計(jì)算流體力學(xué)及其在泵站工程等領(lǐng)域的應(yīng)用

李曉超，謝威威，鄭建喆，秦蓉，張浩

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.中國民航大學(xué)，天津 300300；3.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300133；4.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽474664)

0 引言

眾所周知，在自然界中像水、空氣等，受到任一微小剪切力能發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱之為流體。流體流動(dòng)過程中不可避免地會(huì)發(fā)生動(dòng)勢(shì)能等能量交換的復(fù)雜過程，研究并利用這種復(fù)雜的能量交換過程，有利于研發(fā)出更加先進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)。研究流體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科就稱之為流體力學(xué)，如泵與風(fēng)機(jī)等都是流體力學(xué)研究過程的產(chǎn)物，計(jì)算流體力學(xué)也是流體力學(xué)三個(gè)分支中的一個(gè)。

1 CFD技術(shù)

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fuid Dynamics，簡稱CFD，下同)源于航空航天領(lǐng)域中對(duì)飛行器的流場(chǎng)模擬。這門學(xué)科以經(jīng)典流體力學(xué)為基礎(chǔ)并結(jié)合了數(shù)值計(jì)算方法。與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和理論流體力學(xué)相比，其研究周期短、計(jì)算成本低，而且可以模擬多相流等復(fù)雜流場(chǎng)流動(dòng)且其內(nèi)部流動(dòng)“可視化”，可以通過數(shù)值模擬軟件觀測(cè)其流動(dòng)過程任一點(diǎn)的流動(dòng)狀態(tài)。此外，CFD技術(shù)不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，限制假設(shè)少，應(yīng)用范圍廣。CFD技術(shù)已被廣大專家學(xué)者應(yīng)用到各自領(lǐng)域的研究當(dāng)中，其可行性、精確性也得到了不斷驗(yàn)證與完善。CFD技術(shù)不僅可以作為研究工具，解釋理論分析結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)還能作為一種工程工具，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。

CFD技術(shù)是流體分析計(jì)算的一種新方法，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯。處理問題時(shí)可大大簡化條件，且還能對(duì)結(jié)果的計(jì)算精度進(jìn)行合理控制。通過CFD軟件的數(shù)值模擬，可計(jì)算、分析不同流體流動(dòng)工況下的各狀態(tài)參數(shù)，并為優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供便利。

CFD軟件主要有3部分即用來建模、劃分網(wǎng)格、添加邊界條件的前處理部分和利用模型和算法的求解器，再者就是對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理的后處理部分。建模軟件有NX、Auto CAD、SpaceClaim等軟件，具體根據(jù)不同人群的喜好和所畫圖形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇相應(yīng)的建模軟件。一個(gè)良好的數(shù)學(xué)模型是計(jì)算的基礎(chǔ)，不管用任何建模軟件都要確保所畫圖形無誤，才能進(jìn)行接下來的網(wǎng)格剖分和計(jì)算，如果圖形開始就被建錯(cuò)或者出現(xiàn)了錯(cuò)誤，等計(jì)算完才分析出來，將會(huì)大大浪費(fèi)不必要的時(shí)間。建好數(shù)學(xué)模型緊接著就要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分，剖分網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算而言十分重要。高質(zhì)量的網(wǎng)格可顯著提高計(jì)算效率和精度。目前技術(shù)比較成熟的網(wǎng)格剖分軟件有ICEM、GAMBIT、Gridgen、GridPro等，這些軟件盡管都是用來剖分網(wǎng)格的，但各有千秋，其界面、程序又互不相同。其中ICEM以其友好的操作界面、較靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的O型網(wǎng)格技術(shù)等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用較廣泛，被越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可。ICEM作為一種強(qiáng)大的前處理軟件，不僅可以為幾乎所有的主流CFD軟件(如FLUENT，CFX，STAR-CD，STAR-CCM+ )提供高質(zhì)量網(wǎng)格，還可用于完成多種計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，簡稱CAE)軟件(ANSYS，Nastran，Abaqus等)的前處理工作。此外FLUENT自帶網(wǎng)格剖分軟件MESHING借助FLUENT平臺(tái)也在不斷地發(fā)展、完善，正一步一步走向成熟，在CFD技術(shù)軟件中的應(yīng)用最為廣泛的FIUENT軟件，也在一定程度上帶動(dòng)了MESHING的發(fā)展。網(wǎng)格剖分完成后要設(shè)置好給定的邊界條件及相關(guān)參數(shù)，接下來就是利用針對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)、不同工況的不同算法和計(jì)算模型的求解器進(jìn)行計(jì)算求解，求解時(shí)要根據(jù)自身需要，選擇合適的算法和模型才能起到事半功倍的效果。其中，F(xiàn)LUENT軟件在求解過程中，可以把計(jì)算分為不可壓縮、輕度壓縮、高度壓縮等多種類型，且具有可選擇的物理模型較多，可區(qū)分判斷流體現(xiàn)象，除此之外，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格再次對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分、計(jì)算求解，可以得到更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。除了用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算求解，也有不少專家學(xué)者選擇CFX軟件，CFX軟件特別是對(duì)葉片內(nèi)部的多相流等復(fù)雜工況計(jì)算效果顯著，因此其應(yīng)用也很廣泛。求解計(jì)算完成后，可以選擇CFD-Post等后處理軟件分析模擬結(jié)果并結(jié)合自身需要生成不同位置的流速云圖、壓力云圖、流線圖等結(jié)果以供進(jìn)一步分析。

20世紀(jì)90年代中期以前，在泵站工程中進(jìn)行流動(dòng)分析的方法主要是一維的水力學(xué)方法，通常是使用經(jīng)驗(yàn)公式，來分別對(duì)泵站的各工況進(jìn)行計(jì)算，分析各部位的流動(dòng)狀態(tài)如流速、壓力等，工作復(fù)雜計(jì)算量大。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的CFD技術(shù)也在不斷地成長，這使得傳統(tǒng)的一維、二維等流動(dòng)分析方法成為了過去時(shí)。在泵站工程中，三維黏性流動(dòng)分析方法以其特有的優(yōu)點(diǎn)隨之逐漸成為流動(dòng)分析的主要方法，該方法連續(xù)方程和動(dòng)量方程為基本控制方程，采用有限體積法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行空間離散，然后求解代數(shù)方程組，從而得到各節(jié)點(diǎn)的流速及壓力分布，進(jìn)一步得到能量損失、壓力脈動(dòng)、流線等，從而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)泵站裝置效率、汽蝕性能及運(yùn)行穩(wěn)定性等參數(shù)動(dòng)態(tài)。數(shù)值模擬中還能通過對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的判斷，發(fā)現(xiàn)并解決泵站工程中存在的問題，還可進(jìn)一步優(yōu)化泵站的流道等部件的參數(shù)，提高泵站經(jīng)濟(jì)效益。

2 CFD技術(shù)在泵站工程技術(shù)中的應(yīng)用

眾所周知，中國是世界上泵站數(shù)量最多、規(guī)模最大、類型最豐富的國家，泵站在中國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，這也是該研究課題的背景之一。泵站是由流體流動(dòng)支配、固體結(jié)構(gòu)控制的高耗能流固耦合系統(tǒng)，其水力性能的好壞直接影響到泵站工程運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及其經(jīng)濟(jì)效益。CFD技術(shù)主要應(yīng)用于泵站過流部件的過流工況模擬計(jì)算，通過固定的模型和給出的條件，探究不同工況下的流動(dòng)狀態(tài)，從而不斷的優(yōu)化泵站結(jié)構(gòu)，提高自身經(jīng)濟(jì)效益。泵站過流部件主要由泵站進(jìn)出水流道和水泵轉(zhuǎn)輪三部分構(gòu)成。其中進(jìn)水流道的主要作用是使水流以最小的水力損失均勻且平順的流入葉輪，是連接前池和水泵的過渡性流道。按進(jìn)水方向可分為單向進(jìn)水流道和雙向進(jìn)水流道，按流道形狀又分為肘形進(jìn)水流道、鐘形進(jìn)水流道和簸箕形進(jìn)水流道。泵裝置即泵轉(zhuǎn)輪，主要是把電機(jī)發(fā)出的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能通過葉片與流體的相互作用，將能量傳遞給流體，從而滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求，將流體輸送到需要的地方。泵裝置的好壞直接關(guān)系到泵站效益，因此泵裝置為整個(gè)泵站工程的核心，但其工藝涉及材料、制造、運(yùn)行等多學(xué)科知識(shí)，且涉及多相流流動(dòng)，流動(dòng)狀況十分復(fù)雜。而泵站出水流道則主要是把水流平緩的導(dǎo)至下游，回收部分能量，進(jìn)一步降低能量損耗。主要有虹吸式出水流道、直管式出水流道、鐘形出水流道。

此外，由于泵站結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，泵站過流部件中常存在表面旋渦和附壁旋渦以及因工況變換過快引起的水力瞬變問題，影響水泵的效率、穩(wěn)定性及其汽蝕性能，甚至出現(xiàn)機(jī)組爆管等安全事故。水泵在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于其工況復(fù)雜，伴隨機(jī)組運(yùn)行常會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪音。因此，泵站裝置高效穩(wěn)定運(yùn)行需要各過流部件具有良好的水動(dòng)力性能，采用CFD技術(shù)對(duì)泵站過流部件進(jìn)行評(píng)估，對(duì)現(xiàn)有問題進(jìn)行研判，對(duì)保證泵站安全、高效和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。CFD技術(shù)應(yīng)用在泵站過流部件的數(shù)值模擬中，不僅計(jì)算方便，可以節(jié)省大量的人力物力，而且還能夠非常直觀地觀察到泵站內(nèi)部流動(dòng)任意點(diǎn)的流動(dòng)狀態(tài)。這大大加快了探索過程，非常有利于深入研究，以便采用合理制造參數(shù)，減小水力損失，提高能量利用效率。同時(shí)針對(duì)泵裝置而言，可以借助CFD技術(shù)替代傳統(tǒng)的分析，極大地減輕了計(jì)算負(fù)擔(dān)，而且對(duì)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的分析更加精準(zhǔn)，針對(duì)不同的運(yùn)行工況做出更準(zhǔn)確的判斷，在不停機(jī)的狀態(tài)下，通過數(shù)值模擬找到可能出現(xiàn)的問題，防患于未然。還能最大限度地避免機(jī)組運(yùn)行在不利工況下，從而減輕機(jī)組受到的損害。而且通過CFD技術(shù)，能不斷進(jìn)行虛擬的數(shù)值模擬試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，從而對(duì)泵站結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行改善，這大大節(jié)省了傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。尤其是在一些結(jié)構(gòu)老化和需要升級(jí)的泵站中，利用CFD技術(shù)可以用很小的時(shí)間等成本最快地得到最優(yōu)的方案。

3 CFD技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

CFD技術(shù)不僅僅局限于泵站工程領(lǐng)域，還應(yīng)用在其他各領(lǐng)域當(dāng)中，如薛琳婧探索了CFD技術(shù)在玻璃窯爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)建造玻璃窯爐不同，其通過CFD技術(shù)，對(duì)熔池內(nèi)玻璃液和火焰空間的數(shù)值模擬計(jì)算，分析其內(nèi)部流動(dòng)狀況，從而有針對(duì)性地改善玻璃窯爐設(shè)計(jì)，提高玻璃成品質(zhì)量。李家奧論述了CFD技術(shù)在人工光植物工廠的應(yīng)用。植物工廠投資成本較高且在中國起步較晚，就目前而言，CFD技術(shù)在植物工廠中并沒有得到廣泛應(yīng)用。但CFD技術(shù)可以對(duì)不同工況進(jìn)行模擬優(yōu)化，通過模擬不同氣流循環(huán)模式的風(fēng)口等布置方式，可不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算植物工廠內(nèi)溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。此外，CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以省去大量的人力物力，方便快捷又高效，其擁有巨大的應(yīng)用前景。楊祖杰探索了計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用。從CFD技術(shù)在流體噴射與分布、攪拌過程、換熱單元、膜分離過程、精餾塔的研究和設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)過程這六個(gè)方面中的應(yīng)用，詳細(xì)的介紹了計(jì)算流體力學(xué)對(duì)化學(xué)工程的影響。由于化學(xué)反應(yīng)具有其自身特殊性，原材料成本暫且不說，化學(xué)反應(yīng)大多為不可逆過程，且充滿危險(xiǎn)性，使用CFD計(jì)算軟件對(duì)其先進(jìn)性充分地?cái)?shù)值模擬，既能最大限度地完善試驗(yàn)方案，還可節(jié)約材料和時(shí)間等成本，同時(shí)還能針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問題不斷地進(jìn)行優(yōu)化。安程，李玉敏則研究了計(jì)算流體力學(xué)模擬在石窟文物保護(hù)中的優(yōu)化應(yīng)用。隨著對(duì)石窟寺石刻病害劣化與環(huán)境因素關(guān)系認(rèn)識(shí)的不斷深人，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)石窟區(qū)域及窟龕內(nèi)部進(jìn)行模擬，在中國石窟保護(hù)研究中的應(yīng)用已逐步展開?，F(xiàn)有應(yīng)用結(jié)果在體現(xiàn)了CFD技術(shù)優(yōu)勢(shì)、解決了保護(hù)工作部分實(shí)際問題的同時(shí)，也暴露了應(yīng)用目標(biāo)與應(yīng)用范圍模糊、與其它文物保護(hù)工作結(jié)合不夠緊密、缺少結(jié)果可信度判斷依據(jù)等問題。他們針對(duì)應(yīng)用中暴露出的問題，提出了解決方案，并以廣元干佛産摩屋造像保護(hù)建筑環(huán)境模擬為例，探討了石窟文物CFD模擬優(yōu)化應(yīng)用的方法。劉煥等以植物工廠為研究對(duì)象，通過CFD技術(shù)對(duì)上進(jìn)側(cè)出式布置的氣流循環(huán)模式方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)溫度測(cè)值的百分誤差為4%，速度測(cè)值的百分誤差為11%，說明模擬結(jié)果與實(shí)際吻合良好，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了3種優(yōu)化設(shè)計(jì)分別為側(cè)進(jìn)側(cè)出式、側(cè)進(jìn)側(cè)上出式、側(cè)進(jìn)上出式的氣流循環(huán)模式方案，經(jīng)數(shù)值模擬得側(cè)進(jìn)側(cè)出式整體氣流循環(huán)模式更適宜植物生長，還提出了以后的優(yōu)化研究方向。宋廣瑩在園林設(shè)計(jì)中將CFD技術(shù)引入到該區(qū)域,結(jié)合相應(yīng)的邊界條件、模型、控制方程等，對(duì)某高校周圍的夏冬兩季風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合行人熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，判斷其舒適度及布局是否合理，后又對(duì)傳統(tǒng)建筑的4種布局方式進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)分布的數(shù)值模擬，對(duì)比得出了點(diǎn)錯(cuò)式布置方式為最優(yōu)方案。作者還指出CFD技術(shù)十分的方便、高效且經(jīng)濟(jì)，有著大好前景。

此外，CFD技術(shù)還應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域，不再一一詳談。歸根結(jié)底，其原理都是利用CFD技術(shù)對(duì)其研究所涉及的流體領(lǐng)域(如血液、空氣)進(jìn)行計(jì)算處理、分析其流動(dòng)過程，從而大大促進(jìn)其研究進(jìn)程，更利于其課題研究。

4 結(jié)語

隨著CFX、FLUENT等各種仿真計(jì)算類型軟件的開發(fā)與應(yīng)用，將可以更好地應(yīng)對(duì)工程和研究中出現(xiàn)的復(fù)雜流動(dòng)問題，還可以針對(duì)工程中不同領(lǐng)域、不同復(fù)雜程度的問題，對(duì)軟件進(jìn)行不同區(qū)域模塊的整合，使自身模塊更適合不同特點(diǎn)下的流動(dòng)工況，即有針對(duì)性地提高軟件模塊，以達(dá)到專項(xiàng)專治的目的，使得泵站管理方可以有側(cè)重地選擇相應(yīng)功能，更高效地解決問題。就目前而言，軟件在工程領(lǐng)域的應(yīng)用程度還不高，也正如上文提到的那樣，很多專家學(xué)者正在積極地把這些軟件引用到自己的實(shí)際研究領(lǐng)域當(dāng)中去，前景是十分廣闊的！