试论CFD方法在流体机械设计中的运用

柳姗

关键词：CFD方法；流体机械设计；运用

1.CFD方法在流体机械设计中应用的优越性

CFD也叫计算流体动力学，计算流体力学是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个新分支。

研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟。对叶轮机械、喷管、管道等内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验受到了很大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分析与实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科—CFD，即计算流体动力学。近年来，随着高速、大容量、低价格计算机的相继出现，以及CFD方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用CFD方法用计算机代替试验装置和“计算试验”的现实前景。CFD方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。

人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟成为可能，CFD方法将在一定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，人们深信CFD方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说CFD方法为流体机械设计提供了新的途径。

2.CFD方法在几种流体机械设计中的应用

2.1喷水泵设计

喷水泵属于流体机械的一种，而CFD方法在流体机械设计中的应用比较广泛，所以CFD技术也能够使用在喷水泵的设计当中。喷水泵是一种输送液体水的工具，生活中常见的喷水泵有单极轴流叶轮机械，主要组成部分为静子与转子。常用的CFD技术软件为FLUENT，只要是跟流体机械设计有关的工业都可以使用FLUENT。不仅能够提升数值计算的准确性，建立更加完善的物理模型，还具备强大的处理功能，为喷水泵设计的可靠性提供了基本保障。

2.1.1建立模型

FLUENT软件的使用是建立在模型的基础上，所以要想充分发挥出FLUENT软件的重要作用，构建模型是非常必要的。在构建模型的时候，需要根据转子片数和静子片数进行分析，假设静子和转子都只有一个叶片，且转速为1200r/min，利用假设实验对水流流动问题进行分析，将预先设定好的数据输入到FLUENT软件当中，就可以开始建立模型了。模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。

2.2数值计算

喷水泵模型构建结束之后，需要根据模型进行数值计算。利用FLUENT软件中的三维单精度求解器进行分析，在三维单精度求解器中选择恰当的计算模型，然后根据所选择的标准进行函数分析，通过使用混合面来对喷水泵进行喷水实验，观察静子和转子的运动情况。另外，在模拟的过程中，还需要对外界环境进行设置，因为CFD技术在使用的时候非常容易受到外界环境因素的影响，如果不进行科学的控制，就会影响到最终的实验结果。除了外界环境以外，还要检查进口压力，当所有的条件都在相关标准的控制之下，就可以利用FLUENT软件中的3D技术对模型进行数值计算，从而描绘出比较真实的喷水泵运行模拟图。

2.2压缩机设计

压缩机也属于流体机械，主要用于输送压缩气体和提高气体压力。在使用CFD方法设计压缩机的时候，需要对压缩机的缸壁和活塞进行设置。缸壁用圆柱体来表示，活塞用运动壁面来表示。一般情况下，会将曲柄角度设置为180°，让活塞自下而上进行运动，一点一点对缸内气体进行压缩，当活塞压缩到一定程度的时候，或者是当曲柄角度为360°的时候，活塞又会重新回到原来的位置，但是这一次运动的曲柄角度不再是180°，而是540°。

利用CFD方法中的Gambit软件进行压缩机模型的构建，模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化的时候要严格遵守相关的简化步骤进行，指导压缩机模型简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。当压缩机模型建立结束之后，就要开始根据模型进行数值计算了。依然是采用FLUENT三维软件对压缩机模型进行数值计算，根据三维单精度求解器的设置进行分析，启动非稳态的求解器，确保压缩机模型数值分析的准确性与可靠性。

3.CFD方法在流体机械设计中运用的发展趋势

3.1优化设计计算系统，将流体机械的设计与流场的数值模拟有机地结合起来，从而得到优化的设计结果。利用CFD技术方法解决工程实际问题，优化设计高效、清洁的生产工艺和设备。

3.2目前使用的网格主要有结构化网络、非结构化网络以及混合网格等。当前网格生成技术比较成熟，能生成较高质量的网格，但是还有待进一步提高，需要突破CFD结果对网格的依赖性。网格生成技术的发展方向：①几何造型系统、化工工艺计算模拟软件、智能制造系统等与网格自动生成系统的集成成为发展的必然趋势，使整个过程更具效率性。②网格生成需要智能化，需要采用多重网格加速来提高收敛的速度及稳定性。③网格需要多种算法的结合，即算法应当具有较高的通用性、可靠性和高效性，尽可能地减少人为的干预。④如何使生成的自适应网格完全“自适应”，建立高效、精确、灵活、方便的复杂网格技术，是网格划分技术发展的必然趋势。

3.3发展基于CFD的集成化技术，在CFD软件提供可靠的流场分析结果的基础上，利用优化、反设计、神经网络等手段，与CAD/UG/PROE及CAM等模块集成化，对方案进行筛选，使优化设计中的“试错”过程得以更为合理、快捷、准确地自动实现，使方案达到设计要求时，再进行生产制造；在CFD技术的基础上，结合多目标优化准则、多学科约束设定、收敛速度和结果合理等方面，注重于工业工艺计算模拟软件如Hysis或者ASPEN等平台的有效结合，建立一体化平台，使整体设计工艺过程更加合理，设备结构更加优化、节能减排更加达标。针对不同机器应用的不同特点，建立专门的分析模块。

结束语：综上分析可知，CFD方法在流体机械设计中的应用非常普遍，是在数学领域和计算机领域的基础上进行的，本文针对喷水泵和压缩机这两种流体机械的设计进行分析，从建立模型和数值计算两个角度进行研究，充分发挥出CFD方法在流体机械设计中的重要作用。当然CFD方法不仅可以在喷水泵和压缩机两种流体机械设计中应用，其应用范围十分广泛，这就要求相关人员人员加大对这方面的关注和研究，为CFD方法在流体机械设计中的运用发展贡献出一份力量。

参考文献

[1]严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].电子制作.2013.

[2]刘厚林，董亮，王勇.流体机械CFD中的网格生成方法进展[J].流体机械.2010.

[3]刘保明.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].读写算.2012.