avatar avatar 我的文献 汽车冷却水泵优化设计及汽蚀振动特性研究 作者 薛党勤 单位 中国农业大学 导师 侯书林 关键词 汽车水泵; 优化设计; 汽蚀性能; 压力脉动; 振动 基金 河南省科技攻关
摘要
汽车水泵是汽车发动机冷却系统中最重要的部件之一,对发动机的动力性、经济性和可靠性有重大影响,其性能的优劣对汽车发动机的冷却系统乃至整个发动机运行具有至关重要的意义。因此在满足噪声振动、汽蚀性能、环保法规等条件下,对其可靠性要求也越来越高。本文以汽车冷却水泵为研究对象,运用数值分析与试验相结合的方法,对两段变曲率叶片叶型进行了优化设计,研究改变曲率位置、进口冲角及叶片包角对其内部流场和外特性的影响。在此基础上,对比分析6叶片及8叶片对汽车水泵外特性及内部流场的影响。另外,对模型泵的汽蚀性能进行了数值模拟及试验分析,研究了不同间隙下两段变曲率叶型的汽蚀性能,并对正常工况下和汽蚀工况下压力脉动及振动进行了试验对比分析。本文的主要研究内容和得到的结论如下:(1)对汽车冷却水泵叶轮进行了优化设计研究。利用三因素三水平的正交表,选择不同叶轮参数(包括叶片包角、叶片曲率改变位置和进口冲角),设计6个不同叶轮,通过CFD数值计算,分析模拟结果并最终确定设计方案,各参数确定为叶片包角45�、叶片曲率改变位置1/2、进口冲角为8�。通过数值模拟对比优化叶轮及原始叶轮的外特性和内部流场,发现优化叶轮的性能明显优于原始叶轮,说明正交优化方法的可行性。(2)对不同叶顶间隙汽车冷却水泵性能影响的研究。通过数值模拟对不同叶顶间隙下的模型泵进行数值计算,设置不同叶顶间隙(0.25mm,0.5mm, lmm,2mm),对比各间隙情况下的外特性,结合内部流场分析间隙对外特性的影响机理,发现叶顶间隙对离心泵扬程效率具有较大的影响,且这一变化在叶顶间隙增大到一定程度时会变得较为明显,两段变曲率半开式离心泵的空化性能与普通半开式离心泵相似,随着叶尖叶顶间隙的增大,模型泵的空化性能逐渐变差。(3)不同的叶片数对汽车冷却水泵的影响研究。通过优化设计,增加叶片数,采用数值分析计算,预测其扬程及效率对汽蚀性能的影响。发现对比6叶片数模型泵,8叶片数模型泵内部流场出现的湍流脉动较小,在各工况下,其湍动能极大值出现在叶轮与蜗壳交界处且靠近叶顶间隙一侧,对各尺寸间隙,湍动能分布具有一致性。(4)对汽车冷却水泵全流道进行非定常数值模拟研究。对非汽蚀条件下模型泵的内部压力场进行研究分析,发现在旋转叶轮与静止蜗壳的相互干涉产生的压力脉动中,隔舌是产生压力脉动的主要脉动源,且随着流量的增大,压力脉动幅值逐渐减小,表明最优工况向大流量工况偏移。(5)对汽车冷却水泵进行了压力脉动及振动试验研究。对比数值模拟结果发现叶频是该汽车水泵压力脉动的主要频率成份,而伴随着汽蚀的产生,蜗壳内脉动值明显比正常工况增大,并出现低频成分脉动,同时离散脉动的强度增大,宽频脉动强度也增大,说明压力脉动强度随着汽蚀程度增强而增强。对比汽蚀工况下和正常工况下的振动频谱图,两种工况下的振动宽频幅值变化不大,说明在汽车水泵的振动频谱中主要激励频率为轴频和叶频及其倍频,对于汽蚀诱发的流体振动对整个水泵振动影响很小
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