试论流体机械中CFD技术的应用进展与趋势

梁 孟

（陕西国防工业职业技术学院）

伴随着我国工业化脚步的不断发展，包括航空和石油化工等在内的许多工业制造领域对流体机械的需要越来越多[1]。CFD技术在国内的现代化工业中得到了广泛的关注和应用。同时，该项技术在日常生活中也有许多的应用，如喷水泵、压缩机等等。无论从哪个角度来评估CFD技术，其都在工业领域的发展中起到了不可或缺的作用。

1 CFD技术的概念

CFD也叫计算流体动力学，是一种用来计算流体动力学的方法，在工业机械设计中处于主要地位，是流体力学领域中的重要组成部分[2]。CFD技术是数值数学和计算机科学结合的发展产物，属于边缘学科的一种，但其无论在数学领域还是计算机领域均具有强大的生命力，没有任何一项技术能够取代CFD技术。电子计算机是CFD使用时依赖的工具，并且在实际操作过程中和数学计算和电子计算机联合使用，以便解决在流体力学计算中出现的各种障碍。主要流程为首先利用相关的科学仪器进行数学模拟实验，根据模拟实验的结果构建虚拟模型，同时根据构建的虚拟模型开展具体的研究，从而实现利用数学计算和电子计算机联合解决流体力学问题的目的。FLUENT是CFD技术常用的软件。在现实工作中，流体当任何运动都是遵循一定的自然规律的，并不是随机运动，因此，再利用CFD技术对流体力学进行研究时，也应该遵循一定的自然规律。常用的自然规律包括如下几种：能量守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律等。此外，外界因素的影响非常容易干扰流体的运动，并且流体运动会因此发生一系列的变化，CFD技术的出现，则克服了外界因素对流体运动的干扰。CFD技术的基础就是数学计算和流体力学，首先通过先进的科学计算机程序对数据进行研究分析，然后根据研究结果建立离散型数字模型，最后通过对离散型数字模型的分析来达到计算的目的。

2 CFD技术的应用

2.1 CFD在喷水泵设计中的应用

相关报道显示，CFD技术在流体机械领域中应用广泛。喷水泵是一类流体机械，因此，可以在喷水泵设计中引用CFD技术。喷水泵的主要用途就是对水进行传递和输送。目前生活中常用的喷水泵是由静子与转子组成的单极轴流叶轮机械。FLUENT是CFD技术中一种常见的应用软件，但凡涉及流体机械的设计都可以利用FLUENT软件[3]。FLUENT的优点为构建物理模型时更加完善，并且提高数学计算的准确度。同时FLUENT的处理功能也很强大，利用FLUENT软件可以使喷水泵的设计更加可靠。喷水泵设计的主要过程包括建立模型和数值计算。

在喷水泵的设计中，有了模型FLUENT软件才能发挥其关键的作用，因此，构建模型是喷水泵设计中的一个重要环节。构建模型的主要过程就是分析转子和静子的片数，假设静子叶片为1个，转子叶片也为1个，转速为每分钟1200rpm，设计假设实验时，要将事先设计好的数据导入到FLUENT软件中，就可以对水流流动问题进行分析，建立模型。建立模型后，还要对模型进行一定的简易化，简化后的模型用于后续的网格设置和网络划分[4]。

建立模型结束后，要根据建立好的模型进行数学计算。这时应用的程序为FLUENT软件中三维单精度求解器。三维单精度求解器中有许多计算模型，我们可以根据需要选择适合的模型，然后依据参考标准开始进行函数分析。进行喷水实验时，要选择混合面，以便分析静子和转子在工作时的运动情况。此外，由于外界环境因素极易影响流体运动，因此在模拟试验中，还要设置外界环境条件，如果不设置此项，则会影响最终的测试结果。进口压力是除了环境因素以外还要考虑的一个重要问题。当上述所有条件都满足后，就可以利用FLUENT软件中的3D技术开始数学计算，最终绘画出较为真实的喷水泵运行模拟图。

2.2 CFD在压缩机设计中的应用

压缩机的主要作用就是压缩气体以便输送，提升气体压力，也属于一类流体机械。在压缩机的设计中也可以使用CFD技术。在CFD技术的使用过程中，需要对压缩机的活塞和缸壁进行设定。运动壁面表示活塞，圆柱体表示缸壁。无特殊情况，设置曲柄角度为180°。活塞通过自下而上的运动对缸壁内的气体进行压缩。当曲柄角度达到360°或活塞压缩一定程度后，活塞再一次回到原先的位点，同时曲柄角度由180°变成而是540°。压缩机设计的主要过程包括建立模型和数值计算。

Gambit软件也是CFD技术中一种常见的软件，而压缩机模型的构建就是应用这种软件。同喷水泵设计相同，利用Gambit软件进行压缩机模型构建后也要进行适宜的简易化[5]。压缩机模型简易化过程需要严格执行相关程序，简化结束后的模型便于进行网格设置和网络划分。

利用Gambit软件进行压缩机模型构建后，就可以进行数学计算了。数学计算使用的程序也是FLUENT三维软件中的三维单精度求解器，保证了压缩机模型分析的牢靠行和准确率[6]。

3 CFD技术的未来发展

（1）将流场的数学模拟和流体机械的设计很好的结合可以实现优化设计计算系统的效果。

（2）目前CFD技术对网格生成技术依赖较大，虽然目前网格生成技术是一项较为成熟的技术，但未来仍需进一步提高。

（3）目前云计算是一种新型的网络技术，虽然目前该项技术发展尚不成熟，但未来依靠云计算，CFD技术的计算能力一定会大大提高。

（4）要不管的学习外国的成功经验，在计算机上对CFD数值进行分析、模拟及评估，评价其准确性和精确性。目前CFD精确性的评估是一个需要解决的问题，未来需要完善CFD技术的V＆V评判体系，提高CFD评估的精确性。

综上所述，CFD技术是一种用来计算流体动力学的方法，其主要操作工具为计算机，并且在操作过程中将数学计算和流体力学计算相结合未来CFD技术在流体机械的发展方向，CFD的发展会越来越引起相关研发部门的重视，从而实现广泛应用。