摘要：本文基于PERA SIM Fluid 通用流體仿真軟件建立了汽車電子水泵仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分多面體網格、對葉輪及蝸殼壁面進行邊界層控制，在物理模型設置中賦予材料參數及選擇合理的湍流模型、賦予計算域參考坐標系和轉速，在邊界條件中定義進出口類型，并給定參數、匹配好交界面后，進行求解方法的控制和輸出參數的監控，最終得到關注的性能結果，并通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化分析，實現了汽車電子水泵的三維仿真。本文的工作對泵水力性能設計和優化具有一定的指導意義。

關鍵詞：汽車電子水泵；仿真；水力性能

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2.引言

隨著新能源汽車的快速發展，未來在節能減排、電動化等大背景及新趨勢下，電子水泵行業將迎來快速提升期。電子水泵作為汽車發動機能量轉換的核心部件之一，需具備汽車能運行于所有工況下的可靠性。目前，整車企業仍然是以國外品牌為主，國內汽車水泵的效率在設計工況下通常低于在汽車實際運行中，以城市工況為主，運行轉速較低，無法達到設計工況，其運行效率更低，因此，對現有水泵進行優化設計，以提高水泵效率顯得尤為重要。

優良的泵產品除了需滿足流量、揚程、汽蝕等性能要求外，還要求具備高可靠性、高效率等特點，能夠滿足裝置長周期安全運轉要求。本文基于PERA SIM Fluid 仿真軟件完成了汽車電子水泵仿真過程。從導入幾何模型開始，到劃分多面體網格、對葉輪、蝸殼壁面進行邊界層控制，在物理模型設置中賦予材料參數及選擇合理的湍流模型、賦予計算域參考坐標系和轉速，在邊界條件中定義進出口類型，并給定參數、匹配好交界面后，進行求解方法的控制和輸出參數的監控，最終得到關注的性能結果，并通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化的分析，實現了汽車電子水泵的3D仿真。本文的工作對泵水力性能設計和優化具有一定的指導意義。

3.設計參數

本文的研究對象為汽車電子水泵，以電子水泵的水力分析為目的，進行泵內流場分析，旨在評估泵的外特性能，對泵水力性能提供設計優化依據，減少原型泵的設計和試驗次數，得到優良的產品。

邊界條件：采用高效點流量和背壓模離心泵運行時的水力性能。

入口的質量流量為0.33233 kg/s；出口的壓力為60kPa；轉速為6200rpm。

4.仿真分析過程

4.1 幾何建立和處理

4.1.1幾何模型導入

導入STP格式的離心泵幾何模型，該離心泵模型包含葉輪、蝸殼、進口段以及過渡段的流體區域，是表面封閉的模型，在PERA SIM中識別體后將采用MRF模型進行整機流體仿真。

4.1.2幾何模型修復過程

使用幾何菜單中的快速修復功能，設定合適的縫合容差值和去特征容差值，為了實現節點共享，將離心泵模型中進口段、葉輪、過渡段、蝸殼這幾部分區域進行自動的縫合交叉，確認縫合交叉位置處的交線呈現為黃色。

點擊工具欄中識別體功能，快速將計算域分成4個部分，成功后可以看到幾何樹中的“面”自動更新成為了“體”，重命名后分別為inflow、impeller、guoduduan、Volute。

分別命名進出口邊界、葉輪葉片表面、蝸殼表面，為后續局部網格控制做準備。

4.2 網格劃分

4.2.1網格設置相關考慮

葉輪作為離心泵的關鍵動力部件，其網格劃分的合理性和網格質量對后續計算結果的準確性影響重大。必須確保葉輪和蝸殼部件網格的一致性，對葉輪、蝸殼壁面進行了合理的邊界層網格控制，為了得到更好的精度，體網格采用多面體網格，以其較少的單元數量、高精度的梯度計算能力和資源消耗的減少為主要優點。具體網格尺寸設置如下：

全局網格：0.1-0.6mm， 在高級選項下全局邊界層設置中勾選自動縮減功能，以更好地控制下閘區域的邊界層網格過度

進口段局部網格尺寸：0.1-0.6mm

葉輪局部網格尺寸：

blade：0.3mm

Hub：0.1-0.5mm

Shroud：0.1-0.5mm

葉輪出口與過渡段入口內部面尺寸：0.3mm

邊界層：首層高度0.05，共三層，增長率1.2

過度段局部網格尺寸：0.3mm

蝸殼尺寸：0.1-0.6mm；蝸殼與過渡段內部面尺寸：0.3mm；邊界層首層0.08mm，共三層。

4.3 分析設置

4.3.1材料設置

采用穩態計算，流體介質為液態水，密度和動力粘度值按照常溫常壓條件下的數值，例如密度為998kg/m^3，動力粘度為0.001kg/(m·s)。

4.3.2物理模型設置

湍流模型：SST K-w湍流模型。

4.3.3 邊界條件設置計算域設置

對葉輪旋轉區域采用MRF模型，設置水泵轉速為6200rpm。

4.3.4邊界條件設置

質量流入口：0.33233kg/s 湍流強度與湍流粘性比采用默認值

壓力出口：60000Pa

4.4 求解設置

求解方法：Couple 耦合算法（偽瞬態）

空間離散格式：動量二階精度、湍流二階精度、壓力標準格式

監控點：監測葉輪扭矩、水泵進出口總壓，判斷計算的收斂情況。

在打開的新建監測節點設置屬性頁，將監測節點名稱命名為“扭矩”，邊界列表中選擇blade、shroud、hub邊界，下方僅勾選力矩選項，其余保持默認設置， 創建扭矩監測點。

選中數據保存選項下的額外輸出變量中的總壓、相對速度作為后處理使用。

4.5 求解計算

計算開始后，通過殘差曲線和監測曲線來查看計算的收斂情況，采用6核計算的情況下，PERA SIM CFD在迭代至371步時，殘差達到收斂標準0.001，監測的轉輪扭矩、進出口壓力趨于平穩，波動值均小于0.001，計算收斂。

5.計算結果分析

通過仿真分析的監測曲線可以直接輸出部分關注的分析結果，如葉輪扭矩、進出口總壓差、揚程等。

通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化的分析：

根據仿真分析結果輸出水泵葉輪Span方向的截面速度、壓力云圖；

根據仿真分析結果輸出水泵葉輪Span方向的速度矢量圖，方便評估葉輪流道及蝸殼段的流動狀態；

根據仿真分析結果輸出水泵的流線圖；

根據仿真分析結果輸出離心泵葉輪、蝸殼表面壓力云圖。

6.結論

本文利用通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對汽車電子水泵進行了網格前處理與流場求解計算，并通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化分析。通過對泵的定性和定量分析，進行求解方法的控制和輸出參數的監控，最終得到關注的性能結果。

可以看出，作為一款國產自主研發的通用流體仿真分析工具，PERA SIM Fluid在泵仿真過程中，能完整地對模型進行網格劃分、材料定義、物理設置、分析求解和后處理分析，流程完善，能夠完成通用旋轉機械CFD仿真，從而滿足大量旋轉機械行業客戶的需求。

作者：安世亞太工程師 周朦佳