计算流体力学及其在泵站工程等领域的应用

李晓超，谢威威，郑建喆，秦蓉，张浩

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.中国民航大学，天津 300300；3.中铁十五局集团第五工程有限公司，天津 300133；4.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳474664)

0 引言

众所周知，在自然界中像水、空气等，受到任一微小剪切力能发生连续变形的物质称之为流体。流体流动过程中不可避免地会发生动势能等能量交换的复杂过程，研究并利用这种复杂的能量交换过程，有利于研发出更加先进的动力机械系统。研究流体运动的学科就称之为流体力学，如泵与风机等都是流体力学研究过程的产物，计算流体力学也是流体力学三个分支中的一个。

1 CFD技术

计算流体力学(Computational Fuid Dynamics，简称CFD，下同)源于航空航天领域中对飞行器的流场模拟。这门学科以经典流体力学为基础并结合了数值计算方法。与实验流体力学和理论流体力学相比，其研究周期短、计算成本低，而且可以模拟多相流等复杂流场流动且其内部流动“可视化”，可以通过数值模拟软件观测其流动过程任一点的流动状态。此外，CFD技术不受实验条件的限制，限制假设少，应用范围广。CFD技术已被广大专家学者应用到各自领域的研究当中，其可行性、精确性也得到了不断验证与完善。CFD技术不仅可以作为研究工具，解释理论分析结果和试验现象，同时还能作为一种工程工具，广泛应用于各个工程领域。

CFD技术是流体分析计算的一种新方法，应用优势十分明显。处理问题时可大大简化条件，且还能对结果的计算精度进行合理控制。通过CFD软件的数值模拟，可计算、分析不同流体流动工况下的各状态参数，并为优化设计等提供便利。

CFD软件主要有3部分即用来建模、划分网格、添加边界条件的前处理部分和利用模型和算法的求解器，再者就是对结果进行处理的后处理部分。建模软件有NX、Auto CAD、SpaceClaim等软件，具体根据不同人群的喜好和所画图形的结构进行选择相应的建模软件。一个良好的数学模型是计算的基础，不管用任何建模软件都要确保所画图形无误，才能进行接下来的网格剖分和计算，如果图形开始就被建错或者出现了错误，等计算完才分析出来，将会大大浪费不必要的时间。建好数学模型紧接着就要对其进行网格剖分，剖分网格对数值模拟计算而言十分重要。高质量的网格可显著提高计算效率和精度。目前技术比较成熟的网格剖分软件有ICEM、GAMBIT、Gridgen、GridPro等，这些软件尽管都是用来剖分网格的，但各有千秋，其界面、程序又互不相同。其中ICEM以其友好的操作界面、较灵活的拓扑结构和先进的O型网格技术等优势应用较广泛，被越来越多的业内人士认可。ICEM作为一种强大的前处理软件，不仅可以为几乎所有的主流CFD软件(如FLUENT，CFX，STAR-CD，STAR-CCM+ )提供高质量网格，还可用于完成多种计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简称CAE)软件(ANSYS，Nastran，Abaqus等)的前处理工作。此外FLUENT自带网格剖分软件MESHING借助FLUENT平台也在不断地发展、完善，正一步一步走向成熟，在CFD技术软件中的应用最为广泛的FIUENT软件，也在一定程度上带动了MESHING的发展。网格剖分完成后要设置好给定的边界条件及相关参数，接下来就是利用针对不同类型结构、不同工况的不同算法和计算模型的求解器进行计算求解，求解时要根据自身需要，选择合适的算法和模型才能起到事半功倍的效果。其中，FLUENT软件在求解过程中，可以把计算分为不可压缩、轻度压缩、高度压缩等多种类型，且具有可选择的物理模型较多，可区分判断流体现象，除此之外，采用非结构网格再次对网格进行划分、计算求解，可以得到更加准确的分析结果。除了用FLUENT软件进行计算求解，也有不少专家学者选择CFX软件，CFX软件特别是对叶片内部的多相流等复杂工况计算效果显著，因此其应用也很广泛。求解计算完成后，可以选择CFD-Post等后处理软件分析模拟结果并结合自身需要生成不同位置的流速云图、压力云图、流线图等结果以供进一步分析。

20世纪90年代中期以前，在泵站工程中进行流动分析的方法主要是一维的水力学方法，通常是使用经验公式，来分别对泵站的各工况进行计算，分析各部位的流动状态如流速、压力等，工作复杂计算量大。进入21世纪后，随着社会的进步和科技的发展，计算机技术得到了迅猛发展，基于计算机技术的CFD技术也在不断地成长，这使得传统的一维、二维等流动分析方法成为了过去时。在泵站工程中，三维黏性流动分析方法以其特有的优点随之逐渐成为流动分析的主要方法，该方法连续方程和动量方程为基本控制方程，采用有限体积法对计算域进行空间离散，然后求解代数方程组，从而得到各节点的流速及压力分布，进一步得到能量损失、压力脉动、流线等，从而准确地预测泵站装置效率、汽蚀性能及运行稳定性等参数动态。数值模拟中还能通过对流场细节的判断，发现并解决泵站工程中存在的问题，还可进一步优化泵站的流道等部件的参数，提高泵站经济效益。

2 CFD技术在泵站工程技术中的应用

众所周知，中国是世界上泵站数量最多、规模最大、类型最丰富的国家，泵站在中国国民经济中占有重要地位，这也是该研究课题的背景之一。泵站是由流体流动支配、固体结构控制的高耗能流固耦合系统，其水力性能的好坏直接影响到泵站工程运行的安全性、稳定性及其经济效益。CFD技术主要应用于泵站过流部件的过流工况模拟计算，通过固定的模型和给出的条件，探究不同工况下的流动状态，从而不断的优化泵站结构，提高自身经济效益。泵站过流部件主要由泵站进出水流道和水泵转轮三部分构成。其中进水流道的主要作用是使水流以最小的水力损失均匀且平顺的流入叶轮，是连接前池和水泵的过渡性流道。按进水方向可分为单向进水流道和双向进水流道，按流道形状又分为肘形进水流道、钟形进水流道和簸箕形进水流道。泵装置即泵转轮，主要是把电机发出的旋转机械能通过叶片与流体的相互作用，将能量传递给流体，从而满足生产运行要求，将流体输送到需要的地方。泵装置的好坏直接关系到泵站效益，因此泵装置为整个泵站工程的核心，但其工艺涉及材料、制造、运行等多学科知识，且涉及多相流流动，流动状况十分复杂。而泵站出水流道则主要是把水流平缓的导至下游，回收部分能量，进一步降低能量损耗。主要有虹吸式出水流道、直管式出水流道、钟形出水流道。

此外，由于泵站结构、运行环境的复杂性，泵站过流部件中常存在表面旋涡和附壁旋涡以及因工况变换过快引起的水力瞬变问题，影响水泵的效率、稳定性及其汽蚀性能，甚至出现机组爆管等安全事故。水泵在高速运转过程中，由于其工况复杂，伴随机组运行常会产生很大的振动和噪音。因此，泵站装置高效稳定运行需要各过流部件具有良好的水动力性能，采用CFD技术对泵站过流部件进行评估，对现有问题进行研判，对保证泵站安全、高效和稳定运行具有重要意义。CFD技术应用在泵站过流部件的数值模拟中，不仅计算方便，可以节省大量的人力物力，而且还能够非常直观地观察到泵站内部流动任意点的流动状态。这大大加快了探索过程，非常有利于深入研究，以便采用合理制造参数，减小水力损失，提高能量利用效率。同时针对泵装置而言，可以借助CFD技术替代传统的分析，极大地减轻了计算负担，而且对内部复杂流动的分析更加精准，针对不同的运行工况做出更准确的判断，在不停机的状态下，通过数值模拟找到可能出现的问题，防患于未然。还能最大限度地避免机组运行在不利工况下，从而减轻机组受到的损害。而且通过CFD技术，能不断进行虚拟的数值模拟试验，通过实验数据分析，从而对泵站结构不断地进行改善，这大大节省了传统的模型试验经济成本和时间成本。尤其是在一些结构老化和需要升级的泵站中，利用CFD技术可以用很小的时间等成本最快地得到最优的方案。

3 CFD技术在其它领域的应用

CFD技术不仅仅局限于泵站工程领域，还应用在其他各领域当中，如薛琳婧探索了CFD技术在玻璃窑炉设计中的应用。与传统的凭经验设计建造玻璃窑炉不同，其通过CFD技术，对熔池内玻璃液和火焰空间的数值模拟计算，分析其内部流动状况，从而有针对性地改善玻璃窑炉设计，提高玻璃成品质量。李家奥论述了CFD技术在人工光植物工厂的应用。植物工厂投资成本较高且在中国起步较晚，就目前而言，CFD技术在植物工厂中并没有得到广泛应用。但CFD技术可以对不同工况进行模拟优化，通过模拟不同气流循环模式的风口等布置方式，可不断地优化设计及计算植物工厂内温度场和风场。此外，CFD数值模拟技术可以省去大量的人力物力，方便快捷又高效，其拥有巨大的应用前景。杨祖杰探索了计算流体力学在化学工程中的应用。从CFD技术在流体喷射与分布、搅拌过程、换热单元、膜分离过程、精馏塔的研究和设计、化学反应器的反应过程这六个方面中的应用，详细的介绍了计算流体力学对化学工程的影响。由于化学反应具有其自身特殊性，原材料成本暂且不说，化学反应大多为不可逆过程，且充满危险性，使用CFD计算软件对其先进性充分地数值模拟，既能最大限度地完善试验方案，还可节约材料和时间等成本，同时还能针对实验中存在的问题不断地进行优化。安程，李玉敏则研究了计算流体力学模拟在石窟文物保护中的优化应用。随着对石窟寺石刻病害劣化与环境因素关系认识的不断深人，利用计算流体力学(CFD)对石窟区域及窟龛内部进行模拟，在中国石窟保护研究中的应用已逐步展开。现有应用结果在体现了CFD技术优势、解决了保护工作部分实际问题的同时，也暴露了应用目标与应用范围模糊、与其它文物保护工作结合不够紧密、缺少结果可信度判断依据等问题。他们针对应用中暴露出的问题，提出了解决方案，并以广元干佛産摩屋造像保护建筑环境模拟为例，探讨了石窟文物CFD模拟优化应用的方法。刘焕等以植物工厂为研究对象，通过CFD技术对上进侧出式布置的气流循环模式方案进行了数值模拟，并将计算结果与试验测量结果进行比对，发现温度测值的百分误差为4%，速度测值的百分误差为11%，说明模拟结果与实际吻合良好，在此基础上又设计了3种优化设计分别为侧进侧出式、侧进侧上出式、侧进上出式的气流循环模式方案，经数值模拟得侧进侧出式整体气流循环模式更适宜植物生长，还提出了以后的优化研究方向。宋广莹在园林设计中将CFD技术引入到该区域,结合相应的边界条件、模型、控制方程等，对某高校周围的夏冬两季风场进行了数值模拟，结合行人热舒适标准，判断其舒适度及布局是否合理，后又对传统建筑的4种布局方式进行了风场分布的数值模拟，对比得出了点错式布置方式为最优方案。作者还指出CFD技术十分的方便、高效且经济，有着大好前景。

此外，CFD技术还应用在医学、畜牧业等领域，不再一一详谈。归根结底，其原理都是利用CFD技术对其研究所涉及的流体领域(如血液、空气)进行计算处理、分析其流动过程，从而大大促进其研究进程，更利于其课题研究。

4 结语

随着CFX、FLUENT等各种仿真计算类型软件的开发与应用，将可以更好地应对工程和研究中出现的复杂流动问题，还可以针对工程中不同领域、不同复杂程度的问题，对软件进行不同区域模块的整合，使自身模块更适合不同特点下的流动工况，即有针对性地提高软件模块，以达到专项专治的目的，使得泵站管理方可以有侧重地选择相应功能，更高效地解决问题。就目前而言，软件在工程领域的应用程度还不高，也正如上文提到的那样，很多专家学者正在积极地把这些软件引用到自己的实际研究领域当中去，前景是十分广阔的！