汽车冷却水泵正交试验优化设计研究

摘要

本文在国家杰出青年基金“离心泵基础理论与节能关键技术研究”（编号50825902）资助下开展工作。汽车冷却水泵是发动机冷却系统中的重要部件，它的作用是泵送冷却液，使冷却液在发动机的冷却水道内快速流动，以带走发动机工作时产生的多余热量，保持发动机正常工作温度。
　　 目前国内对汽车冷却水泵的研究大都集中在实验装置和结构的研究上，对水泵水力设计参数的研究甚少。以往的冷却水泵设计更多注重加工的便捷性和结构可靠性，对冷却水泵的能量特性关注很少，因而存在效率低下、扬程不足等问题。在水泵结构受到限制的情况下，需要通过修正叶轮水力设计参数来优化冷却水泵的性能。在特定的结构外框下，冷却水泵水力参数的选取原则与常规离心泵不完全相同，目前该类水泵的优化设计研究基本空白。本文首次采用数值模拟与正交试验相结合的方法对汽车冷却水泵进行优化设计，主要研究内容和创新点有:
　　 1、通过分析国内外研究现状可知冷却泵的研究在汽车内燃机研究领域具有重要的意义;正交试验、CFD模拟、遗传算法等研究方法是当前水泵优化设计的发展趋势。
　　 2、针对某一型号的柴油机冷却水泵，选择对其性能影响较大的叶轮6个水力参数β2、b2、D2、Z、Dj、(φ)，并添加了一个附加的辅助因素e，选取两个水平，设计了L8(27)7因素2水平的正交表，得到了8个叶轮设计方案。
　　 3、运用ANSYS-CFX12.1软件分别对8个正交设计方案的叶轮全流道进行定常数值模拟，以设计工况点的扬程和效率以及最高效率点的流量、扬程和效率为性能指标，通过极差分析以及内部流场对比分析，优化叶轮参数。
　　 4、将优化叶轮和原始叶轮分别进行数值模拟并将结果进行对比分析，并对优化叶轮的变转速性能进行了预测。结果表明:优化后的叶轮在保证扬程达到设计要求的前提下增大了高效区的范围，且提高了设计工况点的效率。由非定常数值模拟结果可知，优化叶轮可有效改善叶轮流道内的流场和速度时域特性以及作用在叶轮和蜗壳上的径向力。
　　 5、在冷却水泵试验台上进行冷却水泵的外特性试验，并进行了优化叶轮的变转速工况试验，将试验结果与模拟结果进行比较分析。结果表明:本文所优化的叶轮达到了优化水泵性能的目的，同时试验结果也验证了本文所做数值模拟的准确性。
　　 6、本文的研究结果说明了正交表结合CFD技术进行冷却水泵的优化设计，不仅能够有效提高了所设计水泵的性能，而且在此基础上再进行外特性试验，可缩短产品研发周期，提高工作效率。另外，通过研究发现在选择汽车冷却水泵叶轮参数时不能仅仅依靠现有公式的计算，选择该冷却水泵的结构参数时可以参照普通离心泵的计算公式的基础上进行进一步的优化筛选，才能得到更准确的结构参数，达到提高冷却泵性能的目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 汽车冷却水泵研究现状

1．2．1 汽车冷却水泵国内外研究现状

1．2．2 离心泵优化设计国内外研究现状

1．3 课题来源及研究意义

1．4 本文研究内容

第二章 基于正交设计法的冷却泵水力方案设计

2．1 正交设计法简介

2．2 水泵原始模型结构

2．3 叶轮水力设计

2．3．1 确定研究因素

2．3．2 初步确定因素水平

2．3．3 正交方案设计

2．3．4 叶轮水力模型二维图

2．4 蜗壳水力设计

2．5 本章小结

第三章 冷却泵正交设计方案的数值模拟优化

3．1 CFX软件简介

3．2 数值模拟前处理

3．2．1 三维模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 计算设置

3．3 模拟结果分析

3．2．1 外特性分析

3．2．2 内部流场分析

3．4 叶轮参数优化

3．5 本章小结

第四章 冷却水泵优化叶轮模拟验证分析

4．1 定常数值模拟分析

4．1．1 原始叶轮二维模型

4．1．2 模拟结果

4．1．3 内部流场分析

4．2 非定常数值模拟分析

4．2．1 叶轮监测点压力和速度比较分析

4．2．2 叶轮和蜗壳径向力比较分析

4．3 优化叶轮变转速工况外特性预测

4．4 本章小结

第五章 汽车冷却水泵实验研究

5．1 泵体结构的改进及叶轮快速成型

5．1．1 泵体结构

5．1．2 叶轮快速成型

5．2 试验台搭建及主要仪器介绍

5．3 外特性试验

5．3．1 参数设置

5．3．2 试验过程

5．4 外特性实验结果

5．4．1 试验报告

5．4．2 轴功率修正

5．4．3 实验结论

5．5 优化叶轮变转速工况试验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研活动项目和发表的论文