Star-ccm+在引擎水泵設計上的應用

STAR-CCM+在引擎水泵上的應用摘要：本文使用STAR-CCM+模擬水泵流量特性、空蝕現(xiàn)象以及使用CFD的壓力計算結(jié)果作為葉片應力計算時的負荷邊界，透過CFD確認水泵設計結(jié)果並提供設計者優(yōu)化方向，減少試做測試時間與成本。關鍵詞：水泵、STAR-CCM+、空蝕、應力0前言近年來各國對車輛排汙與油耗的要求越來越嚴苛，引擎零部件的效率、耐久性、輕量化等要求也越來越高。本文使用STAR-CCM+計算水泵P-Q與效率曲線了解水泵流量與最佳運轉(zhuǎn)區(qū)間；另使用Cavitation模型模擬水泵是否會出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，以確保葉片與殼體不會因為空蝕造成破壞；流場的壓力結(jié)果作為應力計算的負荷邊界，計算葉片的應力以確認零件的耐久性。1水泵流量特性引擎設計初期我們可以從測試資料、相似機型數(shù)據(jù)或是一維系統(tǒng)分析等方法得知引擎的需求流量規(guī)格，據(jù)此可以進行水泵的初步設計。在實際零件尚未產(chǎn)出前，CFD模擬是唯一可以求出水泵特性的方法。我們以MRF的方式進行模擬，將葉片周邊的區(qū)塊分割出來設為旋轉(zhuǎn)體(Region)，將其運動方式定義為ReferenceFrame。計算時以固定轉(zhuǎn)速在STAR-CCM+中計算不同流量下的進出口壓差，可以得到該轉(zhuǎn)速下的P-Q曲線。圖1為某一水泵特性的計算結(jié)果，包含不同轉(zhuǎn)速下的效率曲線。從圖1可以知道，在需求流量下水泵運轉(zhuǎn)在哪一轉(zhuǎn)速範圍內(nèi)效率較高，可以得到曲軸與水泵皮帶輪的轉(zhuǎn)速比設定值。圖1.水泵特性曲線圖從水泵效率的定義可知，當水泵效率越高時表示曲軸的耗損越低，對引擎的效能有一定的幫助。水泵效率：η=其中η:水泵效率ΔP:出入口壓差Q:流量N:水泵轉(zhuǎn)速T:水泵轉(zhuǎn)動扭力此外，水泵的流量特性數(shù)據(jù)亦可回饋至一維冷卻系統(tǒng)分析模型，分析系統(tǒng)各工況下之流量分布及散熱狀況，進而優(yōu)化整機之冷卻系統(tǒng)。2水泵空蝕模擬水泵的空蝕現(xiàn)象可以用圖2作一簡單的說明。圖中紅線為水的相變化曲線，當在一固定壓力下，水溫升高到某一溫度時會產(chǎn)生氣化，這是一般常見的沸騰。在一固定的溫度下，壓力下降至低於該溫度下的飽和蒸汽壓時也會產(chǎn)生氣化，這就是空蝕現(xiàn)象。從相變化圖可知水泵內(nèi)部流體的溫度偏高或是流場的平均壓力偏低時容易產(chǎn)生空蝕。汽車引擎冷卻水中加入防凍液改變水的相變化特性(藍線)可降低空蝕的發(fā)生機率。因為水泵葉片在高速旋轉(zhuǎn)下葉片的前後表面壓力會有很大的差異，葉片背面會形成一低壓區(qū)，當壓力過低時就發(fā)生空蝕。圖2.水相變化圖模擬空蝕現(xiàn)象時以暫態(tài)方式計算，在葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)塊我們改用RigidBodyMotion的方式讓葉片隨時間旋轉(zhuǎn)。流體採用尤拉多相流，包含液態(tài)水與氣態(tài)水，並勾選MultiphaseInteraction以設置Cavitation模型。水泵的出入口流量、壓力、溫度等條件則參考測試時的量測數(shù)據(jù)。圖3為某一機型的水泵空蝕模擬結(jié)果，氣化的位置跟比例與測試零件的破壞位置有很好的對比。圖3.空蝕模擬結(jié)果與測試零件比對基於此一模型，後續(xù)對溫度、系統(tǒng)壓力等參數(shù)進行結(jié)果比較，其趨勢與由圖2推測的方向一致，顯示此模型可以正確模擬水泵空蝕的發(fā)生。為了改善此一問題，修改了葉片的設計，其模擬結(jié)果如圖4，空蝕問題有大幅度的改善。圖4.新設計空蝕改善狀況3水泵葉片應力計算除了流量、效率、空蝕等問題外，葉片的強度也是考量的重點之一。流場計算結(jié)果中葉片表面的壓力分佈為葉片的受力邊界條件。利用STAR-CCM+將壓力結(jié)果映射至結(jié)構網(wǎng)格(圖5)，計算葉片在工作時的應力分布。圖6為某一機型板金式葉片的應力計算結(jié)果，從結(jié)果可以看到葉片表面的壓力造成葉片根部過切部位應力集中。這對零件的耐久性有非常大的影響。圖5.葉片表面壓力映射至結(jié)構網(wǎng)格圖6.葉片應力計算結(jié)果圖7為根據(jù)應力計算結(jié)果，針對葉片根部R角形狀與公差所進行的分析案例。根據(jù)結(jié)果進行了根部過切形狀的優(yōu)化，並設定合理的製造公差範圍，降低零件製造成本並維持零件耐久性。圖7.葉片根部R角優(yōu)化4結(jié)