汽车水泵的性能预测及设计软件的研发

摘要

离心泵内部的实际流动由于叶轮旋转以及流道的弯曲，其规律远未被人们所认识。文中所分析的汽车水泵由于安装空间限制和性能要求，具有体积小、流量大、进水室包括环形弯管等特殊结构，使得其内部的流动通道更加复杂，性能更加难以预测。对于汽车水泵的设计迄今仍停留在半经验、半理论的阶段。国内汽车水泵企业的产品大都要经过仿制——试验——改进的过程。这样一个繁琐过程，消耗了大量的时间、人力和财力。 现有汽车水泵进水室和蜗壳一般形状类似，如果能够据此再结合泵叶轮的几何参数能准确地预测出泵的性能曲线的话，就可以大幅地减少水泵的模型制作、试制、试验的费用，从而缩短设计和制造周期、降低研发成本。 为了寻找减小汽车离心泵内损失的方法，预测泵特性曲线。国内的很多学者提出了不同流动模型及损失计算方法，但这些方法只对设计工况下的损失予以计算，不能预测计算在非设计工况下的损失。本文从三元流动入手，研究汽车水泵在设计工况和非设计工况下的流动，探讨了基于三维紊流计算的汽车水泵性能预测的方法，并研究了泵内各部件水力损失的大小，为损失模型的提出提供了参考依据。然后本文着重采用了水力损失法，建立了水力损失及机械损失与泵流动参数的关系，提出了针对汽车水泵的损失模型。同时在探索流道内的损失机理的基础上，针对某一未达到设计要求的汽车水泵进行了结构改进，经改进后的汽车水泵，水力损失大大减小，效率有了很大的提高，基本达到了设计要求。 运用已有的离心泵损失模型，本文开发了设计汽车离心泵的软件，国内目前还没有实用的汽车水泵的设计软件，本文通过前期大量的性能预测方法的探测，最终把损失模型运用于软件，获得了设计汽车离心泵的软件，具体的研究内容和成果如下： (1) 较系统地总结了国内离心泵性能预测研究的现状，在此基础上对已有的某企业汽车水泵进行了全三维粘性数值模拟。基于计算结果，得到了各类水泵的性能参数，并求出了泵内各部件的损失大小，为后文损失模型的提出提供了研究数据。 (2)基于水力损失法，仔细分析和研究了这些汽车水泵水力模型，初步建立了比转速，流速等内流特征参数与各工况点下泵扬程及效率等外特性之间的关系，在数值计算的基础上给出了数学表达式，使得泵的性能预测工作在设计工况点和非设计工况点下都能达到较高的准确度。 (3) 通过对某一不能达到性能要求的汽车水泵内部流场和静压变化进行分析，借助数值模拟手段找出了该泵达不到设计要求的原因，提出了改进方案，该进后的泵不但扬程达到了设计要求，并且工作范围大大拓宽。 (4)基于以上的流场分析法获得的性能曲线及已有的汽车水泵原型数据库，在Windows平台上用VB开发了水泵设计软件，通过相似原则及已提出的损失模型和性能估算公式可在软件中轻易的设计出符合用户流量，扬程，转速需求的最优相似模型。