探究CFD方法在流体机械设计中的应用

探究CFD方法在流体机械设计中的应用

邵俊

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摘要：现今我国工业领域不断进步，许多工业领域的行业离不开流体机械的应用，而CFD技术能够在我国工业化领域中得到很好的开发与因共用，并且，CFD技术在人们的日常生活中也运用到很多的设备中，比如压缩机、水泵等，我国现代化工业领域的发展离不开CFD技术支撑。本文主要探究了CFD方法在流体机械设计中的应用，以供参考。

关键词：CFD方法；流体机械设计；应用

引言：CFD作为目前我国工业领域不可缺少的一项技术，我国研究人员应该加强对CFD技术的开发，把提高准确性和精确度作为首要的发展方向，进而推进我国工业领域的全面进步。未来流体机械的运用将会越来越多，而CFD技术更是重中之重，希望有关单位能够提高这方面的重视，使CFD技术的应用更加广泛。

一、CFD技术的概述

CFD技术在工业领域中处于非常重要的地位，其主要是用来计算流体动力学，是流体动力学领域中不可或缺的一部分。目前我国的工业领域中还没有任何一项技术能够替代CFD技术，CFD技术是流体力学分析中比较依赖的工具，目前在流体动力学发展过程中存在比较多的难题，CFD技术可以将计算机与数学计算结合起来，解决相关难题。在具体的分析中，任何运动出现的流体都要遵循一定的规律，而研究人员在进行流体力学的研究时，也应该遵循相应的规律。流体运动非常容易受到外界因素的影响，并且产生一些相对的变化，而CFD技术的应用，将会直接解决流体力学受外界因素的干扰。

二、CFD方法在流体机械设计中应用的优越性

CFD也叫计算流体动力学，计算流体力学是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个新分支。

研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟。对叶轮机械、喷管、管道等内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验受到了很大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分析与实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科—CFD，即计算流体动力学。近年来，随着高速、大容量、低价格计算机的相继出现，以及CFD方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用CFD方法用计算机代替试验装置和“计算试验”的现实前景。CFD方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。

人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟成为可能，CFD方法将在一定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，人们深信CFD方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说CFD方法为流体机械设计提供了新的途径。

三、CFD方法在流体机械设计中的应用

1、CFD在水泵设计中应用

相关调查结果显示，在流体机械领域中CFD技术得到广泛的应用，其中水泵就是一个典型的代表，水泵作为一种比较普通的流体机械，使CFD技术可以得到很好的应用。水泵的主要作用就是作为水的运载工具，进行传输。在水泵设计和分析过程中，CFD技术的应用软件有很多种，FLUENT就是其中比较常见的一种应用软件，一般情况下只要涉及到CFD技术都可以使用FLUENT软件，其主要作用就是使物理模型更加的具体和准确。同时FLUENT的后处理能力也比较强，在水泵的设计中运用FLUENT可以加强水泵的稳定性和可靠性。

在进行水泵的设计时，运用FLUENT软件可以很好的发挥其作用，使水泵的物理构建模型更加的完善。在设计人员对水泵进行设计时，可以将提前计算好的数据加载到FLUENT软件中，然后对其进行分析，构建出完整的模型，最后在进行简易化处理，只有简易化之后的模型才能被应用于后续的网格设置中。在模型建立好初始模型之后，要根据其构造以及水泵的数据进行数学计算。这时候就要运用到FLUENT软件中求解器来进行计算。三维求解器中有较多的计算模型，应该从中挑选出适合水泵的，在进行数学计算。在计算结束后，要进行喷水实验，由于静子和转子在工作中的运动情况不容易进行分析，所以需要采用混合面。此外，由于流体运动非常容易受到外界因素的影响，所以在进行实验时，应该采取相应的措施，比如创建环境条件，如果盲目的在外界进行实验，将会大大影响最终的实验结果。除了外界因素还有一个需要考虑到的问题就是进口压力。当以上条件全部满足以后，就可以使用FLUENT软件完成最后的操作，把最接近真实的喷射泵模拟图绘制出来。

2、CFD在压缩机设计中应用

压缩机主要由活塞组织与气缸壁构成，作为一种代表性的流体机械存在，主要作用于能量气体的压缩、输送，以此达到能量转化、使用的目的。在高速运转制冷的过程中，压缩机内部气体流动异常复杂，涉及气体压力损失、压力脉动、速度分布等的精准运算。传统的运算方法不仅存在诸多计算漏洞，更难以直观而精准地反映压缩机内部情况。CFD方法则可以结合压缩机作业原理及性能，通过对效率、p-v图等的比较，快速建立三维模型，以最直观的方式精确反映出压缩机内部的热力学过程以及气体流动状况。以此促使设计人员能够结合压缩机内部流场情况，提出进一步的机械设计完善方向。在应用CFD方法进行压缩机设计时，要求设计人员必须提前对压缩机内部活塞、缸壁进行设计，以运动壁面表示活塞、以圆柱体表示缸壁。并将曲柄角度设定在180°，以便于活塞在自上而下物理运动的过程中，逐步对缸体内气体进行施压。其实施过程中的步骤包括建立物理模型、明确计算区域、产生网格、选择求解方法、设置模型参数、计算求解，最后，以结果形式得出相应的图表、数据。

四、CFD方法在流体机械设计中运用的发展趋势

目前，网格生成技术已经成熟，可以生成高质量的网格，但还需要进一步完善，有必要打破CFD计算结果对网格的依赖。网格生成技术的发展方向：①几何建模系统、化工过程仿真软件、智能制造系统和电网自动发电系统的集成已成为必然趋势，使整个过程更加高效。②网格生成需要智能化，多网格加速需要提高收敛速度和稳定性。③网格需要多种算法的结合，即算法要具有较高的通用性、可靠性和效率，并尽量减少人为干扰。④使生成的自适应网格能够完全“自适应”，建立高效、准确、灵活、方便的复杂网格技术是网格划分技术发展的必然趋势，是基于CFD的集成技术发展的必然趋势。根据CFD软件提供的可靠的流场分析结果，通过优化、逆向设计、与CAD/UG/PROE、CAM模块的神经网络集成，基于CFD技术，结合多目标优化标准，多学科约束，收敛速度和合理结果，筛选出解决方案，使优化设计中的试错过程更加合理，快速，准确。强调了诸如Hysis或Aspen之类的工业过程仿真软件，建立一个集成平台，使整个设计过程更加合理，设备结构更加优化，节能减排更加达标。针对不同机械应用场合的不同特点，建立了专门的分析模块。

五、结束语

综上所述，灵活使用CFD方法能够有效提升流体机械设计效果，对于其后续应用质量的提高有着积极的促进作用。基于此，相关设计人员应当加强对于CFD方法的重视，进而切实展现出实际效果，推动设计成效的进一步提升。

参考文献

[1]梁孟.试论流体机械中CFD技术的应用进展与趋势[J].建材与装饰，2018（51）：196.

[2]马斐.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].机械管理开发，2020，35（11）：291-292.

[3]吴宏飞，王晓锋，邓强.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].科学与财富，2021（21）：140-141.