CFD方法在流體機械設計中的運用分析

摘 要：隨著科學技術的不斷完善，CFD技術在流體機械設計中的應用越來越廣泛，對于提升流體機械的性能有很大的幫助。CFD方法是流體力學中的重要組成部分，是數學和計算機有機結合的產物，作為一門具有強大生命力的邊緣學科，不管是在數學領域還是計算機領域，CFD方法的重要性都是無可替代的。本文將針對CFD方法在流體機械設計中的運用進行分析。

關鍵詞：CFD方法；流體機械設計；運用分析

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

0 前言

近幾年來，我國的工業化進程開展的如火如荼，工業制造業作為支撐國民經濟發展的主力軍受到了廣泛的關注。在科技時代的影響下，各種多樣化的科學技術被應用在流體機械設計中，并且發揮著重要的作用。CFD技術是現代化工業經常使用的一種手段，在汽車制造業、航空航天、造船業等領域中的應用相當廣泛。除此之外，CFD技術還被使用在噴水泵、壓縮機等流體機械設計當中。不管從哪一個角度看，CFD技術的應用都推動了工業領域的可持續發展。

1 CFD方法的基本概述

CFD也叫計算流體動力學，是流體力學領域中的重要組成部分，在工業機械設計中占據了關鍵地位。CFD是數學和計算機有機結合的產物，作為一門具有強大生命力的邊緣學科，不管是在數學領域還是計算機領域，CFD方法的重要性都是無可替代的。在使用CFD技術的時候，需要依賴電子計算機作為工具，通過各種離散化的數學方法的合理利用，解決流體力學計算中的各種問題。利用先進的科學儀器模擬數值實驗，根據實驗數據構建虛擬模型，并且針對模型進行細致的分析與研究，從而實現利用數學知識解決流體力學實際問題的目標。常用的CFD技術軟件為FLUENT。

任何流體的運動都不是隨機，而是遵循一定的自然規律，所以在利用CFD方法研究流體力學的時候，也應該遵守一定的規律。常用的自然規律有質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。流體的運動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發生一定的變化，而CFD方法的應用恰恰能夠解決這些問題。CFD方法的應用是建立在數值數學和流體力學的基礎上，通過先進的計算機軟件進行數據分析，根據數據分析結果構建離散型數字模型，通過對模型的分析與研究來實現計算的目的[1]。

2 CFD方法在流體機械設計中的應用

2.1 CFD方法在噴水泵設計中的應用

噴水泵屬于流體機械的一種，而CFD方法在流體機械設計中的應用比較廣泛，所以CFD技術也能夠使用在噴水泵的設計當中。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械，主要組成部分為靜子與轉子。常用的CFD技術軟件為FLUENT，只要是跟流體機械設計有關的工業都可以使用FLUENT。不僅能夠提升數值計算的準確性，建立更加完善的物理模型，還具備強大的處理功能，為噴水泵設計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上，所以要想充分發揮出FLUENT軟件的重要作用，構建模型是非常必要的。在構建模型的時候，需要根據轉子片數和靜子片數進行分析，假設靜子和轉子都只有一個葉片，且轉速為1200r/min，利用假設實驗對水流流動問題進行分析，將預先設定好的數據輸入到FLUENT軟件當中，就可以開始建立模型了。模型構建完畢后還要適當的進行簡化，簡化到一定程度之后就可以進行網絡劃分與網格設置[2]。

（2）數值計算。噴水泵模型構建結束之后，需要根據模型進行數值計算。利用FLUENT軟件中的三維單精度求解器進行分析，在三維單精度求解器中選擇恰當的計算模型，然后根據所選擇的標準進行函數分析，通過使用混合面來對噴水泵進行噴水實驗，觀察靜子和轉子的運動情況。另外，在模擬的過程中，還需要對外界環境進行設置，因為CFD技術在使用的時候非常容易受到外界環境因素的影響，如果不進行科學的控制，就會影響到最終的實驗結果。除了外界環境以外，還要檢查進口壓力，當所有的條件都在相關標準的控制之下，就可以利用FLUENT軟件中的3D技術對模型進行數值計算，從而描繪出比較真實的噴水泵運行模擬圖[3]。

2.2 CFD方法在壓縮機設計中的應用

壓縮機也屬于流體機械，主要用于輸送壓縮氣體和提高氣體壓力。在使用CFD方法設計壓縮機的時候，需要對壓縮機的缸壁和活塞進行設置。缸壁用圓柱體來表示，活塞用運動壁面來表示。一般情況下，會將曲柄角度設置為180°，讓活塞自下而上進行運動，一點一點對缸內氣體進行壓縮，當活塞壓縮到一定程度的時候，或者是當曲柄角度為360°的時候，活塞又會重新回到原來的位置，但是這一次運動的曲柄角度不再是180°，而是540°。

利用CFD方法中的Gambit軟件進行壓縮機模型的構建，模型構建完畢后還要適當的進行簡化，簡化的時候要嚴格遵守相關的簡化步驟進行，指導壓縮機模型簡化到一定程度之后就可以進行網絡劃分與網格設置。當壓縮機模型建立結束之后，就要開始根據模型進行數值計算了。依然是采用FLUENT三維軟件對壓縮機模型進行數值計算，根據三維單精度求解器的設置進行分析，啟動非穩態的求解器，確保壓縮機模型數值分析的準確性與可靠性[4]。

3 結論

綜上分析可知，CFD方法在流體機械設計中的應用非常普遍，是在數學領域和計算機領域的基礎上進行的，本文針對噴水泵和壓縮機這兩種流體機械的設計進行分析，從建立模型和數值計算兩個角度進行研究，充分發揮出CFD方法在流體機械設計中的重要作用，了解了CFD技術在流體機械設計中的優勢。

參考文獻：

[1]嚴慶生.CFD方法在流體機械設計中的應用[J/OL].電子制作，2013（20）12.22-23

[2]彭志威.基于計算流體力學的虹吸式流道形狀優化設計[D].湖南大學，2009.

[3]劉偉.基于CFD的現代造紙機布漿技術與布漿器的研究[D].華南理工大學，2013.

[4]吳子堯.離心式通風機整機三維數值模擬及其結構改型設計分析[D].東北大學，2010.

作者簡介：張明慧（1990-），女，山東德州人，碩士，助教，研究方向：機械設計。