cfd技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用

1、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者：Pan Hon glia ng僅供個(gè)人學(xué)習(xí)單位代碼學(xué) 號 100617021分類號黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CFD技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用2013院（系）名稱工學(xué)院年5專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)與制造月10學(xué)生姓名李秋遨日指導(dǎo)教師李慧CFD技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用為了計(jì)算低速到超音速的無粘和粘性流動(dòng)，綜合CFD方法當(dāng)前的研究成果， 編制了 CFD通用程序并且應(yīng)用于流體機(jī)械的分析與設(shè)計(jì)。幾個(gè)實(shí)例表明，該程序 是有效的，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞CFD方法 流體機(jī)械 設(shè)計(jì)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(xué)模型6.2.2計(jì)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(cuò)誤！未定義書簽。4工程應(yīng)用實(shí)例 錯(cuò)誤！未定義書簽。4.1圓弧凸包通道流動(dòng)7.4.2葉柵內(nèi)部流動(dòng) 7.雙圓弧平面葉柵幾何參數(shù) 7葉輪內(nèi)部流動(dòng)分析84.3拉伐爾噴管內(nèi)部流動(dòng) 8.5 CFD的發(fā)展?fàn)顩r與前景 95.1 CFD研究方向

4、9.5.2 CFD技術(shù)動(dòng)態(tài)9.5.3 CFD技術(shù)發(fā)展成就106結(jié)論錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn)101引言隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)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(jī)械需求越來越迫切。為了適應(yīng)社會(huì)的需求，需要進(jìn)行試制和大 量試驗(yàn)參數(shù)測量等工作，為此需要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間。顯然，為了設(shè)計(jì)出高 性能的流體機(jī)械，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法。這就 要求設(shè)計(jì)者必須詳細(xì)掌握流體機(jī)械性能和內(nèi)部流動(dòng)狀況，從而給流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)理論和試驗(yàn)研究提出了新的課題。研究流體流動(dòng)的方法有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種。對葉輪機(jī)械、 噴管、管道等內(nèi)部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，要求的實(shí)驗(yàn)裝

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

6、。如果采 用CFD方法通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)，能夠很好地在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段預(yù)測流 體機(jī)械的性能和內(nèi)部流動(dòng)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?jiān)O(shè)計(jì)階段。綜上所述，人們借助計(jì)算機(jī)對流體機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬成為可能，CFD方法將在一定程度上取代實(shí)驗(yàn)，以達(dá)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(jì)者設(shè)計(jì)和改進(jìn)流體機(jī)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(jī)械必不可少的工具和手段，它使設(shè)計(jì)者以最快、最經(jīng)濟(jì)的途徑，從流體流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，尋求提高性能的設(shè)計(jì)思 想和設(shè)計(jì)方案，從滿足多種約束條件下獲取

7、最佳的設(shè)計(jì)，可以說CFD方法為流 體機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算流體力學(xué)最新研究成果向工程 應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度，開創(chuàng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)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(gè)典型應(yīng)用實(shí) 例，驗(yàn)證了程序的正確性和可靠性。2 CFM 法2.1數(shù)學(xué)模型近二、三十年來，時(shí)間推進(jìn)法廣泛應(yīng)用于亞音速、跨音速和超音速等可壓縮流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算。對于低馬赫數(shù)和不可壓縮流動(dòng)，由于其流速與音速相差很大，采用時(shí)間推進(jìn)法對其進(jìn)行數(shù)值模擬，效果不太好。為了繼續(xù)應(yīng)用時(shí)

8、間推進(jìn)法，許 多研究者采用預(yù)處理方法解決此問題。該方法通過預(yù)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(yù)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(dòng)和不可壓縮流動(dòng)。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(biāo)系 三維可壓縮預(yù)處理Navier2Stokes方程組來描述流道內(nèi)部流動(dòng),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(xiàn)1 ; W= p, u , v, w, T T ;#是預(yù)處理矩陣，其定義參見文獻(xiàn)2。2.2計(jì)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(qiáng)的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法 進(jìn)行

9、求解，這就需要對實(shí)際問題的求解區(qū)域進(jìn)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(dòng)和傳熱問題，采用有限容積法進(jìn)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(diǎn)。 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(diǎn)的變量值，b為離散方程的源項(xiàng)。下 標(biāo)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(gè)節(jié)點(diǎn)。

10、差分格式本文程序采用有限容積法求解流體流動(dòng)控制方程組。對流項(xiàng)的離散采用具高 精度和高分辨率的AUSMP格式3。粘性項(xiàng)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(shí)間推進(jìn)法，但由于該方法要進(jìn)行矩陣求逆， 需要較多計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)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(jìn)行矩陣求逆，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，對計(jì)算機(jī)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(dòng)數(shù)值模擬計(jì)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(shí)例為了驗(yàn)證編制程序的正確性和可靠性，本文選擇幾個(gè)有實(shí)驗(yàn)結(jié)

11、果或數(shù)值計(jì)算 結(jié)果的典型應(yīng)用實(shí)例，通過該程序?qū)ζ鋬?nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。4.1圓弧凸包通道流動(dòng)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(jìn)口馬赫數(shù)為0.2，其整 個(gè)區(qū)域的馬赫數(shù)分布如圖2所示。通過與文獻(xiàn)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(dòng)。圖4.1通道內(nèi)部流動(dòng)的馬赫數(shù)分布4.2葉柵內(nèi)部流動(dòng)雙圓弧平面葉柵幾何參數(shù)為了便于評價(jià)本程序計(jì)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(diǎn)數(shù)及網(wǎng)格分布均與有關(guān)文獻(xiàn)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(dòng)分析：選取葉輪流動(dòng)的四個(gè)典型工況進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。它 們的進(jìn)口馬赫數(shù)分別為0.5、0.675、1.6，分別對應(yīng)的流動(dòng)為亞音速流動(dòng)、跨音 速流動(dòng)和超音速流動(dòng)。通過本文程序的數(shù)值分析，得到了這些工況流動(dòng)的流場信 息，其整個(gè)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(dòng)的馬赫數(shù)分布計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)5結(jié)果比較表明，兩者相符很好。這說明對葉輪流動(dòng)的 四個(gè)典型工況的數(shù)值分析是正確的，并且準(zhǔn)確捕捉了跨音速葉輪流動(dòng)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(dòng)應(yīng)用實(shí)例的特點(diǎn)是馬赫數(shù)變化范圍大（M0.22.0），文獻(xiàn)6給出了 2種 不同噴管可壓縮流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)

13、數(shù)據(jù)，B1和B2兩個(gè)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(dǎo)致2個(gè)噴管在性能上的差異，這就要求數(shù)值計(jì)算 能夠準(zhǔn)確地區(qū)分2個(gè)噴管在性能上的差異?；谏鲜鲈?，本文特選取文獻(xiàn)6 中B1和B2兩個(gè)拉伐爾噴管作為應(yīng)用實(shí)例，檢驗(yàn)本文程序模擬低速到超音速范 圍內(nèi)粘性流動(dòng)的可行性和有效性。噴管的詳細(xì)幾何參數(shù)可參見文獻(xiàn)6，網(wǎng)絡(luò)數(shù)為97X61，網(wǎng)格在壁面和喉部處適當(dāng)加密。通過本文程序?qū)1和B2噴管內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，沿中心線和壁面的壓力分布以及與實(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

14、相符很好，準(zhǔn)確區(qū)分了 B1和B2兩個(gè)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?fàn)顩r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(xué)或科研機(jī)構(gòu)在對此進(jìn)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(dá)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(jì)70年代末80年代初，我國的一些高校、研究機(jī)構(gòu)開 始CFDfc術(shù)的應(yīng)用研究（清華大學(xué)等有較為獨(dú)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(dòng)規(guī)律的模擬為主.逐漸擴(kuò)

15、展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問題，并已形成一些可以解決實(shí)際問題的軟件。 從軟 件工程的角度來看，求解（核心計(jì)算）的部分與國外先進(jìn)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(xué)計(jì)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(qiáng)算法理念方面的基礎(chǔ)研究； 研究網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成技術(shù)； 研究科學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)1）室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡化模擬 美國MIT從描述空調(diào)風(fēng)口人流邊界條件的方法、湍流模型等方面進(jìn)行研究，對室 內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行簡化模擬；我國清華大學(xué)研究空調(diào)風(fēng)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(dòng)數(shù)值模擬體系；2）室內(nèi)外空氣流動(dòng)的大渦模擬美國MIT、日本東京大學(xué)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(dòng)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(fēng)模擬等；3）室內(nèi)空氣流動(dòng)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(jì)算耦合對建筑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)；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(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及預(yù)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(fēng)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(jī)械及流體元件，如泵、風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)流動(dòng)?xùn)鸥鞣N閥門的 CFD析等； 空氣品質(zhì)及建筑熱環(huán)境的CFD方法評價(jià)、預(yù)測； 建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)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(fēng)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(jì)算的數(shù)值方法。6結(jié)論本文成功地應(yīng)用編制的流動(dòng)計(jì)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(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)的數(shù)值模擬，為流體工程設(shè)計(jì)者提供依據(jù)，有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 沈孟育，周盛，林保真.葉

18、輪機(jī)械中的跨音速流動(dòng)北京：科學(xué)出版社，19882 馬鐵猶.計(jì)算流體力學(xué).北京：北京航空學(xué)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(jī)械設(shè)計(jì)，北京，高等教育出版社20008 朱理，機(jī)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(xué)，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(jì)等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個(gè)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(gè)人學(xué)習(xí)、研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時(shí)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(shí)，須征得本人及相關(guān)權(quán)利人的書面 許可，并支付報(bào)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