基于燃油分配和雙螺旋油冷槽的電動(dòng)燃油泵數(shù)值研究

魏仁鳳 王彬 葉志鋒

摘要：針對(duì)一體化電動(dòng)燃油泵的熱源分布和傳熱作用機(jī)制，設(shè)計(jì)其雙螺旋冷卻殼體，并采用數(shù)值模擬研究雙螺旋對(duì)電機(jī)散熱效果的影響和電動(dòng)燃油泵的最佳燃油分配比。對(duì)電動(dòng)燃油泵電機(jī)一冷卻殼體進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，獲得流道內(nèi)的溫度場(chǎng)分布;計(jì)算不同工況燃油分配比的電動(dòng)燃油泵，得到冷卻殼體的溫度和進(jìn)出口壓差的隨燃油分配比變化情況。結(jié)果表明，雙螺旋冷卻殼體使電機(jī)溫度場(chǎng)的溫度分布更均勻;流通的燃油使電機(jī)定子溫度降低，但同時(shí)也增加了燃油的消耗。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)燃油泵;雙螺旋流道;流固耦合;冷卻殼體;燃油分配比

中文分類號(hào)：V233.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A

作為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，電動(dòng)燃油泵是一種一體化電動(dòng)液壓動(dòng)力單元，是典型的集機(jī)、電、液為一體的特種機(jī)電產(chǎn)品，兼有流動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)控制兩大特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)燃油泵的電驅(qū)動(dòng)，可減輕重量、提高系統(tǒng)的可靠性[1]?？烧{(diào)節(jié)流量以及速度的電動(dòng)燃油泵結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，易和多電發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，泵供油不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，成為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。對(duì)電機(jī)散熱分析采用Bertotti鐵耗分離計(jì)算模型計(jì)算電機(jī)鐵耗，再利用公式計(jì)算電機(jī)銅耗[3，4]。在電動(dòng)燃油泵工作過程中，電機(jī)損耗多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，極易因殼體內(nèi)部尤其是定子部件溫度過高引起電機(jī)超溫，嚴(yán)重時(shí)易使電機(jī)定子燒毀，或使電機(jī)定子繞組絕緣損壞而引起股間短路[5]，因此，電機(jī)的散熱研究顯得尤為重要，此時(shí)需要增加冷卻裝置設(shè)置設(shè)計(jì)以防止燃油系統(tǒng)超溫。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)應(yīng)對(duì)邊界條件改變時(shí)適應(yīng)性好，結(jié)果精確性高，可以獲得電機(jī)物理場(chǎng)分布和高溫區(qū)域分布，有利于開展電機(jī)散熱性能研究[6]研究人員利用CFD技術(shù)，研究對(duì)比高功率密度電機(jī)的軸向“S”型、周向型、軸向螺旋型三種冷卻流道形式的溫度場(chǎng)，得到最佳的冷卻流道形式為軸向螺旋型[7]。利用CFD對(duì)定子損耗產(chǎn)生的熱量、泵、油冷流場(chǎng)采取流固耦合仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

國外在電機(jī)油冷方面做了大量研究。Tanguy D等對(duì)電機(jī)油冷系統(tǒng)中各部分參數(shù)對(duì)油冷性能做了大量試驗(yàn)[8];Davin T等改變電機(jī)油冷系統(tǒng)中的參數(shù)，探究其對(duì)冷卻效果的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[9];M.Lindh P等研究了電機(jī)直接冷卻與間接冷卻的散熱性能[10];Pechanek R等利用CFD技術(shù)建立軸向型和周向型水冷流道的溫度場(chǎng)模型進(jìn)行流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)周向型流道由于水速較慢，冷卻系數(shù)降低，冷卻效果比軸向型冷卻效果差[11]。

電機(jī)冷油的研究日臻完善，但是燃油分配比對(duì)溫度場(chǎng)的影響卻鮮有報(bào)道。本文基于CFD方法探究散熱性能更高的流道形狀，針對(duì)軸向螺旋型的流道開展研究，對(duì)雙螺旋水冷卻電機(jī)散熱研究時(shí)，采用熱網(wǎng)絡(luò)法，將熱網(wǎng)絡(luò)等效成模擬電路，轉(zhuǎn)化場(chǎng)的形式來計(jì)算定子平均溫升[12]，探究了冷卻殼體在不同燃油分配比下對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

1 冷卻殼體設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)參數(shù)

本文電動(dòng)燃油泵由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其主要參數(shù)見表1。

1.2 冷卻殼體尺寸

在冷卻流道類型中，軸向“S”型流道的單條流道之間容易出現(xiàn)局部高溫，導(dǎo)致內(nèi)壁面整體溫度分布不均勻，螺旋型流道溫度隨螺旋旋向先增大后減小使溫度分布均勻[13]。與單螺旋流道相比，雙螺旋流道間隔流道中的冷卻流體流向相反，能夠使溫度低的油路與溫度高的油路相鄰，改善冷卻燃油與熱源之間的溫度梯度。根據(jù)電動(dòng)燃油泵電機(jī)的主要參數(shù)，采用軸向雙螺旋型冷卻流道。該殼體采用剖分式結(jié)構(gòu)，利用過盈配合裝配，殼體兩端安裝周向密封圈以確保其密封性。根據(jù)電動(dòng)泵的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻流道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用UG建模軟件建立雙螺旋冷卻燃油流道三維模型。其具體的結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

1.3 冷卻油流量

在穩(wěn)定工作時(shí)，電動(dòng)泵的流量遠(yuǎn)高于電機(jī)殼體冷卻所需的流量，過多的燃油流量使流道結(jié)構(gòu)尺寸增加，而航空電動(dòng)燃油泵要求在滿足冷卻效果的前提下盡可能減少體積和重量，提出在流道進(jìn)出口增設(shè)燃油分配器，以實(shí)現(xiàn)按需供油，最大程度地減少冷卻殼體的徑向尺寸，優(yōu)化其與同功率燃油泵一體化結(jié)構(gòu)。燃油分配器裝于泵的出油口，兩端出油口一路將滿足散熱要求的冷卻流量引入冷卻流道，另一路將其余燃油引入泵的工作回路，已知電機(jī)運(yùn)行功率是8kW，根據(jù)式（1）得到實(shí)際所需要的冷卻流量：式中：m為冷卻油流量，單位為kg/s;AT為進(jìn)出口冷卻油溫差，假設(shè)為3℃;c_p為航空煤油比定壓熱容，單位為J/（kg·℃）;Q為散熱功率，為運(yùn)行功率的10%，單位為W。根據(jù)式（11）計(jì)算得到所需要的冷卻油流量m=0.128kg/s。

2 流固耦合數(shù)值模擬

2.1 耦合邊界方程

電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計(jì)算，使得電機(jī)產(chǎn)熱量與散熱量達(dá)到平衡，降低電機(jī)整體溫度，保證電機(jī)正常工作[14]。在對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，可將電機(jī)本身看成一個(gè)內(nèi)部有源傳熱體，其中定子齒部是熱量傳遞的主要通道，是整個(gè)電機(jī)熱流密度最大的地方，溫度場(chǎng)主要的傳熱形式為熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流[15，16]。由于在工作時(shí)冷卻燃油和雙螺旋流道產(chǎn)生相互作用，因此采用流固耦合仿真，計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算可歸納為求解有限元方程，流體流動(dòng)問題根據(jù)N-S方程進(jìn)行求解。冷卻殼體內(nèi)的燃油視作三維無壓縮湍流，其質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程分別為：式中：ρ為密度，單位為kg/s，u為速度矢量，單位為m/s;p為流道內(nèi)任意一點(diǎn)壓力，單位為N;μ為燃油動(dòng)力黏度，單位為Pa·s;c_p為航空煤油比定壓熱容，單位為J/（kg·℃）;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·s）;s為動(dòng)量方程廣義源項(xiàng);s_T為能量方程廣義源項(xiàng);T為溫度，單位為℃。

2.2 流固耦合的必要性

為證明流固耦合的必要性，在額定功率8kW，冷卻流量為0.128kg/s的工況下進(jìn)行非流固耦合仿真研究雙螺旋冷卻流道的散熱情況，并和流固耦合的散熱情況進(jìn)行對(duì)比，圖1為流固稠合仿真模型，非流固耦合的模型去掉流固耦合模型中的冷卻殼體。

為簡化計(jì)算做出以下假設(shè)：（1）電機(jī)各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)、散熱系數(shù)不隨溫度變化。（2）忽略電機(jī)定子模型。基于ICEM網(wǎng)格生成軟件對(duì)流體域和固體域劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入CFX前處理并進(jìn)行計(jì)算以獲得流體域、固體域的耦合仿真結(jié)果。

在CFX前處理中，流體域介質(zhì)為航空煤油，傳熱方式為Thermal Energy（熱焓模型）;設(shè)置0.128kg/s的流量進(jìn)口，溫度為35℃;靜壓為8MPa的壓力出口;由于與電機(jī)定子接觸的內(nèi)壁面劃分為殼網(wǎng)格不能用于流動(dòng)計(jì)算，故電機(jī)產(chǎn)生的熱量以熱流密度的形式施加在與電機(jī)定子相接觸的內(nèi)壁面上;與外界發(fā)生熱交換的壁面邊界定義為自然對(duì)流換熱，設(shè)置完參數(shù)后開始計(jì)算，在殘差值收斂到合理范圍內(nèi)時(shí)停止計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果，圖2和圖3分別為非流固耦合和流固耦合的溫度云圖。

通過對(duì)比圖2和圖3可以得出，與流固耦合仿真相比，非流固耦合仿真時(shí)精度不高，溫度分布不均勻，內(nèi)壁面溫度過高。因此非耦合的仿真方法是不合理的，采用流固耦合數(shù)值模擬是有必要的。

3 冷卻殼體仿真結(jié)果分析

燃油分配比是燃油分配器兩出油口流量之比，即進(jìn)入冷卻流道的燃油流量與剩余流量之比。最小的冷卻流量即為最佳燃油分配比能實(shí)現(xiàn)理想的冷卻效果，在流道設(shè)計(jì)確定之后，可降低流速，一定程度減少壓力損失，從而提高泵的效率。

3.1 整體燃油流域溫度場(chǎng)分析

選取冷卻燃油流量為0.128kg/s，電機(jī)運(yùn)行功率為8kW的工況下分析。得到仿真結(jié)果如圖4所示，由圖可知，燃油的溫度隨著流道的旋向逐漸升高，到達(dá)最高溫度，出現(xiàn)局部高溫區(qū)域，接著溫度沿著流道旋向逐漸下降，從圖中可以發(fā)現(xiàn)冷卻流道進(jìn)出口的溫差不大，這是由于雙螺旋流道的流道長，熱換面積大，高溫燃油在到達(dá)出口前的溫度能降至與人口燃油溫度相差無幾的狀態(tài)。

3.2 殼體內(nèi)壁面溫度場(chǎng)分析

選取同樣的電機(jī)工況進(jìn)行分析。得到殼體內(nèi)壁面的溫度云圖，由圖5可以看出，最高溫度為340K，溫度差值不大，并且溫度分布均勻，說明雙螺旋殼體的冷卻效果較好。

3.3 不同冷卻流量下的散熱性能

改變?nèi)加头峙淦鏖y芯的位置，以獲得不同的冷卻燃油流量進(jìn)入冷卻殼體進(jìn)行流固耦合仿真，得到殼體內(nèi)壁面平均溫度和局部最高溫度如圖6所示。從圖中可以看出，燃油分配比逐步增加，即進(jìn)入冷卻殼體的煤油流量增加，殼體內(nèi)壁面平均溫度隨之減小。這是因?yàn)槔鋮s燃油流量增加導(dǎo)致流道中的燃油流速加快，從而加快了電機(jī)定子與流道內(nèi)冷卻燃油的熱交換，使散熱性能上升。采用這種數(shù)值模擬方法，可以尋找最小的流量滿足冷卻效果使得殼體的設(shè)計(jì)最優(yōu)。局部最高溫度也是衡量殼體散熱性能是否合理的重要指標(biāo)。隨著燃油分配比的增加，局部最高溫度同樣也隨之減小。

3.4 冷卻殼體壓降分析

Jun Ho Lee等研究電動(dòng)車用輪轂電機(jī)水冷散熱時(shí)發(fā)現(xiàn)，冷卻水人口和出口的壓差隨著流量的增加而急劇增加，壓差上升代表著流道中流動(dòng)阻力增加，使得冷卻效率的下降。經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，流道存在最佳流量，可控制壓差在合理范圍內(nèi)。因此，增加冷卻液體流量時(shí)應(yīng)考慮壓差對(duì)冷卻效果的影響，不宜過度增加流量[17]。由于冷卻燃油的供給來源于泵，則必使泵有一定的功率損耗，其與流道進(jìn)出口壓降的關(guān)系式：式中：W_p為冷卻損耗功率，單位為W;m_v為冷卻液體體積流量，單位為m³/s;Δp為進(jìn)出口壓降，單位為Pa。

當(dāng)冷卻燃油流量一定即燃油分配比確定時(shí)，泵為冷卻煤油提供動(dòng)力消耗的功率與冷卻殼體進(jìn)出口壓降成正比。通過對(duì)不同燃油分配比工況下進(jìn)行仿真研究，得到燃油分配比與冷卻殼體進(jìn)出口壓降的特性曲線，如圖6所示。由圖可知，燃油分配比逐漸增加，進(jìn)出口壓降隨之升高。這是因?yàn)槿加头峙浔鹊脑黾右馕吨M(jìn)入冷卻殼體的燃油流量增加，其流速加快，從而導(dǎo)致冷卻殼體燃油進(jìn)出口的壓降增加，影響燃油泵電機(jī)的整體效率。

綜上所述，由于殼體內(nèi)壁面的平均溫度不宜超過343K，局部最高溫度不宜超過353K，因此綜合平均溫度、局部最高溫度與進(jìn)出口壓降三者綜合考慮，選擇0.13為燃油分配比最佳。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)電動(dòng)燃油泵電機(jī)的性能參數(shù)，研究了電機(jī)定子雙螺旋冷卻燃油流道，利用CFX進(jìn)行冷卻殼體的流固耦合數(shù)值模擬，研究分析了冷卻方案的性能特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

（1）雙螺旋燃油流道對(duì)電動(dòng)燃油泵電機(jī)能夠起到冷卻效果，且使溫度分布更均勻，通過合理設(shè)計(jì)能夠滿足冷卻要求。

（2）燃油分配比影響著電機(jī)溫度場(chǎng)。隨著燃油分配比的增加，會(huì)使進(jìn)入冷卻殼體內(nèi)的冷卻油增加，導(dǎo)致溫度降低;但同時(shí)也會(huì)使燃油進(jìn)出口的壓力降增加，而壓力降增加又會(huì)導(dǎo)致冷卻效率降低。因此存在最佳的燃油分配比，本文中的最佳燃油分配比為0.13。

本文中電機(jī)熱源為定子內(nèi)壁面熱功率，并未從電機(jī)損耗機(jī)理精確核算不同工況下的理論溫度或可能的溫度場(chǎng)分布，建議今后建立考慮電樞繞組和鐵心更為精確的仿真模型。

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