CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，CFD技術(shù)在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于提升流體機(jī)械的性能有很大的幫助。CFD方法是流體力學(xué)中的重要組成部分，是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，作為一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣學(xué)科，不管是在數(shù)學(xué)領(lǐng)域還是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CFD方法的重要性都是無可替代的。本文將針對(duì)CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：CFD方法；流體機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)用分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.094

0 前言

近幾年來，我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程開展的如火如荼，工業(yè)制造業(yè)作為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主力軍受到了廣泛的關(guān)注。在科技時(shí)代的影響下，各種多樣化的科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中，并且發(fā)揮著重要的作用。CFD技術(shù)是現(xiàn)代化工業(yè)經(jīng)常使用的一種手段，在汽車制造業(yè)、航空航天、造船業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。除此之外，CFD技術(shù)還被使用在噴水泵、壓縮機(jī)等流體機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中。不管從哪一個(gè)角度看，CFD技術(shù)的應(yīng)用都推動(dòng)了工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

1 CFD方法的基本概述

CFD也叫計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是流體力學(xué)領(lǐng)域中的重要組成部分，在工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中占據(jù)了關(guān)鍵地位。CFD是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，作為一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣學(xué)科，不管是在數(shù)學(xué)領(lǐng)域還是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CFD方法的重要性都是無可替代的。在使用CFD技術(shù)的時(shí)候，需要依賴電子計(jì)算機(jī)作為工具，通過各種離散化的數(shù)學(xué)方法的合理利用，解決流體力學(xué)計(jì)算中的各種問題。利用先進(jìn)的科學(xué)儀器模擬數(shù)值實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬模型，并且針對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致的分析與研究，從而實(shí)現(xiàn)利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決流體力學(xué)實(shí)際問題的目標(biāo)。常用的CFD技術(shù)軟件為FLUENT。

任何流體的運(yùn)動(dòng)都不是隨機(jī)，而是遵循一定的自然規(guī)律，所以在利用CFD方法研究流體力學(xué)的時(shí)候，也應(yīng)該遵守一定的規(guī)律。常用的自然規(guī)律有質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等。流體的運(yùn)動(dòng)非常容易受到外界因素的影響，并且在外界因素的影響下會(huì)發(fā)生一定的變化，而CFD方法的應(yīng)用恰恰能夠解決這些問題。CFD方法的應(yīng)用是建立在數(shù)值數(shù)學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建離散型數(shù)字模型，通過對(duì)模型的分析與研究來實(shí)現(xiàn)計(jì)算的目的[1]。

2 CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 CFD方法在噴水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

噴水泵屬于流體機(jī)械的一種，而CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比較廣泛，所以CFD技術(shù)也能夠使用在噴水泵的設(shè)計(jì)當(dāng)中。噴水泵是一種輸送液體水的工具，生活中常見的噴水泵有單極軸流葉輪機(jī)械，主要組成部分為靜子與轉(zhuǎn)子。常用的CFD技術(shù)軟件為FLUENT，只要是跟流體機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的工業(yè)都可以使用FLUENT。不僅能夠提升數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，建立更加完善的物理模型，還具備強(qiáng)大的處理功能，為噴水泵設(shè)計(jì)的可靠性提供了基本保障。

（1）建立模型。FLUENT軟件的使用是建立在模型的基礎(chǔ)上，所以要想充分發(fā)揮出FLUENT軟件的重要作用，構(gòu)建模型是非常必要的。在構(gòu)建模型的時(shí)候，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子片數(shù)和靜子片數(shù)進(jìn)行分析，假設(shè)靜子和轉(zhuǎn)子都只有一個(gè)葉片，且轉(zhuǎn)速為1200r/min，利用假設(shè)實(shí)驗(yàn)對(duì)水流流動(dòng)問題進(jìn)行分析，將預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)輸入到FLUENT軟件當(dāng)中，就可以開始建立模型了。模型構(gòu)建完畢后還要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化到一定程度之后就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分與網(wǎng)格設(shè)置[2]。

（2）數(shù)值計(jì)算。噴水泵模型構(gòu)建結(jié)束之后，需要根據(jù)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。利用FLUENT軟件中的三維單精度求解器進(jìn)行分析，在三維單精度求解器中選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，然后根據(jù)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行函數(shù)分析，通過使用混合面來對(duì)噴水泵進(jìn)行噴水實(shí)驗(yàn)，觀察靜子和轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況。另外，在模擬的過程中，還需要對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)镃FD技術(shù)在使用的時(shí)候非常容易受到外界環(huán)境因素的影響，如果不進(jìn)行科學(xué)的控制，就會(huì)影響到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除了外界環(huán)境以外，還要檢查進(jìn)口壓力，當(dāng)所有的條件都在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的控制之下，就可以利用FLUENT軟件中的3D技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而描繪出比較真實(shí)的噴水泵運(yùn)行模擬圖[3]。

2.2 CFD方法在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

壓縮機(jī)也屬于流體機(jī)械，主要用于輸送壓縮氣體和提高氣體壓力。在使用CFD方法設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的時(shí)候，需要對(duì)壓縮機(jī)的缸壁和活塞進(jìn)行設(shè)置。缸壁用圓柱體來表示，活塞用運(yùn)動(dòng)壁面來表示。一般情況下，會(huì)將曲柄角度設(shè)置為180°，讓活塞自下而上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，一點(diǎn)一點(diǎn)對(duì)缸內(nèi)氣體進(jìn)行壓縮，當(dāng)活塞壓縮到一定程度的時(shí)候，或者是當(dāng)曲柄角度為360°的時(shí)候，活塞又會(huì)重新回到原來的位置，但是這一次運(yùn)動(dòng)的曲柄角度不再是180°，而是540°。

利用CFD方法中的Gambit軟件進(jìn)行壓縮機(jī)模型的構(gòu)建，模型構(gòu)建完畢后還要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的時(shí)候要嚴(yán)格遵守相關(guān)的簡(jiǎn)化步驟進(jìn)行，指導(dǎo)壓縮機(jī)模型簡(jiǎn)化到一定程度之后就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分與網(wǎng)格設(shè)置。當(dāng)壓縮機(jī)模型建立結(jié)束之后，就要開始根據(jù)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算了。依然是采用FLUENT三維軟件對(duì)壓縮機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)三維單精度求解器的設(shè)置進(jìn)行分析，啟動(dòng)非穩(wěn)態(tài)的求解器，確保壓縮機(jī)模型數(shù)值分析的準(zhǔn)確性與可靠性[4]。

3 結(jié)論

綜上分析可知，CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常普遍，是在數(shù)學(xué)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，本文針對(duì)噴水泵和壓縮機(jī)這兩種流體機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從建立模型和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)角度進(jìn)行研究，充分發(fā)揮出CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要作用，了解了CFD技術(shù)在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)慶生.CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J/OL].電子制作，2013（20）12.22-23

[2]彭志威.基于計(jì)算流體力學(xué)的虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué)，2009.

[3]劉偉.基于CFD的現(xiàn)代造紙機(jī)布漿技術(shù)與布漿器的研究[D].華南理工大學(xué)，2013.

[4]吳子堯.離心式通風(fēng)機(jī)整機(jī)三維數(shù)值模擬及其結(jié)構(gòu)改型設(shè)計(jì)分析[D].東北大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：張明慧（1990-），女，山東德州人，碩士，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。