路奇
南京汽轮电力工程设计院有限公司，江苏 南京 210046
摘要：随着科学技术的发展和经济发展的趋势，许多领域对高能流体的机械设计提出了越来越高的要求。因此，为了满足当今社会的需要，我们必须做好流体机械的设计工作。同时，也要考虑资金和时间的实际需要，在高性能流体机械的设计中，传统的设计方法已不能适应时代的需要，需要对新的设计方法进行分析，采用更现代的设计方法，这就要求设计人员掌握流体的性能和相关的内部条件，从而进行一定的设计，而CFD方法更符合本课题的一种新的设计方法。
关键词：CFD方法；流体机械设计；应用
引言
在流体机械的设计中CFD方法被广泛应用。它是以数学和计算机为基础的。它的应用范围非常普遍，相关人员必须对此水平给予极大的关注和科学研究，并为流体机械设计中的CFD的发展趋势做出贡献。
1 CFD方法简介
CFD是计算机科学和数字数学发展的产物，主要应用软件是FLUENT。CFD将计算机作为关键的实际操专用工具，并结合数学原理来测量和计算整个工作过程中的流体力学问题。在流体运动的整个过程中，流体运动应遵循某些自然定律，包括线性动量守恒律，质量守恒律和能量守恒律。基本物理量影响物体的流动。由这些物理量组成的流量因子会随时间而发生变化。基于计算数学和流体力学，CFD可用于构建可在计算机上求解的算法。CFD需要建立流动模式的离散数值模型，通过使用时间和空间的离散化方法，将连续时间离散化为不连续的有限时间。同时，将偏微分方程利用空间模型转换为代数方程。CFD可以计算不同类型的流体，并在计算机上使用数学模型来计算这些流动现象。
2 CFD方法在流体机械设计中应用的优越性
CFD也被称为计算流体力学。计算流体力学是计算机和离散数值方法的一个新分支，主要用于流体力学问题的数值模拟和分析。流体流动的研究方法包括理论分析以及实验研究和数值模拟。为了测量涡轮机、喷嘴和管的内部流动，实验装置非常复杂，实验成本高，开发周期长，实验受到很大限制。近年来，随着高速、大容量、低成本计算机的出现和CFD方法的发展，计算机的可靠性、准确性和计算效率都得到了极大的提高。另外，数值模拟可以提供丰富的流场信息，为设计人员设计和改进流体机械提供依据。因此，CFD方法被认为是流体机械发展中不可缺少的工具和手段。使得设计者能够以最快和最经济的方式从流体流动机构开始。可以说CFD方法为流体机械的设计提供了一种新的方法，得到了最佳的设计方案。
3 CFD计算方法
3.1 差分格式
在求解流体流动控制方程的过程中，经常遇到一些问题，给计算带来困难。采用差分格式不仅可以考虑前后流量的关系，还可以利用该格式对理想流速进行分析，从而满足高精度格式的要求，提高计算精度。同时，采用差分格式的方法，在计算流体流速和控制方程的同时，能准确地考虑体积计算的特点，从而为流体机械的设计提供更多的参考和影响因素，使CFD计算更加准确。
3.2 离散方程组的求解
根据科学调查研究数据，隐式推进法使得矩阵的逆运算在以往的编程中不灵活、不方便，且复杂度较高因此，有必要在此基础上不断改革、创新、优化和升级，以促进CFD项目在工程中的推广，不仅要提高工作效率和节约资金成本，而且要避免矩阵的倒置，詹姆逊与优恩提出的方法正是符合这一要求的，并根据上述理论和方法编制了流动数值模拟程序，如图1所示。
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图1 CFD方法在流体机械设计中的程序编制框图
4 CFD在流体机械中的应用
在测量叶轮机械和管道的内部流动时，实验设备复杂昂贵，实验成本高，开发周期长。数值模拟是分析理论和研究实验的补充，有其自身的特点和独特的功能，它广泛应用于流体流动的研究中，形成了计算流体力学的一门新学科（CFD）。近年来，通过提高计算机的速度、容量和成本，CFD方法的精度、在一定程度上提高了计算的可靠性和效率，证明了用测试设备代替计算机进行计算实验的现实前景。在流体机械的设计和制造中，通常的过程是设计以及原型性能测试和制造。在利用CFD方法测试原型性能时，它可以用来预测流体机械的性能和一些不良现象，消除图纸设计阶段可能出现的隐患。总之，流体机械的内部流动可以用计算机数值模拟。CFD方法将在一定程度上替代实验，进而降低开发成本并且缩短开发周期。数值模拟将为设计人员和流体机械的改进提供大量的流场信息。为了提高流体流动机构的性能，可以在各种约束条件下进行优化设计，在流体机械设计中由于CFD方法的应用有了新的研究和发展途径。由于许多程序都是基于前人的研究成果，其应用受到限制，从而限制了CFD在工程中的广泛应用。
5 CFD方法在流体机械设计中运用的发展趋势
目前，网格生成技术已经成熟，可以生成高质量的网格，但还需要进一步完善，有必要打破CFD计算结果对网格的依赖。网格生成技术的发展方向：①几何建模系统、化工过程仿真软件、智能制造系统和电网自动发电系统的集成已成为必然趋势，使整个过程更加高效。②网格生成需要智能化，多网格加速需要提高收敛速度和稳定性。③网格需要多种算法的结合，即算法要具有较高的通用性、可靠性和效率，并尽量减少人为干扰。④使生成的自适应网格能够完全“自适应”，建立高效、准确、灵活、方便的复杂网格技术是网格划分技术发展的必然趋势，是基于CFD的集成技术发展的必然趋势。根据CFD软件提供的可靠的流场分析结果，通过优化、逆向设计、与CAD/UG/PROE、CAM模块的神经网络集成，基于CFD技术，结合多目标优化标准，多学科约束，收敛速度和合理结果，筛选出解决方案，使优化设计中的试错过程更加合理，快速，准确。强调了诸如Hysis或Aspen之类的工业过程仿真软件，建立一个集成平台，使整个设计过程更加合理，设备结构更加优化，节能减排更加达标。 针对不同机械应用场合的不同特点，建立了专门的分析模块。
6 结语
随着我国科学技术的发展，CFD已成为流体机械设计中常用的一项重要技术。它可以准确计算出无粘性流体在低速和超音速之间的物理特性以及性能，进而为流体机械的设计提供准确的数据参考，使流体机械的设计更加科学合理。因此，从实际出发，分析CFD方法在流体机械设计中的应用是十分有必要的。
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