刍议流体机械设计中CFD技术的引入

刍议流体机械设计中CFD技术的引入

王波

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摘要：CFD技术是在近代科学技术不断发展的前提下，综合数值数学与计算机科学的一种具有强大应用能力的交叉学科知识产物。CFD技术通过利用计算机技术，将不同数学方程中的积分、微分重新进行组合代数以获得离散的数值解，目前广泛应用于流体机械产业中。本文主要探究了CFD技术在流体机械设计中的应用。

关键词：流体机械；CFD技术；引入

引言：随着科技不断发展，技术不断更新完善，在流体机械设计领域，CFD技术可以充分体现科技创新。应用CFD技术进行流体机械设计能够提高流体机械的性能，使得CFD技术更广泛应用于流体机械设计领域。而占据流体力学重要部分的CFD技术是由数学和计算机有机结合产生，是一种边缘而生命力强大的学科，CFD技术能够在数学和计算机领域同时得到更好的应用，其重要性不可忽略。

一、CFD的概念

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，并结合数学方法来在操作期间计算和流体动力学相关的问题。在流体运动过程中，流体运动要遵循一定的自然规律，这其中有动量守恒定律、质量守恒定律以及能量守恒定律。基本物理量会对物体的流动造成影响，这些物理量形成物体的某些流动因子，这些因素将随时间而变化。CFD以计算数学与流体力学为基础，能够在计算机上进行求解算法的建立。CFD要求建立流动定律离散的数值模型，应用空间和时间的离散化，这些连续时间被离散化为具有不连续性的有限时间。同时，偏微分方程也通过空间模型转化为代数方程，CFD能够对不同类型流体进行计算，并使用数学模型在一定范围内的计算机上计算这些流动现象。

二、CFD方法在流体机械设计中应用优势

CFD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。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。

三、CFD方法分析

1、CFD数学模型探讨

CFD技术在专业领域也被称之为流体动力学计算方法，且在该领域中占据着相当重要的地位，在工业机械设计领域中的应用十分广泛。通常情况下，流体机械设计工作开展时，为了实现提升机械实用性、可靠性以及耐久性的目的，会利用不规则形态将因弯道过于繁复而引起的高冲击力降低，经过计算处理后，不仅计算准确度得到显著提升，同时对于计算误差的降低也可起到比较显著的促进效用。

2、CFD计算方法分析

在应用CFD计算方法进行流体机械设计处理时，通常会涉及到以下算法内容：其一，差分格式。进行流体流动方程组的计算中，求解时经常会出现一些影响因素导致计算难度随之加大。此时，充分将差分格式应用于流动体积关系的计算中，能够显著将理想化流速的分析精确性提升，以此为满足精度格式要求创造条件，最终使CFD计算所得的结果精准性更高。其二，离散方程组求解。以往的程序设计中，存在隐性关系，无法高效率、快速地完成矩阵求逆运算，产生这一情况的主要原因就在于计算机本身的运行单元速度较快，隐式推进方法具有时间复杂的特点，计算效率无法得到有效提升。CFD程序而言，可以使用优恩和詹姆逊提出的计算方法，并不需要通过矩阵求逆运算来完成计算任务，内存低的计算机也可以完成，极大程度地节约了计算时间，在计算完成后也能够在CFD进行修改，提高了CFD的应用效率与普及程度。

四、CFD技术在流体机械设计中的引入

1、水泵设计

在流体机械中，水泵是极其重要的组成部分，为了保证水泵设计的有效性，必须采用CFD方法提高设计质量。水泵主要由转子和1英寸节圆的颗粒组成，可以用FLUENT软件计算，从而开发出相对健全的物理模型，确保泵功能和泵设计的可用性达到最高值。该设计大致分为两个部分：为了最大限度地利用FLUENT软件的优势，设计者应利用软件、转子和转子的组合来分析所创建的水泵模型。如果转子和转子都只有一张转速1200r/min的叶片，并且能够达到速度要求，则需要对水流进行实验分析，并事先确定数值。第二，FLUENT软件中的三维单精度求解器自动计算模型、计算值并分析函数以完成水滴测试。在整个试验过程中，应注意转子、应力状态和主要观测，以便更直接地观察数据。

2、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，建模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而言，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。

3、压缩机设计

压缩机的构成涉及到气缸和活塞组织，其本身属于一种具有较强代表性的流体机械，其在实际进行应用的过程中能够实现对于能量气体的有效压缩以及输送，进而产生能量转化以及使用效果。当其进行高速运转制冷的时候，压缩机内部的气体将会产生具有一定复杂性的流动，在此过程中涉及到诸多的精准运算，具体包括压力损失、压力脉动以及速度分布等等。以往所采用的运算方法存在着相对较多的计算漏洞，难以帮助工作人员对压缩机内部的实际情况产生更为直观和精确的了解，但灵活应用CFD方法则能够有效将压缩机的应用原理和性能结合起来，进而在比较p-v图以及效率的过程中高效构建起相应的三维模型，进而切实提升结果的精准性和直观性，促使工作人员对压缩机内部所产生的气体流动情况以及热力学过程有更为深入的了解和认识。这样设计人员便能够从压缩机内部流场的实际情况出发提出相应的建议，为后续机械设计的优化完善及调整创造良好的条件。

五、结束语

综上所述，CFD方法作为目前一种先进、有效的流体力学分析方法，其实际效用已经得到了社会各界专业人士的高度认可，并凭借该方法在计算机计算、数学逻辑分析等方面的显著优势，被广泛地应用在社会各领域中，对流体机械设计的优化、功能的完善等都起到了极为显著的促进作用。在未来的工作中，我们要在以往工作成效的基础上，继续砥砺前行，加大对CFD方法的研究力度，深度挖掘该方法在流体机械设计方面的潜在功效，使其能够更好地为流体机械设计服务，以此促进我国工业化水平的发展。

参考文献

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