摘要：在现阶段越来越多地应用CFD技术。本文主要对于这一方法在流体机械中的应用展开讨论，首先介绍CFD方法的概念，分析这一方法的应用，分析其国内外使用现状，最后针对其在流体机械设计中的具体应用。
关键词：CFD；流体机械设计；应用
引言：工业技术在不断地进步，在流体机械中越来越广泛的应用CFD技术，对于设计高性能的流体机械要求也越来越高。CFD技术已广泛应用于国内外工业机械设计中，如汽车工业、造船、航空航天等，在生活中也会对其有一定的应用，如水泵等。发展和应用CFD技术推动着工业的发展。
1 CFD概念简介
CFD是对流体动力学进行计算的方法。它是计算机科学和数值数学发展的产物，应用的主要软件是FLUENT。CFD使用电子计算机作为主要操作工具，并结合数学方法来在操作期间计算和流体动力学相关的问题。在流体运动过程中，流体运动要遵循一定的自然规律，这其中有动量守恒定律、质量守恒定律以及能量守恒定律。基本物理量会对物体的流动造成影响，这些物理量形成物体的某些流动因子，这些因素将随时间而变化。CFD以计算数学与流体力学为基础，能够在计算机上进行能够求解算法的建立。CFD要求是流动定律离散的数值模型的达成建立。应用空间和时间的离散化，这些连续时间被离散化为具有不连续性的有限时间。同时，偏微分方程也通过空间模型转化为代数方程。CFD能够对不同类型流体进行计算，并使用数学模型在一定范围内的计算机上计算这些流动现象。
2 CFD在流体机械中的应用
应用分析理论，研究实验和模拟数值等三种方法研究流体流动。在测量叶轮机械以及管道等的内部流动时，所需的实验设备复杂且昂贵，实验成本高，开发周期长，使实验研究受到很大限制。数值模拟自身具有特点和独特的功能，是分析理论和研究实验的补充，开始广泛地应用研究流体流动，形成了一门新的学科 - 计算流体动力学（CFD）。在最近几年，计算机速度提高、容量加大以及价格更低，更深入的研究CFD方法，从而在一定程度上提升了其准确性、可靠性以及计算效率，已经证明使用CFD方法用测试设备被计算机代替计算测试的现实前景。CFD方法具有预测初步性能，预测内部流动、测试数值以及诊断流动的功能。在设计和制造流体机械时，通常流程是设计，原型性能测试和制造。在使用CFD方法利用计算机测试原型的性能，最好预测流体机械的性能和涡流，二次流动，尾流，边界层分离，叶片颤动和图纸设计中的其他不良现，消除绘图设计阶段可能出现故障的隐患。总之，可以通过计算机在数字上模拟流体机器内部的流动。在一定程度上CFD方法将取代实验，达到成本降低，缩短开发周期的目的，数值模拟将会提供许多流场信息，提供给设计人员设计以及流体机械改进一定的基础。在这样的状况下，人们相信CFD方法是现在与未来开发流体机械不可或缺的工具和手段，应用这一方法，设计人员能够以最经济、最快的方式寻求设计理念和设计解决方案，从而提高流体流动机制的性能，能够从各种约束中获得最佳设计，在流体机械设计中因CFD方法有了新的研发途径。因为很多程序的编制以是之前研究成果作为基础，因此应用范围有限，这限制了CFD方法广泛应用在工程中。
3 国内外应用现状
我国在工业中有着较晚的起步，发展CFD技术还不成熟。然而，我国工业的快速发展，CFD技术也在不断扩大应用范围，在一些国外的发达国家中CFD技术得到了广泛应用。因为发展工业的需要，在20世纪下半叶CFD技术迅速发展。CFD技术在制造航空航天的中有很好的应用。在制造航空航天的部件机械中，有着非常大的机械设计需求，由于其独特的设计，航空航天设计非常困难。普通方法很难满足设计航空航天机械的要求，不仅昂贵，而且还需要大量的时间和精力。为了将这一难题有效的解决，国外技术人员开始在航空航天机械设计中应用CFD技术，指导仿真设计。
4 流体机械设计中具体应用CFD方法
4.1 在喷水泵中具体应用CFD方法
在流体力学设计中CFD方法有着非常管饭的应用。以下以喷水泵为例，讨论了CFD方法的应用。喷水泵是用于液态水输送的工具。其中比较常见的是单极轴流式叶轮机，主要由转子和定子组成喷水泵。CFD技术最常应用的软件是FLUENT。以下研究应用FLUENT软件进行。
4.1.1构建模型
应用FLUENT软件首先需要构建模型。水泵的型号由6个转子和10个定子组成，该模型相对简单，只能在转子和定子之间考虑计算水流量的问题。如果设定转子与定子都只是一个叶片，对于每分钟120转，实验环境中的压力假设为latm。设置完成后，开始在FLUENT软件中建模，并简化初始模型，并在划分和设置网格之前将其简化到一定程度。简化的模型是网格化的，如图1所示。
图1 喷雾泵模型
4.1.2计算数值
完成设计喷雾泵的模型后，要计算数值。在FLUENT软件中设置3D单精度求解器，接着在此求解器上进行计算模型的选择，模型为喷水泵计算模型。当在软件上选择标准的混合表面和近壁功能以喷射水泵时，模拟转子和定子运动的现象。边界条件在模拟期间设置，设定边界条件需要分别设定转子和定子，并设定转子的流体状态，主要设定其转速，可设定为每分钟1000 转，只能为定子设定液态状态。为了使喷水泵入口的压力条件得到保证，总压力设定为0，默认设定保持在湍流水平。不仅要检查进口压力，还检查出口压力，并将外壁条件设定为边界条件。边界条件设置完成后，能够应用分离变量求解器计算喷雾泵的速度和其他值，然后使用FLUENT软件中的3D技术做出处理，从而获得更逼真的喷水泵运行模拟。
4.1.3性能模拟测试
完成以上流程后，需要测试模拟水泵的性能。为了探索水泵的性能，设计高性能水泵需要探索出水泵的内部流动。模拟水泵的性能需要模拟其数值，从而进行泵和叶轮值准确数值的提供，并对它们进行整体的数值分析。在相对坐标下的旋转叶轮区域可以建立控制方程组，求解入口管道和出口管道以及泵体区域的绝对坐标系统中的控制方程，然后在双参考系统下检测计算其流动性能。在检测过程中，有必要使相对和绝对动态及静态接口达成绝对物理量相等。
4.2在压缩机上中具体应用CFD方法
压缩机是一种压缩气体输送并增加气体压力的机器。以下分析简单的三维缸内几何压缩机，其组成部分有气缸壁与活塞。圆柱体来表示缸壁，移动壁表示活塞。首先设定相应的曲柄角，通常可设定为180°。让活塞从下死点移动并缓慢压缩气缸中的流体。当活塞向上移动到上死点时，也就是说，曲柄角达到360°时，活塞将再次返回到原始起始位置，但是当曲柄角转到540°时是一个完整的循环。
4.2.1构建模型
运用Gamibt软件在计算机上进行简化的压缩机模型构建，根据简化步骤进行简化，直到网格划分和设置压缩机的模型进行简化后，如图2所示。
图2 压缩机模型
4.2.2数值计算
完成设计压缩机模型后，FLUENT三维软件用于数值计算压缩机模型。在FLUENT中设置3D单精度求解器，通过求解器上进行计算模型的选择。设置模型时，需要启动不稳定的求解器，接着然后将网格进行移动设置。在此过程中，要将移动网格的运动和相关数据进行激活。这些参数的设置需要能够解释压缩机中的活塞顶部和相邻壁表面的流体区域以及活塞上层的网格运动，还要解释活塞运动状态，并解出这些值。
5 结论
CFD是一种对流体动力学进行计算的方法。CFD使用的主要操作工具是电子计算机作，并结合数学方法计算操作过程中与流体力学相关的问题。CFD技术广泛用于流体机械设计。本文主要研究了CFD技术在喷水泵和压缩机中的应用，能够很好地理解CFD技术。
参考文献：
[1]川任涛，闰永强，梁武科.CFD技术在离心泵优化设计中的应用[J].排灌机械，2007（0：）：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）：1914一1922.
论文作者:吴小亚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/28
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