CFD 方法在流体机械设计中的应用

2020-04-15马斐

机械管理开发 2020年11期

马斐

（贵州电子科技职业学院，贵州贵阳 550003）

引言

在我国科技水平不断提升的时代背景下，CFD已经成为流体机械设计中经常会应用到的重要技术手段，能够精确计算出低速、超音速之间产生的无粘合性流体情况，以及所表现出的物理特性，进而为流体机械设计提供精确的数据参考，使流体机械设计更加科学、合理。因此，从实际角度出发，分析CFD方法在流体机械设计中的应用情况是十分必要的。

1 CFD 方法概述

CFD 技术也被称为流体动力学的计算方法，在流体力学当中占据重要性地位，目前被广泛应用于工业机械设计中，这一方法在实际应用的过程中，通常是将计算机技术与数学相互结合，同时合理利用多种离散化数学方法，计算并全方位处理流体力学中可能会遇到的各种计算问题，是一种基于先进仪器完成的数值模拟，并结合实验数据建立起虚拟模型，为工业机械设计提供了精确的数据参考，常用的CFD 技术软件为FLUENT[1]。

1.1 CFD 数学模型

一般情况下，流体机械设计过程中往往需要设置科学的弯道，通常会采用不规则形态，减少弯道繁琐复杂引起的高冲击力，进而达到提高机械实用性、耐久性与可靠性的目的。除此之外，时间推进法在流体机械设计中也得到较好应用，在超音速、跨音速与亚音速等可压缩流动领域均得到了较好利用，且这种计算方法的准确率极高，可有效减少计算误差，通过对任意曲线坐标系中可压缩模型来进行内部流动的考核评估，加快CFD 方法的普及与应用，提高流体机械设计的科学性[2]。

1.2 CFD 计算方法

在CFD 技术中，通常会存在两种计算方法：

1）差分格式，在流体流动控制方程组求解的过程中，经常会遇到一些问题，为计算带来较大难度。差分格式的应用，能够在考虑前后流动体积关系的同时，利用这一格式，进行理想化流速分析，满足高精度格式求解要求，提高计算的精确性[3]。与此同时，利用差分格式这一计算方法，可以在求流体流动速度、控制方程的同时，精确考虑到体积运算的特性，为流体机械设计提供更多参考与影响因素，使CFD计算更为精准。

2）对于离散方程组求解，以往的程序设计中，隐式推进方法是最为常见的，但由于这一方法在时间求解上存在隐性关系，无法高效率、快速地完成矩阵求逆运算，产生这一情况的主要原因就在于计算机本身的运行单元速度较快，隐式推进方法具有时间复杂性特点，计算效率无法得到有效提升。因此，就CFD 程序而言，可以使用优恩和詹姆逊提出的计算方法，并不需要通过矩阵求逆运算来完成计算任务，内存低的计算机也可以完成，极大程度地节约了计算时间，在计算完成后也能够在CFD 进行修改，提高了CFD 的应用效率与普及程度[4]。基于上述算法分析，可以大致构建起一个程序编制框图，如下页图1 所示。

2 CFD 在流体机械设计中的具体应用

基于上述分析，CFD 方法是流体机械设计中经常会应用到的技术手段，是提高设计精确性的有效手段。这也就要求在设计期间，设计者根据实际情况，科学应用CFD 方式，为流体机械设计的科学合理性提供充足保证。

2.1 CFD 在喷水泵设计中的应用

图1 CFD 方法在流体机械设计中的程序编制框图

在流体机械中，喷水泵是十分重要的构成，而为了保证喷水泵设计的有效性，就需要充分利用CFD方法，提高设计质量。喷水泵在人们日常生活中也有所涉及，主要是单极轴流叶轮机械，由转子和定子构成，在设计时可以利用FLUENT 软件来完成计算，并建立起相对完善的物理模型，确保喷水泵设计的功能性、实用性都可以得到最高值[5]。具体设计大致可以分两个环节：第一，建立模型，为了充分发挥FLUENT 软件的作用，设计师应先利用软件，结合定子、转子片数对建立起的喷水泵模型进行分析，若是转子与定子都只有一个叶片，且转速能够达到1 200 r/min，就需要借助实验，对水流流动情况进行分析，应事先设置一个数据输入到FLUENT 中，而后建立喷水泵模型，根据实际需求进行简化处理，在达到简化要求后划分网络[6]。第二，计算数值环节，模型建立完成以后，需要结合模型的各项参数完成计算，FLUENT 软件中的三维单精度求解器会自动分析模型、计算数值，结合已经存在的明确指标，分析函数，完成喷水试验。整个试验期间，要以转子、定子运行情况为主要观察点，进而获得更为直接的数据作为参考。需要注意的是，喷水模拟试验中，还需要对喷水泵运行的外部环境进行设定，充分考虑到外部环境因素可能会对喷水试验产生的影响，借助这种方式来保证试验结果的精准性。若是在实际试验阶段，还要检查进口压力，控制影响因素，使其处于合理范围内，保证喷水泵运行模拟图的精确性。

2.2 CFD 在压缩机设计中的应用

压缩机也是流动机械的重要构成，可运输压缩空气、提高气体压力等，同样需要借助CFD 方法实现科学设计，为流体机械的安全、稳定运行提供保障。通常情况下，CFD 方法的应用，要分别设置活塞与缸壁。其中缸壁的表示方式为圆柱体，活塞则是运用壁面，设置完成以后，需要控制曲柄角度，尽可能在180°左右，保证活塞能够自上而下地规律运动，进而逐步压缩缸内气体，当活塞运动到一定程度并停留在一个位置上以后，曲柄角度变化为360°时，将会回归到初始位置，然而在运动结束以后，曲柄的角度会达到540°。目前，借助CFD 方法完成压缩机设计，主要会应用到Gambit 软件，可以构建起压缩机模型并根据指定要求，做好简化处理，同时计算有关数据。在完成上述操作以后，还需要借助FLUENT软件中的三维单精度求解器来进行分析，需要设计师严格把控各项数据，开启非稳定状态的求解器，能够确保压缩机模型数据分析的可靠性和准确性[7]。