馬 斐

（貴州電子科技職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

引言

在我國科技水平不斷提升的時代背景下，CFD已經(jīng)成為流體機(jī)械設(shè)計中經(jīng)常會應(yīng)用到的重要技術(shù)手段，能夠精確計算出低速、超音速之間產(chǎn)生的無粘合性流體情況，以及所表現(xiàn)出的物理特性，進(jìn)而為流體機(jī)械設(shè)計提供精確的數(shù)據(jù)參考，使流體機(jī)械設(shè)計更加科學(xué)、合理。因此，從實際角度出發(fā)，分析CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用情況是十分必要的。

1 CFD 方法概述

CFD 技術(shù)也被稱為流體動力學(xué)的計算方法，在流體力學(xué)當(dāng)中占據(jù)重要性地位，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械設(shè)計中，這一方法在實際應(yīng)用的過程中，通常是將計算機(jī)技術(shù)與數(shù)學(xué)相互結(jié)合，同時合理利用多種離散化數(shù)學(xué)方法，計算并全方位處理流體力學(xué)中可能會遇到的各種計算問題，是一種基于先進(jìn)儀器完成的數(shù)值模擬，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)建立起虛擬模型，為工業(yè)機(jī)械設(shè)計提供了精確的數(shù)據(jù)參考，常用的CFD 技術(shù)軟件為FLUENT[1]。

1.1 CFD 數(shù)學(xué)模型

一般情況下，流體機(jī)械設(shè)計過程中往往需要設(shè)置科學(xué)的彎道，通常會采用不規(guī)則形態(tài)，減少彎道繁瑣復(fù)雜引起的高沖擊力，進(jìn)而達(dá)到提高機(jī)械實用性、耐久性與可靠性的目的。除此之外，時間推進(jìn)法在流體機(jī)械設(shè)計中也得到較好應(yīng)用，在超音速、跨音速與亞音速等可壓縮流動領(lǐng)域均得到了較好利用，且這種計算方法的準(zhǔn)確率極高，可有效減少計算誤差，通過對任意曲線坐標(biāo)系中可壓縮模型來進(jìn)行內(nèi)部流動的考核評估，加快CFD 方法的普及與應(yīng)用，提高流體機(jī)械設(shè)計的科學(xué)性[2]。

1.2 CFD 計算方法

在CFD 技術(shù)中，通常會存在兩種計算方法：

1）差分格式，在流體流動控制方程組求解的過程中，經(jīng)常會遇到一些問題，為計算帶來較大難度。差分格式的應(yīng)用，能夠在考慮前后流動體積關(guān)系的同時，利用這一格式，進(jìn)行理想化流速分析，滿足高精度格式求解要求，提高計算的精確性[3]。與此同時，利用差分格式這一計算方法，可以在求流體流動速度、控制方程的同時，精確考慮到體積運(yùn)算的特性，為流體機(jī)械設(shè)計提供更多參考與影響因素，使CFD計算更為精準(zhǔn)。

2）對于離散方程組求解，以往的程序設(shè)計中，隱式推進(jìn)方法是最為常見的，但由于這一方法在時間求解上存在隱性關(guān)系，無法高效率、快速地完成矩陣求逆運(yùn)算，產(chǎn)生這一情況的主要原因就在于計算機(jī)本身的運(yùn)行單元速度較快，隱式推進(jìn)方法具有時間復(fù)雜性特點，計算效率無法得到有效提升。因此，就CFD 程序而言，可以使用優(yōu)恩和詹姆遜提出的計算方法，并不需要通過矩陣求逆運(yùn)算來完成計算任務(wù)，內(nèi)存低的計算機(jī)也可以完成，極大程度地節(jié)約了計算時間，在計算完成后也能夠在CFD 進(jìn)行修改，提高了CFD 的應(yīng)用效率與普及程度[4]?；谏鲜鏊惴ǚ治觯梢源笾聵?gòu)建起一個程序編制框圖，如下頁圖1 所示。

2 CFD 在流體機(jī)械設(shè)計中的具體應(yīng)用

基于上述分析，CFD 方法是流體機(jī)械設(shè)計中經(jīng)常會應(yīng)用到的技術(shù)手段，是提高設(shè)計精確性的有效手段。這也就要求在設(shè)計期間，設(shè)計者根據(jù)實際情況，科學(xué)應(yīng)用CFD 方式，為流體機(jī)械設(shè)計的科學(xué)合理性提供充足保證。

2.1 CFD 在噴水泵設(shè)計中的應(yīng)用

圖1 CFD 方法在流體機(jī)械設(shè)計中的程序編制框圖

在流體機(jī)械中，噴水泵是十分重要的構(gòu)成，而為了保證噴水泵設(shè)計的有效性，就需要充分利用CFD方法，提高設(shè)計質(zhì)量。噴水泵在人們?nèi)粘Ｉ钪幸灿兴婕?，主要是單極軸流葉輪機(jī)械，由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，在設(shè)計時可以利用FLUENT 軟件來完成計算，并建立起相對完善的物理模型，確保噴水泵設(shè)計的功能性、實用性都可以得到最高值[5]。具體設(shè)計大致可以分兩個環(huán)節(jié)：第一，建立模型，為了充分發(fā)揮FLUENT 軟件的作用，設(shè)計師應(yīng)先利用軟件，結(jié)合定子、轉(zhuǎn)子片數(shù)對建立起的噴水泵模型進(jìn)行分析，若是轉(zhuǎn)子與定子都只有一個葉片，且轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到1 200 r/min，就需要借助實驗，對水流流動情況進(jìn)行分析，應(yīng)事先設(shè)置一個數(shù)據(jù)輸入到FLUENT 中，而后建立噴水泵模型，根據(jù)實際需求進(jìn)行簡化處理，在達(dá)到簡化要求后劃分網(wǎng)絡(luò)[6]。第二，計算數(shù)值環(huán)節(jié)，模型建立完成以后，需要結(jié)合模型的各項參數(shù)完成計算，F(xiàn)LUENT 軟件中的三維單精度求解器會自動分析模型、計算數(shù)值，結(jié)合已經(jīng)存在的明確指標(biāo)，分析函數(shù)，完成噴水試驗。整個試驗期間，要以轉(zhuǎn)子、定子運(yùn)行情況為主要觀察點，進(jìn)而獲得更為直接的數(shù)據(jù)作為參考。需要注意的是，噴水模擬試驗中，還需要對噴水泵運(yùn)行的外部環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，充分考慮到外部環(huán)境因素可能會對噴水試驗產(chǎn)生的影響，借助這種方式來保證試驗結(jié)果的精準(zhǔn)性。若是在實際試驗階段，還要檢查進(jìn)口壓力，控制影響因素，使其處于合理范圍內(nèi)，保證噴水泵運(yùn)行模擬圖的精確性。

2.2 CFD 在壓縮機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用

壓縮機(jī)也是流動機(jī)械的重要構(gòu)成，可運(yùn)輸壓縮空氣、提高氣體壓力等，同樣需要借助CFD 方法實現(xiàn)科學(xué)設(shè)計，為流體機(jī)械的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。通常情況下，CFD 方法的應(yīng)用，要分別設(shè)置活塞與缸壁。其中缸壁的表示方式為圓柱體，活塞則是運(yùn)用壁面，設(shè)置完成以后，需要控制曲柄角度，盡可能在180°左右，保證活塞能夠自上而下地規(guī)律運(yùn)動，進(jìn)而逐步壓縮缸內(nèi)氣體，當(dāng)活塞運(yùn)動到一定程度并停留在一個位置上以后，曲柄角度變化為360°時，將會回歸到初始位置，然而在運(yùn)動結(jié)束以后，曲柄的角度會達(dá)到540°。目前，借助CFD 方法完成壓縮機(jī)設(shè)計，主要會應(yīng)用到Gambit 軟件，可以構(gòu)建起壓縮機(jī)模型并根據(jù)指定要求，做好簡化處理，同時計算有關(guān)數(shù)據(jù)。在完成上述操作以后，還需要借助FLUENT軟件中的三維單精度求解器來進(jìn)行分析，需要設(shè)計師嚴(yán)格把控各項數(shù)據(jù)，開啟非穩(wěn)定狀態(tài)的求解器，能夠確保壓縮機(jī)模型數(shù)據(jù)分析的可靠性和準(zhǔn)確性[7]。

3 結(jié)語

流體機(jī)械作為一種常見的機(jī)械類型，如何應(yīng)用CFD 方式來獲得精確的數(shù)據(jù)參考，成為設(shè)計者必須要考慮的重要問題。結(jié)合目前CFD 方式、流體機(jī)械設(shè)計的具體情況來看，CFD 的應(yīng)用主要集中在噴水泵與壓縮機(jī)設(shè)計兩個方面，可為流體機(jī)械精確度提升打好基礎(chǔ)。