CFD 方法在流體機械設計中的應用

馬 斐

（貴州電子科技職業學院，貴州 貴陽 550003）

引言

在我國科技水平不斷提升的時代背景下，CFD已經成為流體機械設計中經常會應用到的重要技術手段，能夠精確計算出低速、超音速之間產生的無粘合性流體情況，以及所表現出的物理特性，進而為流體機械設計提供精確的數據參考，使流體機械設計更加科學、合理。因此，從實際角度出發，分析CFD方法在流體機械設計中的應用情況是十分必要的。

1 CFD 方法概述

CFD 技術也被稱為流體動力學的計算方法，在流體力學當中占據重要性地位，目前被廣泛應用于工業機械設計中，這一方法在實際應用的過程中，通常是將計算機技術與數學相互結合，同時合理利用多種離散化數學方法，計算并全方位處理流體力學中可能會遇到的各種計算問題，是一種基于先進儀器完成的數值模擬，并結合實驗數據建立起虛擬模型，為工業機械設計提供了精確的數據參考，常用的CFD 技術軟件為FLUENT[1]。

1.1 CFD 數學模型

一般情況下，流體機械設計過程中往往需要設置科學的彎道，通常會采用不規則形態，減少彎道繁瑣復雜引起的高沖擊力，進而達到提高機械實用性、耐久性與可靠性的目的。除此之外，時間推進法在流體機械設計中也得到較好應用，在超音速、跨音速與亞音速等可壓縮流動領域均得到了較好利用，且這種計算方法的準確率極高，可有效減少計算誤差，通過對任意曲線坐標系中可壓縮模型來進行內部流動的考核評估，加快CFD 方法的普及與應用，提高流體機械設計的科學性[2]。

1.2 CFD 計算方法

在CFD 技術中，通常會存在兩種計算方法：

1）差分格式，在流體流動控制方程組求解的過程中，經常會遇到一些問題，為計算帶來較大難度。差分格式的應用，能夠在考慮前后流動體積關系的同時，利用這一格式，進行理想化流速分析，滿足高精度格式求解要求，提高計算的精確性[3]。與此同時，利用差分格式這一計算方法，可以在求流體流動速度、控制方程的同時，精確考慮到體積運算的特性，為流體機械設計提供更多參考與影響因素，使CFD計算更為精準。

2）對于離散方程組求解，以往的程序設計中，隱式推進方法是最為常見的，但由于這一方法在時間求解上存在隱性關系，無法高效率、快速地完成矩陣求逆運算，產生這一情況的主要原因就在于計算機本身的運行單元速度較快，隱式推進方法具有時間復雜性特點，計算效率無法得到有效提升。因此，就CFD 程序而言，可以使用優恩和詹姆遜提出的計算方法，并不需要通過矩陣求逆運算來完成計算任務，內存低的計算機也可以完成，極大程度地節約了計算時間，在計算完成后也能夠在CFD 進行修改，提高了CFD 的應用效率與普及程度[4]。基于上述算法分析，可以大致構建起一個程序編制框圖，如下頁圖1 所示。

2 CFD 在流體機械設計中的具體應用

基于上述分析，CFD 方法是流體機械設計中經常會應用到的技術手段，是提高設計精確性的有效手段。這也就要求在設計期間，設計者根據實際情況，科學應用CFD 方式，為流體機械設計的科學合理性提供充足保證。

2.1 CFD 在噴水泵設計中的應用

圖1 CFD 方法在流體機械設計中的程序編制框圖

在流體機械中，噴水泵是十分重要的構成，而為了保證噴水泵設計的有效性，就需要充分利用CFD方法，提高設計質量。噴水泵在人們日常生活中也有所涉及，主要是單極軸流葉輪機械，由轉子和定子構成，在設計時可以利用FLUENT 軟件來完成計算，并建立起相對完善的物理模型，確保噴水泵設計的功能性、實用性都可以得到最高值[5]。具體設計大致可以分兩個環節：第一，建立模型，為了充分發揮FLUENT 軟件的作用，設計師應先利用軟件，結合定子、轉子片數對建立起的噴水泵模型進行分析，若是轉子與定子都只有一個葉片，且轉速能夠達到1 200 r/min，就需要借助實驗，對水流流動情況進行分析，應事先設置一個數據輸入到FLUENT 中，而后建立噴水泵模型，根據實際需求進行簡化處理，在達到簡化要求后劃分網絡[6]。第二，計算數值環節，模型建立完成以后，需要結合模型的各項參數完成計算，FLUENT 軟件中的三維單精度求解器會自動分析模型、計算數值，結合已經存在的明確指標，分析函數，完成噴水試驗。整個試驗期間，要以轉子、定子運行情況為主要觀察點，進而獲得更為直接的數據作為參考。需要注意的是，噴水模擬試驗中，還需要對噴水泵運行的外部環境進行設定，充分考慮到外部環境因素可能會對噴水試驗產生的影響，借助這種方式來保證試驗結果的精準性。若是在實際試驗階段，還要檢查進口壓力，控制影響因素，使其處于合理范圍內，保證噴水泵運行模擬圖的精確性。

2.2 CFD 在壓縮機設計中的應用

壓縮機也是流動機械的重要構成，可運輸壓縮空氣、提高氣體壓力等，同樣需要借助CFD 方法實現科學設計，為流體機械的安全、穩定運行提供保障。通常情況下，CFD 方法的應用，要分別設置活塞與缸壁。其中缸壁的表示方式為圓柱體，活塞則是運用壁面，設置完成以后，需要控制曲柄角度，盡可能在180°左右，保證活塞能夠自上而下地規律運動，進而逐步壓縮缸內氣體，當活塞運動到一定程度并停留在一個位置上以后，曲柄角度變化為360°時，將會回歸到初始位置，然而在運動結束以后，曲柄的角度會達到540°。目前，借助CFD 方法完成壓縮機設計，主要會應用到Gambit 軟件，可以構建起壓縮機模型并根據指定要求，做好簡化處理，同時計算有關數據。在完成上述操作以后，還需要借助FLUENT軟件中的三維單精度求解器來進行分析，需要設計師嚴格把控各項數據，開啟非穩定狀態的求解器，能夠確保壓縮機模型數據分析的可靠性和準確性[7]。

3 結語

流體機械作為一種常見的機械類型，如何應用CFD 方式來獲得精確的數據參考，成為設計者必須要考慮的重要問題。結合目前CFD 方式、流體機械設計的具體情況來看，CFD 的應用主要集中在噴水泵與壓縮機設計兩個方面，可為流體機械精確度提升打好基礎。