試論流體機械中CFD技術的應用進展與趨勢

梁 孟

（陜西國防工業職業技術學院）

伴隨著我國工業化腳步的不斷發展，包括航空和石油化工等在內的許多工業制造領域對流體機械的需要越來越多[1]。CFD技術在國內的現代化工業中得到了廣泛的關注和應用。同時，該項技術在日常生活中也有許多的應用，如噴水泵、壓縮機等等。無論從哪個角度來評估CFD技術，其都在工業領域的發展中起到了不可或缺的作用。

1 CFD技術的概念

CFD也叫計算流體動力學，是一種用來計算流體動力學的方法，在工業機械設計中處于主要地位，是流體力學領域中的重要組成部分[2]。CFD技術是數值數學和計算機科學結合的發展產物，屬于邊緣學科的一種，但其無論在數學領域還是計算機領域均具有強大的生命力，沒有任何一項技術能夠取代CFD技術。電子計算機是CFD使用時依賴的工具，并且在實際操作過程中和數學計算和電子計算機聯合使用，以便解決在流體力學計算中出現的各種障礙。主要流程為首先利用相關的科學儀器進行數學模擬實驗，根據模擬實驗的結果構建虛擬模型，同時根據構建的虛擬模型開展具體的研究，從而實現利用數學計算和電子計算機聯合解決流體力學問題的目的。FLUENT是CFD技術常用的軟件。在現實工作中，流體當任何運動都是遵循一定的自然規律的，并不是隨機運動，因此，再利用CFD技術對流體力學進行研究時，也應該遵循一定的自然規律。常用的自然規律包括如下幾種：能量守恒定律、質量守恒定律、動量守恒定律等。此外，外界因素的影響非常容易干擾流體的運動，并且流體運動會因此發生一系列的變化，CFD技術的出現，則克服了外界因素對流體運動的干擾。CFD技術的基礎就是數學計算和流體力學，首先通過先進的科學計算機程序對數據進行研究分析，然后根據研究結果建立離散型數字模型，最后通過對離散型數字模型的分析來達到計算的目的。

2 CFD技術的應用

2.1 CFD在噴水泵設計中的應用

相關報道顯示，CFD技術在流體機械領域中應用廣泛。噴水泵是一類流體機械，因此，可以在噴水泵設計中引用CFD技術。噴水泵的主要用途就是對水進行傳遞和輸送。目前生活中常用的噴水泵是由靜子與轉子組成的單極軸流葉輪機械。FLUENT是CFD技術中一種常見的應用軟件，但凡涉及流體機械的設計都可以利用FLUENT軟件[3]。FLUENT的優點為構建物理模型時更加完善，并且提高數學計算的準確度。同時FLUENT的處理功能也很強大，利用FLUENT軟件可以使噴水泵的設計更加可靠。噴水泵設計的主要過程包括建立模型和數值計算。

在噴水泵的設計中，有了模型FLUENT軟件才能發揮其關鍵的作用，因此，構建模型是噴水泵設計中的一個重要環節。構建模型的主要過程就是分析轉子和靜子的片數，假設靜子葉片為1個，轉子葉片也為1個，轉速為每分鐘1200rpm，設計假設實驗時，要將事先設計好的數據導入到FLUENT軟件中，就可以對水流流動問題進行分析，建立模型。建立模型后，還要對模型進行一定的簡易化，簡化后的模型用于后續的網格設置和網絡劃分[4]。

建立模型結束后，要根據建立好的模型進行數學計算。這時應用的程序為FLUENT軟件中三維單精度求解器。三維單精度求解器中有許多計算模型，我們可以根據需要選擇適合的模型，然后依據參考標準開始進行函數分析。進行噴水實驗時，要選擇混合面，以便分析靜子和轉子在工作時的運動情況。此外，由于外界環境因素極易影響流體運動，因此在模擬試驗中，還要設置外界環境條件，如果不設置此項，則會影響最終的測試結果。進口壓力是除了環境因素以外還要考慮的一個重要問題。當上述所有條件都滿足后，就可以利用FLUENT軟件中的3D技術開始數學計算，最終繪畫出較為真實的噴水泵運行模擬圖。

2.2 CFD在壓縮機設計中的應用

壓縮機的主要作用就是壓縮氣體以便輸送，提升氣體壓力，也屬于一類流體機械。在壓縮機的設計中也可以使用CFD技術。在CFD技術的使用過程中，需要對壓縮機的活塞和缸壁進行設定。運動壁面表示活塞，圓柱體表示缸壁。無特殊情況，設置曲柄角度為180°。活塞通過自下而上的運動對缸壁內的氣體進行壓縮。當曲柄角度達到360°或活塞壓縮一定程度后，活塞再一次回到原先的位點，同時曲柄角度由180°變成而是540°。壓縮機設計的主要過程包括建立模型和數值計算。

Gambit軟件也是CFD技術中一種常見的軟件，而壓縮機模型的構建就是應用這種軟件。同噴水泵設計相同，利用Gambit軟件進行壓縮機模型構建后也要進行適宜的簡易化[5]。壓縮機模型簡易化過程需要嚴格執行相關程序，簡化結束后的模型便于進行網格設置和網絡劃分。

利用Gambit軟件進行壓縮機模型構建后，就可以進行數學計算了。數學計算使用的程序也是FLUENT三維軟件中的三維單精度求解器，保證了壓縮機模型分析的牢靠行和準確率[6]。

3 CFD技術的未來發展

（1）將流場的數學模擬和流體機械的設計很好的結合可以實現優化設計計算系統的效果。

（2）目前CFD技術對網格生成技術依賴較大，雖然目前網格生成技術是一項較為成熟的技術，但未來仍需進一步提高。

（3）目前云計算是一種新型的網絡技術，雖然目前該項技術發展尚不成熟，但未來依靠云計算，CFD技術的計算能力一定會大大提高。

（4）要不管的學習外國的成功經驗，在計算機上對CFD數值進行分析、模擬及評估，評價其準確性和精確性。目前CFD精確性的評估是一個需要解決的問題，未來需要完善CFD技術的V＆V評判體系，提高CFD評估的精確性。

綜上所述，CFD技術是一種用來計算流體動力學的方法，其主要操作工具為計算機，并且在操作過程中將數學計算和流體力學計算相結合未來CFD技術在流體機械的發展方向，CFD的發展會越來越引起相關研發部門的重視，從而實現廣泛應用。