VII第1章緒論1.1研究背景本文聚焦于柴油發(fā)動機冷卻用水泵的設計與性能分析。著眼于技術創(chuàng)新方面，2023年中國的車輛水泵行業(yè)將全面步入數(shù)字化時代。技術的快速進步在提升汽車效能方面扮演了關鍵角色，創(chuàng)新技術的應用不僅提升了汽車的整體性能，還增強了其安全性、經濟性和環(huán)保特性。這些技術進步對于汽車的節(jié)能減排起到了積極作用，同時也提高了汽車的動力性能和運行效率。從市場角度來看，技術創(chuàng)新有助于優(yōu)化水泵產品的市場定位，重塑市場格局，影響消費者偏好，進而提升中國制造水泵的市場份額。在產品質量方面，近年間中國汽車水泵產品正經歷著顯著的變革。得益于政府對汽車行業(yè)實施的一系列監(jiān)管政策，消費者的權益得到了更好的保護，產品質量得到了全面提升。這些措施旨在提高汽車產品的安全性、經濟效益和環(huán)境友好性，確保汽車產品及市場的持續(xù)健康發(fā)展，為消費者提供更加安全可靠的技術品質REF_Ref30105\r\h[1]。1.2研究意義隨著當代機械工程技術的持續(xù)進步，冷卻水泵在眾多領域的應用變得日益普遍。在汽車冷卻系統(tǒng)中，冷卻水泵作為一個關鍵部件，其設計直接影響著整個系統(tǒng)的性能表現(xiàn)、穩(wěn)定性和使用壽命REF_Ref18187\r\h[2]。因此，進行柴油機冷卻水泵的設計研究，不僅具有重要的實際應用價值，也是一次寶貴的學術鍛煉機會。通過這項畢業(yè)設計，學生能夠將所學的理論知識和專業(yè)技能綜合運用到實踐中，提升模型構建、圖形繪制和問題分析等多方面的能力。此外，這一過程還有助于培養(yǎng)學生獨立處理工程問題的能力，全面提高他們的工程實踐技巧和自主解決問題的能力。本文完成的柴油汽車冷卻水泵設計項目，對于車輛工程專業(yè)學生的專業(yè)教育具有深遠意義。它不僅加深了學生對汽車核心組件結構和工作原理的理解，而且通過將理論知識與實際應用相結合，促進了對柴油汽車冷卻水泵領域的深入探討。這樣的經驗對于學生未來的職業(yè)生涯或深造都將產生積極影響。1.3國內外文獻綜述在國內，眾多學者對汽車冷卻系統(tǒng)關鍵部件——水泵進行了深入的研究。他們從能量效率、水泵結構設計以及可靠性等關鍵因素入手，對限制水泵發(fā)展的瓶頸問題進行了系統(tǒng)分析，為推動國內汽車冷卻水泵的技術進步做出了顯著貢獻。萬毅等人通過研究流體粒子的運動特性，成功測量了離心泵葉道內的速度分布情況，為水泵設計提供了堅實的理論基礎REF_Ref30288\r\h[3]。潘敬宇結合理論研究和數(shù)值模擬，探討了影響車用電子水泵性能的多種參數(shù)，并以某型號動力電池冷卻系統(tǒng)的設計需求為基礎，對葉輪轉子的進口角進行了優(yōu)化設計，并設計了相應的控制器硬件，為電子水泵的設計提供了新的優(yōu)化路徑REF_Ref30347\r\h[4]。嚴敬等人提出了一種針對低比轉速離心泵常用的圓柱形葉片的新型設計方法REF_Ref30380\r\h[5]。徐雪漢在水泵直流電機設計方面，基于電磁原理對傳統(tǒng)電子水泵結構進行了創(chuàng)新，有效避免了由于軸密封失效導致的冷卻液泄漏問題，從而提高了水泵的可靠性REF_Ref30419\r\h[6]。這些研究成果不僅豐富了水泵設計的理論基礎，也為實際的工業(yè)應用提供了有價值的參考。隨著全球經濟的蓬勃發(fā)展，人類社會的生產與生活方式經歷了翻天覆地的變化。以交通出行為例，社會已從傳統(tǒng)的自行車時代步入了汽車時代，極大地提升了出行的便利性。在冷卻水泵的研究領域，國際上的起步較早，大約自20世紀70年代起，國外研究人員就開始利用仿真軟件對水泵進行科學研究。隨著科技進步和計算機技術的迭代更新，仿真技術日益精確，極大地提高了研究的準確性和效率。目前，國外在水泵設計和研究中廣泛采用的先進技術設備包括粒子圖像測速儀（PIV），這一技術的應用顯著提升了對水泵研究的效率。Pedersen等人運用粒子圖像測速技術（PIV）和激光多普勒測速技術（LDV）對離心式冷卻水泵在不同流量條件下的葉輪速度分布和流動阻塞現(xiàn)象進行了精確測量REF_Ref30471\r\h[7]。Krause團隊則通過實驗手段，對水泵在變化流量下的失速區(qū)域和內部速度場進行了詳細測量，并對所測量的速度數(shù)據(jù)進行了頻率分析，據(jù)此推算出葉輪在失速情況下的角速度變化REF_Ref30507\r\h[8]。國際知名的水泵制造商BrotherKirloskar針對汽車冷卻水泵進行了深入研究，涵蓋了多種湍流模型、數(shù)值模擬方法、運動部件間的耦合機制，以及網格尺寸和類型等參數(shù)的數(shù)值分析，探討了這些因素對水泵性能的具體影響REF_Ref30550\r\h[9]。Paone等結合粒子成像技術和壓力波動關系，研究了離心泵內部的速度特性。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在設計工況下，葉輪與導葉的交界處會出現(xiàn)高速的泄漏流，這可能導致葉輪入口區(qū)域發(fā)生失速現(xiàn)象，并可能引起水泵內部的回流和外部射流REF_Ref30579\r\h[10]。1.4本文主要研究內容本研究聚焦于汽車冷卻水泵的功率影響因素，特別是水泵結構和葉輪設計對功率的影響。為了深入探究這些因素，本研究采用了Fluent仿真軟件來模擬冷卻液在水泵內部的循環(huán)流動，并利用UGNX軟件創(chuàng)建了水泵的三維模型以進行實驗測試，進而模擬葉輪在水泵內部的旋轉情況。針對冷卻水泵的流量研究得知，流量主要取決于冷卻水所能帶走的熱量。本研究考慮了高溫和中低溫兩種冷卻水泵的應用環(huán)境，分別對應汽車在高溫和常溫條件下的散熱需求。通過分析不同流量與轉速條件下的水泵性能，本研究揭示了水泵在發(fā)動機散熱過程中內部水流的動態(tài)變化。其研究的核心內容包括：研究水泵揚程，即通過觀察冷卻水流經發(fā)動機和散熱器等部件時克服阻力的能量損失，從而獲取揚程的相關數(shù)據(jù)。對葉輪轉速進行研究，以確定最佳的散熱效率和相應的水泵轉速參數(shù)。設計水泵結構，依據(jù)關鍵參數(shù)優(yōu)化水泵形狀，旨在實現(xiàn)緊湊、低能耗、高效率、良好密封性和高強度的結構。最終，通過模擬水泵葉輪的運動，觀察其在實際運行中的動態(tài)行為。第2章水泵的基本原理和參數(shù)2.1離心泵的工作原理和基本方程離心泵運作的核心機制依賴于葉輪旋轉產生的離心力。當泵啟動時，電動機驅動泵軸和葉輪進行快速旋轉。液體在葉輪葉片的作用下跟隨旋轉，形成一股旋轉的渦流。得益于離心力的作用，液體被推向葉輪的外圍，并進入泵殼內形成的通道。與此同時，在葉輪中心區(qū)域，由于液體被甩出而形成局部真空，導致儲水罐中的水在大氣壓力作用下被吸入泵內。葉輪持續(xù)旋轉，帶動液體不斷進入和排出泵體，實現(xiàn)了水的輸送過程REF_Ref30347\r\h[4]。根據(jù)上述描述，離心泵的揚程反映了液體獲得能量的程度，是衡量能量轉換效率的關鍵指標。揚程的計算基于離心泵的基本方程式，該方程式定量地描述了液體通過葉輪時運動狀態(tài)的變化以及葉輪對單位重量液體能量的傳遞。這個方程本質上是一個能量守恒方程，它關聯(lián)了葉輪的理論揚程和液體運動狀態(tài)的變化REF_Ref30667\r\h[11]。該方程的一般形式為：(2-1)式中：是理論揚程，和是液體在葉輪進口和出口處的絕對速度的圓周分量，單位為m/s；和是液體在葉輪進口和出口處的絕對速度的軸向分量，單位為m/s。2.2離心式水泵的基本參數(shù)離心式水泵的性能和效率受多個基本參數(shù)的影響，其中包括流量、轉速、揚程、功率、效率以及汽蝕余量等。這些參數(shù)共同決定了水泵的工作效能和性能表現(xiàn)。具體來說有以下參數(shù)：流量：指單位時間內水泵內部通過水泵出口端截面的液體量。以體積流量表示時，其單位符號為，單位為立方米每秒（m3/s）；以質量流量表示時，單位符號為，單位為千克每秒（kg/s）。兩者之間的換算方程為：(2-2)式中：為液體的密度，kg/m3。轉速：指水泵內部轉動模塊如葉輪和軸在單位時間內旋轉的次數(shù)。符號為，單位為r/min或r/s，轉速的另一種表達方式為（角速度），單位為rad/s，而角速度和轉速的換算方程為：(2-3)式中：為圓周率，取值約為3.142。揚程：指在單位重量液體通過水泵后其能量的增值，即水泵出口處單位重量液體的機械能減去水泵進口處單位重量液體的機械能，符號為，單位為m。揚程的計算方式為：(2-4)在冷卻水泵的運行過程中，冷卻液體介質在通過泵內部時會遭遇濕摩擦，這種摩擦會導致能量損失。此外，由于葉輪的作用，流體在泵內部循環(huán)時會產生多種復雜的流動現(xiàn)象，例如流體的加速、減速、擴張和收縮，以及與蝸殼壁和葉輪的碰撞。這些現(xiàn)象會引起流體速度及其方向的變化，進一步造成能量損失。這些能量損失在數(shù)學表達上可以表示為一個特定的計算公式REF_Ref30419\r\h[6]。由于這些損失的存在，水泵的實際揚程通常低于理論揚程，其計算公式表示為：(2-5)功率：是指水泵的輸入功率，可以理解為電動機傳遞給水泵軸的原始功率，也稱為軸功率，符號用表示，單位為kW。液體通過水泵轉動賦予能量大小稱為水泵的有效功率，符號為，它的表達式為：(2-6)式中：為液體密度，kg/m3；為重力加速度，m/s2；為水泵質量流量，m3/s；為水泵揚程，m。本文所設計的水泵所用的冷卻液體是水－乙二醇混合物冷卻液，其液體的密度范圍大約在1.03～1.08g/cm3，取值為kg/m3，其重力加速度取9.8m/s2。效率：是評價一臺水泵是否優(yōu)秀的一個重要指標，它表示了水泵的能量利用和轉化的有效性，符號為：(2-7)式中：為水泵的有效功率，kW；為水泵的輸入功率即軸功率，kW。汽蝕余量：也稱為必需汽蝕余量，其用表示，它表示水泵進口到最低壓力點間流體流動過程中的壓力降差值，其公式為：(2-8)式中：為絕對速度壓力降系數(shù)，通常取值為1.0-1.2；為相對速度壓力降系數(shù)，通常取值為0.2-0.4；為葉片進口稍前液體的相對平均速度，符號為m/s；為葉片進口稍前液體的絕對平均速度，符號為m/s。將冷卻水泵吸入處的汽蝕余量設定為表示，以與水泵設定的汽蝕余量相比，判斷水泵在運行中是否發(fā)生汽蝕現(xiàn)象[11]：＝，水泵處于汽蝕臨界點；＞，水泵未發(fā)生汽蝕現(xiàn)象；＜，水泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象；能量損失效率：水泵內部的流體循環(huán)涉及將驅動軸的機械能轉換為流體在內部所獲得的其他能量的過程。這一能量轉換并非完全高效，因為在轉換過程中會有能量損失。而研究這些損失的效率有助于評估水泵的整體性能，能量損失主要分為三種類型：水力損失、機械損失和容積損失，分別對應著水力效率、機械效率和容積效率。水力效率可以用表示，其是水泵內部流體在水力損失后剩余的能量與水力損失前的能量之比，表達式為：(2-9)容積效率可以用表示，其是水泵實際流量的功率與理論流量的功率之比，水泵容積損失的泄漏量用表示，表達式為：(2-10)(2-11)機械效率用表示，是指驅動機通過驅動軸傳遞給水泵的輸入功率在發(fā)生機械損失后剩余的功率與輸入功率之比，其水泵發(fā)生機械損失的功率為，表達式為：(2-12)(2-13)2.3本章小結本章節(jié)主要對冷卻水泵所要設計到的基本參數(shù)和計算方程進行概述，其中所用到的參數(shù)對水泵的設計有著重要的作用。通過對這些參數(shù)的研究來為水泵結構的設計做準備，以研究冷卻水泵的這些參數(shù)為基礎，在不改變水泵的安裝尺寸下設計出一款高效、耐用、可靠的新型水泵，為后面水泵的建模做數(shù)據(jù)參考。第3章水泵的結構設計3.1冷卻水泵的結構設計3.1.1水泵的相似定律及比轉速在進行冷卻水泵的研究和測試時，研究者們經常采用傳統(tǒng)的模擬方法來分析泵的工作性能，并從中獲取操作數(shù)據(jù)。這些模擬依賴于模型與實際泵在幾何形狀和運動行為上的相似性，通常還假定壓力也具有相似性。然而，相似原則雖然有助于評估水泵模型的幾何和運動特性，但它本身并不提供具體的數(shù)值支持，因此在實際應用中存在一定的局限性REF_Ref30419\r\h[6]。為了解決這一問題，學者們通過對眾多符合相似原則的冷卻水泵進行綜合分析，得出了一個能夠概括水泵特性的參數(shù)，即比轉速。這個參數(shù)不僅有助于對水泵進行分類，還能夠作為評估和設計水泵時的重要參考。比轉速的計算方法如下REF_Ref30667\r\h[11]：(3-1)式中：為水泵轉速，r/min；為水泵流量，m3/s；為水泵揚程，m。因冷卻水泵是冷卻系統(tǒng)的一個重要部件，其冷卻系統(tǒng)所能帶走的熱量與水泵息息相關。冷卻系統(tǒng)帶走的熱量用表示，表達式為：(3-2)式中：為傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，柴油機=0.18~0.25；——燃油消耗率（kg/kW·h）；——發(fā)動機功率（kW）；——燃料低熱值（kJ/kg），柴油低熱值取=41870kJ/kg；根據(jù)其所選用型號柴油機的發(fā)動機的參數(shù)，得81kW/3000r/min，最低燃油消耗率為217g/kW·h，因本文所研究水泵的是能適應原型號發(fā)動機且擁有更高的散熱效率，故取值為81kW，該型柴油機的參數(shù)如下：表3-1柴油發(fā)動機基本參數(shù)參數(shù)形式與數(shù)值結構形式直噴、水冷、四沖程、增壓中冷汽缸布置直列四缸活塞總排量L3.298最大扭矩N·m285壓縮比17.5:1最大轉速3000r/min最低燃油消耗率217g/kW·h各缸工作順序1-3-4-2曲軸旋轉方式順時針方向（從柴油機前端看）潤滑方式壓力、飛濺混合式凈重量kg320最大功率kW81最低空載穩(wěn)定轉速75030r/min通過將以上數(shù)據(jù)代入式（3-2）的被冷卻系統(tǒng)帶走的熱量范圍為（標準情況下）：在本文中，設計的水泵旨在冷卻液能帶走相當于燃料熱能23%的熱量。鑒于目標柴油機的發(fā)動機配備了水冷式機油散熱器，為了充分考慮散熱器的熱移除需求，決定將所需帶走的熱量增加10%。因此，冷卻系統(tǒng)需要處理的總熱量為原有基礎上增加10%的燃料熱能的23%。這一計算確保了水泵設計能夠滿足發(fā)動機在同工況下的冷卻需求。故被冷卻系統(tǒng)帶走的熱量為：從上所計算的數(shù)據(jù)可以得出冷卻水泵內部冷卻水的循環(huán)量，用表示，表達式為：式中：為冷卻水在發(fā)動機內循環(huán)時容許的溫度升差，常取6~12℃，此計算取=9℃；為冷卻液的密度，取值為kg/m3；為水的比熱，取值為4.187kJ/kg·℃。水泵的水量范圍可以根據(jù)以上計算得出相應的數(shù)據(jù)，用表示，水泵的容積效率因要考慮水泵內部液體在循環(huán)時的泄漏，故一般取0.6~0.85，其的計算如下：因其研究的柴油機的水泵是由發(fā)動機曲軸通過皮帶帶動水泵軸轉動，其兩帶輪的直徑都為104mm，故曲軸與水泵轉速的傳動比為1。表3-2原型水泵運行時的參數(shù)序號123456轉速r/min300029992998299930003000流量L/min025.450.275.5102.0124.5揚程m14.22013.80013.12013.09013.34013.290轉矩N·m4.9504.9204.9005.0505.3205.530功率Kw0.9330.9270.9240.9521.0021.042效率%0.0006.11011.52016.78022.12025.670進口壓力Kpa1.0000.500-2.100-4.800-3.600-4.700水溫℃46.20046.30047.10047.30047.50047.900通過對原型水泵的運行工況數(shù)據(jù)進行記錄可得知水泵的額定工況參數(shù)，原型水泵的額定工況參數(shù)如下表：表3-3原型水泵工況參數(shù)工況參數(shù)參數(shù)數(shù)值水泵流量102.0L/min水泵揚程13.3m水泵額定轉速3000r/min通過以上數(shù)據(jù)可以得出水泵的流量，揚程，轉速，將數(shù)據(jù)帶入式(3-1)以此算出水泵的比轉速：通過已計算的比轉速數(shù)據(jù)得知，因為50＜＜300，所以其水泵的類型是屬于單級單吸式離心水泵。3.1.2冷卻水泵的葉輪選擇本文章聚焦于為柴油發(fā)動機汽車開發(fā)一款高效冷卻水泵。通過對葉輪的參數(shù)和結構進行精心設計，旨在增強發(fā)動機在車輛行駛過程中的散熱能力。優(yōu)化后的葉輪不僅提升了散熱效率，還有助于提升車輛的駕駛舒適度，減少由水泵運行引起的噪聲和振動。鑒于冷卻水泵具有特定的小眾市場需求和特殊性能要求，以往的研究并未提供充足的水力設計模型作為參考。因此，本研究將基于水泵的工作原理和現(xiàn)有結構特性，對現(xiàn)有水泵模型進行創(chuàng)新的結構設計，以滿足特定應用需求。離心式冷卻水泵的葉輪分別有三種形式：閉式葉輪：又名封閉式葉輪，其特點是葉片兩端裝有蓋板，構成一個密封的轉動裝置。這種設計適合于輸送需要高揚程且相對清潔的流體。閉式葉輪分為單吸和雙吸兩種類型，其中雙吸葉輪多用于分體泵，允許液體從葉輪兩側進入，適合于高流量低揚程且不含固體顆粒的清潔液體輸送。半開式葉輪：由葉片和后蓋構成，缺少前蓋，使得葉輪通道成為半封閉式。雖然其水力效率相對較低，但適合于輸送含有固體顆粒或雜質的流體。這種葉輪設計有較寬的通道，能夠有效處理較大顆粒，避免堵塞，適用于污水處理或具有腐蝕性的工業(yè)流程。開式葉輪：由葉片構成，無任何蓋板，形成完全開放的通道。這種葉輪適合于輸送黏度較高的介質，例如含有纖維的物質。目前汽車普遍使用的是以乙二醇為基礎的冷卻液，該冷卻液添加了多種添加劑，如防泡沫和防腐蝕成分。乙二醇冷卻液與水混合性好，可配制成不同冰點的冷卻液，具有高沸點、低泡沫傾向、良好粘溫特性以及防腐防垢的優(yōu)點。由于長期使用會在泵內形成水垢和雜質，因此乙二醇冷卻液更適宜于使用開式葉輪的冷卻水泵。本文設計的冷卻水泵采用了半開式葉輪，這種設計簡化了制造流程，便于清洗，對流體質量要求不高，同時保持了較高的效率。閉式葉輪半開式葉輪開式葉輪圖3-1不同種類的葉輪3.1.3冷卻水泵的葉輪參數(shù)計算水泵葉輪的參數(shù)是：葉片進出口直徑：葉片進口直徑是指葉片進水口的直徑（1），葉片出口直徑是指葉片出水口的直徑（2）。葉片寬度（）：葉輪寬度是葉輪葉片沿軸線方向的尺寸，也是影響泵流量和揚程的重要參數(shù)。而葉輪寬度也分為葉片進口寬度1，葉片出口寬度2。葉片數(shù)量（）：葉片數(shù)量是指葉輪上葉片的數(shù)量，它對泵的流量和揚程也有一定的影響。葉片角度（）：葉片角度是指葉片與葉輪軸線之間的夾角，也稱為葉片的安裝角。葉片角度的大小會影響泵的流量和揚程，以及泵的效率和噪聲等性能。葉片角度分為葉片進口角1，葉片出口角2。葉輪材質：葉輪的材料選擇需考慮泵的工作環(huán)境和所處理的介質。常用的材料包括鑄鐵、不同等級的鋼材、不銹鋼和鋁合金等。而原型冷卻水泵的葉輪材料是以鑄鐵來制造的。本文章的目標是設計一種經濟、效率高且長期可靠的水泵，因此選擇合金鑄鋼作為葉輪材料。該材料具備出色的強度和韌性，能夠適應高壓工作環(huán)境和較大的機械負荷，同時具備優(yōu)異的抗腐蝕和耐熱特性，便于加工和維護，確保了成本效益和操作便捷性。葉片包角（）：指水泵葉輪中相鄰葉片入口邊緣之間的夾角。葉輪蓋板厚度（）：指葉輪圓底盤的厚度。葉片厚度（）：指葉輪每片葉片的厚度，葉輪的葉片厚度是影響泵性能的一個重要因素。如果葉片過厚，會增加流體對葉片的撞擊損失，導致泵效率下降。相反，葉片過薄可能無法提供足夠的葉輪剛性，影響其結構穩(wěn)定性和長期耐用性。通過對葉輪基本參數(shù)的計算和選擇，再利用UG建模軟件的設計，制作出水泵葉輪的3維模型圖，圖如下：圖3-2新型水泵葉輪3維圖本文所研究的水泵為保證不對其原安裝尺寸進行改變，葉輪的直徑以原型水泵的直徑為設計點開始，故新型水泵的葉輪直徑為110mm。根據(jù)其前面所算的水泵比轉速，結合其同類型眾多水力模型里面的比轉速參數(shù)得出原型泵的主要參數(shù)有：=102.0L/min，=13.4m，=72，=21.8mm，=117mm，=11.7mm，=11.7mm，=45°，=30°，=3000r/min，再次求出水泵的尺寸系數(shù)：(3-3)通過尺寸系數(shù)的求得可以得知水泵的其他數(shù)據(jù)為：mmmmmmmm因其在不改變水泵的原安裝尺寸的前提下，將其葉輪的進出口角度數(shù)設計為等于原型泵的安放角：在根據(jù)以上所計算出的數(shù)據(jù)得知葉片的數(shù)量可以用富萊德爾經驗公式估算出，其公式為：(3-4)式中：為葉輪軸面流道中線與葉片進口邊交點半徑，單位為m；為葉輪軸面流道中線與葉片出口邊交點半徑，單位為m。將上述的數(shù)據(jù)代入計算得知葉片的數(shù)量為，再通過上述計算得出的比轉速可以根據(jù)葉片數(shù)與比轉速關系表3-3得出[12]，比轉速時葉片的數(shù)量為6，此證明該葉片數(shù)量是符合要求的。表3-4葉片數(shù)與比轉速關系表30～4545～6060～120120～300>3008～107～86～74～63～5根據(jù)查表3-4可知，比轉速為60~220的水泵，其葉輪葉片包角取值一般為：70°~150°，而上述水泵的比轉速根據(jù)表選取該水泵的葉片包角為=100°。表3-5葉片包角乘積與比轉速的關系30～5050～7070～120120～220220～2802.1～2.32.1～2.91.9～1.71.8～1.51.65～1.4通過以上計算的數(shù)據(jù)可以得知，該新型水泵的葉片厚度可以通過如下公式計算得知：(3-5)式中：為材料系數(shù)。代入數(shù)據(jù)可以求得=6.55mm，因鑒于過厚的厚度會增大葉片撞擊概率，故取=6mm。3.2冷卻水泵的殼體設計3.2.1冷卻水泵的殼體基本理論冷卻水泵的外殼是其結構中的關鍵部分，它不僅保護了泵的內部組件，還為泵體提供了必要的支撐。殼體的設計和制造質量直接關系到水泵的整體性能與可靠性。這類殼體通常呈蝸牛殼狀和圓盤形，因此也被稱作蝸殼REF_Ref31000\r\h[13]。在殼體的一邊，通常會配備進水口和出水口，它們的作用是引導冷卻水流進入泵體并流出。這些口的位置和尺寸需根據(jù)冷卻系統(tǒng)的具體需求和布局來設計。另外，殼體的上下相對端蓋會設有安裝孔，這些孔用于將水泵固定在相應的設備或管道系統(tǒng)中。蝸殼的功能為：收集流體：蝸殼負責收集從葉輪出口流出的流體。轉換能量：蝸殼將流體的動能轉換成壓力能。這是通過流體的速度降低而壓力升高的過程實現(xiàn)的。輸送流體：經過能量轉換后，蝸殼將流體輸送到泵的出口或下一級葉輪的輸入口。消除旋轉運動：蝸殼可以消除液體從葉輪流出的旋轉運動，從而避免由此造成的水力損失。擴散流體：在蝸殼的出口處，流體經歷一個均勻的、緩慢的擴壓過程，這有助于流體趨于均勻。降低速度：由于蝸殼的變截面設計，流體在流經蝸殼時速度會降低，這有助于減少水力損失。蝸殼作為冷卻水泵的一個關鍵組成部分，其種類繁多，包括環(huán)形蝸殼、螺旋形蝸殼和徑向導葉蝸殼等。通常，冷卻水泵的蝸殼是由如鑄鐵或不銹鋼等金屬材質制成，這些材料能夠提供足夠的強度和剛性，以支撐泵在運行時產生的各種力量和壓力，故本文蝸殼的設計選擇用不銹鋼金屬材質制成。蝸殼內部設計有空腔結構，其目的是為泵內部的組件，例如葉輪和軸承等，提供適當?shù)娜菁{和支撐。在單吸式離心泵中，螺旋形蝸殼是最常見的選擇，也被稱作渦形體。這種蝸殼呈現(xiàn)螺旋狀的通道，使得流體能夠從葉輪出口沿著這一通道平穩(wěn)流出REF_Ref31046\r\h[14]。螺旋形蝸殼其設計簡潔、制造容易以及流體流動性好，因此，在本文中，蝸殼的設計選擇螺旋形蝸殼。3.2.2冷卻水泵的殼體參數(shù)設計離心泵螺旋形蝸殼的參數(shù)如下：基圓直徑：是蝸殼設計的基礎，它決定了蝸殼的大小和形狀?；鶊A直徑的選擇通常基于泵的設計流量和揚程。其計算公式通常為：(3-6)式中：為蝸殼基圓直徑；為葉片出口直徑。將上述計算的數(shù)據(jù)代入式（3-6）中，可以得出蝸殼的基圓直徑：故選擇其水泵蝸殼的基圓直徑為。蝸殼斷面的形狀設計蝸殼斷面的形狀有圓形、梯形、橢圓形、三角形、矩形等，其各有不同的特點：圓形：圓形蝸殼斷面是一種常見的類型，它的外形呈現(xiàn)一個完整的圓形，貫穿整個蝸殼。這種形狀的蝸殼一般應用于低速、中等壓力的渦輪機。橢圓形：橢圓形蝸殼斷面的長軸較短，短軸較長。相比于圓形蝸殼，橢圓形蝸殼斷面的氣流主要沿著周向流動，具有優(yōu)秀的抗磨損性能，因此廣泛應用于低速、中等壓力的燃氣輪機和汽輪機中。矩形：矩形蝸殼斷面的外形呈矩形。由于矩形蝸殼斷面可以提供較長的流道長度，因此適用于高速、大容量的渦輪機。三角形：三角形蝸殼斷面以三角形為外形。與其他蝸殼斷面類型相比，三角形蝸殼斷面可以提供更大的流道長度，因此具有較高的旋轉效率，廣泛應用于高速、大容量的燃氣輪機和汽輪機中。梯形：在梯形斷面的蝸殼中，液流主要是從葉輪的出口進入壓水室當中，在這一過程中，液流處于逐步擴大狀態(tài)，其水力性能相對較為良好。通過對每一種蝸殼斷面形狀分析再結合該型號柴油發(fā)動機的工況參數(shù)，本文研究的蝸殼斷面將選擇以圓形斷面為蝸殼的斷面形狀。蝸殼斷面的面積計算：蝸殼斷面面積對泵的性能有著顯著的影響。以下是蝸殼斷面面積的幾個主要影響方面：水力性能：斷面面積的變化會影響流體在蝸殼內的流動狀態(tài)。適當減緩后兩個斷面的面積變化速度，可以有效減小隔舌處和擴散段的低速區(qū)，從而提高泵的水力性能。壓力脈動：蝸殼斷面面積的變化規(guī)律對壓力脈動峰值的影響較大。隨著流量的增大，這種影響逐漸減小。在偏工況下，各模型主頻處的壓力脈動幅值上升，且受蝸殼面積變化影響較大。能量轉換：蝸殼過流斷面面積固定不變是離心泵能量轉換不穩(wěn)定特性的根源。如果以葉輪作為核心部件，拋開葉輪特性的作用，蝸殼過流斷面面積固定不變會導致動靜壓能轉化劇烈，從而引起蝸殼內靜壓的不穩(wěn)定變化。軸功率波動：由于流速的改變，葉輪流道有“蓄積”和“釋放”能量的功能，這也會引起軸功率的劇烈波動。而蝸殼斷面面積的變化會影響流體的流速，從而影響軸功率的波動。在計算蝸殼斷面各面積時，通常是把蝸殼圓周方向平均速度看作常數(shù)來進行設計。蝸殼液流平均速度計算公式如下：(3-7)式中：為蝸殼中液流速度系數(shù)，常取為0.385。代入上述數(shù)據(jù)于式（3-7）可以算出=6.279m/s。通過計算出蝸殼液流的平均速度再結合面積公式得出蝸殼斷面的面積，其公式如下：(3-8)式中：是指蝸殼第八斷面的面積；是指泵的流量；是蝸殼液流的平均速度。通過將相關數(shù)據(jù)代入公式（3-8），可以計算出蝸殼的最大斷面和第八斷面的面積。在設計過程中，需要考慮流體在通過蝸殼時可能會遇到的回流和阻礙問題。為了減少這些問題，同時確保最大斷面處能夠順利與導流管隔套連接，決定適當增大第八斷面的面積。在本文章中，選擇用等變量設計方法來確定蝸殼各個斷面的面積，確保了流體流動的連續(xù)性和效率。具體的各斷面面積數(shù)據(jù)如下表所示：表3-6各斷面面積表編號IIIIIIIVVVIVIIVIII面積/mm222.562.4102154.1204.2265315515蝸殼殼體厚度：因殼體厚度要考慮殼體承受壓力極值大小、水泵總體所占空間大小、水泵殼體的制造難度和成本，同時要滿足其水泵能與冷卻水套的完美裝合，本文水泵殼體的厚度=7mm。蝸殼進口寬度：蝸殼進口寬度的計算取決于水泵的流體流量、流體速度、泵的效率、蝸殼的結構強度，同時也要考慮葉輪前后蓋板厚度與蝸殼殼體內壁之間的間隙，再按照結構需要進行計算。公式如下：(3-9)式中：為葉輪出口寬度，單位為mm；為葉輪蓋板厚度，單位為mm；為間隙常數(shù)，常取值為=5~20，這里取值為10。為滿足本文所研究的水泵不會改變其原安裝尺寸，故水泵蓋板的厚度取值為=7mm，將其數(shù)據(jù)代入式（3-9）得水泵蝸殼進口寬度為=25mm。蝸舌的起始角：起始角是指蝸殼開始的位置與基圓之間的角度，由于蝸殼殼體中流體速度減慢，蝸殼徑向尺寸增加，使得蝸殼殼體厚度較薄影響蝸殼對流體的擴散作用REF_Ref30667\r\h[11]。蝸舌起始角度可根據(jù)離心泵比轉速=72選取如下表所示，取蝸舌起始角=15°。表3-7蝸殼起始角與比轉速關系ns30～8090～130140～220230～360φq0°～15°15°～22.5°25°～35°38°～45°

圖3-3新型水泵蝸殼上端蓋3維圖3-4新型水泵下端改3維圖因要保證設計的新型水泵不會改變原型水泵的安裝條件，故新型水泵的殼體外部尺寸等不做設計改變，保證新型水泵對該型柴油機的適用。3.3水泵的模型構建在本文章中，將使用UG三維建模軟件來構建冷卻水泵的三維模型。鑒于這僅是初步的設計模型，所以只對一些細節(jié)進行了簡化處理。例如，螺絲孔、加強肋以及邊緣棱角等對流體動力學影響不大的結構細節(jié)被省略，以便于更加專注于泵的核心設計。這種簡化方法有助于提高建模效率，同時確保了模型的核心設計要求得到滿足。通過這種方式，可以更加清晰地展示和分析水泵的主要結構和工作原理REF_Ref31199\r\h[15]。首先利用其UG繪制水泵各部件的截面草圖，再根據(jù)其旋轉實體、邊界曲畫、曲面縫合和生成實體等相關命令，完成對新水泵各部件三維模型的建立，然后將其所有的部件模型進行裝配，得到一個完整的水泵模型。其整體的水泵模型圖如下：圖3-5水泵整體模型完成水泵建模后，并使用UG軟件的運動模擬功能，對水泵內部的葉輪和驅動軸模塊進行運動命令的建立，實現(xiàn)水泵葉輪運動方式的模擬，查看水泵模型各部件的運行情況。3.4本章小結本章內容主要針對離心泵葉輪的設計進行介紹，其內容通過系統(tǒng)地闡述離心式冷卻水泵葉輪的基本理論和工作原理。利用UG建模軟件對水泵葉輪進行模型構建，再將水泵的各個部件進行裝配，為后續(xù)仿真分析做出水泵的裝配圖。本文研究的水泵采用螺旋形離心式水泵，其斷面形狀為圓形，屬于半開式葉輪的設計。通過其數(shù)據(jù)參數(shù)結合UG軟件的三維建模功能進行水泵模型的構建，完成水泵整體模型的裝配。第4章冷卻水泵的流體循環(huán)模擬4.1CFD數(shù)值模擬概述CFD是英文ComputationalFluidDynamics（計算流體動力學）的簡稱，是一種先進的工程技術，隨著計算機和數(shù)值分析方法的進步而興起。它通過在計算機上進行“虛擬實驗”來模擬和分析流體的流動現(xiàn)象。CFD的核心在于通過數(shù)值方法解決流體動力學的微分方程，將流體流動的連續(xù)場進行離散化處理，以便于在計算機上模擬流體的行為和特性REF_Ref31242\r\h[16]。這種技術是現(xiàn)代仿真領域的一個分支。CFD仿真技術在流體機械尤其是水泵行業(yè)有著重要的作用：設計優(yōu)化：CFD技術可以對水泵的內部流場進行精確模擬，幫助設計師預測和優(yōu)化水泵的性能。例如，通過模擬水泵內部的流動情況，可以預測水泵的揚程、效率和功率等特性，從而優(yōu)化設計，提高水泵的性能。降低研發(fā)成本：傳統(tǒng)的水泵設計需要通過大量的實驗和原型測試來驗證設計效果，這不僅耗費時間和資源，而且成本高昂。而CFD技術可以在計算機上進行模擬，以較少的費用和較短的時間獲得大量有價值的研究結果，極大降低了研發(fā)成本?？梢暬脙攘鲃樱篊FD技術可以提供泵過流部件內部任意一個面上的流動情況，還可以生成動畫，演示所計算出的流態(tài)，包括速度矢量、流線、壓力等值線等，使得泵內流動可視化，有助于理解水泵的工作原理和性能。故障診斷和振動分析：采用CFD技術對泵內流特性開展非定常數(shù)值模擬，可以捕捉仿真場中虛擬監(jiān)視點的速度、壓力脈動及結構受力的時頻特性，為解決真機測量測點安裝不便、測點數(shù)量有限的難題提供了有效手段。此外，CFD技術還可以作為泵機組振動分析及故障診斷的有力工具，有助于提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。CFD軟件常見的數(shù)值方法主要包括：有限差分法（FDM）：通過在空間上離散化流體域并使用差分方程來近似PDEs。有限體積法（FVM）：基于守恒定律，通過在控制體上積分PDEs來構造代數(shù)方程組，而其軟件有ANSYS-Fluent、Star-CD、Phoenics等。有限元法（FEM）：通過將流體域劃分為元素，并在每個元素上定義局部函數(shù)，然后在全局層面上組合這些函數(shù)來近似解。而本文研究用的是計算流體動力學中的一個專門用于復雜流體流動問題的模擬軟件Fluent。

4.2流體控制方程和基本理論概述4.2.1流體力學的概述流體力學是物理學的一個分支，它的起源可以追溯到古代，當時人們已經開始注意到水流和風的現(xiàn)象，并嘗試理解這些現(xiàn)象背后的原理。在古希臘時期，阿基米德就提出了著名的阿基米德原理，描述了浮力的概念。此后，許多科學家如伯努利、帕斯卡和達朗貝爾等人進一步發(fā)展了流體力學理論。19世紀，納維和斯托克斯分別獨立地提出了描述流體運動的基本方程——納維-斯托克斯方程（Navier·Stokesequations）REF_Ref31294\r\h[17]。4.2.2流體控制方程水泵內部流體的控制方程通常基于不可壓縮流體的納維-斯托克斯方程，以及連續(xù)性方程。這些方程描述了流體在水泵內的運動和壓力分布。連續(xù)性方程流體的連續(xù)性方程是流體力學中的一個基本方程，它表達了流體質量守恒的原理。對于不可壓縮流體而言，其積分形式為基于空間位置固定的有限控制體而推導出來：(4-1)式中：為有限控制提體的一個體積單元；為表面微元的面積向量；為流體密度（kg/m3）；為液體在某一點的流動速度；其微分方程形式為：(4-2)式中：分別為指向軸的正方向的速度分量（m/s）；為時間；動量守恒方程根據(jù)牛頓第二定律得到動量守恒方程的原理，得：(4-3)其微分方程可為：(4-4)式中：為分子黏性應力在方向的分量；為分子黏性應力在方向的分量；為分子黏性應力在方向的分量；為微元體上的力在方向的分量；為微元體上的力在方向的分量；為微元體上的力在方向的分量；能量守恒方程在冷卻水泵內部流體的流動中，總會伴隨能量的轉換效應，為滿足能量守恒，其適用的微分方程為：(4-5)式中：為比熱容；為冷卻液溫度；為流體的傳熱系數(shù)；為黏性耗散項；4.3離心式冷卻水泵內流體循環(huán)模擬4.3.1冷卻水泵內流體域提取在使用ANSYS進行計算流體動力學（CFD）仿真時，“流體域”指的是定義了流體存在和流動的空間區(qū)域。這個區(qū)域是仿真分析的核心，用于模擬流體的動力學行為、熱傳遞和物質傳輸?shù)冗^程。為了便于計算，必須將這個流體域分割成適合數(shù)值求解的小單元，形成計算網格。正確設定和細分流體域對于提高仿真結果的精確度和計算速度至關重要。通常情況下，流體域的獲取可以通過直接建?；蛘邚囊延袔缀文Ｐ椭羞M行幾何抽取兩種主要方法來進行REF_Ref31333\r\h[18]。在完成水泵的三維模型構建之后，模型導入到ANSYS軟件中，利用特征與組合命令中布爾運算的相減功能完成水泵流域提取。這一步驟涉及將葉輪和蝸殼等關鍵部件的流體域進行整合。通過這樣的處理，能夠獲得一個完整的水泵總成的流體域模型REF_Ref31199\r\h[15]。4.3.2水泵流域網格劃分在流體的數(shù)值模擬中，網格是按照一定規(guī)律分布于流場中的一系列離散點的集合，創(chuàng)建這些離散點的過程稱為網格劃分。網格作為聯(lián)系幾何模型和數(shù)值算法的橋梁，是進行流體計算不可或缺的一部分；只有當模型被離散化為一定的標準網格時，數(shù)值算法才能對其進行處理和計算REF_Ref30419\r\h[6]。因此，對水泵流體域進行精確的網格劃分對于降低模擬誤差、提升計算結果的準確性至關重要，是流體動力學計算中至關重要的一步。流體域網格的種類多種多樣，其中常見的包括結構網格和非結構網格兩大類：結構網格：是指網格中各節(jié)點都有相同的毗鄰單元，其網格質量通常比非結構網格好，但劃分的難度也較大。結構網格中，六面體網格是一個重要的類型，它可以通過減少復雜結構網格的數(shù)量來提高網格質量，適用于大范圍流動實體和近壁面流動。非結構網格：其內部各節(jié)點不具有相同的毗鄰單元，節(jié)點中沒有邏輯關系。在二維模型中，常見的非結構網格類型包括三角形網格；在三維模型中，四面體網格是一種常用的非結構網格類型，適用于大部分復雜結構，通常采用邊界層和尺寸功能劃分網格。在本文中，選用ICEM網絡軟件來處理復雜的發(fā)動機冷卻液泵內部流動的網格劃分問題。鑒于泵內部流動的特性，包括不規(guī)則的壁面變化和不對稱的螺旋形狀，選擇用混合網格類型來進行細致的網格劃分。在利用三維軟件完成水泵模型的構建之后，模型被導出為x_t格式的文件，并導入到ICEMCFD軟件中。接下來，按照流程進行模塊的分類、命名，為各個區(qū)塊及其壁面指定了名稱，設置了主體參數(shù)，確定了全局網格的類型和尺寸，對局部區(qū)域進行了網格加密，進行了網格質量檢測，并對獨立點進行了處理。通過這些步驟，完成各個部分的網格劃分，并最終使用MERGE命令將它們合并成一個統(tǒng)一的、完整的網格模型。葉輪的網格劃分結果如圖所示REF_Ref30667\r\h[11]。圖4-1水泵整體總網格網格劃分的網格數(shù)量是影響數(shù)值模擬精度的關鍵因素。通常情況下，網格數(shù)量的增加會帶來更高的計算精度，但這也會相應增加對計算資源的需求，包括內存和處理器時間REF_Ref31199\r\h[15]。因此，在完成水泵的網格劃分之后，需要對網格的質量和數(shù)量進行仔細的評估和分析。為了平衡計算精度和資源消耗，將采用自適應網格技術，即在流體流動的關鍵區(qū)域增加網格的密度以捕捉復雜的流動特征。而在流動較為平穩(wěn)和均勻的區(qū)域，則可以適當降低網格密度，以減少計算資源的占用和縮短計算時間。這種方法能夠有效地優(yōu)化計算效率，同時確保模擬結果的準確性。4.3.3邊界條件與求解器設置本文采用Fluent中Multiphase模型的Mixtrue模型，對其中的多相進行設置選定，將主相設置為液體水，第二相設置為氣相水。完成水泵模型的網格劃分之后，為求解區(qū)域設定邊界條件。正確設置邊界條件對于確保仿真分析的準確性和可靠性至關重要。邊界條件定義了模型與外界的約束和受力情況，這些條件直接影響模型內部的物理響應，如應力、應變和位移分布REF_Ref31333\r\h[18]。本文將采用在Fluent圖形用戶界面（GUI）中的“邊界”菜單，對出口和入口的邊界條件進行選擇，在屬性編輯器中選擇適當?shù)倪吔珙愋筒⑤斎胂鄳膮?shù)值。入口條件：在Fluent邊界條件設置中，入口條件有速度入口、壓力入口、質量入口、湍流入口。速度入口：用于指定流體在進口處的速度大小和方向?？梢允呛愣ǖ幕螂S時間變化的，只能用于不可壓流動。壓力入口：用于設定流體在進口處的靜壓或總壓。流體速度會根據(jù)給定的壓力和流體性質自動計算。湍流入口：當模擬湍流流動時，可以指定湍流強度和湍流黏度比。質量入口：用于設定流體在進口處的質量流量，用于可壓縮流動。故本文選用進口質量邊界條件。出口條件：出口條件設置包括壓力出口、速度出口、質量出口。速度出口：在某些情況下，出口處的速度是已知的，可以直接指定出口處的速度矢量。質量出口：指定流體在出口處的質量流量率。壓力出口：設定流體在出口處的壓力。這是最常見的出口條件，適用于大多數(shù)流動情況。本文將對出口條件選用壓力出口邊界條件。4.4水泵的流體循環(huán)仿真結果分析4.4.1水泵流體循環(huán)工況設定在本文中，為了模擬水泵內部的流體循環(huán)條件，我采用控制變量法來設定仿真參數(shù)。主要專注于調整兩個關鍵變量：流體流量和葉輪轉速，并為此制定了兩種不同的仿真方案。在保持流體流量恒定的情況下，改變葉輪轉速。設定水泵的流量為30L/min，并分別將葉輪轉速調整為1000r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min和5000r/min，對比不同轉速下的結果，以分析水泵性能。在保持葉輪轉速不變的情況下，改變流體流量。設定葉輪的轉速為3000r/min，并設置不同的流量值，分別為10L/min、20L/min、30L/min、40L/min和50L/min，通過比較不同流量條件下的仿真結果，以探究水泵性能。通過這兩種方案的對比分析，可以更全面地理解在不同工況下水泵的性能表現(xiàn)。4.4.2水泵壓力場分析由離心泵的工作原理可知，當葉輪旋轉時，冷卻液受到離心力的作用，從葉輪的中心軸向地被推向葉輪的外圍。在這個過程中，液體在泵的中心區(qū)域獲得的能量是最低的，隨著向外圍的移動，其能量逐漸增加，并在葉輪的邊緣處達到峰值，這一過程中能量的分布是連續(xù)且均勻的REF_Ref30667\r\h[11]。本文將選用新舊型水泵中截面壓力分布云圖進行對比分析，以此研究新型水泵在工作狀態(tài)中其內部壓力的分布變化規(guī)律，得出其新型水泵的。以下是原型水泵以轉速為3000r/min，不同流量的工作狀況下進行的壓力場分析：圖4-2原型水泵10L/min和20L/min時截面壓力分布圖4-3原型水泵30L/min和40L/min時截面壓力分布圖4-4原型水泵50L/min時截面壓力分布以下是新型水泵以轉速為3000r/min，不同流量的工作狀況下進行的壓力場分析：圖4-5新型水泵10L/min和20L/min時截面壓力分布圖4-6新型水泵30L/min和40L/min時截面壓力分布圖4-7新型水泵50L/min時截面壓力分布從上述的靜壓力分布云圖4-3可以看出新型水泵在隨著不同流量流體的循環(huán)下，其壓力從出口至入口呈逐漸增加的趨勢，最小壓力只出現(xiàn)在水泵出口處。通過對新型水泵與原型水泵在小流量工況下相比，可以得知新型水泵內部進口處壓力分布較為均勻，最大壓力也出現(xiàn)在水泵進口處，這是因為水泵進水口流進冷卻循環(huán)液體的時候流體速度慢。冷卻液體在水泵入口處與葉片初次碰撞后液體速度瞬間劇烈變化導致能量損失，這也導致水泵進水口處的汽蝕現(xiàn)象最為嚴重。將圖4-3所展示的壓力分析數(shù)據(jù)結合伯努利原理中的一個重要結論（在等高流動的情況下，流速越快，壓強越小）可以得知水泵內部流體靜壓力隨著葉輪的旋轉給流體加速，流體在從進水口流至出水口的過程中，速度呈增大再減小，壓力呈減小再增大。根據(jù)圖4-3的壓力分布也可以看出水泵在小流量工況下的內部高壓區(qū)并沒有隨著流量的增加而產生太大的變化，證明液體在新型水泵內部的流動較穩(wěn)定，流體在流動過程中沒有產生較多的局部沖擊，能量的損失也較小，達到水泵的較高效率標準。以下是原型水泵以流量為30L/min，不同轉速的工作狀況下進行的壓力場分析：圖4-8原型水泵1000r/min和2000r/min時截面壓力分布圖4-9原型水泵3000r/min和4000r/min時截面壓力分布圖4-10原型水泵5000r/min時截面壓力分布以下是新型水泵以流量為30L/min，不同轉速的工作狀況下進行的壓力場分析：圖4-11新型水泵1000r/min和2000r/min時截面壓力分布圖4-12新型水泵3000r/min和4000r/min時截面壓力分布圖4-13新型水泵5000r/min時截面壓力分布從圖4-4和圖4-5可以看出原型和新型水泵在額定流量變轉速的工況下，其不同轉速對水泵內部壓力分布的影響比變流量工況下的影響大，圖4-5中，新型水泵內部壓力隨著轉速的提高，水泵進口處的壓力逐漸有減小的現(xiàn)象，水泵內部整體壓力梯度明顯隨著轉速的增大而減小，證明水泵葉輪對冷卻液的提速在增大，這增大了水泵的冷卻液循環(huán)效率。同時新型水泵內部的壓力值比原型水泵大，可以證明新型水泵比原型水泵能更好地適應高壓工作環(huán)境。4.4.3水泵速度場分析冷卻水泵內部流體的流動速度對水泵的性能有很大影響，流體速度的適當提高有助于增加水泵的揚程和流量，從而提升能量轉換的效率。然而，如果流體速度過高，則可能增加對泵內部零件的磨損和侵蝕，這不僅會減少水泵的使用壽命，還可能引發(fā)運行噪音和穩(wěn)定性問題。本文將以水泵內部的截面速度矢量分布云圖來分析水泵內部流體在工作狀態(tài)下的速度變化情況，得到流體在各個部位的流速大小和方向，以此了解泵的流量特性和流動狀態(tài)。以下是原型水泵以轉速為3000r/min，不同流量的工作狀況下進行的速度場分析：圖4-14原型水泵10L/min和20L/min時截面速度分布圖4-15原型水泵30L/min和40L/min時截面速度分布圖4-16原型水泵50L/min時截面速度分布以下是新型水泵以轉速為3000r/min，不同流量的工作狀況下進行的速度場分析：圖4-17新型水泵10L/min和20L/min時截面速度分布圖4-18新型水泵30L/min和40L/min時截面速度分布圖4-19新型水泵50L/min時截面速度分布從圖4-7可以看出，流量的最高速主要集中在葉輪與蝸殼壁接近處，這主要是葉輪的高速作用將機械能轉化為流體的動能，此時流體從葉輪出口處流出且速度最大。從葉輪出口到水泵螺旋管出口的流體流動逐漸減弱，主要是螺旋管收集了從葉輪流入壓力能的高速流體。由于螺旋管和葉片之間流動區(qū)的差異，可以觀察到泵出口處液體的高速區(qū)正在逐漸縮小。圖4-7中隨著泵流量的增加，水泵的高速區(qū)面積增大，葉片非功能面后面的低速區(qū)減小，水泵的流體流動更順暢，泵的冷卻液循環(huán)效率得到提高。通過對原型水泵和新型水泵在定轉速變流量工況下的對比，研究可以得知新型水泵冷卻液速度界面圖分布更均勻，流動穩(wěn)定。以下是原型水泵以流量為30L/min，不同轉速的工作狀況下進行的速度場分析：圖4-20原型水泵1000r/min和2000r/min時截面速度分布圖4-21原型水泵3000r/min和4000r/min時截面速度分布圖4-22原型水泵5000r/min時截面速度分布以下是新型水泵以流量為30L/min，不同轉速的工作狀況下進行的速度場分析：圖4-23新型水泵1000r/min和2000r/min時截面速度分布圖4-24新型水泵3000r/min和4000r/min時截面速度分布圖4-25新型水泵5000r/min時截面速度分布從圖4-9可以看出，水泵內部流體流速最大值隨著葉輪的轉速提高而增大，證明水泵葉輪轉速是內部流體的速度的關鍵影響因素，內部壓力區(qū)域面積隨著轉速的增大而增大，水泵內部低壓區(qū)面積逐漸減小，葉輪內速度分布對稱性也得到提高，同時葉輪內速度分布較為均勻其速度差值較小，速度過渡更加平順。將圖4-8和圖4-9對比可以得知新型水泵較原型水泵的性能有了一定的提升，在穩(wěn)定性和效率方面都有了不錯的改進之處。4.5本章小結在本章中，通過ANSYS有限元分析軟件進行新型水泵的分析模擬，并且對流體控制理論、流體場模擬進行了詳細地介紹；通過ANSYSFluent軟件中布爾運算的相減功能得到對應的流體域模型，在利用ICEM軟件分別對水泵的各部件進行網格劃分后，再用Fluent仿真軟件給出邊界條件及求解設置的參數(shù)。水泵內部流體流動的情況從上面的圖4-2至圖4-9可以看出，新型水泵的運轉質量及穩(wěn)定性較好，壓力和速度的面積穩(wěn)定增大，流體循環(huán)情況沒有劇烈變化，新型水泵的效率較好。

第5章研究結論和展望5.1研究結論本文為了保證設計的冷卻水泵能適用于原尺寸安裝要求的柴油機汽車，我采用控制變量法、模型法等實驗方法來對新的冷卻液泵進行仿真分析和設計，其設計主要是在水泵的整體結構和功效方面。在完成了水泵的模型結構設計后，再通過ANSYS軟件來對原型和新型水泵進行仿真分析和運動模擬，知道新型水泵的工作狀況，通過收集水泵的內部流場云圖和仿真數(shù)據(jù)來驗證新型水泵的功效。從流體分析中可以得出新型水泵在面對各種原水泵的工作環(huán)境下所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性很好，對得出的數(shù)據(jù)進行對比分析得出新型水泵比原型水泵更高效、可靠、耐用，且新型水泵在結構材料上有著比原型水泵更易加工、低成本的優(yōu)點。5.2研究展望由于時間和環(huán)境的因素，未能進行對新型水泵的實物制作，只能完成3D模型的構建，并且未對新型水泵的外形進行研究，因此后續(xù)研究學者可進一步對新型水泵的適用車型和安裝要求進行研究，完成這方面的研究，將實現(xiàn)冷卻水泵多型號適用的作用。本文主要完成的是柴油機汽車冷卻系統(tǒng)核心部件冷卻水泵的研究，對于其冷卻系統(tǒng)冷卻液的循環(huán)道路和驅動電機沒有相關涉及，對此希望今后的相關學者能完成冷卻系統(tǒng)的整體設計，研究出一套高效、低耗、可靠、耐用、可廣泛適用的冷卻系統(tǒng)。本文中所進行的仿真模擬主要是針對水泵內部流體運動場的分析，研究其冷卻水泵內部流體的循環(huán)穩(wěn)定性和高效性，對于其冷卻水泵內部循環(huán)流體的種類沒有相關研究，未對冷卻水泵不同冷卻液的適用能力進行研究，希望相關學者今后能完成此方面的研究，設計出一款可以適用不同冷卻液的新型冷卻水泵。參考文獻國家統(tǒng)計局.中華人民共和國2020年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[J].中國統(tǒng)計,2021,(03):8-22.韓曉瑩,李樂,杜艷陽.淺談高效率汽車水泵的設計研究[J].山東工業(yè)技術,2019,(09):59-60.萬毅,嚴敬,楊小林.離心泵葉輪內水流相對速度的實驗研究[J].機械設計,2020,(06):38-41.潘敬宇.車用電子水泵的研究與開發(fā)[D].上海工程技術大學,2021.49-52.嚴敬,王桃,趙爾策等.可控進口葉片角的圓柱形葉片設計[J].熱能動力工程,2020,35(10):23-29.徐雪漢.汽車冷卻用電子水泵結構設計與優(yōu)化[D].重慶理工大學,2021.51-53.NicholasP,SPL,B.CJ.FlowinaCentrifugalPumpImpelleratDesignandOff-DesignConditions—PartI:ParticleImageVelocimetry(PIV)andLaserDopplerVelocimetry(LDV)Measurements[J].JournalofFluidsEngineering,2020,125(1):61-72.KrauseN,ZahringerK,PapE.Time-resolvedparticleimagingvelocimetryfortheinvestigationofrotatingstallinaradialpump[J].ExperimentsinFluids,2020,39(2):192-201.SHUKLASN,KSHIRSAGARJT.NumericalExperimentsonaCentrifugalPump.ASMEFluidsEngineeringDivision[P],2022,257(2B):709-720.PAONEN,RIETHMULLERML,BRAEMBUSSCHERA.ExperimentalInvestigationoftheFlowintheVanelessDiffuserofaCentrifugalPumpbyParticleImageDisplacementVelocimetry[J].ExperimentsinFluids,2019,7(6):371-378.李春蓄.汽車發(fā)動機冷卻水泵設計及流場試驗研究[D].浙江科技學院,2021.18-20.沈陽水泵研究所,中國農業(yè)機械化科學研究院.葉片泵設計手冊[M].重慶,重慶印刷制一廠,1983.70-75.唐亮.基于CFD的汽車電子水泵設計與性能優(yōu)化[D].江蘇大學,2023.15-20.陽波.離心泵水封冷卻優(yōu)化結構的設計與研究[J].內燃機與配件,2024,(07):25-27.張烑.某商用車通用化設計水泵的水力設計與驗證[D].南華大學,2019.19-25.譚禮斌,袁越錦.發(fā)動機冷卻水泵CFD數(shù)值模擬及性能優(yōu)化[J].四川輕化工大學學報