cfd技術(shù)在機械領(lǐng)域應(yīng)用

1、黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）作者：Pan Hon glia ng僅供個人學習單位代碼學 號 100617021分類號黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）CFD技術(shù)在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用2013院（系）名稱工學院年5專業(yè)名稱機械設(shè)計與制造月10學生姓名李秋遨日指導教師李慧CFD技術(shù)在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用為了計算低速到超音速的無粘和粘性流動，綜合CFD方法當前的研究成果， 編制了 CFD通用程序并且應(yīng)用于流體機械的分析與設(shè)計。幾個實例表明，該程序 是有效的，具有較高的工程應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞CFD方法 流體機械 設(shè)計CFD methods are used in the fluid machinery

2、 designAuthor:Li Qiu 'oTutor: Li HuiAbstractIn order to calculate to supersonic, inviscid and viscous flows at low speed, comprehe nsive CFD method the curre nt research results, make up Made CFD general program and applied to the analysis of fluid machinery and design. Several examples show tha

3、t the program is effective and has high engin eeri ng applicati on value Key words: CFD, fluid mach inery , desig n目 錄1弓I言5.2 CFD 方法5.2.1數(shù)學模型6.2.2計算方法6.數(shù)值算法求解 6.差分格式6.離散方程組的求解 .6.3 程序編制9錯誤！未定義書簽。4工程應(yīng)用實例 錯誤！未定義書簽。4.1圓弧凸包通道流動7.4.2葉柵內(nèi)部流動 7.雙圓弧平面葉柵幾何參數(shù) 7葉輪內(nèi)部流動分析84.3拉伐爾噴管內(nèi)部流動 8.5 CFD的發(fā)展狀況與前景 95.1 CFD研究方向

4、9.5.2 CFD技術(shù)動態(tài)9.5.3 CFD技術(shù)發(fā)展成就106結(jié)論錯誤！未定義書簽。參考文獻101引言隨著科學技術(shù)的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，許多領(lǐng)域(特別是石油化工、航空等) 對高性能的流體機械需求越來越迫切。為了適應(yīng)社會的需求，需要進行試制和大 量試驗參數(shù)測量等工作，為此需要耗費大量的資金和時間。顯然，為了設(shè)計出高 性能的流體機械，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法。這就 要求設(shè)計者必須詳細掌握流體機械性能和內(nèi)部流動狀況，從而給流體機械內(nèi)部流動理論和試驗研究提出了新的課題。研究流體流動的方法有理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三種。對葉輪機械、 噴管、管道等內(nèi)部流動實驗測量時，要求的實驗裝

5、置復雜龐大且實驗成本較高， 研制周期長，因而使實驗研究受到了很大的限制。而數(shù)值模擬將以其自身的特點 和獨特的功能，與理論分析及實驗研究一起，相輔相成，逐漸成為研究流體流 動的重要手段,形成了新的學科。計算流體動力學(CFD: Computational Fluid Dynamics)。近年來,隨著高速、大容量、低價格計算機的相繼出現(xiàn)，以及CFD方 法的深入研究，其可靠性、準確性、計算效率得到很大提高，展示了采用CFD方 法用計算機代替試驗裝置和/計算試驗0的現(xiàn)實前景。CFD方法具有初步性能預 測、內(nèi)部流動預測、數(shù)值試驗、流動診斷等作用。在設(shè)計制造流體機械時，一般的過程為設(shè)計、樣機性能試驗、制造

6、。如果采 用CFD方法通過計算機進行樣機性能試驗，能夠很好地在圖紙設(shè)計階段預測流 體機械的性能和內(nèi)部流動產(chǎn)生的漩渦、二次流、邊界層分離、尾流、葉片顫振等 不良現(xiàn)象，力求將可能發(fā)生故障的隱患消滅在圖紙設(shè)計階段。綜上所述，人們借助計算機對流體機械內(nèi)部的流動進行數(shù)值模擬成為可能，CFD方法將在一定程度上取代實驗，以達到降低成本、縮短研制周期的目的，并 且數(shù)值模擬可提供豐富的流場信息，為設(shè)計者設(shè)計和改進流體機械提供依據(jù)。因 此，人們深信CFD方法是現(xiàn)在和未來研制流體機械必不可少的工具和手段，它使設(shè)計者以最快、最經(jīng)濟的途徑，從流體流動機理出發(fā)，尋求提高性能的設(shè)計思 想和設(shè)計方案，從滿足多種約束條件下獲取

7、最佳的設(shè)計，可以說CFD方法為流 體機械設(shè)計提供了新的途徑。由于許多程序是在以前的研究成果的基礎(chǔ)上編制成的，適用范圍有限，制約了 CFD方法在工程中的廣泛應(yīng)用。為了加快計算流體力學最新研究成果向工程 應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度，開創(chuàng)計算流體動力學研究與應(yīng)用的新局面，本文基于目前CFD 方法新的研究成果，編制了適用速度范圍寬的通用程序，并通過幾個典型應(yīng)用實 例，驗證了程序的正確性和可靠性。2 CFM 法2.1數(shù)學模型近二、三十年來，時間推進法廣泛應(yīng)用于亞音速、跨音速和超音速等可壓縮流動的數(shù)值計算。對于低馬赫數(shù)和不可壓縮流動，由于其流速與音速相差很大，采用時間推進法對其進行數(shù)值模擬，效果不太好。為了繼續(xù)應(yīng)用時

8、間推進法，許 多研究者采用預處理方法解決此問題。該方法通過預處理矩陣將基于密度的控制 方程組改為基于壓力的控制方程組。目前，預處理方法研究日益廣泛，已經(jīng)推廣 應(yīng)用于任意馬赫數(shù)的可壓縮流動和不可壓縮流動。由于流體裝置的許多流道是彎曲、不規(guī)則的，所以本文采用任意曲線坐標系 三維可壓縮預處理Navier2Stokes方程組來描述流道內(nèi)部流動,其形式為：(2-1)其中,FCi、FVi分別是對流通量和粘性通量,其定義參見文獻1 ; W= p, u , v, w, T T ;#是預處理矩陣，其定義參見文獻2。2.2計算方法數(shù)值算法求解上述的各微分方程相互耦臺，有較強的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法 進行

9、求解，這就需要對實際問題的求解區(qū)域進行離散。 數(shù)值方法中常用的離散形 式有：有限容積、有限差分、有限元。目前這三種方法在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的 CFD 技術(shù)中均有應(yīng)用?？傮w而言，對于暖通空調(diào)領(lǐng)域中的低速、不可壓流動和傳熱問題，采用有限容積法進行離散的情形較多，具有物理意 義清楚，能滿足物理量的守恒規(guī)律的特點。 離散后的微分方程組就轉(zhuǎn)變成以下代 數(shù)方程組：a(2-2)或者：(2-3)式中，n為離散方程的系數(shù)，為各網(wǎng)格節(jié)點的變量值，b為離散方程的源項。下 標P, E，w，N，s，T和B分別表示本網(wǎng)格、東邊網(wǎng)格、兩邊網(wǎng)格、北邊網(wǎng)格、南 邊網(wǎng)格、上面網(wǎng)格和下面網(wǎng)格處的值，或者以 nb表示P的相鄰6個節(jié)點。

10、差分格式本文程序采用有限容積法求解流體流動控制方程組。對流項的離散采用具高 精度和高分辨率的AUSMP格式3。粘性項采用中心差分格式。離散方程組的求解在以往的程序中，廣泛應(yīng)用隱式時間推進法，但由于該方法要進行矩陣求逆， 需要較多計算機內(nèi)存和計算時間。本文程序采用Yoon和JamesoA4新提出的Lu-SGS方法，該方法不需要進行矩陣求逆，節(jié)省了計算時間，對計算機內(nèi)存要求 不咼。這樣處理，便于CFD程序在工程上應(yīng)用和普及。3程序編制根據(jù)上述的理論和方法，編制了流動數(shù)值模擬計算程序。程序編制框圖如圖3.1所示。圖3.1程序編制框圖4工程應(yīng)用實例為了驗證編制程序的正確性和可靠性，本文選擇幾個有實驗結(jié)

11、果或數(shù)值計算 結(jié)果的典型應(yīng)用實例，通過該程序?qū)ζ鋬?nèi)部流場進行數(shù)值模擬，并與文獻結(jié)果進行對比分析。4.1圓弧凸包通道流動圓弧凸包通道的高度H和其下壁面處的圓弧凸包長度 C均為1，通道總長 為3，圓弧凸包相對高度T/C=0.1，網(wǎng)格數(shù)為97X49。進口馬赫數(shù)為0.2，其整 個區(qū)域的馬赫數(shù)分布如圖2所示。通過與文獻數(shù)據(jù)比較，兩者相符很好。這說明 本文程序能正確模擬低馬赫數(shù)的流動。圖4.1通道內(nèi)部流動的馬赫數(shù)分布4.2葉柵內(nèi)部流動雙圓弧平面葉柵幾何參數(shù)為了便于評價本程序計算結(jié)果的正確性和可靠性， 選取的雙圓弧平面葉柵主要幾何參數(shù)和網(wǎng)格節(jié)點數(shù)及網(wǎng)格分布均與有關(guān)文獻相同，見圖3。圖4.2葉柵的幾何參數(shù)和網(wǎng)

12、格分布葉輪內(nèi)部流動分析：選取葉輪流動的四個典型工況進行數(shù)值試驗。它 們的進口馬赫數(shù)分別為0.5、0.675、1.6，分別對應(yīng)的流動為亞音速流動、跨音 速流動和超音速流動。通過本文程序的數(shù)值分析，得到了這些工況流動的流場信 息，其整個區(qū)域的馬赫數(shù)分布如圖 4所示。圖4.3葉柵內(nèi)部流動的馬赫數(shù)分布計算結(jié)果與文獻5結(jié)果比較表明，兩者相符很好。這說明對葉輪流動的 四個典型工況的數(shù)值分析是正確的，并且準確捕捉了跨音速葉輪流動中的激波， 確定了激波位置，并且激波前后沒有發(fā)現(xiàn)大的數(shù)值振蕩。4.3拉伐爾噴管內(nèi)部流動應(yīng)用實例的特點是馬赫數(shù)變化范圍大（M0.22.0），文獻6給出了 2種 不同噴管可壓縮流動的實驗

13、數(shù)據(jù)，B1和B2兩個噴管的基本幾何尺寸是相同的， 兩者的主要差別在于噴管的喉部，B2噴管較B1噴管在喉部處的過渡要光滑一 些。也正是由于喉部的不同，導致2個噴管在性能上的差異，這就要求數(shù)值計算 能夠準確地區(qū)分2個噴管在性能上的差異?；谏鲜鲈颍疚奶剡x取文獻6 中B1和B2兩個拉伐爾噴管作為應(yīng)用實例，檢驗本文程序模擬低速到超音速范 圍內(nèi)粘性流動的可行性和有效性。噴管的詳細幾何參數(shù)可參見文獻6，網(wǎng)絡(luò)數(shù)為97X61，網(wǎng)格在壁面和喉部處適當加密。通過本文程序?qū)1和B2噴管內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，沿中心線和壁面的壓力分布以及與實驗數(shù)據(jù)的比較如圖4和圖5所示。由比較可以看出，本文的計算結(jié)果與實驗結(jié)果

14、相符很好，準確區(qū)分了 B1和B2兩個噴管在性能上的差異圖4.4沿噴管中心線的壓力分布圖4.5沿噴管壁面的壓力分布5 CFD的發(fā)展狀況與前景5.1 CFD研究方向CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用始于1974年，國外在這方面發(fā)展較快，目前國內(nèi) 也有一些大學或科研機構(gòu)在對此進行研究。 就研究方向而言，主要可分為兩方面： 基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家對CFD勺基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平；20世紀70年代末80年代初，我國的一些高校、研究機構(gòu)開 始CFDfc術(shù)的應(yīng)用研究（清華大學等有較為獨特的研究方向），20年來，研究的范 圍從以室內(nèi)空氣分布咀及建筑物內(nèi)煙氣流動規(guī)律的模擬為主.逐漸擴

15、展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴散問題，并已形成一些可以解決實際問題的軟件。 從軟 件工程的角度來看，求解（核心計算）的部分與國外先進水平差距不大，主要差距 表現(xiàn)在前處理即幾何造型與網(wǎng)格生成技術(shù)、后處理即科學計算可視化部分。開展 CFM面的研究尚有大量工作要做，表現(xiàn)為： 繼續(xù)加強算法理念方面的基礎(chǔ)研究； 研究網(wǎng)絡(luò)自動生成技術(shù)； 研究科學計算可視化技術(shù)； 用CFD術(shù)開展本行業(yè)中的應(yīng)用研究。5.2 CFD技術(shù)動態(tài)1）室內(nèi)空氣流動的簡化模擬 美國MIT從描述空調(diào)風口人流邊界條件的方法、湍流模型等方面進行研究，對室 內(nèi)空氣流動進行簡化模擬；我國清華大學研究空調(diào)風口人流邊界條件的新方法、 湍流模型以及數(shù)

16、值算法，建立室內(nèi)窄氣流動數(shù)值模擬體系；2）室內(nèi)外空氣流動的大渦模擬美國MIT、日本東京大學研究大渦模擬這一高級湍 流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動模擬中的應(yīng)用， 目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小 區(qū)和自然通風模擬等；3）室內(nèi)空氣流動和建筑能耗的耦合模擬美國 MIT通過將簡化的CF模擬方法和建 筑能耗計算耦合對建筑環(huán)境進行設(shè)計；5. 3 CFD技術(shù)發(fā)展成就暖通空調(diào)制冷行業(yè)是CFDfc術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之我國暖通空調(diào)制冷行業(yè)對CFD勺應(yīng)用研究開展了大量的工作，取得了許多成果。 通風空調(diào)設(shè)計方案優(yōu)化及預測； 傳熱傳質(zhì)設(shè)備的CF酎析，如各種換熱器、冷卻塔的CFD分析； 射流技術(shù)的CF酎析，如空調(diào)送風的各種末端設(shè)備等；

17、 冷庫庫房及制冷設(shè)備的CF酎析； 流體機械及流體元件，如泵、風機等旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)流動柵各種閥門的 CFD析等； 空氣品質(zhì)及建筑熱環(huán)境的CFD方法評價、預測； 建筑火災煙氣流動及防排煙系統(tǒng)的CF酎析； 鍋爐燃燒（油、氣、煤）規(guī)律的CF酎析； 城市風與建筑物及室內(nèi)空氣品質(zhì)的相互影響過程的CF酎析； 管網(wǎng)水力計算的數(shù)值方法。6結(jié)論本文成功地應(yīng)用編制的流動計算程序?qū)Σ煌R赫數(shù)的通道、葉輪和噴管內(nèi)部的可壓縮流動進行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻的實驗結(jié)果或數(shù)值結(jié)果一致， 表明該程序可以廣泛應(yīng)用于低速到超音速范圍內(nèi)流動的數(shù)值模擬，為流體工程設(shè)計者提供依據(jù)，有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻1 沈孟育，周盛，林保真.葉

18、輪機械中的跨音速流動北京：科學出版社，19882 馬鐵猶.計算流體力學.北京：北京航空學院出版社，19863 Kyu Ho ng Kim,Cho ng Gam Kim,Oh Hyu n Rho.Accurate Computatio ns of Hypersonic Flows Using AUSMPW+ Scheme and Shock-aligened Grid Tech ni que,AIAA paper 98-2442,19984 Yoon S, James on A丄 ower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel Method for the Euler and

19、 Navier-Stokes Equations. AIAA Journal. 1986 24:14531460.5 Park T S,Kw on J H. An improved Multistage Time Stepp ing for Secon d-Order Upwind TVD Schemes. Computer & Fluids,1996; 25:629645.6 Mason ML,Putnam L E,Re J. Teh Effect of Throat Contouring on Two-Dime nsional Con vergi ng-Divergi ng Noz

20、zle at Static Con ditio n. NASA TN-1704,1980(e nd)7 徐錦康，機械設(shè)計，北京，高等教育出版社20008 朱理，機械原理，北京，高等教育出版社19969 霍光青，劉潔，工程制圖，北京，中國林業(yè)出版社 200210 劉鴻文，材料力學，北京，高等教育出版社2003版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ng&

21、#39;s pers onal own ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個人學習、研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律 的規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)利。除此以外，將本 文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時，須征得本人及相關(guān)權(quán)利人的書面 許可，并支付報酬。Users may use the contents or services of this articlefor pers onal study, research or appreciati on, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisi ons of