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CFD方法在流体机械设计中的应用研究 摘要：本文立足于当前我国流体机械设计的实际情况简略阐述了该课题的研究背景，介绍了流体力学基本方程，并从压缩机设计以及喷水泵设计两方面内容着手，对CFD方法在流体机械设计中的实际应用进行了详细分析，旨在为相关研究人员提供参考。关键词：CFD方法；流体机械；控制方程1 研究背景流体机械本身属于一种机械设备，在实际进行机械生产的时候主要将流体作为其关键能源，通过对于流体机械的应用能够有效为机械设备的持续平稳运行提供充足的动力。现如今在我国的多个领域中都已经实现了对于流体机械的广泛应用，所以当前我国在流体机械方面所开展的研究比较多，以往的流体机械设计方面基本上是凭借试验得出相应的参数设定，接下来再利用设计人员本身的经验优化筛选以及调整试验参数，进而得到最终的流体机械设计。但传统的设计方法常常会导致其设定参数的时候出现误差，并且难以保障流体机械应用的气动性能。而CFD方法的有效应用可以有效提升各项参数设定的科学性，切实降低误差出现的可能性，从根本上保障流体机械的高质量应用。2 流体力学基本方程2.1控制方程CFD即计算流体动力学，其主要是对流程问题进行求解，最关键的内容便在于将原本有着一定复杂性的流场离散成网格，进而促使流体动力学方程能够实现在节点处的有效计算，其基本的质量守恒以及动量守恒定律应当能够同每一个网格相适应，CFD中的任意连续性方程如下所示：在该公式中， 、t、u分别代表的是密度、时间以及速度。对于流体机械来说，在忽略其本身的重力效应之后，可以得出相应的动力方程，如下所示：该公式中的v代表的是体积，F则指的是作用于流体单位质量上的质量力，p主要是指在流体微团单位面积上作用的实际应力张量。2.2湍流模型在计算流体力学中，湍流本身属于一个有着较高复杂性的问题，之所以如此是因为其自身的流动上整体呈现出一定的混乱性、无规律性，并且还会随着时间推移产生变化，与此同时，其都是三维流动的。从实际情况来看，在计算流体力学中最常使用k-模型作为其湍流模型，通过使用其湍流流动动能转化成热量的实际速率对湍流具体的强度q进行表示：在该公式中，k和l分别表示的是湍流动能、粘滞耗散率以及湍流尺度。2.3壁面函数当面对同涡轮压缩机等高雷诺数相类似的各种流动问题的时候，由于其壁面本身有着相对较薄的粘性边界层，所以若是仅使用网格细化技术难以从根本上同其具体的要求相适应。基于此，应当对壁面函数进行施加，在原有的基础上针对边界层展开相应的简化处理工作，在完成壁面函数施加之后其边界层附近速度模拟如下所示：该公式中的 代表的壁面的剪切应力，k主要指的是冯卡门常数， 是与壁面平行的实际速度，B本身是常数，通常情况下来说，在面对光滑壁面的时候，对其取值会在5.5左右， 则代表的是沿壁面的摩擦系数。3 CFD方法在流体机械设计中的实际应用分析3.1压缩机设计压缩机的构成涉及到气缸和活塞组织，其本身属于一种具有较强代表性的流体机械，其在实际进行应用的过程中能够实现对于能量气体的有效压缩以及输送，进而产生能量转化以及使用效果。当其进行高速运转制冷的时候，压缩机内部的气体将会产生具有一定复杂性的流动，在此过程中涉及到诸多的精准运算，具体包括压力损失、压力脉动以及速度分布等等1。以往所采用的运算方法存在着相对较多的计算漏洞，难以帮助工作人员对压缩机内部的实际情况产生更为直观和精确的了解，但灵活应用CFD方法则能够有效将压缩机的应用原理和性能结合起来，进而在比较p-v图以及效率的过程中高效构建起相应的三维模型，进而切实提升结果的精准性和直观性，促使工作人员对压缩机内部所产生的气体流动情况以及热力学过程有更为深入的了解和认识。这样一来，设计人员便能够从压缩机内部流场的实际情况出发提出相应的建议，为后续机械设计的优化完善及调整创造良好的条件基于CFD所开展的压缩机设计工作对于设计人员有着相对较高的要求，设计人员需要事先针对压缩机内部的缸壁以及活塞展开提前的设计工作，通过使用圆柱体以及运动表面分别表示缸壁和活塞。与此同时，设计人员需要设定曲柄角度为180度，这样便能够在后续活塞进行自上而下物理运动的时候，持续稳定地对缸体内的气体展开施压操作。在具体进行实施的时候需要严格按照建立模型、明确计算区域、划分网格以及计算求解等流程要求，最终便可以得到其数据和图表。例如，在使用CFD方法展开活塞压缩机设计工作的时候便需要按照以下质量守恒方程：该方程式中的t代表的是时间，而p则为速度，在x、y、z方向上，速度矢量的分量主要是采用u、v、w进行表示。3.2喷水泵设计灵活应用CFD方法能够在原有的基础上进一步提升对于流体机械内部流场计算的准确性，并促使设计人员尽可能消除各方面对其造成的限制，切实采用更为直观有效的形式针对流体机械内部的运行状态及运行原理展开全方位的探究，此举能够在极大程度上推动机械设计所涉及到各项数据客观性以及准确性的进一步提升2。通过使用CFD方法展开喷水泵设计工作，能够帮助工作人员对水泵叶片流动规律以及水泵内部流场产生更加直观和明确的认识，但在工作人员在实际使用该方法的过程中需要加强对于建模、确定方程以及模型计算等多个步骤的有效掌控。在建模的时候需要从客户的具体要求出发，对喷水泵的功率、空化余量以及扬程等进行明确，同时还要综合考虑各个主要结构的具体参数值，具体包括叶轮和叶轮外径等，并在此基础上形成相应的计算机网络，对其展开三维流畅计算工作。在确定控制方程方面，先假设喷水泵的转轮运转的速度正常，进而便可以设定相应的连续性方程和动量方程：该方程式中的 代表的是流体密度，而 则指的是有效粘性系数，通过使用xj来表示x、y、z的具体坐标， 代表的是其静压，同时分别采用ui和uj来表示其绝对速度分量u和v。在模型计算方面，通过使用FLUENT软件中所提供的三维单精度求解器，立足于具体的标准和模型展开对于函数的分析以及求解工作，在辅助应用相关软件3D技术的过程中形成全面完善的模拟图，对喷水泵的具体运行状态进行描述。结论：综上所述，灵活使用CFD方法能够有效提升流体机械设计效果，对于其后续应用质量的提高有着积极的促进作用。基于此，相关设计人员应当加强对于CFD方法的重视，进而切实展现出实际效果，推动设计成效的进一步提升。参考文献：1秦立庆,颜文煅.基于CFD法的流体机械设计J.黑龙江工程学院学报,2021,35(3):28-32.2吴宏飞,王晓锋,邓强.CFD方法在流体机械设计中的应用J.科学与财富,2021(21):140-141. -全文完-