CFD方法在流体机械设计中的应用研究

戴理想

福建龙净环保股份有限公司 福建 龙岩 364000

摘要：新时期，应工业制造产业升级改革的要求，越来越多的先进技术被应用于工业制造中，对工业制造生产效率、产品质量的提升等都起到了关键性的作用。CFD方法在现代化工业制造产业中的引入，帮助我们有效地解决了工业制造中复杂的数学模型计算问题，使人们可以对流体的流动状态做出更加直观、深入的理解，以此更好地为我们借鉴工业发展中的能量转化问题，为工业化发展奠定坚实的科学基础。目前，CFD已经成为工业现代化发展不可缺少的一项重要技术，被广泛地应用于造船业、航空航天业、汽车制造业等多个领域中，对压缩机、喷水泵等流体机械的设计与开发起到了很好的辅助作用。

关键词：CFD方法；流体机械设计；应用研究

引言

在我国科技水平不断提升的时代背景下，CFD已经成为流体机械设计中经常会应用到的重要技术手段，能够精确计算出低速、超音速之间产生的无粘合性流体情况，以及所表现出的物理特性，进而为流体机械设计提供精确的数据参考，使流体机械设计更加科学、合理。因此，从实际角度出发，分析CFD方法在流体机械设计中的应用情况是十分必要的。

1内涵原理

CFD是计算流体动力学的英文简称，是流体力学体系的重要构成，作为近代流体力学领域重大研究成果存在，由计算机科学、数值数学构成，具有极强的学科交叉性。就其原理来看，CFD以计算机方法为手段，以不同类型的离散化数学方法为辅助，在计算机超强运算能力的作用下，围绕流体力学各项问题开展全方位的分析、模拟计算、数值实验等计算活动，最终得出流体控制方程的近似解。从发展的角度来说，CFD诞生兴起于20世纪60年代，90年代后期受计算机技术迅猛发展态势的影响，而得以实现了快速的发展。21世纪初期在计算机硬件工业的强大支持下，CFD实现了飞速发展，并基于其方法具备模拟复杂亦或是理想过程，且实验分析成本较低等诸多优势，而被广泛应用于各种实验场景中。

2CFD计算方法

CFD技术通常有两种计算方法:1)不同的格式，通常会在求解流量控制方程时引起问题并使计算变得困难。一种差异格式，可实现理想的流量分析，满足高精度格式的要求，并提高计算精度，同时考虑到前后的体积关系。同时，“差分格式”计算方法允许进行更精确的CFD计算，因为体积计算特性在确定流速和控制表达式时会考虑在内。同时，流体力学设计通过更精确的参考和影响因素得到改进。2)在离散方程组求解中，隐式推送方法过去是最常用的方法，但由于该方法在时序求解中具有隐式关系，因此无法高效快速地完成矩阵计算，其主要原因是计算机本身具有较高的计算能力，隐式推送方法具有时间依赖性复杂性特征，计算效率不高。因此，CFD程序可以使用Johnson和Jameson规定的计算，而不需要矩阵来执行计算任务，内存少的计算机可以大大加快计算工作，对CFD进行更改，并提高CFD的应用效率和总体应用。

3 CFD方法在流体机械设计中的应用

3.1在压缩机设计中的应用

压缩机主要由活塞组织与气缸壁构成，作为一种代表性的流体机械存在，主要作用于能量气体的压缩、输送，以此达到能量转化、使用的目的。在高速运转制冷的过程中，压缩机内部气体流动异常复杂，涉及气体压力损失、压力脉动、速度分布等的精准运算。传统的运算方法不仅存在诸多计算漏洞，更难以直观而精准地反映压缩机内部情况。CFD方法则可以结合压缩机作业原理及性能，通过对效率、p-v图等的比较，快速建立三维模型，以最直观的方式精确反映出压缩机内部的热力学过程以及气体流动状况。以此促使设计人员能够结合压缩机内部流场情况，提出进一步的机械设计完善方向。在应用CFD方法进行压缩机设计时，要求设计人员必须提前对压缩机内部活塞、缸壁进行设计，以运动壁面表示活塞、以圆柱体表示缸壁。并将曲柄角度设定在180°，以便于活塞在自上而下物理运动的过程中，逐步对缸体内气体进行施压。其实施过程中的步骤包括建立物理模型、明确计算区域、产生网格、选择求解方法、设置模型参数、计算求解，最后，以结果形式得出相应的图表、数据。以活塞压缩机的设计为例，在应用CFD方法进行设计时，涉及到的质量守恒方程为：。其中t为时间，ρ为密度，速度矢量在x、y、z方向上的分量分别以u、v、w表示。

3.2 CFD技术在流化床中的应用

由于流体机械最初出现在流体机械整体状态的说明中，因此对于流体机械的使用缺乏全面的解释，尽管许多实验和工业数据说明了其使用情况。流体机械中的气体-恒定流可根据建模的长度和时间，将整个结构分为处理单元、计算单元和单个离子，从计算机单元建模、气相和固定相作为连续干涉介质开始，使用CFD技术确定局部平均替换值的变换值。但是，在这种持续不断的nos反应中，在建立这样的流体模型时，往往很难确定参数，如b .提供质量等的不同动力学，不可能对单个离子模型进行建模，因此，在设计流体床时应考虑这个问题，以确保设备系统的平稳运行。

3.3 CFD在水泵设计中的应用

在流体机械中，泵是重要的组成部分，为了保证泵设计的有效性，必须采用CFD方法提高设计质量。泵在日常生活中也很重要，主要由转子和颗粒组成的1英寸节圆组成，可以用FLUENT软件计算，从而开发出相对健全的物理模型，确保泵功能和泵设计的可用性达到最高值[5]。该设计大致分为两个部分:为了最大限度地利用FLUENT软件的优势，设计者应利用软件、转子和转子的组合来分析所创建的水泵模型。如果转子和转子都只有一张转速1200r/min的叶片，并且能够达到速度，则需要对水流进行实验分析，并事先确定数值。第二，FLUENT软件中的三维单精度求解器自动计算模型、计算值并分析函数以完成水滴测试。它使用现有的明确指标。在整个试验过程中，应注意转子、应力状态和主要观测，以便更直接地观察数据。

结束语

综上所述，CFD方法作为目前一种先进、有效的流体力学分析方法，其实际效用已经得到了社会各界专业人士的高度认可，并凭借该方法在计算机计算、数学逻辑分析等方面的显著优势，被广泛地应用在社会各领域中，对流体机械设计的优化、功能的完善等都起到了极为显著的促进作用。在未来的工作中，我们要在以往工作成效的基础上，继续砥砺前行，加大对CFD方法的研究力度，深度挖掘该方法在流体机械设计方面的潜在功效，使其能够更好地为流体机械设计服务，以此促进我国工业化发展水平、发展程度的加深。

参考文献

[1]徐奕蒙.基于CFD技术的喷雾机风场研究与风送喷雾机控制系统研制[D].西北农林科技大学,2019.

[2]梁孟.试论流体机械中CFD技术的应用进展与趋势[J].建材与装饰,2018(51):196.

[3]李天赠,黄惠慧,马婉思,陈子豪,黄玲.基于CFD技术的防溅水洗手盆创新设计方法[J].机械设计,2018,35(12):124-128.

[4]程中林.核主泵叶轮反设计方法研究与CFD计算程序开发[D].大连理工大学,2018.

[5]吴文群.CFD方法在机械设计中的应用[J].九江学院学报(自然科学版),2017,32(02):43-45.