摘 要：随着科学技术的不断完善，CFD技术在流体机械设计中的应用越来越广泛，对于提升流体机械的性能有很大的帮助。CFD方法是流体力学中的重要组成部分，是数学和计算机有机结合的产物，作为一门具有强大生命力的边缘学科，不管是在数学领域还是计算机领域，CFD方法的重要性都是无可替代的。本文将针对CFD方法在流体机械设计中的运用进行分析。

关键词：CFD方法；流体机械设计；运用分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.094

0 前言

近几年来，我国的工业化进程开展的如火如荼，工业制造业作为支撑国民经济发展的主力军受到了广泛的关注。在科技时代的影响下，各种多样化的科学技术被应用在流体机械设计中，并且发挥着重要的作用。CFD技术是现代化工业经常使用的一种手段，在汽车制造业、航空航天、造船业等领域中的应用相当广泛。除此之外，CFD技术还被使用在喷水泵、压缩机等流体机械设计当中。不管从哪一个角度看，CFD技术的应用都推动了工业领域的可持续发展。

1 CFD方法的基本概述

CFD也叫计算流体动力学，是流体力学领域中的重要组成部分，在工业机械设计中占据了关键地位。CFD是数学和计算机有机结合的产物，作为一门具有强大生命力的边缘学科，不管是在数学领域还是计算机领域，CFD方法的重要性都是无可替代的。在使用CFD技术的时候，需要依赖电子计算机作为工具，通过各种离散化的数学方法的合理利用，解决流体力学计算中的各种问题。利用先进的科学仪器模拟数值实验，根据实验数据构建虚拟模型，并且针对模型进行细致的分析与研究，从而实现利用数学知识解决流体力学实际问题的目标。常用的CFD技术软件为FLUENT。

任何流体的运动都不是随机，而是遵循一定的自然规律，所以在利用CFD方法研究流体力学的时候，也应该遵守一定的规律。常用的自然规律有质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。流体的运动非常容易受到外界因素的影响，并且在外界因素的影响下会发生一定的变化，而CFD方法的应用恰恰能够解决这些问题。CFD方法的应用是建立在数值数学和流体力学的基础上，通过先进的计算机软件进行数据分析，根据数据分析结果构建离散型数字模型，通过对模型的分析与研究来实现计算的目的[1]。

2 CFD方法在流体机械设计中的应用

2.1 CFD方法在喷水泵设计中的应用

喷水泵属于流体机械的一种，而CFD方法在流体机械设计中的应用比较广泛，所以CFD技术也能够使用在喷水泵的设计当中。喷水泵是一种输送液体水的工具，生活中常见的喷水泵有单极轴流叶轮机械，主要组成部分为静子与转子。常用的CFD技术软件为FLUENT，只要是跟流体机械设计有关的工业都可以使用FLUENT。不仅能够提升数值计算的准确性，建立更加完善的物理模型，还具备强大的处理功能，为喷水泵设计的可靠性提供了基本保障。

（1）建立模型。FLUENT软件的使用是建立在模型的基础上，所以要想充分发挥出FLUENT软件的重要作用，构建模型是非常必要的。在构建模型的时候，需要根据转子片数和静子片数进行分析，假设静子和转子都只有一个叶片，且转速为1200r/min，利用假设实验对水流流动问题进行分析，将预先设定好的数据输入到FLUENT软件当中，就可以开始建立模型了。模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置[2]。

（2）数值计算。喷水泵模型构建结束之后，需要根据模型进行数值计算。利用FLUENT软件中的三维单精度求解器进行分析，在三维单精度求解器中选择恰当的计算模型，然后根据所选择的标准进行函数分析，通过使用混合面来对喷水泵进行喷水实验，观察静子和转子的运动情况。另外，在模拟的过程中，还需要对外界环境进行设置，因为CFD技术在使用的时候非常容易受到外界环境因素的影响，如果不进行科学的控制，就会影响到最终的实验结果。除了外界环境以外，还要检查进口压力，当所有的条件都在相关标准的控制之下，就可以利用FLUENT软件中的3D技术对模型进行数值计算，从而描绘出比较真实的喷水泵运行模拟图[3]。

2.2 CFD方法在压缩机设计中的应用

压缩机也属于流体机械，主要用于输送压缩气体和提高气体压力。在使用CFD方法设计压缩机的时候，需要对压缩机的缸壁和活塞进行设置。缸壁用圆柱体来表示，活塞用运动壁面来表示。一般情况下，会将曲柄角度设置为180°，让活塞自下而上进行运动，一点一点对缸内气体进行压缩，当活塞压缩到一定程度的时候，或者是当曲柄角度为360°的时候，活塞又会重新回到原来的位置，但是这一次运动的曲柄角度不再是180°，而是540°。

利用CFD方法中的Gambit软件进行压缩机模型的构建，模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化的时候要严格遵守相关的简化步骤进行，指导压缩机模型简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。当压缩机模型建立结束之后，就要开始根据模型进行数值计算了。依然是采用FLUENT三维软件对压缩机模型进行数值计算，根据三维单精度求解器的设置进行分析，启动非稳态的求解器，确保压缩机模型数值分析的准确性与可靠性[4]。

3 结论

综上分析可知，CFD方法在流体机械设计中的应用非常普遍，是在数学领域和计算机领域的基础上进行的，本文针对喷水泵和压缩机这两种流体机械的设计进行分析，从建立模型和数值计算两个角度进行研究，充分发挥出CFD方法在流体机械设计中的重要作用，了解了CFD技术在流体机械设计中的优势。

参考文献：

[1]严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J/OL].电子制作，2013（20）12.22-23

[2]彭志威.基于计算流体力学的虹吸式流道形状优化设计[D].湖南大学，2009.

[3]刘伟.基于CFD的现代造纸机布浆技术与布浆器的研究[D].华南理工大学，2013.

[4]吴子尧.离心式通风机整机三维数值模拟及其结构改型设计分析[D].东北大学，2010.

作者简介：张明慧（1990-），女，山东德州人，硕士，助教，研究方向：机械设计。