CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王琳

（大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052）

新時(shí)期，應(yīng)工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)改革的要求，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)制造中，對(duì)工業(yè)制造生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的提升等都起到了關(guān)鍵性的作用。CFD方法在現(xiàn)代化工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)中的引入，幫助我們有效地解決了工業(yè)制造中復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計(jì)算問題，使人們可以對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)做出更加直觀、深入的理解，以此更好地為我們借鑒工業(yè)發(fā)展中的能量轉(zhuǎn)化問題，為工業(yè)化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。目前，CFD已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展不可缺少的一項(xiàng)重要技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于造船業(yè)、航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中，對(duì)壓縮機(jī)、噴水泵等流體機(jī)械的設(shè)計(jì)與開發(fā)起到了很好的輔助作用。

1 CFD方法概述

1.1 內(nèi)涵原理

CFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的英文簡(jiǎn)稱，是流體力學(xué)體系的重要構(gòu)成，作為近代流體力學(xué)領(lǐng)域重大研究成果存在，由計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)構(gòu)成，具有極強(qiáng)的學(xué)科交叉性。就其原理來看，CFD以計(jì)算機(jī)方法為手段，以不同類型的離散化數(shù)學(xué)方法為輔助，在計(jì)算機(jī)超強(qiáng)運(yùn)算能力的作用下，圍繞流體力學(xué)各項(xiàng)問題開展全方位的分析、模擬計(jì)算、數(shù)值實(shí)驗(yàn)等計(jì)算活動(dòng)，最終得出流體控制方程的近似解。從發(fā)展的角度來說，CFD誕生興起于20世紀(jì)60年代，90年代后期受計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)的影響，而得以實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展。21世紀(jì)初期在計(jì)算機(jī)硬件工業(yè)的強(qiáng)大支持下，CFD實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，并基于其方法具備模擬復(fù)雜亦或是理想過程，且實(shí)驗(yàn)分析成本較低等諸多優(yōu)勢(shì)，而被廣泛應(yīng)用于各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中。

1.2 方法技術(shù)

CFD方法是以電子計(jì)算機(jī)為手段，在離散化數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)上所建立起來的一門學(xué)科，綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科之優(yōu)勢(shì)于一體。因此，就其方法技術(shù)而言也在很大程度上帶有這些學(xué)科的影子。具體來講，CFD方法技術(shù)主要包括以下幾方面：

（1）有限體積法（FVM），該方法是當(dāng)前發(fā)展最成熟的一種CFD算法。該方法的基本原理是，通過對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行控制體積的明確劃分，以體積為節(jié)點(diǎn)借助守恒型微分方程來進(jìn)行積分后離散求解。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于守恒性、靈活性突出，能夠克服泰勒展開離散的缺點(diǎn)，適用于各種復(fù)雜工程問題的解決。

（2）有限差分法（FDM），該方法最早被應(yīng)用于數(shù)值模擬運(yùn)算當(dāng)中，對(duì)CFD的早期發(fā)展起到了極關(guān)鍵的作用，因此，F(xiàn)DM也是所有CFD方法中應(yīng)用最廣泛的一種方法。該方法的基本原理是，通過對(duì)空間、時(shí)間區(qū)域的網(wǎng)格劃分，將原有的連續(xù)求解域以有限的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)替代，將表示變量連續(xù)變化關(guān)系的偏微分方程離散為有限個(gè)代數(shù)方程，在逐個(gè)計(jì)算的基礎(chǔ)上，求出不同時(shí)間段下各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)溶質(zhì)濃度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于表達(dá)簡(jiǎn)單、直觀，有助于我們理解。

（3）有限元法（FEM），該方法建立在加權(quán)余量法、變分原理的基礎(chǔ)上，被廣泛運(yùn)用于泊松方程、拉普拉斯方程相關(guān)物理場(chǎng)景中。其原理是以單元為單位，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散剖分，并為每一單元選擇相應(yīng)的基函數(shù)，以此逼近單元真解。該方法常被運(yùn)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁力學(xué)、流體力學(xué)的計(jì)算工作，能夠?qū)︻A(yù)判設(shè)計(jì)階段的實(shí)驗(yàn)測(cè)試起到很好的替代作用，極大地節(jié)省了成本。

2 CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

壓縮機(jī)主要由活塞組織與氣缸壁構(gòu)成，作為一種代表性的流體機(jī)械存在，主要作用于能量氣體的壓縮、輸送，以此達(dá)到能量轉(zhuǎn)化、使用的目的。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)制冷的過程中，壓縮機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)異常復(fù)雜，涉及氣體壓力損失、壓力脈動(dòng)、速度分布等的精準(zhǔn)運(yùn)算。傳統(tǒng)的運(yùn)算方法不僅存在諸多計(jì)算漏洞，更難以直觀而精準(zhǔn)地反映壓縮機(jī)內(nèi)部情況。CFD方法則可以結(jié)合壓縮機(jī)作業(yè)原理及性能，通過對(duì)效率、p-v圖等的比較，快速建立三維模型，以最直觀的方式精確反映出壓縮機(jī)內(nèi)部的熱力學(xué)過程以及氣體流動(dòng)狀況。以此促使設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)情況，提出進(jìn)一步的機(jī)械設(shè)計(jì)完善方向。

在應(yīng)用CFD方法進(jìn)行壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員必須提前對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部活塞、缸壁進(jìn)行設(shè)計(jì)，以運(yùn)動(dòng)壁面表示活塞、以圓柱體表示缸壁。并將曲柄角度設(shè)定在180°，以便于活塞在自上而下物理運(yùn)動(dòng)的過程中，逐步對(duì)缸體內(nèi)氣體進(jìn)行施壓。其實(shí)施過程中的步驟包括建立物理模型、明確計(jì)算區(qū)域、產(chǎn)生網(wǎng)格、選擇求解方法、設(shè)置模型參數(shù)、計(jì)算求解，最后，以結(jié)果形式得出相應(yīng)的圖表、數(shù)據(jù)。以活塞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)為例，在應(yīng)用CFD方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，涉及到的質(zhì)量守恒方程為：。其中t為時(shí)間，ρ為密度，速度矢量在x、y、z 方向上的分量分別以u(píng)、v、w表示。

2.2 在噴水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CFD方法的出現(xiàn)大大提高了流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算的精準(zhǔn)性，使設(shè)計(jì)人員能夠突破各方面固有限制，以一種更直觀的方式去探究流體機(jī)械內(nèi)部運(yùn)行原理、狀態(tài)，大大提高了機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、客觀性。利用CFD方法進(jìn)行噴水泵設(shè)計(jì)，對(duì)于直觀反映水泵內(nèi)部流場(chǎng)、掌握水泵葉片流動(dòng)規(guī)律等都極具重要意義。在應(yīng)用PDF方法進(jìn)行噴水泵的設(shè)計(jì)時(shí)，先后涉及建模、確定方程、模型計(jì)算幾個(gè)關(guān)鍵性的步驟。

建模：結(jié)合客戶要求，明確噴水泵揚(yáng)程、空化余量、功率，以及包括葉片、葉輪外徑等主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)實(shí)際值。并生成計(jì)算機(jī)網(wǎng)格，進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算。

確定控制方程：在假設(shè)噴水泵轉(zhuǎn)輪以正常轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，對(duì)連續(xù)性方程以及動(dòng)量方程進(jìn)行設(shè)定，分別為、。其中，以ρ表示流體密度；μe表示有效黏性系數(shù)；x、y、z的實(shí)際坐標(biāo)以xj(j= 1,2,3)來表示；p＊表示靜壓；絕對(duì)速度分量u、v、w則以u(píng)i、uj來表示。

模型計(jì)算：在FLUENT軟件中三維單精度求解器的作用下，依據(jù)所制定標(biāo)準(zhǔn)、模型來對(duì)函數(shù)進(jìn)行分析、求解，并在軟件3D技術(shù)的輔助作用下，構(gòu)建出能夠清晰描述噴水泵實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的模擬圖。

3 CFD方法未來發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國(guó)CFD方法理論研究體系不斷完善，并且經(jīng)過不斷的推廣、實(shí)踐，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于航空航天、船舶制造、氣象監(jiān)測(cè)、武器裝備、建筑工程、水利設(shè)計(jì)、汽車制造、環(huán)境衛(wèi)生、等工程領(lǐng)域當(dāng)中，取得了十分傲人的成績(jī)。2019年9月，在重慶成功召開了汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，以“CFD新技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)展望”為主題，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)、高校等行業(yè)專業(yè)人士對(duì)CFD未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了積極的展望。其探討內(nèi)容包括CFD在新能源汽車熱管理開發(fā)、機(jī)器深度學(xué)習(xí)、工具使用、簡(jiǎn)易化界面設(shè)計(jì)，以及與風(fēng)洞試驗(yàn)的融合運(yùn)用等CFD相關(guān)熱點(diǎn)話題。由此可見，CFD方法在未來的發(fā)展中，會(huì)逐步朝著便捷化、多功能化的方向發(fā)展，以此適用于工業(yè)生產(chǎn)日益網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，為精準(zhǔn)化、全面化仿真實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，為有效解決CFD方法在多領(lǐng)域的普遍性適用問題，我們還必須在加大對(duì)CFD研究的基礎(chǔ)上，早日研發(fā)出更加貼合我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的國(guó)產(chǎn)CFD軟件。

4 結(jié)語

綜上所述，CFD方法作為目前一種先進(jìn)、有效的流體力學(xué)分析方法，其實(shí)際效用已經(jīng)得到了社會(huì)各界專業(yè)人士的高度認(rèn)可，并憑借該方法在計(jì)算機(jī)計(jì)算、數(shù)學(xué)邏輯分析等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用在社會(huì)各領(lǐng)域中，對(duì)流體機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化、功能的完善等都起到了極為顯著的促進(jìn)作用。在未來的工作中，我們要在以往工作成效的基礎(chǔ)上，繼續(xù)砥礪前行，加大對(duì)CFD方法的研究力度，深度挖掘該方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)方面的潛在功效，使其能夠更好地為流體機(jī)械設(shè)計(jì)服務(wù)，以此促進(jìn)我國(guó)工業(yè)化發(fā)展水平、發(fā)展程度的加深。