CFD方法在流體機械設計中的應用分析

席會杰

金通靈科技集團股份有限公司，中國·江蘇 南通 226001

1 引言

隨著工業化進程的迅猛發展，CFD 方法在流體機械中得到了極為廣泛的應用，在工業領域中對流體機械進行設計時，在高性能方面的要求日益增多。例如，在中國和其他國家的一些工業機械領域中，如造船業、航空航天、汽車工業等。同時，在公眾日常生活中也有較多應用，如壓縮機、噴水泵等，CFD 方法的發展以及應用，極大程度上促進了中國工業化發展的進程。因此，針對CFD 方法在流體機械設計工作中的具體應用進行分析，就目前現狀而言，具備十分重要的現實意義。

2 CFD 目前在中國和其他國家研究應用的現狀

中國工業化由于發展起步相對較晚，CFD 方法發展相對不夠成熟，但是隨著中國工業化進程的迅猛發展，CFD 方法在應用中的范圍也在日益擴展，其中在工業、汽車、造船業、航空航天等方面應用范圍越來越廣泛。在其他某些發達國家中，CFD 方法已經獲取極為廣泛的應用。由于工業化發展的實際需求，在20世紀后半葉，CFD 方法獲取了前所未有的高速發展。目前，在航空航天方面對于CFD 方法的應用尤為廣泛，主要用于對航空機械進行制造，因為航空航天所用部件在具體制造時，對于機械設計的要求極高，而且航空航天在設計中有自身的獨特性質，設計難度極大，普通的方法根本無法滿足航空航天在設計中的各種需求，不但經濟費用極高，也會耗費大量的精力以及時間。因此，為了更好地解決此困難，其他國家的技術人員開始在航空航天的設計工作中，對CFD 方法進行應用，從而開展仿真指導的機械設計[1]。

3 CFD 在流體機械設計中的應用

在流體機械設計過程中，CFD 方法應用范圍最為廣泛，可以極大程度上提升設計工作的精準性以及有效性。因此，要求在具體設計時，設計人員要結合實際情況，對CFD 方法進行合理應用，從而讓流體機械設計在科學性、合理性方面得到保證。

3.1 噴水泵設計時CFD 的應用

對于流體機械而言，噴水泵屬于其中一項重要組成，為了讓噴水泵在設計中的有效性得到科學合理的保證，就需要對于CFD 的方法進行合理應用，讓設計的質量得到提升。公眾在日常生活中會用到噴水泵，噴水泵是單級軸的流葉輪機械，主要是由定子以及轉子結合構成，在具體設計時可以使用FLUENT 軟件對計算進行合理完成，然后構建出物理模型，并對其進行完善以及優化，保證噴水泵在設計中的實用性以及功能性，都能夠得到最大限度地發揮。其中，在設計時可以分成兩個環節。

3.1.1 對模型進行建立

為了讓軟件的作用得到充分、有效的發揮，設計師需要先對軟件進行應用，再對定子以及轉子的片數予以合理結合，針對構建完成的噴水泵模型展開科學合理的分析，如果定子以及轉子都只存在一個葉片，而且轉速每分鐘還能達到1200轉，就需要通過實驗，針對水流的流動情況進行合理分析。

首先需要設置一個數據，然后向軟件中進行輸入，之后再對噴水泵模型進行建立，按照具體需求對其進行科學合理的簡化，簡化要求全部實現之后，再對網絡進行劃分。

3.1.2 對數值環節進行合理計算

模型在全部構建完成之后，要結合模型中的所有參數合理完成相應的計算工作，軟件中的三維單經度求解器，會對數值進行計算、對模型進行分析，結合現存的指標對函數進行分析，從而完成噴水的實驗。

具體進行實驗時，主要觀察定子以及轉子在運行中的實際情況，從而獲得更直接有效的數據，并對其進行參考。此處需要注意的是，噴水模擬實驗中，需要對噴水泵在外部運行方面進行合理設置，對于外部因素有可能會對噴水泵在試驗中造成的各種影響進行全方位的考慮，通過此種方式讓試驗結果在精準性方面得到合理保證。在具體開展試驗時，需要對進口壓力進行合理檢查，對于影響因素進行控制，讓其處在合理的范圍之內，從而讓噴水泵的運行模擬圖，在精準性方面得到合理保障。

3.2 壓縮機設計中CFD 方法的應用

壓縮機對于流動機械而言也是其中一項重要構成，不僅可以對于壓縮空氣進行運輸，還可以對氣體壓力進行提高等，同時需要應用CFD 方法，讓設計中的科學性得到合理實現，也讓流體機械在運行中的安全性以及穩定性得到保障。通常情況下，CFD 方法在具體應用時，要對缸壁以及活塞進行分別設置。其中，缸壁表示的主要方式是圓柱體，活塞是使用鋼壁的壁面，全部設置完成之后，需要對于曲柄角度進行合理控制，盡最大可能維持在180°的范圍，保證活塞可以自上而下的實現規律運動，從而對缸內的氣體實現逐步壓縮，活塞在運動到某種程度之后，就會一直停留在同一位置，曲柄角度如果發生360°變化時，就會回到最初的位置，運動全部結束之后，曲柄的角度會高達540°。

目前，應用CAD 的方法能夠對壓縮機進行合理設計，對于Cam bit 軟件應用的相對比較頻繁，可以對于壓縮機模型進行合理構建，并按照相應要求對其進行簡化，同時對于有關數據進行合理計算。在上述操作全部完成之后，需要利用FLUENT 軟件中的三維單精度求解器，針對數據進行合理分析，設計師對于所有數據必須進行嚴格把控，對于非穩定狀態之下的求解器要進行開啟，可以讓壓縮機模型在數據分析中的可靠性以及精準性得到合理提升[2]。

4 工程應用具體案例

4.1 圓弧凸包的通道流動

圓弧凸包通道，在具體應用過程當中范圍相對比較廣泛，因其自身一直保持凸起狀態，在機械設備應用中可以起到一定程度上的分流作用，因此要想對包通道在高度、壁面寬度方面展開一定的處理。按照通常習慣，可以將高度以及長度之間相互的比值設計成0.1，因為0.1 屬于一個安全性、可靠性相對比較高的系數，此外還由于馬赫數值為0.2，但是二者之間要維持小于的關系，由此才可以在具體流動過程當中，讓流速得到一個合理的保障，而且還能夠讓機械實現穩定運作的同時，保持在一個可控范圍之內。

4.2 葉輪內部流動情況分析

在拉法爾噴管的內部，主要是一些相對可靠性較高的內部零件之間實現交換，然后針對時機喉管以及其他噴管部位進行科學處理，導致馬赫數幅度變化范圍相對較大，由此可以有效保證對流體進行具體處理，是能夠對于沖擊量相對較大的流體進行合理適應，并最大程度上滿足實際應用過程中的安全需求。

葉輪機在流動時，幾個相對典型的工況如下：對于跨音速流動中的激波，需要進行精準的捕捉，然后對激波位置進行管控，由此讓激波接收過程得到合理保證，由于震動時前后幅度相對比較大，就需要在具體記錄時，有一個相對較大的可控范圍，由此就能夠讓相對誤差降到最低。

此外，以拉爾法噴管應用實例，需要考慮低速到高速的粘性流動過程中涉及到的有效性、可行性，由于粘性流動屬于控制度相對較高的一個部分，對于流體機械在進行處理時，要想獲得一個相對良好的效果，就需要對這一范圍進行科學合理的管控，可以利用網格的喉部以及壁面進行適當加密，從而實現這一效果[3]。

5 結語

綜上所述，CFD 主要用于對流體動力學進行計算，CFD主要是以電子計算機作為主要工具進行操作，并且在具體操作過程當中，會對數學方法進行結合，從而對于流體力學涉及的相關問題進行計算，除了在噴水泵以及壓縮機方面進行應用之外，在啟動馬達、風輪機、汽輪機等方面都有應用，在極大程度上體現出了CFD 方法自身的優越性。