【CFD专栏】针对车辆液压系统离心泵的MRF和瞬态计算方法比较

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车辆冷却液液压系统是车辆不可缺少的组成部分，其性能决定着车辆的性能和寿命。冷却系统的正确设计取决于对系统部件的深入理解和精确的建模。此外，冷却液必须通过几个复杂的几何体，在这些几何体中，很难使用解析模型或一维流模型获得详尽的流动细节，因此，有必要建立3D CFD模型。

 图1显示了整个冷却液系统的流程示意图。简化的部件包括散热器、辅助散热器、废气再循环装置（EGR）、加热器芯（HC）、可变流量电阻器加热器芯（VFR HC）、变速器油冷却器（TOC）、发动机油冷却器（EOC）。通过将原始几何体替换为一些直管段进行简化，并将其建模为多孔介质，以模拟原始组件几何体的流动阻力。

 图2（a）表示独立泵模型，其中接口标记为泵出口的压力测量位置，计算进出口压差。图2（b）表示泵叶片附近的网格结构，其中横截面图清楚显示了泵叶片附近的精细网格结构。独立泵的总单元数约为170万，完整冷却系统的单元数为550万。这里，红色区域是MRF域。MRF域通过建立MGI交互面的方式，连接蜗壳和进气管。

 图3表示带泵的完整冷却系统和一些简化部件。与独立泵相反，整个冷却液系统只有一个出口边界条件，设置为大气压力边界条件。在脱气瓶盖处施加出口边界条件。使用稳态方法模拟完整的冷却剂模型，使用MRF方法模拟泵。

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采用CFD瞬态和稳态（MRF）方法对车辆冷却系统中的独立泵进行了模拟。该泵在3000 rpm和5000 rpm两种不同转速下进行了测试。对于每个转速，模拟了包括部分负载到过载的流量范围，并根据模拟结果计算了泵的压力升高、扭矩和功率值。

图4可以观察到，对于3000和5000 rpm，瞬态模拟预测的压力上升与试验结果非常匹配（在10%以内）。然而，尽管额定流量和更高流量的MRF预测与实验数据非常吻合，但对于较低流量，它在很大程度上高估了压力上升，在本研究考虑的最低流量下超过20%。

与图4类似，图5（a）和图5（b）分别表示根据仿真结果计算的功率和扭矩的比较。虽然在额定或更高流量下，MRF可以很好地预测试验压力上升，但通过MRF方法计算的离心泵功率和扭矩与所有流量条件下的试验结果相差很大。另一方面，瞬态仿真结果与试验数据非常吻合。

为了理解系统级的MRF预测，在稳态条件下对带有泵和一些简化部件的完整冷却液系统进行了模拟，同时对泵进行了MRF建模。

图6显示了不同流量下压力上升的试验数据、MRF预测和瞬态预测之间的比较。MRF和瞬态模拟预测的泵压升和流量精度均在8%以内。

图7是图4和图6的组合图，其中既显示了独立泵曲线，也显示了冷却系统中的泵工作点。对于独立的情况，观察到当泵运行接近或高于泵的额定流量时，MRF可以很好地预测。仔细观察系统中的泵运行点表明，对于每个泵速度，泵的运行接近或超过其额定流量。

为了可视化瞬态和MRF方法之间的差异，从3000 rpm的泵速考虑了两种流量情况。一个是低流量工况（3000 rpm试验工况下最高流量的0.15倍），即泵在部分负载下运行，另一个是高流量工况（3000 rpm试验流量最大），其中泵在接近或高于额定流量（即满载）的情况下运行。计算结果如图8，图9和图10所示 。高流量下MRF模拟结果与瞬态模拟街过相似，低流量下MRF模拟结果与瞬态模拟结果存在差异。

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该文章介绍了使用商用Simerics MP+软件对离心泵进行CFD分析的两种不同方法模拟，从模拟结果来看，研究结果可以总结为：

1. 瞬态方法可以更好地预测流动物理。

2. 如果泵的运行接近或高于额定流量，MRF模拟可准确预测试验压力上升

3. 对于较低的流量或部分负载运行，MRF预测的压力升高高于试验。

4. 建议不要依赖MRF结果计算出的流体扭矩和功率，因为MRF结果计算出的功率和扭矩可能是错误的。

基于当前的研究和之前的一些其他研究工作，可以得出结论，使用MRF方法对离心泵进行计算不够准确。模型预测可能高于或低于部分负荷运行的预测，并且可能对泵的几何形状敏感。然而，对于接近或超过额定流量运行的泵，MRF方法可用于精确预测泵曲线。