的扩散段比较短，流动的时候存在冲击，因此效率较低，测试额定转速为6000r/min，效率低于30%。从表1中可以看出，模拟计算结果与试验结果吻合性较好，说明计算过程是可靠的。
4 水泵的优化设计
4.1 柔性设计
在当前诸多研究当中，基于CFD流场的模拟已经作为水泵优化设计的重要研究点;冷却系统的分析，能够预测在一定转速下，水泵流量、扬程等各方面性能;使用三维软件来生成并计算叶轮、蜗壳模型，同时使用三维CFD软件来进行分析，之后对其进行优化，以达到预期的设计效果，具体设计尺寸如表2。根据实际需求，综合考虑叶轮的设计尺寸。
优化之后的叶轮使用闭式离心叶轮，减少叶顶间隙内存在的回流损失;为了提高叶片前缘吸力面的最低压力，增加系统抗气蚀性能，在叶片前缘使用向压力面倾斜的设计方式，整个叶片呈现后掠叶型;通过调整子午流面的线型结构、叶片进出口角度等，从而实现对叶轮结构的优化设计。除了叶轮之外蜗壳的设计也比较重要，但是如果对蜗壳再次进行设置模型、分析需要消耗更高成本，因此涡壳暂时保持原状，只进行微调;为保证叶轮能够与原本的蜗壳相匹配，优化后的叶轮进口轮盖直径与叶轮直径需要最大可能与原尺寸相近，具体参数与表2的设计相符合 [2]。
4.2 对设计方面的思考
为增加水泵扬程，可以从增加叶轮的外直径、出口角度、叶片出口宽度、叶片数量等来进行优化。如果增加外轮外径，就需要增加水泵的总体尺寸，但是汽车发动机对水泵的安装位置及尺寸是有一定限制和要求的，因此该方式并不可取;为提高水泵的扬程，增加了叶轮出口角度，虽然扬程提高了，但是水泵的效率下降了，因此也不能选择这种方式;增加叶片出口宽度与水泵总体尺寸，更不可行;在叶轮的现有空间上增加叶片数，不会增加水泵尺寸也不会影响到水泵的效率，该方案可行。因此部分人在优化叶轮的时候增加叶轮叶片数量，而且为了减少叶轮进出口的排挤，使用长短叶片相间的设计方案。但是由于模具造型及成本等系列原因，文章并没有选择增加叶轮叶片的设计方式[3]。
5 计算结果对比分析
在对比（表3）中发现原水泵设计工况转速为6000r.min-1下效率为27.2%，对于高转速下的水泵效率，在优化之后水泵的水力性能得到了显著提升：经过计算之后的效率提高接近一倍。高转速下水泵抗气蚀性能得到了显著的提高（图2），NPSHR有明显的降低。
对比水泵流场，优化前后的静压力（见图3）对比发现原本水泵压力波动比较大，压力场分布不均匀，叶片前缘根部压力比较小，有汽蚀的风险。这与性能分析一致，优化之后的水泵压力分布更均匀。原水泵叶片尾缘吸力面均存在高速旋涡，靠近隔舌和高速区域范围更大、更加明显，能量损失严重，转换效率低;优化之后的压力场分布均匀，旋涡有明显的改善（见图4）。
6 结束语
综上，使用CFD软件来对汽车水泵原模型进行数值计算，根据计算结果，分析发现水泵内部出现能量损失现象比较明显，需要进行优化。优化改进之后，提高了泵的整体性能，尤其是抗气蚀性能有了明显的提升。在流场分析当中原水泵叶片前缘根部存在明显的气蚀风险，优化之后明显改善，效率也显著提高。
参考文献：
[1]周亚军，王铁力，杨建峰，等.基于CFD方法的竖井贯流泵装置进出水流道优化设计[J].水利水电技术，2019，50（11）：64-71.
[2]黄芳芳，宋开通，吴亚东.基于CFD的电动汽车锂电池包内部流场模拟及其结构优化设计[J].通信电源技术，2019（3）：128-129.
[3]HUANG Li-di，WANG Hao， WU Yi-meng，等.基于CFD的某校园宿舍区室外风环境模拟分析和优化设计[J].建筑节能， 2019，047（001）：57-62.