第30卷第3期
Val 30 No. 3
2013年6月
内燃机与动力装置1.C. E Powerplant
Jun.2013
模拟计算】
CFD在柴油机
冷却水泵性能分析与优化设计中的应用
刘铁刚',高莹2,刘鹏,营志浩
(1.卡特彼勒技术研发中心,山东青岛26061;
2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春,130022
摘要:本文以某六钲柴油机冷却水泵为研究对象,利用计算流体力学CFD软件 FLUENT
采用标准k-8湍流模型和MRF多重参考系模型对冷却水泵的内流场进行了模拟分析,得到
了水泵扬程,压力和流速等性能参数的分布情況,并将计算结果与实验数据进行了对比,总体
误差控制在5%以内。同时根据CFD计算结果,对水系叶轮所承受轴向载荷进行了分析评估,
并提出了优化改进方案。实际应用,效果良好。
关键词;油机;冷却水泵;C"FD分析
中图分类号:TH452文献标志码:A文章编号:1673-6397(2013)03-0024-05
Application of CFD in Performance Analysis and Optimization Design of
Diesel Engine Water Pum
LIU Tie -gang',GAO Ying", LU Peng CAO zhi-hao
( 1. Caterpilar R&D Center, Qingdao 266061, China; 2. State Key Laboratory
of Automotive imulation and Control ofjilin University, Changchun 130022, China)
Abstract: In this paper, a six cylinder diesel engine cooling water pump is studied. With FLU
ENT of the computational fluid dynamics CFD software, the standard k-e turbulence model and the
multiple reference model, the flow filed of the water pump is simulated and analyzed and the distri
bution of performance parameters of head, pressure and velocity of the cooling pump is obtained
The comparison of the CFD analysis results with the experimental data reveals that the tolerance is
within 5%. On the basis of CFD results, a analysis and assessment is done to the axial load that the
water pump impeller can withstand. This paper proposes the optimization plan, which have been
tested to have a perfect effect
Key Words: Engine; Water Pump; CFD Analysis
前言
可靠性是令人满意的2
冷却水泵是柴油机冷却系统的重要组成部分
CFD是计算流体力学( Computational Fluid Dy-
是柴油机传热过程的重要环节。水泵内冷却水、?
nics)的英文缩写,它是在经典力学、数值计算方维流动直接影响柴油机冷却系统的工作能力,进而
法和计算机技术的基础上建立起来的新型学科。它影响整机的综合性能;尤其对高强化多缸柴油机,提
是目前用于解决三维流动间题的重要手段?,以往供足够的冷却水十分重要,这不仅关系到柴油机的
需要通过大量试验得到的流动信息可以通过模拟计动力性和经济性,而且关系到它的可靠性和耐久
算获得。与试验数据相比较,计算结果的准确性和性。
作者简介:刘铁刚(1979-),男,工程师,研究方向:柴油机冷却系统研究开发。
收稿日期:2013-2-22
j方数据
2013年第3期
刘铁刚,等:CFD在柴油机冷却水泵性能分析与优化设计中的应用
本文应用CFD分析软件 FLUENT,对某六缸柴
由于水泵结构比较复杂,完全按照其真实实体
油机的冷却水泵进行了模拟分析,给出了水泵内冷建立模型比较困难,因此在保证对模拟计算结果不
却水的流场分布情况,对水泵的扬程、压力和流速产生很大影响的前提下,对实体结构进行了一些简
进行了分析评价,并与试验结果进行了对比。同时化处理。具体的简化方法是:不考虑结构的圆角和
根据CFD计算结果,提出了水泵叶轮的优化改进方倒角、螺栓搭子周围的小曲面等。但对模型的关键
案,有效的降低了水泵叶轮的轴向载荷,改进效果,位置(如叶轮实际形状,泵腔内部结构及进出口位
令人满意。
置处)不做简化。简化后的内腔和叶轮几何模型如
图2所示。
1柴油机和水泵的基本参数
表1柴油机和水泵的基本参数
柴油机基本参数
缸数
缸径x冲程(mm
110x125
排量(L
7.13
额定功率/转速(kW/r/min)
146/2300
最大扭矩/转速(N?m/r/min)
710/1400
全负荷最低燃油消耗率(g/kW?h)
<210
水泵机基本参数
速比(水泵转速/发动机转速)
水泵转速(额定点)(r/muin)
水泵转速(最大扭矩点)(r/min)
l400
水泵叶轮直径(mm)
90.5
水泵叶片数
2水泵内流场的CFD模拟分析
2.1几何模型与计算网格的建立
本文应用三维CAD软件Po/E建立柴油机水
泵的几何模型,其中包括泵体、叶轮、密封环和旋转
轴等几部分。几何模型如图1所示
图2简化后的水泵内腔和叶轮的几何模型
旁通
网格是CFD模型的几何表达形式,也是模拟与
出口
分析的载体。网格的疏密和质量对于CFD的计算
精度和计算效率都有重大影响。网格过疏会使计算
进口
结果不准确,在一定情况下还会导致计算不收敛;网
格过密不仅会使计算量大幅度增加,而且对计算机
的硬件要求也很高。
网格分为结构化和非结构化两大类。结构化网
格主要是六面体网格单元。非结构化网格包括四面
水
体和五面体网格单元。考虑到水泵内腔结构比较复
轮
杂,本文主要采用应用比较广泛的非结构化的四面
体网格。为了保证模拟计算的精度,关键位置处的
网格数要不小于3个。同时应用棱柱体网格
(pism)模拟流动边界层。水泵内腔及叶轮网格如
图1柴油机水泵的几何模型
图3所示。
万方数据
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