CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

席會(huì)杰

金通靈科技集團(tuán)股份有限公司，中國(guó)·江蘇 南通 226001

1 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，CFD 方法在流體機(jī)械中得到了極為廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)流體機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在高性能方面的要求日益增多。例如，在中國(guó)和其他國(guó)家的一些工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中，如造船業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)等。同時(shí)，在公眾日常生活中也有較多應(yīng)用，如壓縮機(jī)、噴水泵等，CFD 方法的發(fā)展以及應(yīng)用，極大程度上促進(jìn)了中國(guó)工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程。因此，針對(duì)CFD 方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)工作中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，就目前現(xiàn)狀而言，具備十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 CFD 目前在中國(guó)和其他國(guó)家研究應(yīng)用的現(xiàn)狀

中國(guó)工業(yè)化由于發(fā)展起步相對(duì)較晚，CFD 方法發(fā)展相對(duì)不夠成熟，但是隨著中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，CFD 方法在應(yīng)用中的范圍也在日益擴(kuò)展，其中在工業(yè)、汽車、造船業(yè)、航空航天等方面應(yīng)用范圍越來越廣泛。在其他某些發(fā)達(dá)國(guó)家中，CFD 方法已經(jīng)獲取極為廣泛的應(yīng)用。由于工業(yè)化發(fā)展的實(shí)際需求，在20世紀(jì)后半葉，CFD 方法獲取了前所未有的高速發(fā)展。目前，在航空航天方面對(duì)于CFD 方法的應(yīng)用尤為廣泛，主要用于對(duì)航空機(jī)械進(jìn)行制造，因?yàn)楹娇蘸教焖貌考诰唧w制造時(shí)，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)的要求極高，而且航空航天在設(shè)計(jì)中有自身的獨(dú)特性質(zhì)，設(shè)計(jì)難度極大，普通的方法根本無法滿足航空航天在設(shè)計(jì)中的各種需求，不但經(jīng)濟(jì)費(fèi)用極高，也會(huì)耗費(fèi)大量的精力以及時(shí)間。因此，為了更好地解決此困難，其他國(guó)家的技術(shù)人員開始在航空航天的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)CFD 方法進(jìn)行應(yīng)用，從而開展仿真指導(dǎo)的機(jī)械設(shè)計(jì)[1]。

3 CFD 在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在流體機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，CFD 方法應(yīng)用范圍最為廣泛，可以極大程度上提升設(shè)計(jì)工作的精準(zhǔn)性以及有效性。因此，要求在具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)CFD 方法進(jìn)行合理應(yīng)用，從而讓流體機(jī)械設(shè)計(jì)在科學(xué)性、合理性方面得到保證。

3.1 噴水泵設(shè)計(jì)時(shí)CFD 的應(yīng)用

對(duì)于流體機(jī)械而言，噴水泵屬于其中一項(xiàng)重要組成，為了讓噴水泵在設(shè)計(jì)中的有效性得到科學(xué)合理的保證，就需要對(duì)于CFD 的方法進(jìn)行合理應(yīng)用，讓設(shè)計(jì)的質(zhì)量得到提升。公眾在日常生活中會(huì)用到噴水泵，噴水泵是單級(jí)軸的流葉輪機(jī)械，主要是由定子以及轉(zhuǎn)子結(jié)合構(gòu)成，在具體設(shè)計(jì)時(shí)可以使用FLUENT 軟件對(duì)計(jì)算進(jìn)行合理完成，然后構(gòu)建出物理模型，并對(duì)其進(jìn)行完善以及優(yōu)化，保證噴水泵在設(shè)計(jì)中的實(shí)用性以及功能性，都能夠得到最大限度地發(fā)揮。其中，在設(shè)計(jì)時(shí)可以分成兩個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1.1 對(duì)模型進(jìn)行建立

為了讓軟件的作用得到充分、有效的發(fā)揮，設(shè)計(jì)師需要先對(duì)軟件進(jìn)行應(yīng)用，再對(duì)定子以及轉(zhuǎn)子的片數(shù)予以合理結(jié)合，針對(duì)構(gòu)建完成的噴水泵模型展開科學(xué)合理的分析，如果定子以及轉(zhuǎn)子都只存在一個(gè)葉片，而且轉(zhuǎn)速每分鐘還能達(dá)到1200轉(zhuǎn)，就需要通過實(shí)驗(yàn)，針對(duì)水流的流動(dòng)情況進(jìn)行合理分析。

首先需要設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)，然后向軟件中進(jìn)行輸入，之后再對(duì)噴水泵模型進(jìn)行建立，按照具體需求對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化要求全部實(shí)現(xiàn)之后，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分。

3.1.2 對(duì)數(shù)值環(huán)節(jié)進(jìn)行合理計(jì)算

模型在全部構(gòu)建完成之后，要結(jié)合模型中的所有參數(shù)合理完成相應(yīng)的計(jì)算工作，軟件中的三維單經(jīng)度求解器，會(huì)對(duì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、對(duì)模型進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)存的指標(biāo)對(duì)函數(shù)進(jìn)行分析，從而完成噴水的實(shí)驗(yàn)。

具體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要觀察定子以及轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中的實(shí)際情況，從而獲得更直接有效的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行參考。此處需要注意的是，噴水模擬實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)噴水泵在外部運(yùn)行方面進(jìn)行合理設(shè)置，對(duì)于外部因素有可能會(huì)對(duì)噴水泵在試驗(yàn)中造成的各種影響進(jìn)行全方位的考慮，通過此種方式讓試驗(yàn)結(jié)果在精準(zhǔn)性方面得到合理保證。在具體開展試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)進(jìn)口壓力進(jìn)行合理檢查，對(duì)于影響因素進(jìn)行控制，讓其處在合理的范圍之內(nèi)，從而讓噴水泵的運(yùn)行模擬圖，在精準(zhǔn)性方面得到合理保障。

3.2 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中CFD 方法的應(yīng)用

壓縮機(jī)對(duì)于流動(dòng)機(jī)械而言也是其中一項(xiàng)重要構(gòu)成，不僅可以對(duì)于壓縮空氣進(jìn)行運(yùn)輸，還可以對(duì)氣體壓力進(jìn)行提高等，同時(shí)需要應(yīng)用CFD 方法，讓設(shè)計(jì)中的科學(xué)性得到合理實(shí)現(xiàn)，也讓流體機(jī)械在運(yùn)行中的安全性以及穩(wěn)定性得到保障。通常情況下，CFD 方法在具體應(yīng)用時(shí)，要對(duì)缸壁以及活塞進(jìn)行分別設(shè)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(shè)置完成之后，需要對(duì)于曲柄角度進(jìn)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(shí)現(xiàn)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)缸內(nèi)的氣體實(shí)現(xiàn)逐步壓縮，活塞在運(yùn)動(dòng)到某種程度之后，就會(huì)一直停留在同一位置，曲柄角度如果發(fā)生360°變化時(shí)，就會(huì)回到最初的位置，運(yùn)動(dòng)全部結(jié)束之后，曲柄的角度會(huì)高達(dá)540°。

目前，應(yīng)用CAD 的方法能夠?qū)嚎s機(jī)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)于Cam bit 軟件應(yīng)用的相對(duì)比較頻繁，可以對(duì)于壓縮機(jī)模型進(jìn)行合理構(gòu)建，并按照相應(yīng)要求對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)于有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，設(shè)計(jì)師對(duì)于所有數(shù)據(jù)必須進(jìn)行嚴(yán)格把控，對(duì)于非穩(wěn)定狀態(tài)之下的求解器要進(jìn)行開啟，可以讓壓縮機(jī)模型在數(shù)據(jù)分析中的可靠性以及精準(zhǔn)性得到合理提升[2]。

4 工程應(yīng)用具體案例

4.1 圓弧凸包的通道流動(dòng)

圓弧凸包通道，在具體應(yīng)用過程當(dāng)中范圍相對(duì)比較廣泛，因其自身一直保持凸起狀態(tài)，在機(jī)械設(shè)備應(yīng)用中可以起到一定程度上的分流作用，因此要想對(duì)包通道在高度、壁面寬度方面展開一定的處理。按照通常習(xí)慣，可以將高度以及長(zhǎng)度之間相互的比值設(shè)計(jì)成0.1，因?yàn)?.1 屬于一個(gè)安全性、可靠性相對(duì)比較高的系數(shù)，此外還由于馬赫數(shù)值為0.2，但是二者之間要維持小于的關(guān)系，由此才可以在具體流動(dòng)過程當(dāng)中，讓流速得到一個(gè)合理的保障，而且還能夠讓機(jī)械實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)作的同時(shí)，保持在一個(gè)可控范圍之內(nèi)。

4.2 葉輪內(nèi)部流動(dòng)情況分析

在拉法爾噴管的內(nèi)部，主要是一些相對(duì)可靠性較高的內(nèi)部零件之間實(shí)現(xiàn)交換，然后針對(duì)時(shí)機(jī)喉管以及其他噴管部位進(jìn)行科學(xué)處理，導(dǎo)致馬赫數(shù)幅度變化范圍相對(duì)較大，由此可以有效保證對(duì)流體進(jìn)行具體處理，是能夠?qū)τ跊_擊量相對(duì)較大的流體進(jìn)行合理適應(yīng)，并最大程度上滿足實(shí)際應(yīng)用過程中的安全需求。

葉輪機(jī)在流動(dòng)時(shí)，幾個(gè)相對(duì)典型的工況如下：對(duì)于跨音速流動(dòng)中的激波，需要進(jìn)行精準(zhǔn)的捕捉，然后對(duì)激波位置進(jìn)行管控，由此讓激波接收過程得到合理保證，由于震動(dòng)時(shí)前后幅度相對(duì)比較大，就需要在具體記錄時(shí)，有一個(gè)相對(duì)較大的可控范圍，由此就能夠讓相對(duì)誤差降到最低。

此外，以拉爾法噴管應(yīng)用實(shí)例，需要考慮低速到高速的粘性流動(dòng)過程中涉及到的有效性、可行性，由于粘性流動(dòng)屬于控制度相對(duì)較高的一個(gè)部分，對(duì)于流體機(jī)械在進(jìn)行處理時(shí)，要想獲得一個(gè)相對(duì)良好的效果，就需要對(duì)這一范圍進(jìn)行科學(xué)合理的管控，可以利用網(wǎng)格的喉部以及壁面進(jìn)行適當(dāng)加密，從而實(shí)現(xiàn)這一效果[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，CFD 主要用于對(duì)流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，CFD主要是以電子計(jì)算機(jī)作為主要工具進(jìn)行操作，并且在具體操作過程當(dāng)中，會(huì)對(duì)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行結(jié)合，從而對(duì)于流體力學(xué)涉及的相關(guān)問題進(jìn)行計(jì)算，除了在噴水泵以及壓縮機(jī)方面進(jìn)行應(yīng)用之外，在啟動(dòng)馬達(dá)、風(fēng)輪機(jī)、汽輪機(jī)等方面都有應(yīng)用，在極大程度上體現(xiàn)出了CFD 方法自身的優(yōu)越性。