汽车水泵效率优化研究
0 引言
在冷却系统中水泵是中心部件，为整个冷却系统提供动力源，对冷却液加压，强制冷却液在冷却系统中循环，从而达到冷却效果，在行业内被喻为发动机冷却系统的“心脏”。
1 汽车水泵的结构及原理
汽车水泵广泛使用结构简单、尺寸小、排量大、重量轻且工作可靠的离心式水泵，一般由水泵壳体、轴承、水封、叶轮、法兰、皮带轮及其连接螺栓等部件构成，如图1所示。其工作原理是水泵皮带轮利用带传动、齿轮传动等轮系结构，在发动机曲轴皮带轮驱动下转动，使水泵叶轮旋转，迫使叶轮入口处的冷却液进入叶轮，进入叶轮中的冷却液在叶轮驱动下随叶轮一起运动，并在离心力的作用下沿着叶轮的叶道被甩向叶轮的边缘位置，在叶轮出口位置处被压水室所收集，从出水管流出，强迫进入冷却水腔；同时，在叶轮中心部位由于冷却液被甩出而形成低压区域，散热器中的冷却液在压力差的作用下，经进水口不断的流入到叶轮中心，从而使冷却液在冷却系统中往复循环，加上电子风扇的风冷降温，完成对发动机的冷却任务。
图1冷却水泵的典型结构
2 影响水泵效率和汽蚀的因素
由于冷却水泵的周围都会有很多个零部件，且其结构必须服从发动机的整体布置要求，因此水泵的进出水流道、涡流室的形线和截面形状、水泵的进出水口布置、叶轮的外形等基本尺寸的确定等不能满足正常的水力设计要求，从而会对水泵的性能及效率和汽蚀有一定影响。
水泵的性能与叶轮的外径、出口宽度、出口角有关，一般叶轮直径越大、出口宽度、出口角度越大水泵的性能越高，但随着水泵性能的提升，水泵的轴功率也急剧增加，从而使水泵效率降低，因此合理的布置边界是很重要的，既要满足水泵的性能，又要尽可能的降低轴功率，提升水泵的效率。
水泵的汽蚀主要与水泵进口处的压力有关，进口负压是造成水泵汽蚀的主要原因，因此要改善汽蚀需要从根本上解决液体的流动冲击带来的负压，但水泵的进水口径因为受发动机冷却系统的边界限制，大多不能改变，此时需要对叶轮进行优化设计，如开式叶轮或半开式叶轮改进为闭式叶轮，调整结构使叶轮处于流道的合理位置等，可以提升水泵的性能和效率，同时减少冲击损失，从而使抗汽蚀能力进一步提升。
3 制定优化方案
3.1 叶轮优化
叶轮的结构形式分为开式、半开式和闭式三种。根据不同的使用边界选择合适的结构，与流道进行匹配。
根据客户的要求，尽量不改变或小的改变（如现生产基础补充加工）来实现同时满足两个系列水泵性能前提下，尽可能的提升水泵效率，降低汽蚀风险。通过理论计算，及应用CFturbo设计分析，要达到客户要求的水泵转速3400r/min下流量600L/min时，水泵扬程达到21m，叶轮直径需要122mm～134mm之间才能达到效率最优。
在保持现有叶轮直径保持115mm，水泵座连接尺寸不变的前提下，水泵叶轮设计要满足现有的性能要求，水泵叶轮形线仍须采用双曲率结构的S型叶片，但叶片出口后弯曲率减小，且出口逐渐修薄，使叶片的形状更符合流体流动性能，降低水泵消耗功率；叶轮叶片的进口部位向轴中心前伸，使叶片可以较早接触液体并使液体进入叶道做功，可以有效提升水泵的性能，降低冲击损失。叶轮的叶片形线改进如图2所示。
图2 叶轮改进前后形线对比
叶轮结构由原来的半开式改为闭式结构，约束液体在叶轮叶道内更好的流动，可以有效提升容积效率，降低压损，轴功率下降，从而使水泵效率提升；同时水泵性能也会得到小幅的提升。
3.2 总成结构布置优化
对现有水泵结构详细分析，发现前期设计还有优化的空间，如改变叶轮在流道中的位置，使叶片完全处于流道中，叶轮充分做功，提升水泵的性能，叶轮优化为闭式叶轮后，修改泵座与叶轮配合的间隙，有效提升容积效率，降低损失，提升水泵效率，同时使液体流动的更平稳，从而降低汽蚀产生的概率。改进方案如图3所示。
图3 结构改进前后对比
4 理论仿真分析
在实际应用中，设计方案确定后，需要对设计方案进行理论仿真分析，并不断进行优化，然后确定设计方案再进行试验验证，最终冻结设计方案并投入生产。对性能和汽蚀的计算主要是利用Creo进行方案设计和模型处理，然后使用Pumplink软件对流体进行仿真分析。
4.1 确定计算边界
根据实际试验边界，对计算边界的进水口和出水口等进行确认，如图4。
图4 计算边界
4.2 进行网格划分
根据计算的要求，对计算边界进行网格划分，网格大小与计算精度有关，一般选择最小1mm的单元即可满足泵的流体分析要求。网格划分结果如图5所示。
图5 网格划分
4.3 对计算边界进行参数选定
分析对象选择离心式水泵，添加湍流和空化条件。流体方程选择k-ε湍流方程，空化选择对液体施加固定的气体百分数。其中数值方法和参数为了便于工程师的参数设定，结合实际应用软件定制为默认值。
在进行CFD理论分析时，根据不同的需要对流体的参数进
