cfd方法在流体机械设计中的应用

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1、CFD方法在流体机械设计中的应用摘要：随着科学技术的不断发展，对于流体机械的需求越来越大。为了能够提高流体机械的性能，需要进行大量的试验进行研究分析，但这样消耗更多的资金和时间，所以急需一种新型的设计理论和方法进行流体机械的设计工作。因此本文对CFD方法在流体机械设计中的应用进行浅析。　　关键词：CFD；流体机械；设计　　　　一、流体机械的特点　　流体机械是指将利用水、空气等流动的物质传递功和能的机械设备。例如风扇、发动机、水利机械、航海航天的动力系统以及外形设计等。通常情况下流体机械经过样式设计、性能试验然后投入生产，其中性能试验是对样式设计的一种评判，验证其性能是否能够达到保

2、准要求。目前研究流体机械运动性能的方法可以分为实验研究、理论分析以及数值模拟三种方法。在传统的流体机械设计工作当中一直使用实验研究的方法作为设计指导，但是流体机械由于其特殊的工作性质导致在测量实验数据时，需要十分精密的测量仪器以及各种复杂的实验设备，往例如在进行叶轮机械、喷管以及管道等的内部流动实验时，就需要配合组建一个庞大的实验装置群，这样一来不仅会极大增加流体机械的设计成本，而且实验测量占据了一定的时间，也将直接延长流体机械的设计周期。由此可见运用实验研究的方法已经无法满足高性能流体机械的设计工作，因而由此衍生出了数值模拟的方法，即计算流体动力学CFD方法。　　计算流体动力学

3、CFD方法是一种利用计算机编制数据模型，从而配合理论分析以及实验研究一起进行流体运动设计的方法。设计者可以通过计算机进行流体机械的数据模拟，然后通过模型测量实验所需的数据，这样就可以省去了大量的实验设备已经测量时间，能够有效地控制设计成本以及研制周期。此外运用计算流体动力学CFD方法进行流体机械设计还具有运算性能强大、容量大、计算效率快、结论精确度高等优点，而且随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学CFD方法已经逐渐成为目前研究流体机械的重要方法。　　　　二、CFD方法的程序设计　　本文主要研究计算流体动力学CFD方法在空气动力学方面的设计应用，具体研究亚音速、跨音速以及超音速

4、等可压缩流动机械的设计运算。传统的数值模拟使用的是时间推进法，但是音速计算与流速计算存在很大差异，时间推进的方法很难获得较为精确地实验结果，因为利用CFD建立预处理矩阵解决此类问题。以下就对CFD方法在流体机械设计中的应用进行具体分析：　　（一）建立数学模型　　运用CFD进行流体机械设计时，由于流体机械内部装置呈弯曲、不规则形，所以需要用任意曲线坐标系三维可压缩预处理Navier-Stokes方程组来描述流道内部流动状况，具体的方程表达式为：　　其中FCi指流通量，FVi是指粘性通量，W=[p、u、v、PW格式；而粘性项则使用中心差分格式。　　（三）程序编制　　根据相应的计算方法

5、，需要编制运算程序进行具体的流体数值运算。流体运算程序编制框图如下图1所示：　　　　图1程序编制框图　　　　三、CFD方法的具体运用　　根据以上编制的流体运算程序通过对机械本部的流场进行数据模拟，并进一步进行数值计算。在本文研究中主要分析流体机械的圆弧凸包通道流动、叶栅内部流动两种情况来验证计算流体动力学CFD方法的正确性和可靠性。　　（一）圆弧凸包通道流动　　假设圆弧凸包通道的高度H为1，其下壁面处的圆弧凸包通道长度C同样为1，圆弧凸包通道总长为3，圆弧凸包通道相对高度T/C=0.1，X格数为97×49。进口马赫数为0.2，则运用计算流体动力学CFD设计得到圆弧凸包通道流动的马

6、赫数分布如下图2所示:　　　　图2通道内部流动的马赫数分布　　由马赫数分布结果可知，运用计算流体动力学CFD分析的圆弧凸包通道流动结构与与实际测量的完全相符，因此应具有极高的的正确性以及可靠性。　　（二）叶栅内部流动　　使用计算流体动力学CFD方法分析叶栅内部流动，选取的双圆弧平面叶栅主要几何参数和X格节点数以及X格分布如下图3所示:　　　　图3叶栅几何参数和X格分布　　分析不同状态下的叶轮流动情况，即究亚音速、跨音速以及超音速三种典型工况下的数值试验。相应的马赫数分别为0.5、0.675、1.6。然后通过计算流体动力学CFD方法对其进行分析，得到了各自的流场信息。整个区域的马赫

7、数分布如下图4～6所示：　　　　图4亚音速流动动的马赫数分布　　　　图5跨音速流动的马赫数分布　　　　图6超音速流动的马赫数分布　　通过以上的分析结果表明运用计算流体动力学CFD分析不同状态下的叶轮流动数值分析与实际测量相符，并且CFD方法还能够准确的捕捉到跨音速叶轮流动中的激波以及出现的位置如图5所示，并且通过图像显示跨音速叶轮流动的激波前后没有出现大的数值振荡。表明了该程序可以广泛的应用于低速到超音速范围内流动的数值模拟，为流体机械设计者提供依据，具有广泛的应用前景。