CFD 方法在流体机械设计中的应用

严庆生 冀中能源峰峰集团邯郸洗选厂 056000

【文章摘要】

当前的时代对于CFD 技术的应用越来越广泛。文章首先阐述了CFD 的概念以及它的基本原理，再谈谈CFD 技术在国内外的应用现状，分析了CFD 方法在流体机械设计中的应用案例，最后做出总结。

【关键词】

CFD ；流体机械设计；应用

0 引言

随着人类工业技术的发展，CFD 技术在流体机械中的应用越来越广泛，工业对于高性能的流体机械设计需求越来越大。CFD 技术在国内外的工业机械设计中都得到了广泛的应用，比如汽车工业、航空航天、造船业等等，同时它还在生活中有很多的应用，比如喷水泵。CFD 技术的发展和应用促进了工业的发展。

1 CFD 概念性简述

CFD 是一种计算流体动力学的方法， 它是数值数学和计算机科学的发展产物， 主要的应用软件是FLUENT。CFD 以电子计算机为主要操作工具，并在操作过程中结合数学方法计算流体力学的相关问题。

在进行流体运动的过程中，任何流体运动都需要遵循一定的自然规律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等。物体流动都会受到各种基本物理量的影响，从而形成一定的物体流动因素，这些物理量会随着时间的变化而变化。CFD 是以流体力学和计算数学作为计算基础，并在计算机上建立可以求解的算法。CFD 要求的是建立能够满足流动规律的离散型数值模型。通过时空的离散化，将这些连续的时间离散成存在间断的有限时间。同时通过空间模型，也将偏微分方程转变为代数方程。CFD 可以计算不同类型的流体，在一定的范围内将这些流动现象在计算机上用数学模型进行计算表现出来。

2 国内外应用现状

我国的工业发展起步比较晚，CFD 技术的发展也并不成熟，但是随着我国工业的迅速发展，CFD 技术的应用范围也在不断扩大，其中航空航天、造船业、汽车工业等方面的应用尤其广泛。CFD 技术的应用在国外一些发达国家已经得到了非常广泛的应用。由于工业发展的需要， CFD 技术在20 世纪后半叶得到了飞速地发展。CFD 技术主要是应用于航空航天方面的机械制造等，在航空航天的部件机械制造上面，对于机械设计的需求非常大，而且航空航天由于其设计的独特性，设计难度非常大，一般的方法无法满足航空航天的机械设计，不但费用高，也会花费很多的时间和精力。因此为了解决这个困难，国外的技术人员逐渐将CFD 技术应用到航空航天的机械设计上进行仿真指导设计。

3 CFD 方法在流体机械设计中的应用案例分析

3.1 CFD 方法在喷水泵中的应用

CFD 方法在流体机械设计中的应用非常广泛，本文以喷水泵为例谈谈CFD 方法的应用。喷水泵是一种输送液体水的工具，生活中比较典型的是单极轴流叶轮机械。喷水泵主要是由转子和静子组成， FLUENT 是最常用的CFD 技术应用软件之一，此次案例分析就以FLUENT 软件进行。对于CFD 技术的应用可以从以下几个步骤进行。

3.1.1 建模型

FLUENT 软件应用首先需要建立一个模型。案例分析的喷水泵的模型是由6 片转子和10 片静子组成，模型相对比较简单，计算水流流动的问题可以仅仅从转子和静子之间考虑，假设转子和静子都只有一个叶片，转速均为1200r/min，假设实验环境的压力为1atm[4]。设定好之后就可以在FLUENT 软件中开始建模，并且将初步建立的模型进行简化，简化到一定程度后就可以进行网格的划分以及设置。简化后的模型经过网格划分后如图1 所示。

图1 ：喷水泵模型

3.1.2 进行数值计算

完成喷水泵的模型设计后，就要进行数值计算。在FLUENT 软件中设定三维单精度求解器，然后在这个求解器上选择计算模型，喷水泵的计算模型为模型。然后在软件上选择标准近壁函数以及混合面来对喷水泵进行喷水时，转子和静子运动的现象进行模拟。模拟的过程中要对边界条件进行设置。边界条件设置需要分别对转子和静子进行设置，将转子的流体状态进行设置，主要是对它的转速进行设置，可设置为1000r/min，对静子则只需设置液体状态即可。为保持喷水泵进口的压力条件，则将总压设置为0，在湍流水平则要进行保持缺省的设置。除了进口压力，还要对出口压力进行检查，并对外壁条件设置为边界条件。设置完边界条件，就可以使用分离变量求解器对喷水泵的转速等数值进行计算，再利用FLUENT 软件中的3D 技术进行处理，从而得到一个比较真实的喷水泵运行模拟图。

3.1.3 性能模拟测试

完成上述两个步骤之后，需要对喷水泵的性能进行模拟测试。为了探究喷水泵的工作性能，设计出高性能的喷水泵，需要对喷水泵的内部流动进行一些探究。喷水泵的性能模拟需要进行数值模拟，提供准确的泵体和叶轮数值，并且将它们作为整体进行一定的数值分析。旋转的叶轮区域可以在相对坐标下建立一个控制方程组，对进出水管以及泵体组成区域进行绝对坐标系下的控制方程组求解，再通过双参考系下的流动进行性能检测计算。在检测过程中，需要使得相对以及绝对的动静交界面耦合满足绝对的物理量相等。

3.2 CFD 方法在压缩机上的应用

压缩机是一种输送压缩气体并且提高气体压力的一种机器。案例分析一个比较简单的三维缸内几何机构的压缩机，它由缸壁和活塞组成。缸壁是由一个圆柱体来表示，而活塞则由运动壁面来表示。首先设置相应的曲柄角度，一般可以设置为180°，让活塞从下死点网上进行运动，并且慢慢地将缸内的流体进行压缩。当活塞往上运动至上死点，也就是当曲柄角度达到360°的时候，活塞又会重新回到原来的起点位置，但是在曲柄角度转到540° 时才完成一个完整的循环。

3.2.1 建立模型

在计算机上运用Gambit 软件来建立一个关于压缩机的简化模型，再按照一定的简化步骤继续简化，直到压缩机的模型网格划分和设置通过简化后，如下图2 所示。

图2 ：压缩机模型

3.2.2 数值计算

完成压缩机的模型设计后，运用FLUENT 三维软件来对压缩机模型进行数值计算。在FLUENT 软件中设定三维单精度求解器，然后在求解器上选择计算模型。进行模型设置时，需要启动非稳态的求解器。然后对网格进行运动设置，这个过程中，需要激活动网格的运动以及说明的相关数据。这些参数设置的设置需要能够说明压缩机中的相邻壁面和活塞顶部的流体区域以及活塞上部铺层的网格运动，还要说明活塞运动状态，并且对这些数值进行求解。

4 结语

CFD 是一种计算流体动力学的方法， CFD 以电子计算机为主要操作工具，并在操作过程中结合数学方法计算流体力学的相关问题。CFD 技术在流体机械设计中的应用非常广泛，除了喷水泵外还有汽轮机、风力机、气动马达等，本次案例对于CFD 技术在喷水泵以及压缩机上的应用，可以很好地体会到CFD 技术的优越性。

【参考文献】

[1] 任涛, 闫永强, 梁武科.CFD 技术在离心泵优化设计中的应用[J]. 排灌机械,2007(01):25-28.

[2] 郭雪岩.CFD 方法在固定床反应器传热研究中的应用[J]. 化工学报,2008(08):1914-1922.