鄭凡 金永鎮(zhèn) 鄧湘 卜江華 周龍龍

摘? 要：集成式熱管理模塊用暖風(fēng)水泵為插入式，并與水道直接相連。在整車上當(dāng)水泵高轉(zhuǎn)速時(shí)，車內(nèi)噪聲突出，主觀感受非常差，車內(nèi)主駕噪聲645Hz峰值聲壓級(jí)36.5dB（A），經(jīng)分析其峰值為暖風(fēng)水泵的8階噪聲。本文研究了暖風(fēng)水泵性能和流動(dòng)噪聲隨流量的變化規(guī)律及特性。當(dāng)水泵葉輪連續(xù)掠過隔舌時(shí)，葉輪與隔舌間空間位置固定的流體微團(tuán)受到周期性擠壓，其壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，并對(duì)外輻射脈動(dòng)壓力，反作用于葉輪上產(chǎn)生周期性不平衡的徑向力，導(dǎo)致機(jī)體振動(dòng)。通過水泵隔舌圓角大小對(duì)瞬態(tài)壓力脈動(dòng)特性的影響及流場(chǎng)特性的CFD仿真，發(fā)現(xiàn)增大隔舌圓角后，葉輪前端與隔舌間間隙增大，因而動(dòng)靜干涉減弱，葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值明顯減弱，其作為振動(dòng)激勵(lì)源的影響也隨之減弱。經(jīng)過整車測(cè)試，車內(nèi)噪聲在645Hz峰值降到20dB（A）以下，滿足整車目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：集成式熱管理模塊；暖風(fēng)水泵；流動(dòng)噪聲；葉輪隔舌間隙

中圖分類號(hào)：U467? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0078-06

Research on Noise Optimization of Water Pump for An Integrated Thermal Management Module

ZHENG Fan， JIN Yong-zhen， DENG Xiang ， BU Jiang-hua， ZHOU Long-long

（ Voyah Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China ）

Abstract： The heating water pump of the integrated thermal management module is directly connected to the water channel in a plug-in way. The noise inside the vehicle at high speed of the heating water pump is prominent on the whole vehicle， and the subjective feeling is very badly. The driving noise inside the vehicle is at 645Hz， with a peak sound pressure level of 36.5dB （A）. According to analysis， the peak value is the 8th order noise of the water pump. In this paper， the performance and flow noise of the water pump have been studied. When the pump impeller continuously sweeps over the diaphragm， the fluid micro mass with fixed spatial position between the impeller and the diaphragm is squeezed periodically. Its pressure fluctuates periodically， and the external radiation pulsating pressure reacts on the impeller to generate periodic unbalanced radial force and cause the body vibration. Through the CFD simulation of the influence of the fillet size of the water pump diaphragm on the transient pressure fluctuation characteristics and the flow field characteristics， it is found that the clearance between the front end of the impeller and the diaphragm increases after the fillet size of the diaphragm is increased， so the dynamic and static interference is weakened. The amplitude of pressure pulsation at the blade frequency is obviously weakened after increasing the corner angle of the tongue spacer， and its influence as the vibration excitation source is also weakened. After the vehicle test， the peak value of the noise inside the vehicle is reduced to below 20dB （A） at 645Hz， the vehicle target requirements have been realized.

Key Words： Integrated Thermal Management Module; Heating Water Pump; Flow Noise; Impeller Tongue Clearance

鄭? ?凡

畢業(yè)于河北工程大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于嵐圖汽車科技有限公司，高級(jí)工程師，從事新能源汽車熱管理系統(tǒng)專業(yè)開發(fā)研究工作。已發(fā)論文《集成式熱管理模塊多通水閥設(shè)計(jì)》。

前? ? 言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，熱管理系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的角色，而未來熱管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)集成熱管理模塊系統(tǒng)，將冷卻液側(cè)和冷媒側(cè)的各系統(tǒng)部件集成在一個(gè)超級(jí)模塊里面，具有性能提升，減重降本的優(yōu)勢(shì)。而新能源汽車對(duì)NVH性能的要求越來越高，集成模塊將多個(gè)回路的水泵集成在一個(gè)模塊里面，水泵安裝方式為插入式，水泵泵頭的形狀和尺寸也發(fā)生很大的變化。

集成式熱管理模塊的水泵為泵頭直接插入裝配在集成水壺（集成流道板）內(nèi)。如圖1所示暖風(fēng)水泵的入水口縮短直接插入集成水壺水道內(nèi)，水泵與水壺水道之間采用徑向密封；暖風(fēng)水泵的出水口縮短至蝸殼上跟集成水壺的水道直接相連配合。相對(duì)于傳統(tǒng)分布式熱管理系統(tǒng)，水泵安裝在支架上，布置位置調(diào)整度較大，進(jìn)出水管口由膠管進(jìn)行連接。集成水壺插入式水泵的蝸殼的形狀變化較大，水泵的出水口的脈動(dòng)噪聲，湍動(dòng)能等影響較大，且水泵的振動(dòng)及腔體噪聲有放大風(fēng)險(xiǎn)。本文通過研究水泵蝸殼隔舌的圓角大小對(duì)水泵性能和流動(dòng)噪聲隨流量的變化規(guī)律及特性，通過計(jì)算仿真及臺(tái)架和整車測(cè)試，來驗(yàn)證一種優(yōu)化水泵噪聲的方法。

1? ? 計(jì)算模型和仿真結(jié)果

1.1? ?水泵參數(shù)

暖風(fēng)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。水泵軸頻：f1=n/60=80Hz，葉片通過頻率：fBP=8f1=640Hz[1-3]。如圖2所示水泵葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2? ?水泵計(jì)算模型

葉輪連續(xù)掠過隔舌時(shí)，葉輪與隔舌間空間位置固定的流體微團(tuán)受到周期性擠壓，其壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，并對(duì)外輻射壓力脈動(dòng)， 反作用于葉輪上產(chǎn)生周期性不平 衡的徑向力，導(dǎo)致機(jī)體振動(dòng)。動(dòng)靜干涉引起的隔舌處流體壓力脈動(dòng)是離心泵內(nèi)部振動(dòng)主要激勵(lì)源之一（如圖3所示） 。本文利用CFD仿真手段分析35W暖風(fēng)水泵隔舌圓角大小的影響。

計(jì)算設(shè)定：工況設(shè)定：13L/min，葉輪轉(zhuǎn)速4800rpm（軸頻80，葉頻640）；體網(wǎng)格數(shù)：水泵入口流量500萬多面體網(wǎng)格，葉輪表面和隔舌頭處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；湍流模型：RANS SST K-ω模型；工作介質(zhì)：水；計(jì)算方法：定常初場(chǎng)-凍結(jié)轉(zhuǎn)子法、瞬態(tài)計(jì)算-滑移網(wǎng)格法；隔舌圓角：R0.2（原狀態(tài)），R2（對(duì)策方案）。如圖4，圖5所示：

壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置：Ф43基圓與圓角圓心、基圓圓心連線的交點(diǎn)A。待瞬態(tài)運(yùn)行六個(gè)循環(huán)后，開始記錄測(cè)點(diǎn)A的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。如圖6所示。

1.3? ?計(jì)算結(jié)果

水泵不同隔舌圓角大小其附近流場(chǎng)對(duì)比（圖7）。對(duì)速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)，壓力脈動(dòng)時(shí)域，壓力脈動(dòng)頻譜進(jìn)行仿真計(jì)算分析隔舌圓角大小對(duì)瞬態(tài)壓力脈動(dòng)特性的影響。

增大隔舌圓角后，葉輪前端與隔舌間間隙增大，因而動(dòng)靜干涉減弱，從壓力脈動(dòng)的頻域?qū)Ρ葓D8可以看出增大隔舌圓角后葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值明顯減弱，其作為振動(dòng)激勵(lì)源的影響也隨之減弱。

為充分研究隔舌圓角大小對(duì)水泵噪聲的影響，在方案設(shè)計(jì)過程中設(shè)定了R0.5，R1，R1.5，R2，R2.5，R3六種不同圓角的方案。根據(jù)實(shí)際測(cè)試及綜合評(píng)估隔舌R角對(duì)水泵性能的影響，R1和R2圓角的效果最佳。本文選取R1和R2圓角方案分析壓力脈動(dòng)頻域?qū)Ρ龋鐖D9所示：

可以得出結(jié)論：R2隔舌圓角水泵壓力脈動(dòng)在640Hz的葉頻幅值遠(yuǎn)小于R1圓角水泵；在軸頻、葉頻二倍頻、葉頻三倍頻壓力脈動(dòng)幅值大于R1圓角水泵。

2? ? 測(cè)試驗(yàn)證

2.1? ?基礎(chǔ)方案測(cè)試

暖風(fēng)水泵高轉(zhuǎn)速時(shí)車內(nèi)噪聲突出，主觀感受非常差，噪聲峰值在600-650Hz，經(jīng)分析峰值為水泵8階噪聲。圖10為93%&90%占空比base 狀態(tài)測(cè)試結(jié)果。車內(nèi)主駕噪聲645Hz峰值聲壓級(jí)36.5dB（A）。

2.2? ?對(duì)策方案驗(yàn)證

水泵內(nèi)部出口處渦舌圓角改制如圖11所示R1和R2兩種方案，改善水泵出水壓力脈動(dòng)。

對(duì)策后方案驗(yàn)證結(jié)論：1.主駕內(nèi)耳水泵8階噪聲，整體降低5-10dB（A），占空比93%降低約20dB（A），主觀感受改善明顯；2.對(duì)策后，右后內(nèi)耳水泵8階噪聲，占空比90%降低約20dB（A），主觀感受改善明顯；3.對(duì)策后，暖風(fēng)水泵轉(zhuǎn)速略有降低。如圖12-14所示。

如表2和表3試驗(yàn)結(jié)論：1、R1對(duì)策后，主駕水泵8階噪聲，占空比93%降低約20dB（A），主觀感受改善明顯，主觀評(píng)價(jià)5.57分；2、R2硬模件對(duì)策后，主駕水泵8階噪聲，占空比93%降低約21dB（A），右后噪聲也降低約5.3dB（A）主觀感受改善明顯，主觀評(píng)價(jià)5.57.5分；3、建議按照R2方案推進(jìn)整改。

3? ? 水泵性能測(cè)試

3.1? ?計(jì)算結(jié)果

水泵不同隔泵隔舌R角和間隙，對(duì)水泵性能影響較大。水泵旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生的力矩傳遞給液體，液體獲得動(dòng)能，帶動(dòng)液體流動(dòng)，進(jìn)行冷卻循環(huán)的過程。通過計(jì)算水泵進(jìn)出口的環(huán)量差和轉(zhuǎn)子的軸功，可求得水泵的揚(yáng)程和效率[4-7]。水泵的揚(yáng)程是指單位質(zhì)量的液體通過水泵后獲得的能量，即水泵吸入口與出口的單位質(zhì)量的液體獲得的機(jī)械能，單位m。水泵揚(yáng)程計(jì)算公式（1）。

m=Q×ρ，為1s內(nèi)的液體質(zhì)量m；

F=m×g，為1s內(nèi)的液體重力F；

W1=F×H，為1s內(nèi)水泵將液體泵至揚(yáng)程高度所做的功，即水泵實(shí)際功率（P1）；

P=P1/η，即水泵實(shí)際功率除以效率為電機(jī)輸入功率；

根據(jù)上述過程：

水泵蝸殼隔舌R角的性能對(duì)比測(cè)試，從圖15可看出水泵隔舌R2圓角的揚(yáng)程H在同等流量下最大可達(dá)7.2m，優(yōu)于R1圓角方案。同時(shí)功率P及效率η也略好于隔舌R1方案水泵。

圖15 水泵性能測(cè)試曲線

4? ? 結(jié)論

通過仿真和試驗(yàn)測(cè)試，可以得到以下結(jié)論：

（1）將水泵蝸殼隔舌R圓角由R0.2改到R2后，主駕內(nèi)耳水泵8階噪聲（645Hz），整體降低20dB（A），主觀感受改善明顯；增大隔舌R角是改善水泵階頻噪聲的一種有效方案。

（2）增大水泵隔舌圓角后，葉輪前端與隔舌間間隙增大，因而動(dòng)靜干涉減弱，壓力脈動(dòng)幅值明顯減弱，其作為振動(dòng)激勵(lì)源的影響也隨之減弱。R2隔舌圓角水泵壓力脈動(dòng)幅值小于R1圓角水泵。

（3）水泵的隔舌R1的揚(yáng)程及效率要略低于水泵隔舌R2方案。

參考文獻(xiàn)：

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專家推薦語

王偉民

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

整車熱管理總工程師? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

集成式熱管理模塊是新能源汽車整車熱管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有減重降本、動(dòng)力艙布置更加美觀、熱管理性能提升等優(yōu)勢(shì)，是整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)全新領(lǐng)域。論文作者研究了集成式熱管理模塊中的重要零部件之一的暖風(fēng)水泵流動(dòng)噪聲和性能隨流量的變化規(guī)律及特性，發(fā)現(xiàn)增大隔舌圓角到R2后，葉輪前端與隔舌間間隙增大，因而動(dòng)靜干涉減弱，葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值明顯減弱，其作為振動(dòng)激勵(lì)源的影響也隨之減弱。經(jīng)過整車測(cè)試，車內(nèi)噪聲在采取有效的改善對(duì)策以后，滿足了整車NVH性能目標(biāo)要求。

論文目標(biāo)明確，改善對(duì)策得當(dāng)，效果良好，具有較高的學(xué)術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值。