基于PERA SIM Fluid的汽车电子水泵分析

本文基于PERA SIM Fluid 通用流体仿真软件建立了汽车电子水泵仿真的过程，从导入几何模型开始，到划分多面体网格、对叶轮及蜗壳壁面进行边界层控制，在物理模型设置中赋予材料参数及选择合理的湍流模型、赋予计算域参考坐标系和转速，在边界条件中定义进出口类型，并给定参数、匹配好交界面后，进行求解方法的控制和输出参数的监控，最终得到关注的性能结果，并通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化分析，实现了汽车电子水泵的三维仿真。本文的工作对泵水力性能设计和优化具有一定的指导意义。

关键词：汽车电子水泵；仿真；水力性能

随着新能源汽车的快速发展，未来在节能减排、电动化等大背景及新趋势下，电子水泵行业将迎来快速提升期。电子水泵作为汽车发动机能量转换的核心部件之一，需具备汽车能运行于所有工况下的可靠性。目前，整车企业仍然是以国外品牌为主，国内汽车水泵的效率在设计工况下通常低于在汽车实际运行中，以城市工况为主，运行转速较低，无法达到设计工况，其运行效率更低，因此，对现有水泵进行优化设计，以提高水泵效率显得尤为重要。

优良的泵产品除了需满足流量、扬程、汽蚀等性能要求外，还要求具备高可靠性、高效率等特点，能够满足装置长周期安全运转要求。本文基于PERA SIM Fluid 仿真软件完成了汽车电子水泵仿真过程。从导入几何模型开始，到划分多面体网格、对叶轮、蜗壳壁面进行边界层控制，在物理模型设置中赋予材料参数及选择合理的湍流模型、赋予计算域参考坐标系和转速，在边界条件中定义进出口类型，并给定参数、匹配好交界面后，进行求解方法的控制和输出参数的监控，最终得到关注的性能结果，并通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化的分析，实现了汽车电子水泵的3D仿真。本文的工作对泵水力性能设计和优化具有一定的指导意义。

4.1 几何建立和处理

4.1.1几何模型导入

导入STP格式的离心泵几何模型，该离心泵模型包含叶轮、蜗壳、进口段以及过渡段的流体区域，是表面封闭的模型，在PERA SIM中识别体后将采用MRF模型进行整机流体仿真。

4.1.2几何模型修复过程

使用几何菜单中的快速修复功能，设定合适的缝合容差值和去特征容差值，为了实现节点共享，将离心泵模型中进口段、叶轮、过渡段、蜗壳这几部分区域进行自动的缝合交叉，确认缝合交叉位置处的交线呈现为黄色。

点击工具栏中识别体功能，快速将计算域分成4个部分，成功后可以看到几何树中的“面”自动更新成为了“体”，重命名后分别为inflow、impeller、guoduduan、Volute。

分别命名进出口边界、叶轮叶片表面、蜗壳表面，为后续局部网格控制做准备。

4.2 网格划分

4.2.1网格设置相关考虑

叶轮作为离心泵的关键动力部件，其网格划分的合理性和网格质量对后续计算结果的准确性影响重大。必须确保叶轮和蜗壳部件网格的一致性，对叶轮、蜗壳壁面进行了合理的边界层网格控制，为了得到更好的精度，体网格采用多面体网格，以其较少的单元数量、高精度的梯度计算能力和资源消耗的减少为主要优点。具体网格尺寸设置如下：

全局网格：0.1-0.6mm， 在高级选项下全局边界层设置中勾选自动缩减功能，以更好地控制下闸区域的边界层网格过度   

进口段局部网格尺寸：0.1-0.6mm

叶轮局部网格尺寸：

blade：0.3mm

Hub：0.1-0.5mm

Shroud：0.1-0.5mm

叶轮出口与过渡段入口内部面尺寸：0.3mm

边界层：首层高度0.05，共三层，增长率1.2

过度段局部网格尺寸：0.3mm  

蜗壳尺寸：0.1-0.6mm；蜗壳与过渡段内部面尺寸：0.3mm；边界层首层0.08mm，共三层。

4.3 分析设置

4.3.1材料设置

采用稳态计算，流体介质为液态水，密度和动力粘度值按照常温常压条件下的数值，例如密度为998kg/m^3，动力粘度为0.001kg/(m·s)。

4.3.2物理模型设置

湍流模型：SST K-w湍流模型。

4.3.3 边界条件设置计算域设置

对叶轮旋转区域采用MRF模型，设置水泵转速为6200rpm。

4.3.4边界条件设置

质量流入口：0.33233kg/s 湍流强度与湍流粘性比采用默认值

压力出口：60000Pa

4.4 求解设置

求解方法：Couple 耦合算法（伪瞬态）

空间离散格式：动量二阶精度、湍流二阶精度、压力标准格式

监控点：监测叶轮扭矩、水泵进出口总压，判断计算的收敛情况。

在打开的新建监测节点设置属性页，将监测节点名称命名为“扭矩”，边界列表中选择blade、shroud、hub边界，下方仅勾选力矩选项，其余保持默认设置， 创建扭矩监测点。

选中数据保存选项下的额外输出变量中的总压、相对速度作为后处理使用。

4.5 求解计算

计算开始后，通过残差曲线和监测曲线来查看计算的收敛情况，采用6核计算的情况下，PERA SIM CFD在迭代至371步时，残差达到收敛标准0.001，监测的转轮扭矩、进出口压力趋于平稳，波动值均小于0.001，计算收敛。

通过仿真分析的监测曲线可以直接输出部分关注的分析结果，如叶轮扭矩、进出口总压差、扬程等。

• 通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化的分析：

• 根据仿真分析结果输出水泵叶轮Span方向的截面速度、压力云图；

• 根据仿真分析结果输出水泵叶轮Span方向的速度矢量图，方便评估叶轮流道及蜗壳段的流动状态；

• 根据仿真分析结果输出水泵的流线图；

• 根据仿真分析结果输出离心泵叶轮、蜗壳表面压力云图。

             

             

             

             

             

             

本文利用通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对汽车电子水泵进行了网格前处理与流场求解计算，并通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化分析。通过对泵的定性和定量分析，进行求解方法的控制和输出参数的监控，最终得到关注的性能结果。

可以看出，作为一款国产自主研发的通用流体仿真分析工具，PERA SIM Fluid在泵仿真过程中，能完整地对模型进行网格划分、材料定义、物理设置、分析求解和后处理分析，流程完善，能够完成通用旋转机械CFD仿真，从而满足大量旋转机械行业客户的需求。

来源：安世亚太