高效率汽车水泵的设计研究

论文摘要

由于汽车载重量的增大及发动机动力性的提高和节能环保技术的发展，发动机需要冷却的部位越来越多，要求汽车水泵的流量和扬程也随之不断增大。但目前国内各汽车水泵企业在汽车水泵的设计开发过程中仍采用传统设计方法，主要关注寿命、可靠性和成本，对汽车水泵效率的关注度不够，导致汽车水泵的效率普遍偏低，仅在30%左右，远低于国外汽车水泵效率普遍在45%左右的水平。应用先进的设计方法和工具提高汽车水泵的效率，不仅能减少汽车水泵的功率消耗、减轻汽车水泵的重量，而且有助于发动机冷却系统的可控化发展和实际应用，从而可以提升发动机性能和发动机的燃料经济性，降低发动机的排放。针对国内汽车水泵企业传统设计方法不考虑水泵内部的流动状况，仅靠经验提出改进方案的现状，本论文利用CFD商业软件，通过物理模型假设、数学模型和数值模型的选用，搭建了汽车水泵数值模拟分析平台。该数值模拟分析平台不仅考虑了叶轮和蜗壳的流道，还考虑了叶轮和蜗壳的径向间隙和轴向间隙。通过模型验证，汽车水泵数值模拟数据与试验数据相比，二者虽然有约10%的差异，但总的趋势一致，说明搭建的汽车水泵CFD模拟数值分析平台可用于工程分析。运用该平台，针对某新研发的汽车水泵效率偏低的问题，进行了对应工况的数值模拟分析。通过对叶轮和蜗壳内部流场的压力分布、速度分布的分析，发现该型汽车水泵效率偏低的原因是叶轮流场和蜗壳流道存在流速和压力突变，导致了能量的损失。结合对汽车水泵叶轮和蜗壳主要几何参数的分析，探讨了影响汽车水泵水力效率的机理，说明叶片数、叶片进口安放角、叶片出口安放角、叶轮外径、叶轮出口宽度，以及叶片型线和流道形状对提高汽车水泵性能都有不同的影响，并依据对叶轮和蜗壳内部流场的分析，提出了相应的流动控制方法。将所提出的流动控制方法，具体应用于改进某新研发的汽车水泵，并对改进后水泵的流场进行了分析。通过分析，水泵内部的流场得到了明显改善，符合汽车水泵的水力特性。对改进设计后的汽车水泵也进行了实型泵的性能试验，样件试验结果说明，汽车水泵的效率由38%提高到48%，效率明显提高，高效率区变宽，达到了国外汽车水泵的水平。表明论文搭建的汽车水泵数值模拟分析平台实用有效，可以为汽车水泵的高效设计提供方向性的指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 高效率汽车水泵设计的意义
• 1.2 汽车水泵技术现状
• 1.2.1 汽车水泵产品技术现状
• 1.2.2 汽车水泵设计技术现状
• 1.2.3 高效率汽车水泵设计开发的难点
• 1.3 论文的研究目的和内容
• 第2章 基于CFD的汽车水泵数值分析平台
• 2.1 汽车水泵流动的物理模型
• 2.1.1 汽车水泵的流动性质
• 2.1.2 湍流模型
• 2.2 汽车水泵流动的数学模型
• 2.2.1 流动控制方程组
• 2.2.2 定解条件
• 2.3 汽车水泵流动的数值模型
• 2.3.1 控制方程组的离散
• 2.3.2 控制方程组的求解
• 2.3.3 汽车水泵流道的网格划分
• 2.4 模型验证
• 2.4.1 汽车水泵流场的数值模拟
• 2.4.2 数值模拟结果与试验结果的对比
• 2.5 小结
• 第3章 汽车水泵内部流动分析
• 3.1 某汽车发动机用水泵的初始设计
• 3.2 初始设计水泵的流场分析
• 3.3 小结
• 第4章 汽车水泵内部流动的优化
• 4.1 汽车水泵流动控制方法探讨
• 4.1.1 几何参数对汽车水泵流动的影响
• 4.1.2 某初始设计水泵流动控制方法
• 4.2 汽车水泵的优化改进设计
• 4.3 改进设计后水泵的流场分析
• 4.4 小结
• 第5章 汽车水泵优化的试验验证
• 5.1 试验装置
• 5.2 性能试验过程
• 5.3 试验结果
• 5.4 小结
• 第6章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果