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试论流体机械设计中CFD技术的运用

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：霍星凯

[导读] 摘要：CFD是对流体动力学进行计算的方法，它是计算机科学和数值数学发展的产物，应用的主要软件是FLUENT。

        佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 528311
        摘要：CFD是对流体动力学进行计算的方法，它是计算机科学和数值数学发展的产物，应用的主要软件是FLUENT。CFD使用电子计算机作为主要操作工具，并结合数学方法，在操作期间计算和流体动力学相关的问题。本文主要探究了CFD技术在流体机械设计的运用。
        关键词：流体机械设计；CFD技术；运用
        引言：随着我国经济的快速发展，我国的工业实力也在不断增强，CFD技术作为现代化先进科学技术，在我国应用也得到推广。在20世纪后期CFD技术在机械领域拥有很大的市场，目前CFD技术主要应用在一些机械部件设计上，对提高机械制造业水平发挥着重要作用。
        一、CFD技术的概述
        CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。由于CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。
        二、CFD技术的优势
        近年来，随着CFD方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高。CFD方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用。人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟成为可能，CFD方法将在一定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，人们深信CFD方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说CFD方法为流体机械设计提供了新的途径。
        三、CFD技术在流体机械设计的运用
        1、喷水泵设计
        喷水泵属于流体机械的一种，而CFD技术在流体机械设计中的应用比较广泛，所以CFD技术也能够使用在喷水泵的设计当中。喷水泵是一种输送液体水的工具，生活中常见的喷水泵有单极轴流叶轮机械，主要组成部分为静子与转子。常用的CFD技术软件为FLUENT。FLUENT软件不仅能够提升数值计算的准确性，建立更加完善的物理模型，还具备强大的处理功能，为喷水泵设计的可靠性提供了基本保障。
        （1）建立模型。FLUENT软件的使用是建立在模型的基础上，所以要想充分发挥出FLUENT软件的重要作用，构建模型是非常必要的。在构建模型的时候，需要根据转子片数和静子片数进行分析，假设静子和转子都只有一个叶片，且转速为1200r/min，利用假设实验对水流流动问题进行分析，将预先设定好的数据输入到FLUENT软件当中，就可以开始建立模型了。模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。
        （2）数值计算。喷水泵模型构建结束之后，需要根据模型进行数值计算。利用FLUENT软件中的三维单精度求解器进行分析，在三维单精度求解器中选择恰当的计算模型，然后根据所选择的标准进行函数分析，通过使用混合面来对喷水泵进行喷水实验，观察静子和转子的运动情况。另外，在模拟的过程中，还需要对外界环境进行设置，因为CFD技术在使用的时候非常容易受到外界环境因素的影响，如果不进行科学的控制，就会影响到最终的实验结果。

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除了外界环境以外，还要检查进口压力，当所有的条件都在相关标准的控制之下，就可以利用FLUENT软件中的3D技术对模型进行数值计算，从而描绘出比较真实的喷水泵运行模拟图。
        2、压缩机设计
        压缩机也属于流体机械，主要用于输送压缩气体和提高气体压力。在使用CFD方法设计压缩机的时候，需要对压缩机的缸壁和活塞进行设置。缸壁用圆柱体来表示，活塞用运动壁面来表示。一般情况下，会将曲柄角度设置为180°，让活塞自下而上进行运动，一点一点对缸内气体进行压缩，当活塞压缩到一定程度的时候，或者是当曲柄角度为360°的时候，活塞又会重新回到原来的位置，但是这一次运动的曲柄角度不再是180°，而是540°。
        利用CFD方法中的Gambit软件进行压缩机模型的构建，模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化的时候要严格遵守相关的简化步骤进行，指导压缩机模型简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。当压缩机模型建立结束之后，就要开始根据模型进行数值计算了。依然是采用FLUENT三维软件对压缩机模型进行数值计算，根据三维单精度求解器的设置进行分析，启动非稳态的求解器，确保压缩机模型数值分析的准确性与可靠性。
        3、流化床设计
        机械工程中的流化床设计需要围绕流化床整体运行状态开展。但基于大量工业数据和相关实验可以发现，传统设计往往缺乏综合性解释方案，设计无法较好满足流化床使用需求的问题。在流化床建模中，流化床建模的时间和长度特点会使气体-固流将整个结构分为单个离子、计算单元、过程设备，由此即可针对性应用CFD技术。对于流化床设计的计算机单元模型确定来说，需关注作为连续渗透性介质的气相与固相，由此应用CFD技术，即可针对性计算局部平均代替量的转变数值，气-固流体的通过信息也能够通过连续性急性反应作为参考。但值得注意的是，基于CFD技术开展的流化模型建立很容易遇到难以提供质量、相间动量等参数的传递关系，基于单个离子的流动性模型构建将无法实现，必须重视设备系统稳步运行。
        4、搅拌釜设计
        在机械工程的搅拌釜设计中，CFD技术的应用需关注搅拌器邻近区域的边界条件及时间平均速度计算。在计算搅拌釜流体的过程中，需针对性划分一个个不同的小单元，为满足后续实验需要，还需要针对性开展网格化处理。在具体的CFD模拟中，适应性网格选择的提供极为关键，以此形成能量、质量、动量守恒方程，即可表达湍流作用及化学反应，具体数值也可基于CFD计算求得。近年来我国实验技术发展迅速，多普勒激光测速仪与CFD技术的联合使用也受到广泛关注，二者可实现相互协调，多普勒激光测速仪的测量特点及速度测定可基于CFD完成的边界条件计算测定，CFD的计算结果可基于测速仪测量的数据进行验证。
        四、结束语
        综上可知，CFD方法在流体机械设计中的应用非常普遍，是在数学领域和计算机领域的基础上进行的。当然，CFD方法不仅可以在喷水泵、压缩机、流化床和搅拌釜四种流体机械设计中应用，其应用范围十分广泛，这就要求相关人员人员加大对这方面的关注和研究，为CFD方法在流体机械设计中的运用发展贡献出一份力量。
        参考文献
        [1]严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].电子制作，2016（20）
        [2]赵兴艳，苏莫明，张楚华，苗永淼.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].流体机械，2018（03）
        [3]川任涛，闰永强，梁武科.CFD技术在离心泵优化设计中的应用[J].排灌机械，2017（0：）：25-28
        [4]郭雪岩.CFD方法在固定床反应器传热研究中的应用[J].化工学报，2018（08）：1914一1922.