CN109209602A - 一种基于cfd的柴油机冷却水泵优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柴油机冷却水泵技术领域，具体涉及一种基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，采用三维造型软件及流体力学分析软件对冷却水泵进行CFD仿真分析，得出冷却水泵的内流场静压力、速度矢量、湍动能分布图；分析内流场静压力、速度矢量及湍动能分布图是否符合需求，分析叶轮、涡室的结构参数对冷却水泵性能的影响，最终得出冷却水泵散热效率低下的原因；根据叶轮、涡室的经验设计公式，对冷却水泵进行优化设计，得出优化设计后新的冷却水泵，并得到新的叶轮和涡室结构参数。本发明能够实现柴油机冷却水泵的快速优化设计。

Description

一种基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法

技术领域

本发明属于柴油机冷却水泵技术领域，具体涉及一种基于CFD的柴油机冷却 水泵优化方法。

背景技术

目前国内的柴油机厂家设计冷却水泵时大多处于经验或半经验设计阶段，离 不开经验公式。这就导致了目前发动机的冷却系统效率较低，无法进一步对发动 机进行大幅度的优化。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于CFD的柴油机冷 却水泵优化方法，能够实现柴油机冷却水泵的快速优化设计。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于CFD的柴油机冷却 水泵优化方法，所述冷却水泵包括泵体及设置在泵体中的叶轮，所述叶轮与叶轮 轴的一端固定连接，所述叶轮轴的另一端伸出泵体，所述泵体上固定连接有水泵 盖板，水泵盖板与泵体之间设有密封圈，所述叶轮轴通过止推轴承安装在泵体内 部，包括以下步骤：

步骤1，通过柴油机整体技术参数来计算柴油机对冷却水泵的实际需求，所 述的实际需求包括冷却水泵的进出口压力、扬程、流量、功率和散热效率；

步骤2，采用三维造型软件及流体力学分析软件对冷却水泵进行CFD仿真分 析，得出冷却水泵的内流场静压力、速度矢量、湍动能分布图；

步骤3，分析内流场静压力、速度矢量及湍动能分布图是否符合需求，所述 的需求包括冷却效率、防气蚀性能和防低液流冲击性能；分析叶轮、涡室的结构 参数对冷却水泵性能的影响，最终得出冷却水泵散热效率低下的原因；

步骤4，通过步骤3得出的散热效率低下的原因以及叶轮、涡室的经验设计 公式，对冷却水泵进行优化设计，得出优化设计后新的冷却水泵，并得到新的叶 轮和涡室结构参数；

步骤5，对步骤4中得到的新的冷却水泵进行CFD分析，用后处理计算数据 进行进出口压力、扬程、流量、功率的模拟预测，同时与原冷却水泵流体参数进 行对比，得出最终优化结论。

步骤6，对优化后的新冷却水泵进行试验，观察新的冷却水泵转速的变化对 于进出口压力、流量、扬程、功率和效率的影响，得出水泵特性曲线与性能效率 曲线，同时对比原冷却水泵性能参数，看能否达到设计要求和优化目标。

进一步，所述步骤2中CFD仿真分析的过程为：采集原水泵涡室结构参数和 叶轮结构参数，利用solidworks软件建立原冷却水泵的三维模型，然后将三维 模型导入ICEM软件进行网格划分，将进行网格划分后的三维模型导入流体力学 分析软件Fluent，利用流体力学分析软件Fluent进行冷却水泵的前处理、数值 计算和后处理。

进一步，所述步骤3中叶轮、涡室的结构参数包括叶轮进口角、叶轮出口角、 叶轮出口宽度、叶轮的叶片、叶型及涡室形状。

本发明的有益效果：

本申请应用CFD流体分析方法和技术对柴油机冷却水泵进行优化设计，有助 于进一步提高冷却水泵效率、降低同一工况下冷却水泵的功率消耗、提高冷却系 统的冷却能力，从而能够提升柴油机性能和效率，同时也提高了设计人员的设计 效率。

对冷却水泵本身来说，通过对其进行优化设计，可以在不改变其外形尺寸的 前提下，通过改变叶轮结构和涡室结构增大其扬程和流量，同时提高其效率，这 对柴油机的轻量化和提升冷却水泵的设计水平有重要意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是待优化的冷却水泵结构示意图；

图2是原冷却水泵网格划分图；

图3是原冷却水泵内流场静压力分布图；

图4是原冷却水泵中叶轮和涡室中间截面静压力分布图；

图5是原冷却水泵中叶轮工作面静压力分布图；

图6是原冷却水泵中叶轮和涡室中间截面绝对速度分布图；

图7是原冷却水泵中叶轮和涡室中间截面速度矢量图；

图8是原冷却水泵流线图；

图9是原冷却水泵中叶轮和涡室中间截面湍动能分布图；

图10是原冷却水泵中叶轮结构参数及速度三角形图；

图11是原冷却水泵中涡室结构参数图；

图12是新冷却水泵叶轮和涡室流体网格；

图13是新冷却水泵静压力分布图；

图14是新冷却水泵中叶轮与涡室中间截面静压力分布对比；

图15是新冷却水泵中叶轮叶片上静压力分布；

图16是新冷却水泵中叶轮与涡室中间截面绝对速度分布对比；

图17是新冷却水泵叶轮与涡室流体流线分布；

图18是新冷却水泵中叶轮与涡室中间截面速度矢量分布对比；

图19是新冷却水泵中叶轮与涡室中间截面湍动能分布对比；

图20是流量-扬程、流量-轴功率、流量-效率曲线图；

图中1.水泵盖板；2.密封圈；3.叶轮；4.泵体；5.机械密封；6.叶轮轴； 7.止推轴承；8.法兰。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限 制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件 和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-6所示，针对山东省云内动力有限责任 公司YN4PL型柴油机冷却水泵不能满足其散热要求的现状，借助CFD流体分析先进 技术手段对原冷却水泵进行了仿真分析，找到优化设计的突破口，然后结合经验 设计公式对冷却水泵叶轮和涡室进行了优化设计，最后再对新冷却水泵进行CFD 分析，与原冷却水泵进行对比，发现优化后的冷却水泵防气蚀性能、散热效率有 了显著提高，说明在柴油机冷却系统优化设计中应用数值模拟分析技术对冷却水 泵进行结构改进对于提高柴油机冷却系统散热效率具有指导意义。主要内容如 下：

一种基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，所述冷却水泵包括泵体4及设置在 泵体4中的叶轮3，所述叶轮3与叶轮轴6的一端固定连接，所述叶轮轴6的另一端 伸出泵体4，所述泵体4上固定连接有水泵盖板1，水泵盖板1与泵体4之间设有密 封圈2，所述叶轮轴通过止推轴承7安装在泵体4内部，泵体4上还安装有机械密封 5及法兰8，包括以下步骤：

步骤1，通过柴油机整体技术参数来计算柴油机对冷却水泵的实际需求，所 述的实际需求包括冷却水泵的进出口压力、扬程、流量、功率和散热效率；

步骤2，采用三维造型软件及流体力学分析软件对冷却水泵进行CFD仿真分 析，得出冷却水泵的内流场静压力、速度矢量、湍动能分布图；

步骤3，分析内流场静压力、速度矢量及湍动能分布图是否符合需求，所述 的需求包括冷却效率、防气蚀性能和防低液流冲击性能；分析叶轮、涡室的结构 参数对冷却水泵性能的影响，最终得出冷却水泵散热效率低下的原因：内流场不 是很均匀稳定，叶轮和涡室流道易出现涡旋和回流，水力损失较大，影响冷却水 泵的性能效率。

步骤4，通过步骤3得出的散热效率低下的原因以及叶轮、涡室的经验设计公 式，对冷却水泵进行优化设计，得出优化设计后新的冷却水泵，并得到新的叶轮 和涡室结构参数；

步骤5，对步骤4中得到的新的冷却水泵进行CFD分析，用后处理计算数据 进行进出口压力、扬程、流量、功率的模拟预测，同时与原冷却水泵流体参数进 行对比，得出最终优化结论。

步骤6，对优化后的新冷却水泵进行试验，观察其转速的变化对于进出口压 力、流量、扬程、功率和效率的影响，得出水泵特性曲线与性能效率曲线，同时 对比原冷却水泵性能参数，看能否达到设计要求和优化目标。

优选的，所述步骤2中CFD仿真分析的过程为：采集原冷却水泵的涡室结构 参数和叶轮结构参数，利用solidworks软件建立原冷却水泵的三维模型，然后 将三维模型导入ICEM软件进行网格划分，将进行网格划分后的三维模型导入流 体力学分析软件Fluent，利用流体力学分析软件Fluent进行冷却水泵的前处理、 数值计算和后处理。

优选的，所述步骤3中叶轮、涡室的结构参数包括叶轮进口角、叶轮出口角、 叶轮出口宽度、叶轮的叶片叶型及涡室形状。

步骤3中的具体过程如下：分析图3-5中各静压力分布图，得出以下结论：

1)冷却水泵中静止的涡室隔舌与旋转的叶轮相互作用，隔舌与涡室间隙静压 比较大，涡室出水口的静压较大。导致此现象的主要原因是涡室隔舌与叶轮之间 的间隙过小。

2)从叶轮进口边到出口边，静压逐渐增大，叶轮的周向静压分布也不均匀， 从而叶轮轴会产生径向力，在运行过程中会产生抖动现象，使冷却水泵运转不平 稳。

3)由于冷却水泵结构问题，在叶轮入水口处静压较小，易形成低压区，而在 背离涡室出水口的叶轮进水口区域易形成负压区，导致气蚀现象的产生，影响冷 却水泵可靠性与效率。

4)涡室出水口处液流的出口角接近90°，导致产生巨大的液流冲击，降低了 冷却水泵的运行效率。

通过对绝对速度分布图和流线图等速度矢量图进行分析，我们可以得出以下 结论：

分析图6-8中原叶轮和涡室中间截面绝对速度分布图、原叶轮和涡室中间 截面速度矢量图合并原冷却水泵流线图可以得出以下结论：

1)从冷却水泵叶轮入水口到叶轮出水边，液流速度逐渐增大，从涡室隔舌到 接近叶轮出水边过程中，速度再次逐渐增大，进入到涡室中流道时，速度逐渐降 低，在此过程中将动能转换成压力能，完成能量的转换，整个冷却水泵流场速度 分布基本合理。

2)叶轮叶片工作面和背面速度差较大，叶片工作面流速较快，叶片背面流速 较慢，导致在靠近背面区域形成了涡旋。

3)从叶轮出水边到涡室出水口，速度逐渐降低，从流线图看出，液流在涡室 出水口的速度方向并不是垂直于出口壁面的，而是产生了回流现象，并且存在小 的涡旋，导致能量的损耗。

分析图9中原叶轮和涡室中间截面湍动能分布图，可以得出以下结论：

1)叶轮内部流场湍动能较大，且分布不均匀，说明其液流脉动程度大，流动 阻力较大，产生不小的水力损失。

2)靠近叶轮外径涡室壁区域，湍动能较小，且变化小，说明此区域液流流动 平稳。

3)涡室出水口处，湍动能变化剧烈，说明此处液流遭到较大的液流冲击，水 力损失较大。

步骤4中优化设计过程如下：

(1)叶轮结构不合理：叶型、叶片进口安装角和出口安装角选取不合理，导 致液流流动不平稳，水力损失较大。将叶片设计成单圆弧型叶片，并且合理计算 得出进出口安装角将有效改善性能。由于原冷却水泵叶轮采用的冲压工艺，在不 改变原加工工艺前提下，采用不扭曲的圆弧型叶片，开式结构。

(2)涡室结构不合理：涡室隔舌与叶轮外径间隙过小，导致运行过程中产生 局部高压，不利于液流平稳流动；涡室出水口液流产生90°偏转，对涡室壁产生 巨大液流冲击，并且会产生回流；涡室进水口过小，导致叶轮有效吸水面积过小， 从而流量达不到设计需求。合理优化涡室进水口直径、出水口液流角度和隔舌宽 度将有效改善性能。

表1转速为3000rpm时冷却水泵性能试验数据

从步骤6的试验结果能看出：冷却水泵在额定转速工况下，水泵扬程从小流 量开始均匀减小，符合汽车发动机冷却系统管路特性，在达到冷却水泵额定转速3000rpm且流量为160L/min时，扬程大于8.33mH2O，满足设计要求，能解决柴 油机散热不足的情况。在流量为120L/min到160L/min区间范围内，效率曲线平 坦。由以上分析得知，通过对原冷却水泵流场分析和优化设计，新的冷却水泵能 达到所适配柴油机的散热要求，达到了优化设计目标。表1及图20为性能试验 数据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保 护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本 领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的 保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，所述冷却水泵包括泵体及设置在泵体中的叶轮，所述叶轮与叶轮轴的一端固定连接，所述叶轮轴的另一端伸出泵体，所述泵体上固定连接有水泵盖板，水泵盖板与泵体之间设有密封圈，所述叶轮轴通过止推轴承安装在泵体内部，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过柴油机整体技术参数来计算柴油机对冷却水泵的实际需求；

步骤2，采用三维造型软件及流体力学分析软件对冷却水泵进行CFD仿真分析，得出冷却水泵的内流场静压力、速度矢量、湍动能分布图；

步骤3，分析内流场静压力、速度矢量及湍动能分布图是否符合需求；分析叶轮、涡室的结构参数对冷却水泵性能的影响，最终得出冷却水泵散热效率低下的原因；

步骤4，通过步骤3得出的散热效率低下的原因以及叶轮、涡室的经验设计公式，对冷却水泵进行优化设计，得出优化设计后新的冷却水泵，并得到新的叶轮和涡室结构参数；

步骤5，对步骤4中得到的新的冷却水泵进行CFD分析，用后处理计算数据进行进出口压力、扬程、流量、功率的模拟预测，同时与原冷却水泵流体参数进行对比，得出最终优化结论；

步骤6，对优化后的新冷却水泵进行试验，观察新的冷却水泵转速的变化对于进出口压力、流量、扬程、功率和效率的影响，得出水泵特性曲线与性能效率曲线，同时对比原冷却水泵性能参数，看能否达到设计要求和优化目标。

2.根据权利要求1所述的基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，其特征在于，所述步骤2中CFD仿真分析的过程为：利用solidworks软件建立冷却水泵的三维模型，然后将三维模型导入ICEM软件进行网格划分，将进行网格划分后的三维模型导入流体力学分析软件Fluent，利用流体力学分析软件Fluent进行冷却水泵的前处理、数值计算和后处理。

3.根据权利要求1所述的基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，其特征在于，所述步骤3中叶轮、涡室的结构参数包括叶轮进口角、叶轮出口角、叶轮出口宽度、叶轮的叶片叶型及涡室形状。

4.根据权利要求1所述的基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，其特征在于，所述的实际需求包括冷却水泵的进出口压力、扬程、流量、功率和散热效率。

5.根据权利要求1所述的基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，其特征在于，所述的需求包括冷却效率、防气蚀性能和防低液流冲击性能。

6.根据权利要求1所述的基于CFD的柴油机冷却水泵优化方法，其特征在于，所述原冷却水泵流体参数包括原冷却水泵的进出口压力、扬程、流量和功率。