1國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的工業(yè)發(fā)展起步比較晚，CFD技術(shù)的發(fā)展也并不成熟，但是隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，其中航空航天、造船業(yè)、汽車工業(yè)等方面的應(yīng)用尤其廣泛。CFD技術(shù)的應(yīng)用在國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。由于工業(yè)發(fā)展的需要，CFD技術(shù)在20世紀(jì)后半葉得到了飛速地發(fā)展。CFD技術(shù)主要是應(yīng)用于航空航天方面的機(jī)械制造等，在航空航天的部件機(jī)械制造上面，對于機(jī)械設(shè)計(jì)的需求非常大，而且航空航天由于其設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，設(shè)計(jì)難度非常大，一般的方法無法滿足航空航天的機(jī)械設(shè)計(jì)，不但費(fèi)用高，也會花費(fèi)很多的時(shí)間和精力。因此為了解決這個(gè)困難，國外的技術(shù)人員逐漸將CFD技術(shù)應(yīng)用到航空航天的機(jī)械設(shè)計(jì)上進(jìn)行仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例分析

2.1CFD方法在噴水泵中的應(yīng)用

CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常廣泛，本文以噴水泵為例談?wù)凜FD方法的應(yīng)用。噴水泵是一種輸送液體水的工具，生活中比較典型的是單極軸流葉輪機(jī)械。噴水泵主要是由轉(zhuǎn)子和靜子組成，F(xiàn)LUENT是最常用的CFD技術(shù)應(yīng)用軟件之一，此次案例分析就以FLUENT軟件進(jìn)行。對于CFD技術(shù)的應(yīng)用可以從以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

2.1.1建模型

FLUENT軟件應(yīng)用首先需要建立一個(gè)模型。案例分析的噴水泵的模型是由6片轉(zhuǎn)子和10片靜子組成，模型相對比較簡單，計(jì)算水流流動的問題可以僅僅從轉(zhuǎn)子和靜子之間考慮，假設(shè)轉(zhuǎn)子和靜子都只有一個(gè)葉片，轉(zhuǎn)速均為1200r/min，假設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的壓力為1atm。設(shè)定好之后就可以在FLUENT軟件中開始建模，并且將初步建立的模型進(jìn)行簡化，簡化到一定程度后就可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分以及設(shè)置。

2.1.2進(jìn)行數(shù)值計(jì)算

完成噴水泵的模型設(shè)計(jì)后，就要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在FLUENT軟件中設(shè)定三維單精度求解器，然后在這個(gè)求解器上選擇計(jì)算模型，噴水泵的計(jì)算模型為模型。然后在軟件上選擇標(biāo)準(zhǔn)近壁函數(shù)以及混合面來對噴水泵進(jìn)行噴水時(shí)，轉(zhuǎn)子和靜子運(yùn)動的現(xiàn)象進(jìn)行模擬。模擬的過程中要對邊界條件進(jìn)行設(shè)置。邊界條件設(shè)置需要分別對轉(zhuǎn)子和靜子進(jìn)行設(shè)置，將轉(zhuǎn)子的流體狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，主要是對它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置為1000r/min，對靜子則只需設(shè)置液體狀態(tài)即可。為保持噴水泵進(jìn)口的壓力條件，則將總壓設(shè)置為0，在湍流水平則要進(jìn)行保持缺省的設(shè)置。除了進(jìn)口壓力，還要對出口壓力進(jìn)行檢查，并對外壁條件設(shè)置為邊界條件。設(shè)置完邊界條件，就可以使用分離變量求解器對噴水泵的轉(zhuǎn)速等數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，再利用FLUENT軟件中的3D技術(shù)進(jìn)行處理，從而得到一個(gè)比較真實(shí)的噴水泵運(yùn)行模擬圖。

2.1.3性能模擬測試

完成上述兩個(gè)步驟之后，需要對噴水泵的性能進(jìn)行模擬測試。為了探究噴水泵的工作性能，設(shè)計(jì)出高性能的噴水泵，需要對噴水泵的內(nèi)部流動進(jìn)行一些探究。噴水泵的性能模擬需要進(jìn)行數(shù)值模擬，提供準(zhǔn)確的泵體和葉輪數(shù)值，并且將它們作為整體進(jìn)行一定的數(shù)值分析。旋轉(zhuǎn)的葉輪區(qū)域可以在相對坐標(biāo)下建立一個(gè)控制方程組，對進(jìn)出水管以及泵體組成區(qū)域進(jìn)行絕對坐標(biāo)系下的控制方程組求解，再通過雙參考系下的流動進(jìn)行性能檢測計(jì)算。在檢測過程中，需要使得相對以及絕對的動靜交界面耦合滿足絕對的物理量相等。

2.2CFD方法在壓縮機(jī)上的應(yīng)用

壓縮機(jī)是一種輸送壓縮氣體并且提高氣體壓力的一種機(jī)器。案例分析一個(gè)比較簡單的三維缸內(nèi)幾何機(jī)構(gòu)的壓縮機(jī)，它由缸壁和活塞組成。缸壁是由一個(gè)圓柱體來表示，而活塞則由運(yùn)動壁面來表示。首先設(shè)置相應(yīng)的曲柄角度，一般可以設(shè)置為180°，讓活塞從下死點(diǎn)網(wǎng)上進(jìn)行運(yùn)動，并且慢慢地將缸內(nèi)的流體進(jìn)行壓縮。當(dāng)活塞往上運(yùn)動至上死點(diǎn)，也就是當(dāng)曲柄角度達(dá)到360°的時(shí)候，活塞又會重新回到原來的起點(diǎn)位置，但是在曲柄角度轉(zhuǎn)到540°時(shí)才完成一個(gè)完整的循環(huán)。

2.2.1建立模型

在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用Gambit軟件來建立一個(gè)關(guān)于壓縮機(jī)的簡化模型，再按照一定的簡化步驟繼續(xù)簡化，直到壓縮機(jī)的模型網(wǎng)格劃分和設(shè)置通過簡化后。

2.2.2數(shù)值計(jì)算

完成壓縮機(jī)的模型設(shè)計(jì)后，運(yùn)用FLUENT三維軟件來對壓縮機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在FLUENT軟件中設(shè)定三維單精度求解器，然后在求解器上選擇計(jì)算模型。進(jìn)行模型設(shè)置時(shí)，需要啟動非穩(wěn)態(tài)的求解器。然后對網(wǎng)格進(jìn)行運(yùn)動設(shè)置，這個(gè)過程中，需要激活動網(wǎng)格的運(yùn)動以及說明的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些參數(shù)設(shè)置的設(shè)置需要能夠說明壓縮機(jī)中的相鄰壁面和活塞頂部的流體區(qū)域以及活塞上部鋪層的網(wǎng)格運(yùn)動，還要說明活塞運(yùn)動狀態(tài)，并且對這些數(shù)值進(jìn)行求解。

3結(jié)語

CFD是一種計(jì)算流體動力學(xué)的方法，CFD以電子計(jì)算機(jī)為主要操作工具，并在操作過程中結(jié)合數(shù)學(xué)方法計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)問題。CFD技術(shù)在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常廣泛，除了噴水泵外還有汽輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、氣動馬達(dá)等，本次案例對于CFD技術(shù)在噴水泵以及壓縮機(jī)上的應(yīng)用，可以很好地體會到CFD技術(shù)的優(yōu)越性。

作者：嚴(yán)慶生 單位：冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲洗選廠