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原文传递发动机冷却水泵热力学效应下的汽蚀机理研究

论文题名：	发动机冷却水泵热力学效应下的汽蚀机理研究
关键词：	汽车发动机;冷却水泵;汽蚀;热力学效应;数值计算
摘要：	发动机冷却水泵是汽车发动机水冷式冷却系统中优化冷却液循环流动的关键设备，往往在高温、大流量、变转速的条件下工作，恶劣的工作环境易造成冷却水泵发生汽蚀现象，影响发动机的安全稳定运行。同时，发动机冷却介质在流动过程中与发动机部件之间发生热量交换，冷却介质的温度和物性参数会发生变化，冷却水泵的汽蚀过程伴随着热力学效应。本文主要以发动机冷却水泵为研究对象，研究热力学效应下的汽蚀机理，主要研究内容和取得的成果如下：　　(1)综述了发动机冷却水泵的研究现状以及热力学效应下的汽蚀研究背景。　　(2)基于汽蚀的考虑，优化了发动机冷却水泵的叶轮参数，并基于CFD研究了叶片出口宽度对性能的影响。研究发现随着叶片出口宽度的增加，发动机冷却水泵的扬程逐步增加，高效点向大流量偏移，最高效率点下的临界汽蚀进口压力增大，汽泡体积分布缓慢增加。同时，湍动能较高的区域出现在叶片的进口以及靠近隔舌的叶片流道内。　　(3)修正并验证了一种考虑热力学效应的空化模型。基于Hydrofoil翼型和NACA0015翼型，综合考虑各湍流模型的特征以及与试验值的吻合度优选RNG k-ε湍流模型作为后续修改空化模型的湍流模型。总结了常见空化模型的蒸发与凝结源项，利用CEL语言进行CFX默认空化模型的定义，并验证了User Defined Cavitation Model方法的可行性与可信性。在Rayleigh-Plesset方程的基础上，结合泰勒公式和克拉伯龙公式，对Zwart空化模型进行了修正，提出了四种考虑热力学效应的空化模型以及三组蒸发与凝结系数（50和0.01；10和0.002；1和0.0002），并基于70℃的NACA0015翼型试验值选择了蒸发和凝结系数分别为10和0.002的空化热力学效应模型TCM2。　　(4)基于修正的空化模型对翼型和发动机冷却水泵进行了CFD数值分析。不同温度下Hydrofoil翼型汽泡产生和消失的区域相似，且温度越高空化发展的趋势越明显；随着温度的升高，NACA0015翼型的空化区域面积变大，且空化区域内的汽泡体积分数变大，空化发生趋势越明显。在水温度从25℃增加到70℃过程中，设计工况下发动机冷却水泵的扬程相差约0.9％，功率相差约2.5%，效率相差约3%。在热力学效应下，随着温度的升高，发动机冷却水泵的汽蚀会“提前”并且“快速”地发生，温度对汽蚀的形成过程有着重要的影响，研究变温介质水泵汽蚀时应考虑空化的热力学效应。　　(5)发动机冷却水泵的试验研究。数值计算外特性与试验结果的趋势完全一致，但是数值模拟结果与试验值存在一定误差，模拟结果需要进一步的修正。在2960r/min，3700r/min和4300r/min三种转速下，随着转速的增加，发动机冷却水泵的扬程增大，泵的高效区向大流量偏移，泵的临界汽蚀余量增加，同时验证了变转速时泵外特性的比例定律；不同温度下的汽蚀性能分析发现，随着温度升高，汽蚀初生的进口压力变大，汽蚀性能变差。由高速摄影试验看出，随着流量系数增大，后泵腔内产生的汽泡由无到有，汽泡区域由小到大，再形成较大汽泡群。同时，在25℃～70℃区间时，叶轮内部小汽泡的分布区域随着温度升高有所增大，空化热力学效应对发动机冷却水泵内部汽蚀发生产生了积极影响。可靠性试验发现蜗壳流道中部以及蜗壳隔舌处均出现了明显的亮白色坑洼，但试验前后外特性误差在1%以内，达到了可靠性要求。
作者：	李维强
专业：	流体机械及工程
导师：	施卫东;李伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文