计算流体动力学(CFD)分析概述

ISSN1000󰀁0054CN11󰀁2223/N󰀁清华大学学报(自然科学版)JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2010年第50卷第8期2010,Vol.50,No.838/391311󰀁1315

喷水推进泵通用特性曲线的计算流体动力学分析

杨琼方,󰀁王永生,󰀁李󰀁翔(海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033)

收稿日期:2009󰀁06󰀁15基金项目:国防󰀂十一五 预研项目作者简介:杨琼方(1984!),男(汉),湖北,博士研究生。通讯作者:王永生,教授,E󰀁mail:yongshengwang666@摘󰀁要:通过联合数值模拟求得设计转速下泵扬程󰀁流量和效率󰀁流量曲线和泵相似定理,计算得到混流式喷水推进泵量纲为一的特性曲线。进一步由计算流体动力学(CFD)计算得到空化条件下泵扬程和效率随吸口比转速变化的修正函数曲线。叶片面涡空化由降低进口总压来实现,转速和流量输入参数由非空化条件下喷水推进系统CFD计算求得。在全航速范围内,该特性曲线还可作为比转速与该泵相近的混流式喷水推进泵通用的特性曲线模型。关键词:喷水推进泵;性能曲线;计算流体动力学;空化中图分类号:U664.34文献标志码:A文章编号:1000󰀁0054(2010)08󰀁1311󰀁05ComputationalfluiddynamicsanalysesforgeneralizedwaterjetpumpperformancecurvesYANGQiongfang,WANGYongsheng,LIXiang(CollegeofArchitectureandPower,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:Performancecurvesforamixed󰀁flowwaterjetpumpweredevelopedusingnumericalsimulationstocalculatethepumphead󰀁capacityandefficiency󰀁capacitycurvesatthedesignspeedusingsimilarity.Thenacorrectionfunctioncurvewasdevelopedtomodifytheheadandefficiencyversussuctionspecificspeedduringcavitationusingcomputationalfluiddynamics(CFD).Thepump󰀁ssheetcavitationisinducedbyreducingtheinlettotalpressureforagivencapacityandrotationalspeedandfluxinputparametersareobtainedfromCFDsimulationsofthewaterjetatthesamespeedwithoutcavitation.Theseperformancecurvesovertheentirespeedrangecanalsobeusedasageneralizedmodelformixed󰀁flowwaterjetpumpshavingsimilarspecificspeed.Keywords:waterjetpump;performancecurves;computationalfluiddynamics(CFD);cavitation

计算流体力学(cfd)发展简述

1 发展历程

计算流体力学(CFD)是指利用计算机来模拟流体的运动以及流体和固体之间相互作用的一种数值分析方法。CFD的发展始于20世纪50年代，随着计算机技术的发展，CFD得到了快速的发展。

2 发展阶段

CFD的发展可以分为以下几个阶段：

2.1 基础阶段

基础阶段主要是1960年代，当时计算机刚刚起步，计算能力很弱，CFD的应用范围十分有限。研究重点主要是二维流动、气体动力学和边界层理论。

2.2 成长阶段

成长阶段是1970年代到1980年代，这一时期计算机性能提高很快，CFD的应用范围逐渐扩大，开始涉及三维流动和非定常流动。研究重点主要是湍流模拟和自适应网格技术。

2.3 成熟阶段

成熟阶段是1990年代到今天，这一时期计算机硬件和软件技术不断发展，CFD的应用范围更加广泛，涉及多物理场耦合、多相流、化学反应等新领域。研究重点主要是基于高性能计算和云计算的CFD技术研发。 3 技术进展

CFD的进展主要体现在以下几个方面：

3.1 模拟精度提高

随着计算能力的提高和数值算法的改进，CFD模拟精度不断提高。现在CFD能够预测流场的细节特征，如湍流结构、尾迹等。

3.2 多物理场耦合

现代CFD技术已经可以模拟多物理场问题，如流动和传热、流动和组分分离、流动和化学反应等。这使得CFD能够解决更多的实际工程问题。

3.3 多相流模拟

多相流是指由两个或两个以上物质组成的流体，如气固、气液、液固等。CFD技术已经可以模拟多种多相流，如液滴的运动、气固两相流的流动特性等。

3.4 并行计算

随着计算机硬件和软件技术的不断发展，CFD已经可以实现大规模并行计算，大大提高了计算效率和模拟精度。

4 应用领域

CFD已经成为现代工程设计的必备工具之一，主要应用于以下几个领域： 4.1 航空航天工程

CFD技术已经成为航空航天工程的重要设计工具，可以用于飞行器外形优化、发动机设计、气动加热等。

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投稿邮箱：jyxdhbjb@课程与教学工程流体力学是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决工程实际意义的一门学科。工程流体力学成为大部分工科学生的必修专业基础课程，主要涉及的专业有机械、能源动力、化工、环保、石油等专业[1]。该课程的特点是抽象、枯燥、难懂，应用的数学知识较多。因此为提高教学质量，授课教师们也一直在探讨如何改进流体力学的教学方法。近年来，随着计算机科学的发展，计算流体动力学（简称CFD）技术日趋成熟。 CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行求解分析[2]。由于数值模拟相对于实验研究具有成本低、周期短、获得数据完整等特点�对设计研发起到重要指导作用，所以CFD技术得到了越来越多的应用。如何最大程度地激发学生对所学知识的兴趣是教学成败的最关键因素，它影响着学生对知识的求知欲望，从而进一步决定对他们对所学理论的理解与掌握[3]。由于流动基本变化规律很难理解，因此本文将CFD技术应用在流体力学的教学过程中。通过对基本流动现象的数值分析，将抽象的概念、理论变成形象的画面及动画演示，并结合基础理论进行讲解，便于学生对所学内容深入理解。同时也列举科研中研究的工程实际问题，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效 果的目的。Fluent软件是1999年进入中国市场，目前在国内各个行业得到广 泛应用。文献[3]和[4]希望在流体力学的教学过程中，同时也教授软件Fluent的使用方法，让学生自己对简单地流动现象进行数值仿真，从而使学生对流体力学的基本概念和基本理论理解深刻。这种想法立意很好，但对教师要求很高，同时由于课时的有限，实际操作起来困难较大。本文应用Fluent软件，对流体力学中的一些基本流动现象进行数值分析，并将流动规律的动画或图片应用到教学过程中，清晰表明流动规律，帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认识过程，让学生在屏幕上看到“流动”。加深学生对流动基本概念的理解，取得了良好的教学效果。一　基本概念和基 本理论的讲解（一）　管内层流流动在讲解管流中流动状态时，层流和湍流是不太容易理解的概念。因此，将一个层流管流动现象展现出来，有助于帮助学生理解，并了解层流的流动特点和流动结果。建立圆管中的二维层流流动计算模型。流体为常温下的液态水，以速度0.01 m/s匀速流动，圆管的直径3cm，圆管的长度100cm，水的运动粘度1x10-6m2/s,雷诺数Re=300。利用FLUENT-2D求解器计算 管内水流情况。从图1中看出，圆管内层流流动的速度分布是抛物线，最大速度在管轴 中心线处。在靠近壁面处，网格划分足够细密，可以看到边界层内速度的快速增长。通过图片及动画演示可以生动体现流动特征， 使学生易于理解。计算流体动力学（CFD）在流体力学教学中的应用王东屏，贾颖，栾志博（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）摘　要：本文将先进的计算流体动力学（CFD-Computational Fluid Dynamics）技术引入流体力学的教学中，生动、形象地展示各种常见的流 动现象，将抽象的概念、理论变成形象的画面，并结合基础理论进行讲解，便于学生对所学内容的深入理解。比如对圆管层流、孔口出流、变截面弯管流动等流动现象进行数值分析，并可视化展示流动变化规律，将生动的图片和动画应用在教学过程中。同时列举科研过程中应用CFD对动车组内外流场气动特性研究的工程实际问题，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的。关键词：流体力学；计算流体力学；动画展示；教学效果

CFD 流体动力学软件介绍

CFD—计算流体动力学，因历史原因，国内一直称之为计算流体力学。 其结构为：

提出问题—流动性质（内流、外流；层流、湍流；单相流、多相流；可压、不可压等等），流体属性（牛顿流体：液体、单组分气体、多组分气体、化学反应气体；非牛顿流体）

分析问题—建模—N-S方程（连续性假设），Boltzmann方程（稀薄气体流动），各类本构方程与封闭模型。

解决问题—差分格式的构造/选择，程序的具体编写/软件的选用，后处理的完成。

成果说明—形成文字，提交报告，赚取应得的回报。

CFD实现过程：

1.建模——物理空间到计算空间的映射。

主要软件：

二维：

AutoCAD：

大家不要小看它，非常有用。一般的网格生成软件建模都是它这个思路，很少有参数化建模的。相比之下AutoCAD的优点在于精度高，草图处理灵活。可以这样说，任何一个网格生成软件自带的建模工具都是非参数化的，而对于非参数化建模来说，AutoCAD应该说是最好的，毕竟它发展了很多很多年！

三维：

CATIA： 航空航天界CAD的老大，法国人的东西，NB，实体建模厉害，曲面建模独步武林。本身可以生成有限元网格，前几天又发布了支持ICEM-CFD的插件ICEM-CFD CAA V5。有了它和ICEM-CFD，可以做任何建模与网格划分！

UG： 总觉得EDS脑袋进水了，收了I-deas这么久了，也才发布个几百M的UG NX 2.0，还被大家争论来争论去说它如何的不好用！其实，软件本身不错，大公司用得也多，可是就这么打市场，早晚是走下坡路。按CAD建模的功能来说它排不上第一，也不能屈居第二，尤其是加上了I－DEAS更是如虎添翼。现在关键是看市场了。

Solidworks： 这哥们讲的是实用主义，中端CAD软件它绝对是老大，Solidedge功能是不比它差，但是Solidworks的合作伙伴可能是SE的十几倍，接口也比SE多很多，要是你，你会选哪个？Autodesk Inventor也只能算是中端软件，目前说来，我是处于观望态度，看发展再决定。总之，Solidworks目前的发展如日中天，合作伙伴多如牛毛。用起来极其顺手（呵呵，我的手，其它兄弟的我不知道）。这里极力向大家推荐的是ICEM-CFD DCI FOR Solidworks！有了这个东西画个全机网格也就个把天！