王楊超 楊興超 張耀永 呂瑞坤

摘要： 本文通過常規(guī)的理論設(shè)計方法延伸出一種雙出水口渦流室的設(shè)計方法;利用公式計算：推導(dǎo)出渦流室截面對于兩側(cè)出水口不同流量和不同揚(yáng)程需求的計算方式。

Abstract： In this paper， a design method of double outlet vortex chamber is extended by the conventional theoretical design method.Calculate by formula： deduces the calculation method of the section of cortex chamber for different flow and different head requirements of the two sides of the outlet.

關(guān)鍵詞： 雙出水口渦流室;流量;揚(yáng)程

Key words： double outlet vortex chamber;flow;head

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0018-02

0? 引言

汽車行業(yè)的競爭日益激烈，汽車廠商對于發(fā)動機(jī)的要求也越來越高，節(jié)能、高效成為汽車廠商以及發(fā)動機(jī)廠家提升核心競爭力的關(guān)鍵，同樣也就要求各個零部件提升后自身效率，降低能耗，精準(zhǔn)對應(yīng)客戶需求等。下面我們就通過一個案例，共同探討汽車水泵雙出水口渦流室的設(shè)計方法。

1? 設(shè)計需求

1.1 渦流室（壓水室）的作用

①收集從葉輪中流出的液體，并輸送到排出口;②保證流出葉輪的流動是軸對稱的，從而使葉輪內(nèi)具有穩(wěn)定的相對運(yùn)動，以減少葉輪內(nèi)的水力損失;③降低液流速度，使速度能轉(zhuǎn)換成壓能;④消除液體從葉輪流出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以避免由此造成的水利損失[1]。

1.2 通過具體案例：滿足渦流室需求，見圖1。

左側(cè)：轉(zhuǎn)速n=7200rpm，流量Q左=199L/min，揚(yáng)程

H左≥ 17.8m;右側(cè)：轉(zhuǎn)速n=7200rpm，流量Q右=141L/min，揚(yáng)程H右≥16m;另外要求實(shí)測/分析結(jié)果：（H左-H右）=（1.8±0.5）m;效率≥45%。

2? 計算分析

2.1 水泵比轉(zhuǎn)速nS的計算

2.2 水泵葉輪基本尺寸計算

利用速度系數(shù)法計算出葉輪的基本尺寸：

2.3 水泵左右側(cè)流道截面面積計算

利用速度系數(shù)法計算出水泵渦流室的各個截面面積：

然而該水泵為雙流道水泵，即水泵轉(zhuǎn)動一圈經(jīng)由兩個流道，且左右兩側(cè)流量和揚(yáng)程不一致，因此根據(jù)兩側(cè)流道所需要的能耗，將360°的流道進(jìn)行比例分配：

因此左、右渦流室的隔舌安放角分別為左側(cè)：18°右側(cè)：12°，根據(jù)左、右側(cè)總的流道分配角度，以及截面面積，利用三維軟件畫出整個渦流室16個截面，并制作三維數(shù)模，如圖2所示。

2.4 渦流室模型的建立以及CFD仿真分析

CFD計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析，通過比較得出，計算誤差在5%之內(nèi)，因此利用CFD技術(shù)能夠?yàn)樾庐a(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)[3]。

按照上述結(jié)論將整理好的渦流室以及葉輪導(dǎo)入CFD仿真軟件見圖3、圖4。

借助CFD分析，可以得到流體內(nèi)任意位置的流動細(xì)節(jié)，如速度、壓力、能量損失、壓力脈動、湍流量等，從而可進(jìn)行能量與汽蝕特性的預(yù)測，以及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[2]。

加載湍流模型、層流模型、紊流模型等進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD仿真分析：轉(zhuǎn)速：7200rpm，進(jìn)水口設(shè)置：100kPa，左側(cè)出水口流量：199L/min，右側(cè)出水口流量：141L/min，結(jié)果如圖5所示。

①左側(cè)出水口：H左=21m，右側(cè)出水口：H右=19.5m;較要求值分別高出3.2m和3.5m;根據(jù)之前經(jīng)驗(yàn)：計算與實(shí)際偏差5%，因此初步判斷揚(yáng)程符合設(shè)計要求！

②（H左-H右）=1.5m，要求值：（1.8±0.5）m，初步判定滿足左右揚(yáng)程差的設(shè)計要求！

3? 結(jié)束語

本文通過速度系數(shù)法，計算出水泵流體域基本參數(shù)，并根據(jù)這些基本參數(shù)利用三維軟件建立流體域的3D模型，然后導(dǎo)入CFD仿真軟件中，仿真計算出水泵流量、揚(yáng)程、效率等參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)計需求。希望讀者通過閱讀本文，對渦流室流道的設(shè)計能力以及泵的流體仿真設(shè)計能力有一定的提升，加深對速度系數(shù)法的理解，對雙流道流域以及多流道流域的設(shè)計有新的設(shè)計思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2010.

[2]王福軍.計算流體動力學(xué)分析線CFD軟件的理論與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]韋李娜，王燕飛，沈棟平，等.基于CFD的汽車離心水泵性能分析[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，37（5）：83-86.