梁 孟

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院）

伴隨著我國工業(yè)化腳步的不斷發(fā)展，包括航空和石油化工等在內的許多工業(yè)制造領域對流體機械的需要越來越多[1]。CFD技術在國內的現(xiàn)代化工業(yè)中得到了廣泛的關注和應用。同時，該項技術在日常生活中也有許多的應用，如噴水泵、壓縮機等等。無論從哪個角度來評估CFD技術，其都在工業(yè)領域的發(fā)展中起到了不可或缺的作用。

1 CFD技術的概念

CFD也叫計算流體動力學，是一種用來計算流體動力學的方法，在工業(yè)機械設計中處于主要地位，是流體力學領域中的重要組成部分[2]。CFD技術是數(shù)值數(shù)學和計算機科學結合的發(fā)展產物，屬于邊緣學科的一種，但其無論在數(shù)學領域還是計算機領域均具有強大的生命力，沒有任何一項技術能夠取代CFD技術。電子計算機是CFD使用時依賴的工具，并且在實際操作過程中和數(shù)學計算和電子計算機聯(lián)合使用，以便解決在流體力學計算中出現(xiàn)的各種障礙。主要流程為首先利用相關的科學儀器進行數(shù)學模擬實驗，根據(jù)模擬實驗的結果構建虛擬模型，同時根據(jù)構建的虛擬模型開展具體的研究，從而實現(xiàn)利用數(shù)學計算和電子計算機聯(lián)合解決流體力學問題的目的。FLUENT是CFD技術常用的軟件。在現(xiàn)實工作中，流體當任何運動都是遵循一定的自然規(guī)律的，并不是隨機運動，因此，再利用CFD技術對流體力學進行研究時，也應該遵循一定的自然規(guī)律。常用的自然規(guī)律包括如下幾種：能量守恒定律、質量守恒定律、動量守恒定律等。此外，外界因素的影響非常容易干擾流體的運動，并且流體運動會因此發(fā)生一系列的變化，CFD技術的出現(xiàn)，則克服了外界因素對流體運動的干擾。CFD技術的基礎就是數(shù)學計算和流體力學，首先通過先進的科學計算機程序對數(shù)據(jù)進行研究分析，然后根據(jù)研究結果建立離散型數(shù)字模型，最后通過對離散型數(shù)字模型的分析來達到計算的目的。

2 CFD技術的應用

2.1 CFD在噴水泵設計中的應用

相關報道顯示，CFD技術在流體機械領域中應用廣泛。噴水泵是一類流體機械，因此，可以在噴水泵設計中引用CFD技術。噴水泵的主要用途就是對水進行傳遞和輸送。目前生活中常用的噴水泵是由靜子與轉子組成的單極軸流葉輪機械。FLUENT是CFD技術中一種常見的應用軟件，但凡涉及流體機械的設計都可以利用FLUENT軟件[3]。FLUENT的優(yōu)點為構建物理模型時更加完善，并且提高數(shù)學計算的準確度。同時FLUENT的處理功能也很強大，利用FLUENT軟件可以使噴水泵的設計更加可靠。噴水泵設計的主要過程包括建立模型和數(shù)值計算。

在噴水泵的設計中，有了模型FLUENT軟件才能發(fā)揮其關鍵的作用，因此，構建模型是噴水泵設計中的一個重要環(huán)節(jié)。構建模型的主要過程就是分析轉子和靜子的片數(shù)，假設靜子葉片為1個，轉子葉片也為1個，轉速為每分鐘1200rpm，設計假設實驗時，要將事先設計好的數(shù)據(jù)導入到FLUENT軟件中，就可以對水流流動問題進行分析，建立模型。建立模型后，還要對模型進行一定的簡易化，簡化后的模型用于后續(xù)的網格設置和網絡劃分[4]。

建立模型結束后，要根據(jù)建立好的模型進行數(shù)學計算。這時應用的程序為FLUENT軟件中三維單精度求解器。三維單精度求解器中有許多計算模型，我們可以根據(jù)需要選擇適合的模型，然后依據(jù)參考標準開始進行函數(shù)分析。進行噴水實驗時，要選擇混合面，以便分析靜子和轉子在工作時的運動情況。此外，由于外界環(huán)境因素極易影響流體運動，因此在模擬試驗中，還要設置外界環(huán)境條件，如果不設置此項，則會影響最終的測試結果。進口壓力是除了環(huán)境因素以外還要考慮的一個重要問題。當上述所有條件都滿足后，就可以利用FLUENT軟件中的3D技術開始數(shù)學計算，最終繪畫出較為真實的噴水泵運行模擬圖。

2.2 CFD在壓縮機設計中的應用

壓縮機的主要作用就是壓縮氣體以便輸送，提升氣體壓力，也屬于一類流體機械。在壓縮機的設計中也可以使用CFD技術。在CFD技術的使用過程中，需要對壓縮機的活塞和缸壁進行設定。運動壁面表示活塞，圓柱體表示缸壁。無特殊情況，設置曲柄角度為180°?；钊ㄟ^自下而上的運動對缸壁內的氣體進行壓縮。當曲柄角度達到360°或活塞壓縮一定程度后，活塞再一次回到原先的位點，同時曲柄角度由180°變成而是540°。壓縮機設計的主要過程包括建立模型和數(shù)值計算。

Gambit軟件也是CFD技術中一種常見的軟件，而壓縮機模型的構建就是應用這種軟件。同噴水泵設計相同，利用Gambit軟件進行壓縮機模型構建后也要進行適宜的簡易化[5]。壓縮機模型簡易化過程需要嚴格執(zhí)行相關程序，簡化結束后的模型便于進行網格設置和網絡劃分。

利用Gambit軟件進行壓縮機模型構建后，就可以進行數(shù)學計算了。數(shù)學計算使用的程序也是FLUENT三維軟件中的三維單精度求解器，保證了壓縮機模型分析的牢靠行和準確率[6]。

3 CFD技術的未來發(fā)展

（1）將流場的數(shù)學模擬和流體機械的設計很好的結合可以實現(xiàn)優(yōu)化設計計算系統(tǒng)的效果。

（2）目前CFD技術對網格生成技術依賴較大，雖然目前網格生成技術是一項較為成熟的技術，但未來仍需進一步提高。

（3）目前云計算是一種新型的網絡技術，雖然目前該項技術發(fā)展尚不成熟，但未來依靠云計算，CFD技術的計算能力一定會大大提高。

（4）要不管的學習外國的成功經驗，在計算機上對CFD數(shù)值進行分析、模擬及評估，評價其準確性和精確性。目前CFD精確性的評估是一個需要解決的問題，未來需要完善CFD技術的V＆V評判體系，提高CFD評估的精確性。

綜上所述，CFD技術是一種用來計算流體動力學的方法，其主要操作工具為計算機，并且在操作過程中將數(shù)學計算和流體力學計算相結合未來CFD技術在流體機械的發(fā)展方向，CFD的發(fā)展會越來越引起相關研發(fā)部門的重視，從而實現(xiàn)廣泛應用。