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摘要：在目前高能流体机械设备要求不断提高的形势下，文章对流体机械设计中比较广泛应用的CFD方法的原理和特点进行介绍，分析此种方法在流体机械设计中的具体应用过程和注意事项，并对此方法在未来流体机械设计中的应用和发展进行了展望。
关键词：CFD方法；流体机械设计；运用
1引言
随着科技的进步和经济的发展，许多地区的高能流体机械设计要求越来越高，为了满足当前社会的需求，我们还必须准备流体机械设计和考虑实际需求和时间要求，显然想要设计一个高性能流体机械，传统的设计方法已经无法满足当今时代的需求，因此需要新的设计方法进行分析，采用现代设计方法，这就要求设计者必须知道流体的性能和相关的内部条件，从而对某一设计，而CFD方法是一种符合本课题的新的设计方法。
2 CFD 及流体机械概述
流体机械是通用机械的一个分支，主要运用在石油化工、军事、医疗、物流、冶金等重工业领域。其装备制造水平的优劣一定程度上反应了国家相关领域的发展。在学术领域流体机械被定义为以流体为工质并进行高效能量转换的机械。为了保证经济性与实效性的均衡必须依靠先进的计算机模拟技术配合相关流体力学计算软件进行工作，所以CFD是相关工作开展的首选。
CFD为典型流体动力学算法集合，是依托计算机平台进行FLUENT软件式建模并辅助设备设施开发工具。该软件自美国引进以来进行了本土化变革，现已具备多种情况下工程流体力学计算并在数学模型完备前提下实现模型自由编辑和代码式导入。借助大数据平台可以收集其他用户工件模拟参数和实验数据，进行疲劳损伤式的寿命预测。极大的降低研发成本和设计周期。
CFD 方法在流体机械设计中运用广泛，以最简单的机泵叶轮模拟为例。根据经验可以简单分为：模型建立→数值计算→性能模拟测试。
模型建立。软件应用程序需要建立一个模型。所分析的喷油泵模型由8个转子和16个定子组成。这个模型相对简单。流量的计算只能从转子和定子考虑。设置完成后，在FLUENT软件中开始建模，对初始建立的模型进行一定程度的简化，然后对网格进行划分和设置。
数值计算模拟。水力喷射泵模型设计完成后，进行数值计算。在FLUENT软件中，设置一个三维单精度求解器，在该求解器上选择计算模型。然后在软件上选择标准的近壁函数和混合表面，对转子和定子运动进行仿真。仿真过程中应设置边界条件。设置转子的流体状态主要是设置转子的转速，可以设置为1000r/min。为了保持泵入口的压力状态，将总压力设置为0，并将默认设置保持在湍流级别。除进口压力外，还应检查出口压力，并设置外墙条件为边界条件。设置边界条件后，解决离散变量可以用来计算数值如喷射泵的速度，然后是3D技术的FLUENT软件可用于过程，以获得一个相对真实的喷射泵的操作的模拟图。
性能模拟测试。完成以上两个步骤后，需要对射流泵的性能进行仿真。为了探索泵的工作性能，设计高性能泵，需要探索泵的内部流动。需要对射流泵的性能进行数值模拟，以提供准确的泵体和叶轮数值，并对其进行整体数值分析。旋转叶轮区域可以设置一个控制方程组在相对坐标，绝对坐标系下的控制方程组解出了作文的进口和出口地区水管道和泵体，然后流双重参考系统下测试和计算。在检测过程中，需要使相对和绝对动态接口耦合满足绝对物理量。
3 CFD 方法在流體机械设计中的运用
国外，特别是在欧美等发达国家，CFD技术自20世纪60年代以来发展迅速。其发展的驱动力是不断增长的工业需求，而航天工业始终是最强大的驱动力。传统的飞机设计方法测试成本高，耗时长，获得的信息有限，迫使人们使用先进的计算机仿真技术来指导设计，大大减少了样机测试，缩短了研发周期，节约了研究经费。近40年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得了长足的发展，给行业带来了革命性的变化。例如，在汽车工业中，CFD和其他计算机辅助工程（CAE）工具将开发新车所需的原型车数量减少到现在的12辆。国外飞机制造商使用CFD来代替许多物理测试。例如，美国战斗机yf-23采用CFD进行气动设计后，风洞试验比上一代yf-17减少了60%。目前，在国外航空、航天、汽车等许多工业领域，CFD的反复设计、分析和优化已成为标准的必要步骤和手段。
在国内，计算流体动力学（CFD）在我国广泛应用于许多领域。其中，航天、航空、船舶、汽车、核电是CFD的高级应用领域。例如，在太空中，载人航天工程和新一代运载火箭的研制都依赖于CFD技术。中国第一架喷气涡扇支线飞机的研制是CFD在中国应用的一个典范。在船舶方面，根据相关材料，到2015年上海造船总能力将达到120万吨。如此巨大的任务必须依靠CFD来完成。在汽车方面，随着全球汽车制造业向中国转移，汽车研发能力已经提上日程。考虑到综合成本，这些企业寻求外部高性能计算，最终必须依赖CFD。
目前，使用通用成熟的商用CFD软件进行日常设计分析已成为许多企业不可或缺的一部分。以上海为例，CFD作为设计分析的基本方法，先后在电子行业、市政建设工程、环保、建筑、机电设备等行业领域进行了介绍。如使用CFD热分析在电子行业，利用CFD通风，消防市政工程，沉降模拟、机电设备行业应用CFD的涡轮机，汽轮机等旋转机械设计和锅炉燃烧器燃烧流分析，模拟的应用CFD在水环境污染，应用CFD的注塑，模具，炼钢非牛顿流体过程分析等。
4 CFD 技术的发展趋势
（1）网格生成技术的发展方向：集成剩余几何建模系统、化工过程计算仿真软件、智能制造系统和网格自动生成系统成为发展的必然趋势，使整个过程更加高效。上层网格生成需要智能化，需要采用多重网格加速来提高收敛速度和稳定性。网格需要多种算法的结合，即算法要具有较高的通用性、可靠性和效率，尽可能减少人为干预。如何使生成的自适应网格完全“自适应”，建立高效、准确、灵活、方便的复杂网格技术是网格划分技术发展的必然趋势。
（2）分区并行计算、共享内存的多cpu并行计算、分布式内存的海量并行计算、工作站集群的网络化大规模并行计算都可以提高CFD技术的计算速度。云计算的出现是并行计算技术、软件技术和网络技术发展的必然结果，其成熟的发展将大大提高CFD技术的计算能力。
（3）基于CFD的集成技术发展，CFD软件提供可靠的流场分析的结果的基础上，利用优化等手段，设计、神经网络、CAD/UG/证明和GAM模块集成、过滤解决方案，使“试错”的优化设计过程更加合理，快速、准确的自动实现，制定计划以满足设计要求，然后制造；CFD技术的基础上，结合多目标优化的规则，一个和多个学科相关的约束集，收敛速度和合理结果，等等，注意在工业过程仿真软件如若或阿斯彭加上一个有效的平台，如建立集成平台，使整体设计过程更加合理，更标准的设备结构更优化，节能减排。针对不同机器应用的不同特点，建立了专用分析模块。
（4）优化设计计算系统，将流体机械的设计与流场的数值模拟有机地结合起来，从而得到优化的设计结果。利用CFD技术解决工程实际问题，优化设计高效、清洁的生产工艺和设备。
随着CFD应用的不断深入，我国高校和科研院所也开始对其加大研究，比如目前西北工业大学与中航商用飞机有限公司联合进行的机翼颤振分析软件的并行化开发，上海交通大学开发的气动优化设计分析软件和具有自主知识产权的CFD平台。
5结语
CFD是一种计算流体动力学的方法。CFD以电子计算机为主要操作工具，结合数学方法计算了操作过程中流体力学的相关问题。CFD技术在流体机械设计中得到了广泛的应用。除了射流泵，还有汽轮机、风力涡轮机、气动马达等。CFD技术在射流泵和压缩机上的应用，充分体现了CFD技术的优异性能。
参考文献：
[1]赵兴艳，苏莫明，张楚华，等.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].流体机械，2000，28（3）：22-25.
[2]康海娟.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].工程技术：文摘版：00053-00053.
关键词：CFD方法；流体机械设计；运用
1引言
随着科技的进步和经济的发展，许多地区的高能流体机械设计要求越来越高，为了满足当前社会的需求，我们还必须准备流体机械设计和考虑实际需求和时间要求，显然想要设计一个高性能流体机械，传统的设计方法已经无法满足当今时代的需求，因此需要新的设计方法进行分析，采用现代设计方法，这就要求设计者必须知道流体的性能和相关的内部条件，从而对某一设计，而CFD方法是一种符合本课题的新的设计方法。
2 CFD 及流体机械概述
流体机械是通用机械的一个分支，主要运用在石油化工、军事、医疗、物流、冶金等重工业领域。其装备制造水平的优劣一定程度上反应了国家相关领域的发展。在学术领域流体机械被定义为以流体为工质并进行高效能量转换的机械。为了保证经济性与实效性的均衡必须依靠先进的计算机模拟技术配合相关流体力学计算软件进行工作，所以CFD是相关工作开展的首选。
CFD为典型流体动力学算法集合，是依托计算机平台进行FLUENT软件式建模并辅助设备设施开发工具。该软件自美国引进以来进行了本土化变革，现已具备多种情况下工程流体力学计算并在数学模型完备前提下实现模型自由编辑和代码式导入。借助大数据平台可以收集其他用户工件模拟参数和实验数据，进行疲劳损伤式的寿命预测。极大的降低研发成本和设计周期。
CFD 方法在流体机械设计中运用广泛，以最简单的机泵叶轮模拟为例。根据经验可以简单分为：模型建立→数值计算→性能模拟测试。
模型建立。软件应用程序需要建立一个模型。所分析的喷油泵模型由8个转子和16个定子组成。这个模型相对简单。流量的计算只能从转子和定子考虑。设置完成后，在FLUENT软件中开始建模，对初始建立的模型进行一定程度的简化，然后对网格进行划分和设置。
数值计算模拟。水力喷射泵模型设计完成后，进行数值计算。在FLUENT软件中，设置一个三维单精度求解器，在该求解器上选择计算模型。然后在软件上选择标准的近壁函数和混合表面，对转子和定子运动进行仿真。仿真过程中应设置边界条件。设置转子的流体状态主要是设置转子的转速，可以设置为1000r/min。为了保持泵入口的压力状态，将总压力设置为0，并将默认设置保持在湍流级别。除进口压力外，还应检查出口压力，并设置外墙条件为边界条件。设置边界条件后，解决离散变量可以用来计算数值如喷射泵的速度，然后是3D技术的FLUENT软件可用于过程，以获得一个相对真实的喷射泵的操作的模拟图。
性能模拟测试。完成以上两个步骤后，需要对射流泵的性能进行仿真。为了探索泵的工作性能，设计高性能泵，需要探索泵的内部流动。需要对射流泵的性能进行数值模拟，以提供准确的泵体和叶轮数值，并对其进行整体数值分析。旋转叶轮区域可以设置一个控制方程组在相对坐标，绝对坐标系下的控制方程组解出了作文的进口和出口地区水管道和泵体，然后流双重参考系统下测试和计算。在检测过程中，需要使相对和绝对动态接口耦合满足绝对物理量。
3 CFD 方法在流體机械设计中的运用
国外，特别是在欧美等发达国家，CFD技术自20世纪60年代以来发展迅速。其发展的驱动力是不断增长的工业需求，而航天工业始终是最强大的驱动力。传统的飞机设计方法测试成本高，耗时长，获得的信息有限，迫使人们使用先进的计算机仿真技术来指导设计，大大减少了样机测试，缩短了研发周期，节约了研究经费。近40年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得了长足的发展，给行业带来了革命性的变化。例如，在汽车工业中，CFD和其他计算机辅助工程（CAE）工具将开发新车所需的原型车数量减少到现在的12辆。国外飞机制造商使用CFD来代替许多物理测试。例如，美国战斗机yf-23采用CFD进行气动设计后，风洞试验比上一代yf-17减少了60%。目前，在国外航空、航天、汽车等许多工业领域，CFD的反复设计、分析和优化已成为标准的必要步骤和手段。
在国内，计算流体动力学（CFD）在我国广泛应用于许多领域。其中，航天、航空、船舶、汽车、核电是CFD的高级应用领域。例如，在太空中，载人航天工程和新一代运载火箭的研制都依赖于CFD技术。中国第一架喷气涡扇支线飞机的研制是CFD在中国应用的一个典范。在船舶方面，根据相关材料，到2015年上海造船总能力将达到120万吨。如此巨大的任务必须依靠CFD来完成。在汽车方面，随着全球汽车制造业向中国转移，汽车研发能力已经提上日程。考虑到综合成本，这些企业寻求外部高性能计算，最终必须依赖CFD。
目前，使用通用成熟的商用CFD软件进行日常设计分析已成为许多企业不可或缺的一部分。以上海为例，CFD作为设计分析的基本方法，先后在电子行业、市政建设工程、环保、建筑、机电设备等行业领域进行了介绍。如使用CFD热分析在电子行业，利用CFD通风，消防市政工程，沉降模拟、机电设备行业应用CFD的涡轮机，汽轮机等旋转机械设计和锅炉燃烧器燃烧流分析，模拟的应用CFD在水环境污染，应用CFD的注塑，模具，炼钢非牛顿流体过程分析等。
4 CFD 技术的发展趋势
（1）网格生成技术的发展方向：集成剩余几何建模系统、化工过程计算仿真软件、智能制造系统和网格自动生成系统成为发展的必然趋势，使整个过程更加高效。上层网格生成需要智能化，需要采用多重网格加速来提高收敛速度和稳定性。网格需要多种算法的结合，即算法要具有较高的通用性、可靠性和效率，尽可能减少人为干预。如何使生成的自适应网格完全“自适应”，建立高效、准确、灵活、方便的复杂网格技术是网格划分技术发展的必然趋势。
（2）分区并行计算、共享内存的多cpu并行计算、分布式内存的海量并行计算、工作站集群的网络化大规模并行计算都可以提高CFD技术的计算速度。云计算的出现是并行计算技术、软件技术和网络技术发展的必然结果，其成熟的发展将大大提高CFD技术的计算能力。
（3）基于CFD的集成技术发展，CFD软件提供可靠的流场分析的结果的基础上，利用优化等手段，设计、神经网络、CAD/UG/证明和GAM模块集成、过滤解决方案，使“试错”的优化设计过程更加合理，快速、准确的自动实现，制定计划以满足设计要求，然后制造；CFD技术的基础上，结合多目标优化的规则，一个和多个学科相关的约束集，收敛速度和合理结果，等等，注意在工业过程仿真软件如若或阿斯彭加上一个有效的平台，如建立集成平台，使整体设计过程更加合理，更标准的设备结构更优化，节能减排。针对不同机器应用的不同特点，建立了专用分析模块。
（4）优化设计计算系统，将流体机械的设计与流场的数值模拟有机地结合起来，从而得到优化的设计结果。利用CFD技术解决工程实际问题，优化设计高效、清洁的生产工艺和设备。
随着CFD应用的不断深入，我国高校和科研院所也开始对其加大研究，比如目前西北工业大学与中航商用飞机有限公司联合进行的机翼颤振分析软件的并行化开发，上海交通大学开发的气动优化设计分析软件和具有自主知识产权的CFD平台。
5结语
CFD是一种计算流体动力学的方法。CFD以电子计算机为主要操作工具，结合数学方法计算了操作过程中流体力学的相关问题。CFD技术在流体机械设计中得到了广泛的应用。除了射流泵，还有汽轮机、风力涡轮机、气动马达等。CFD技术在射流泵和压缩机上的应用，充分体现了CFD技术的优异性能。
参考文献：
[1]赵兴艳，苏莫明，张楚华，等.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].流体机械，2000，28（3）：22-25.
[2]康海娟.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].工程技术：文摘版：00053-00053.