经典教材 流体机械设计理论与方法
王天甜
[摘 要]本文首先对计算机流体动力学的相关概念进行概述，然后深入分析计算机流体动力学方法在国内和国外的应用现状，最后，从喷射泵流体机械和压缩机流体机械两种不同的流体机械分析计算机流体动力学在机械设计中的应用情况。
[关键词]流体机械；设计；计算机流体动力学
中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0152-01
计算机流体动力学所具有的最为显著的特征就是能够进行数值计算和模拟，其工作的原理为物理学原理，在一定程度上将原有的成本较高、消耗较大的流体动力学设备进行取代，为当代科学技术研究做出了十分重要的贡献。目前，计算机流体动力学多应用在航天设计、汽车设计、涡轮机设计、半导体设计等多个领域当中，应用范围十分广泛。
1.CFD概述
CFD（Computational Fluid Dynamics）是计算流体动力学的简称，也是流体力学领域当中的一项重要组成部分，在工业机械的设计中占有十分重要的地位，计算机流体动力学是近代流体力学、计算机科学、数值数学互相结合所形成的，是一种十分典型的较差科学，由于计算机流体动力学当中针对多种数学方法进行离散化，因此其能够更好的应用到数值实验、模型模拟和分析的研究中，用以解决更多的在实际应用中的问题[1]。
2.CFD方法应用现状
我国相比于国外来说，计算机流体动力学方法的应用时间相对较晚，这主要是由于我国工业起步和发展的时间较晚所导致的，另外，计算机流体动力学的相关技术发展水平也比购成熟，尤其是在当前计算机流体动力学方法应用范围不断扩大的现状下，国外发达国家已经能够将其更好的应用到实践当中[2]。工业化进程的不断发展，使得计算机流体动力学在20世纪末期的重要性逐渐得到提高，尤其是在航空航天方面的机械制造来说，计算机流体动力学起到了不可比拟的重要性和关键性的作用，因此，计算机流体动力学在国内外均得到了不同程度的发展。加之航空航天机械制造的成本较高、难度较大，实际应用的困难程度就会提高，由于CFD方法能够在计算机上进行模拟和计算，极大的节省了成本，提高机械制造的精确度，国外的技术人员开始将计算机流体动力学技术和方法应用到仿真的指导和设计当中。
3.CFD方法在流体机械设计中的应用
由于计算机流体动力学方法应用在流体机械设计中主要分为两种不同的方式，分别是应用在喷射泵流体机械设计和压缩机流体机械设计。
3.1 喷射泵流体机械设计中应用CFD方法
喷射泵从属于流体机械的范围当中，计算机流体动力学方法多应用在流体机械设计中，因此，喷射泵的设计必然会应用到计算机流体动力学方法。喷射泵由于其没有机械工作的构件以及机械传动功能，而是通过一种工作流体产生的能力作为其动力，从而输送低能量的液体，具有极高的安全性，其中较为常见的喷射泵为单极轴流叶轮机械[3]。单级轴流叶轮机械主要由转子和静子构成，使用名为FLUENT的计算机流体动力学计算软件，一般来说，只要是涉及到流体机械设计的相关内容，均可使用FLUENT软件进行计算和相应的设计，极大的提高了计算结果的精确性，从而建立更加准确的无理模型，有效的提高其安全性和处理性能。
在喷射泵设计中应用计算机流体动力学方法中，首先应建立相应的模型，FLUENT软件要想正常使用，就必须要有相应的模型最为基础和前提，才能够发挥出FLUENT软件在设计中的作用。在进行模型建立的过程中，应根据转子和静子的片数进行详细的分析，我们假设模型中的喷射泵静子和转子仅存在一个叶片，并且每片叶片的转速为1200r/mm，然后通过水流相关问题的分析，将数据输入到FLUENT软件当中，便可进行模型的建立[4]。在模型建立完成后，应针对已经建好的模型进行一定程度的简化，这样能够为后期实际应用带来更多的方便。在以上所有步骤均完成之后，便可进行网格的设置和网络的划分工作。然后根据模型的内容进行数值的计算，此时，在FLUENT软件当中进行三维计算，这种三维计算需要对其精度进行计算，此时将会使用到三维单精度求解器，在三维单精度求解器当中选择一个更加合适的模型进行计算，并在此基础上进行计算和分析。一般来说，喷射泵可以使用混合面进行试验，从而对静子和转子的工作情况进行有效的观察和分析，来对喷水泵进行喷水实验，观察静子和转子的实际工作并对其进行分析。同时，模型建立并模拟运行的过程中，需要在其运行过程中加入一定的外界环境，这主要是由于喷射泵在工作中必然会受到外界环境的影响，如果在模拟过程中加入外界环境，更能够提高模拟结果的准确性。另外，针对于喷射泵进口压力来说，应进行详尽的检查，确保检查的所有部位都符合相关标准的规定，然后通过使用FLUENT软件进行最终数值结果的计算，得到喷射泵该流体机械在实际工作中的流程和运行过程。
3.2 压缩机流体机械设计中应用CFD方法
压缩机与喷射泵类似，都从属于流体机械的范畴之内，由于计算机流体动力学方法应用在流体机械的设计当中，所以，压缩机的设计也一定会应用到计算机流体动力学方法。压缩机就是一种能够将低压气体转化为高压气体的流体机械，在制冷系统当中十分常见，一般来说，压缩机从吸气管当中吸入低温且低压的制冷剂，然后通过相应的运转后对其进行压缩，从而向排气管排除高温且高压的制冷剂气体，循环往复，形成制冷循环。压缩机应用计算机流体动力学方法的过程中，最为关键的就是设置压缩机当中的缸壁和活塞，如果没有对其进行设置，必然会影响到后续的计算和分析，导致压缩机无法正常运行。在计算机流体动力学方法当中，压缩机的缸壁多使用圆柱体进行表示，活塞多使用运动壁面进行表示。在以上设置结束之后，将压缩机的曲柄角度调至180度，确保活塞在工作的过程中能够不受到限制并由下至上进行运动，保证在运动的过程中逐渐对缸内的气体进行压缩，此时，活塞在活动到一定程度之后，或是在压缩机曲柄角度到达360度时，压缩机当中的活塞就又会回到原处，但此时与初始设置存在不同的是，压缩机曲柄角度为540度[5]。一般来说，压缩机多使用Gambit软件构建相应的模型，与喷射泵相同的是，在模型构建完成后应进行适当的简化，这样才能够更加方便后续的计算和分析，需要注意的是，压缩机模型的简化需要严格按照相关要求和规定的内容执行，在以上工作全部完成后，便可进行网格的设置和网络的划分工作。然后根据模型的内容进行数值的计算，在数值计算时不使用Gambit软件，而是使用FLUENT软件进行计算，在FLUENT软件当中对压缩机模型进行三维计算，同样的，这种三維计算需要使用到三维单精度求解器，在三维单精度求解器当中选择一个更加合适的模型进行计算和分析。一般来说，这种求解器多选择非稳态的形式，这样才能够从根本上保证压缩机在对数值进行分析时的准确性。
综上所述，计算机流体动力学在流体机械设计当中十分常见，且应用范围相对比较广泛，尤其是在计算机和数学领域当中，计算机流体动力学的应用更为普遍，在这种情况下，针对于计算机流体动力学方法应用在流体机械设计来说，从喷射泵和压缩机两种不同的流体机械设计进行详细分析，从建立模型到数值计算，充分发会出计算机流体力学在流体机械设计中的作用。
参考文献
[1] 兰兵德，李军.浅析计算流体动力学（CFD）在汽车领域的应用[J].汽车工业研究，2015（9）：14-17.
[2] 李一擎，吕金龙.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].工业，2016（3）：00258.
[3] 严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].电子制作，2013（20）：36.
[4] 张艳海，回梦鸽.谈CFD方法在流体机械设计中的应用[J].工业b，2015（19）：128-129.
[5] 张明慧.CFD方法在流体机械设计中的运用分析[J].山东工业技术，2017（1）：109.
