计算流体动力学_CFD_在流体机械领域的应用

计算流体动力学（CFD）在流体机械领域的应用

吴民生1，段文广2

（西安石油大学,1.研究生部；2.机械工程学院，陕西西安710065）

摘要：计算流体动力学（ＣＦＤ）是一种以流体为研究对象的数值模拟技术。相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸等优点。因此是研究流体动力学有力的工具。本文主要综述了ＣＦＤ技术在流体机械领域内的泵、压缩机方面的应用。

关键词：计算流体动力学；流体机械；流场035中图分类号：

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2008）12-0036-02

空气、水、油等易于流动的物质被统称为流体。在力的作用下，流体的流动可引起能量的传递、转换和物质的传送。利用流体进行力的传递、进行功和能的转换的机械，被称为流体机械。流体力学就是一门研究流体流动规律，以及流体与固体相互作用的一门学科，研究的范围涉及到风扇的设计，发动机内气体的流动以及车辆外形的减阻设计，水利机械的工作原航空和航天理，输道的铺设，供水系统的设计，乃至航海、等领域内动力系统和外形的设计等。

计算流体动力学（CFD），就是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。CFD应用计算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的计算机，编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的流动和传热规律的质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒规律，及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组，得到确定边界条件下的数值解。CFD兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。

层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反定常流动、

应等等。在最新的FLUENT软件中，还加入了噪声模型。对每一种物理问题的流动特点都有适合的数值解法。FLUENT软件的后置处理器具有三维显示功能，可以展现各种流动特性，有的还能以动画的形式演示非定常过程。

FLUENT软件的基本程序结构如图1所示。

CAMBIT

设置几何形状

生成2D或3D网格

几何形状或网格其他软件包，如

CAD，CAE等

边界网格

2D或3D网格

边界和（或）体网格

PrePDFPDF查表

PDF程序

FLUENT

网格输入及调整物理模型边界条件

流体物性确定计算

结果后处理

网格

TGrid

2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格

图1FLUENT软件的基本程序结构

1FLUENT软件的主要特点

2

FLUENT软件是美国FLUENT公司经过多年开发改进的

FLUENT软件在流体机械领域的应用

流体机械是以流体为工作介质来转换能量的机械。通常

一种适用范围广泛、功能强大、适合于工程问题计算流体力学(CFD)软件。FLUENT是目前功能最全面，适用性最广，国内使用最广泛的CFD软件之一。

FLUENT程序软件包由以下部分组成：

（1）GAMBIT—用于建立几何结构和网格的生成。（2）FLUENT—用于进行流动模拟计算的求解器。（3）prePDF—用于模拟PDF燃烧过程。

（4）TGrid—用于从现有的边界网格生成体网格。（5）Filters(Translators)—转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。

FLUENT软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非

包括水轮机、汽轮机、燃气轮机、膨胀机、风力机、泵、通风机、压缩机、液力耦合器、液力变矩器、风动工具、气动马达和液压压缩机的应用。马达等。本文中主要介绍FLUENT软件在泵、2.1喷水泵

泵是用来输送液体并给液体增加能量的一种机器。本文中考虑前端有一个转子，后端有一个静子的喷水泵。此构造是典型的单极轴流叶轮机械。转子和静子各自在一个单独的计算域内，因此，转子和静子之间以及与之相连的进口和出口之间会存在流动干涉。

（1）建立模型。此喷水泵转子和静子分别有6片和10片，

收稿日期：2008-09-15作者简介：吴民生（1970—），男，湖北咸宁人，工程师，硕士，研究方向：工业设计及计算机科学；段文广（1982—），男，山东淄博人，硕士研究生，

研究方向：石油钻采设备智能化及其控制。

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《装备制造技术》2008年第12期

因此求解时仅需要考虑一个转子叶片和一个静子叶片通道内的流动问题。

环境压力假定为1atm，转子的轮毂与叶片转速为1200r/min。

启动Gambit建立简化模型，经过进一步的简化等步骤后进行网格划分和设置，网格划分结果如图2。

（1）建立模型。启动Gambit建立简化模型，经过进一步的简化等步骤后进行网格划分和设置，网格划分结果如图5。

（2）数值计算。启动FLUENT三维的单精度求解器。模型设置时，启动非稳态求解器。在网格运动设置中，激活动网格相邻壁面和活塞顶部的运动和说明相关参数，说明活塞运动、流体区域及活塞上部铺层网格的运动后进行求解。

利用FLUENT—3D进行后处理，可得到曲柄角度为540°时的静温等高线图（图6）、上死点位置时的静温等高线）和上死点位置的透视YZ坐标面的切面速度矢量图图（图7（图8）。

图2喷水泵转子和静子网格划分结果图

（2）数值计算。启动FLUENT三维的单精度求解器，选择计算模型为κ-ε模型，使用标准近壁函数，使用混合面（MixingPlane）来模拟转子和静子之间的干涉。

边界条件设置：设置静子液体状态后，再设置转子流体状设置态，设旋转速度为1000r/min。保持进口的压力边界条件，总压P=0，湍流水平保持缺省设置；检查出口压力状态，设置好转子轮毂及外壁的边界条件等。使用分离变量求解器求解，利用FLUENT—3D进行后处理，得到静子叶片附近的速度矢量云图（见图3）和转子叶片和轮毂的全压等高线图（见图4）。

图6

曲柄角度为540°时的静温等高线图

图7

图3

静子叶片附近的

速度矢量云图

图4

转子叶片和轮毂的全压等高线图

上死点位置时的静温等高线图

2.2压缩机

压缩机是用来输送气体并提高气体压力的机器。本文采用一个简化的三维缸内几何结构，由一个圆柱代表缸壁，运动壁面代表活塞组成。活塞从下死点（相应的曲柄角度为180°）向上运动，开始缓慢地绝热压缩缸内流体。当抵达上死时，活塞往回运动到起始位置，点（相应的曲柄角度为360°）在曲柄角度为540°时完成一个循环。

图8上死点位置的透视YZ坐标面的切面速度矢量图

3

图5缸壁活塞网格划分结果图

应用展望

水泵、压缩机是化工领域的常用设备，其内部流场流动规

(下转第41页)

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《装备制造技术》2008年第12期

劳寿命见表7。

表7

材料牌号GX8NiTi(28℃)NiTi(50℃)

测模型对微动疲劳寿命的预测是合理有效的；

微动疲劳寿命预测表

试验值1.78×10

7

（4）NiTi形状记忆合金的试验后，可以进一步的对该寿命预测模型进行修正；

误差-9.61%

寿命预测值1.609×102.003×10

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）后续工作中，将建立复杂的三维带涂层模型（如燕尾（5

形榫接），并考虑高低周复合载荷下的微动疲劳寿命预测。

参考文献：

[1]何明鉴,微动磨损疲劳—燕尾联结应力分布及裂纹位置预测[J].航空动力学报，19，4(3):205-208.

[2]赵少汴,抗疲劳设计[M].北京:机械工业出版社,1994.

[3]北京航空材料研究所.航空发动机设计用数据手册[Z].北京:国防工业出版社.1990.

[4]夏青元.低周载荷作用下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D].南京:南京航空学院，2005.

潘升材，高德平.微动疲劳中的应力状态参数和微动磨损[5]朱如鹏，

参数的研究[J].工程力学,1998,15(4):116-121.

1.986×107

4结论

(1)本文设计研究微动疲劳损伤的桥式试验装置，并建立

了接触摩擦的模型进行数值模拟，得到详细的微动疲劳数据；

(2)改进原有微动疲劳寿命预测模型，将微动磨损作为影响微动疲劳寿命的重要因素引入寿命预测模型中；

(3)GX8的寿命值与试验值寿命误差为-6.91%，表明该预

NiTiFrettingFatigueLifePredictionModelundertheLowCycleLoad

XUEFei，WANGRong-qiao

(SchoolofJetPropulsion,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)

Abstract:Forfrettingabrasionacceleratingthefatiguefailureofthematerials,frettingfatigueisactuallytheresultoftheinteractionoffrettingabrasionandgeneralfatigue.NiTishapememoryalloyhasgoodwearresistanceandanti-fatigueproperties,whichcandelaytheoccurrenceoftheinjuryandexpansionofthedamage.Toimprovetheoriginalfrettingfatiguelifepredictionmodel,frettingabrasionisintroducedintothethefrettingfatiguelifemodelasanimportantfactor.Theresultgetsareasonableandeffectivepredictionmodelforthefrettingfatiguelifeprediction.

Keywords:frettingfatigue;frettingabrasion;NiTifrettingfatiguelifepredictionmodel

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第37页)

律较为复杂。传统的实验研究往往会受到模型尺寸、人身安全(如高温、高压、易爆工况)等的，且周期长、经费投入多、人力物力消耗大。而CFD方法则克服了上述弱点，而且其强大的数值计算能力，可以解决用解析法无法求解的方程，因此它的出现大大丰富了流体力学的研究方法。

通过利用FLUENT软件对流体机械内部流场的模拟，不仅能得出流体机械的整体性能，而且能捕捉到流体机械内部流场的许多流动细节，弄清楚流体机械内部流体的流动情况，从而可获得影响流体机械规律性的诸多信息，为改进设计、提高流体机械性能提供了新的途径和方向。

参考文献：

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.[2]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

张凯，.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京：清[3]王瑞金，

华大学出版社，2006.

尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理经验技巧有一定的依赖。然而，由于其在研究流体流动方模型、

面的巨大优势，可以预见到它与理论分析、实验观测紧密结合起来，相互促进，在机械领域内必然能发挥越来越重要的作用。

ApplicationsofComputationalFluidDynamicsinFluidMachineryField

WUMin-sheng1,DUANWen-guang2

(1.DepartmentofGraduate;2.CollegeofMechanicalEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China)

Abstract:ComputationalFluidDynamics(CFD)isakindofnumericalsimulationtechnologywhichfluid.Comparedwithexperimentalfluid

dynamics,CFDhasmanymerits,forexample,thedevotedfinanceisless,thespeedofcomputationisquich,theinformationinvolvedisfullandthesizeofmodelisnotlimited.So,itisapowerfultooltostudyfluiddynamics.TheapplicationsanddevelopmentsofCFDinfluidmachineryfieldwhichincludedpump,compressorarereviewed.

Keywords:ComputationalFluidDynamics(CFD);fluidmachinery;flow

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