（流体机械及工程专业论文）离心风机建模参数化及cfd分析的精度研究.pdf

摘要 目前利用c f d潜在而迫切的需要不仅仅是流动求解器本身，而且要求降低 c f d 的前处理时i 5 1 和简化操作。 传统c f d应用的循环链式解决方案是从c a d软件建模转 换到c f d的建模及me s h软件，再进行求解。从c a d到c f d需要的网格的转换就 成为现代c a d - c a e设计中最主要的瓶颈。本文采取另外的策略，避开传统循环链的 方案，针对离心风机模型的特点，开发了离心风机建模参数化软件，同时对离心风机 c f d分析的精度、可压缩性问题等进行了 研究。 首先， 离心风机建模参数化软件在分析离心风机模型结构特点和熟练掌握大型建 模参数化软件g a mb i t的基础上，采用面向对象技术和数据库技术，对g a mb i t软 件进行捆绑式的二次开发， 利用该建模参数软件能够快速生成各种结构参数的离心风 机模型，极大降低离心风机模型的研发周期，巧妙的避免了这个转换瓶颈。 本文接着利用该建模参数化软件对二十种常用离心通风机在设计点和整个工作 范围进行了c f d数值模拟，与实验数据比较，结果表明在设计工况点c f d模拟值和 试验值比较吻合，本文还对高、中、低压三种常用离心风机在整个工作范围模拟情况 与试验数据进行了性能比较和分析;同时对影响本文 c f d分析精度的各种主要误差 来源进行了讨论。 针对可压缩性的特点， 结合激光器用小流量离心压缩机课题， 利用自 开发软件对 该小流量离心压缩机进行了c a d与c f d集成设计， 对带有三种不同直径无叶扩压器 的离心压缩机进行了性能分析和比 较， 结果表明该小流量压缩机中的主要损失来自 于 无叶扩压器，蜗壳损失相对要小。 最后，在对f l u e n t的u i d f基本原理进行了概述的基础上，以常见于可压缩性 模拟中有时为防止发散而需调节背压为例，简单介绍了 解决背压调节的u d f技术的 开发及应用过程。 关键词:c a d / c f d，数值模拟，参数化，离心风机 异 师周 仓 ab s t r a c t a t p r e s e n t , t h e p o t e n t i a l a n d u r g e n t d e m a n d i n c f d a p p l i c a t i o n i s n o t o n l y f o r c f d - s o l v e r b u t a l s o f o r r e d u c i n g t h e t i m e c o s t b y p r e p r o c e s s a n d e a s y o p e r a t i o n . g e n e r a l c y c l e - s t r a i n s o l u t i o n m e t h o d o f c f d a p p l i c a t i o n t r a n s f e r s m o d e l s f r o m c a d t o m o d e l s n e e d e d b y c f d a n d s o l v e s a ft e r m e s h i n g . s o th e t r a n s f e r fr o m c a d m o d e l t o c f d m e s h h a s b e e n a b o tt l e n e c k in m o d e m c f d - c a e d e s i g n . i n t h i s p a p e r , a n o t h e r m e t h o d w a s a d a p t e d t o a v o i d t h e t r a d i t i o n a l s t r a t e g y . b a s e d o n t h e c h a r a c t e r o f c e n t r i f u g a l f a n m o d e l , a p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g p r o g r a m w a s d e v e lo p e d . a t t h e s a m e t im e , t h e a c c u r a c y o f c f d a n d c o m p r e s s i b l e i s s u e f o r c e n t r i f u g a l f a n w e r e s t u d i e d t o o . f i r s t l y , b a s e d o n a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r o f c e n t r i f u g a l f a n m o d e l s s t r u c t u r e a n d g r a s p i n g g a mb i t t h a t i s a c o m m e r c i a l p re p r o c e s s c o d e , t h e p a r a m e t e r i z e d m o d e l in g p r o g r a m f o r c e n t r i f u g a l f a n u t i l i z e d o o p a n d d a t a b a s e t e c h n o l o g i e s t o d e v e l o p b i n d in g g a m b i t . b y t h e p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g p r o g r a m , m a n y k i n d s o f c e n t r i f u g a l f a n c a n b e g e n e r a t e d q u i c k l y , w h i c h h e l p s t o d e c l i n e t h e t i m e c o s t i n d e v e l o p i n g n e w c e n t r i f u g a l f a n s a n d h e l p s t o a v o i d t h e t r a n s f e r b o t t l e n e c k m e n t i o n e d a b o v e . w i t h t h e d e v e l o p e d p r o g r a m , a b o u t t w e n t y c o m m o n c e n t r i f u g a l f a n s w e re s i m u l a t e d b y c f d a t d e s i g n fl o w c o n d i t i o n a n d o f f - d e s i g n fl o w c o n d i t i o n s . c o m p a r e d w i t h r e a l t e s t s , a g o o d a g r e e m e n t w a s f o u n d a t d e s i g n fl o w c o n d i t i o n . p e r f o r m a n c e c o m p a r i s o n a n d a n a l y s i s w e r e c a r r i e d o u t i n t h e w h o le r u n n i n g r a n g e b y c f d . a t t h e s a m e t i m e , t h e e r r o r s o u r c e s a f f e c t i n g t h e a c c u r a c y o f c f d w e r e d i s c u s s e d . b a s e d o n t h e c h a r a c t e r o f c o m p r e s s i b l e p r o b l e m , a c o m p r e s s o r w i t h s m a l l m a s s fl o w w a s d e s i g n e d b y i n t e g r a t i o n o f c a d a n d c f d c o m b i n i n g a t a s k o f c o m p r e s s o r w i t h s m a l l m as s fl o w f o r l a s e r g e n e r a t o r . p e r f o r m a n c e o f t h e c o m p r e s s o r w i t h t h r e e d i f f u s e r s i n d i f f e r e n t d i a m e t e r w a s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d . r e s u l t s i n d ic a t e d t h a t m a i n l o s s e s o f t h i s c o m p r e s s o r w it h l i t t l e m as s fl o w m a i n l y c a m e fr o m t h e l o s s o f d i f f u s e r a n d l o s s o f v o l u t e wa s s ma l l e r . f i n a l l y , a ft e r i n t r o d u c t i o n o f u d f m e c h a n i s m i n f l u e n t , a n e x a m p l e w a s i n t r o d u c e t h e a d j u s t i n g t h e i ss ue f u l l p r o c e s s o f u d f s d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n , w h i c h i s s h o we d t o a i ming a t o u t l e t p r e s s u r e b .c t o a v o i d d i v e r g e n c e w h e n s i m u l a t i n g t h e c o m p r e s s i b le k e y w o r d s t c a d / c f d, n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , p a r a m e t e r i z e , c e n t r i f u g a l f a n 1绪论 1 . 1计算流体动力学作为一门独立学科的形成 在和风习习。 流水潺潺的日 常生活中， 流体与人类密切联系在一起。 带着对流动 现象的好奇和执着的探索精神，流体力学的理论分析和实验研究逐渐变得成熟。 本世纪初期，许多著名的流体力学家发现了流体力学基本物理规律， 找到了恰当 的分析方法并求得了 一系列解析解( 大多限于线性问 题) ， 从而推动了 本世纪以 来的工 业发展及流体力学自 身的发展。 流体力学涉及的物理现象是多方面的， 如激波、 湍流， 旋涡、 非定常运动等。 他们研究了这些基本现象， 建立了相应的主控方程和边界条件， 将问 题转化为如何结合工程实际来求解这些方程组， 从而奠定了 计算流体动力学的理 论基础。 但工程实际中绝大多数流体力学问题是非线性的力学问题， 求得其精确解或 解析解是十分困 难的。已 经找到的 基本方法和各类解析解都是在各种简化。 假设条件 下得到的， 无法描述大量存在的各类复杂的 流动现象f 1 .2 1 计算机问世前， 虽然有些先驱者探讨过用数值计算方法求解流动问 题， 但只能在 计算方法上做点有意义的研究成果。例如r i c h a r d s o n 在 1 9 1 0 年提出了解拉普拉斯方 程的点叠代格式， 此外他将 “ 推进”的问题和必须用“ 松弛” 格式来解的问 题区别开 来， 提出 了 解l a p l a c e 方 程的 松 驰技术: 随后又 有u e b m a n n , s o u t h w e l l 等改 进了 松 驰 格式， 使松驰法在4 。 年代一 5 0 年代被广泛应用于求解流体和固体力学问题。 1 9 5 3 年， d u f o r t 和f r a n k e l 对抛物型方程提出了 “ 跳点”方法，象a d i 方法一样它也允许任意 大的时间步长( 在没有平流项的情况一 f ) ，而且具有全显式的优点。h a r l o w和 f r o m m ( 1 9 6 3 ) 在他 们著名的 不定常a 街的 数 值解中， 用了 这个方法。 他们发表在杂 志 s c i e n t i f i c a m e r i c a n 上的 文 章( h a r l o w和f r o m m , 1 9 6 5 ) 特别 激 起了 美国 科学界对计 算流 体动力学潜力的 广泛兴趣 几乎在同时， m a c a n o写的 一篇类似的文章登在法国 杂志 l a h o - m i lle b l a n c h e ( m a c a g n o , 1 9 6 5 ) 上。 在这 两 篇 文 章中 ， 首 次 清楚 地 叙述了 数 值 模拟或计算机试验的概念 该两篇文章的出 现， 标志着计算流体动力学作为一门独立 学科的 确定 h in h s 1 利用计算方法通过计算机求解描述流体运动的基本方程， 研究流体运动的基本规 律 的 学 科 就 是 计 算 流 体 动 力 学 ( c o m p u ta t io n a l f lu id d y n a m i c s ，简 称c f d ) t6 . 计算流体动力学是不同于理论流体力学和实验流体力学的一门独立的学科， 理论 分析、 实验研究及数值计算各有其适用范围， 把三种方法巧妙地结合起来可以 收到互 相补充相得益彰的作用， 这也是研究流体力学问题的理想而有效的手段。 它是流体力 学与数学物理方程理论、 计算数学、 数值方法和计算机科学等多学科交叉的学科。 它 同时兼有理论性和实践性的双重特点，为流体流动的分析研究开辟了一条崭新的途 径。 今天， 数值模拟方法已 成为研究流体力学中各种物理想象及工程设计的重要手段。 1 .2计算流体动力学 ( c f d)的发展 计算机的发展对c f d的影响1 3 1 5 1 日 计 算流体动力学的发展是伴随着计算机技术的发展而前进的， 后者是构成前者的 。 只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时刁会有计算流体动力学发 12基 展新阶段的出现。 例如 6 0年代出现的 “ 第三代”计算机及其随后的改进发展，使计算机的计算能 力发生了一个飞跃。 相应地， 飞机设计部门开始广泛采用面元法， 标志着计算流体动 力学开始在工业生产中应用和服务。 一个人工计算需1 0 0 年方能完成的题目 在5 0 年代 用i b m -6 5 0 需1 0 0 h 完成， 7 0 年代用i b m -3 7 0 只需1 0 m i n ， 到8 0 年代用c r a y -1 则仅需1 秒不到即可完成。以向量化结构为主的巨型机的出现使飞机设计中可以使用 e u l e r方法，从而可以 给出非线性影响的定量结果。根据对己 有的几十个常规应用软 件的统计， 6 0 %- 8 8 %左右的标量计算可以 被向量化， 而向 量计算的加速比 一般可达4 -8 .因此，当前p c机己经成为c f d研究的一种重要工具。 但是， 单纯依靠提高计算机单机性能的潜力毕竟有限，对于超大型计算问题，如 粘性流动计算在工业界中的应用， 所需之加速比的提高是以数量级为单位的， 单纯的 向量机不足以满足要求。 并行化，大规模并行机和网络并行机群己是当今人们研究的 中心，也是应用计算流体动力学发展的希望。 1 .2 .2 c f d数值求解方法的发展 1 3 ) 6 7 ) (8 9 1 0 1 数值求解方法是一种离散近似的计算方法。因此， 各种各样的流体力学问题必须 首先从给定的微分方程或基本定律出发，建立在物理上合理、在数学上适定、适合于 在计算机上进行计算的、离散的有限数学模型， 才能在计算机上求解。流体的连续流 动用多个质点、离散涡元或有限波系的运动来进行近似。大多数数值方法的基本思想 可以归结为:把原来在时间、空间坐标中 连续的 物理量场( 如速度场、 温度场等) ， 用 有限个离散点上的值的集合来代替， 按一定方式建立起关于这些值的代数方程组并求 解，以获得物理量场的近似解。同一物理问题的不同数值解法间的主要区别，在于子 区域的划分与节点的确定、离散方程的建立及其求解这几个步骤上。 计算流体动力学所采用的主要数值求解方法有:有限差分法、有限元法、边界元 法、 有限 分析法、 谱方 法，以 及当 今广泛 应用的 有限 体 积法等r 1 近年来， 这些数值方法有很大的发展。 如古老的差分方法继续得到创造性的开发 和应用， x a rt e n 等提出的t v d格式以 及各类变种， 对于克服数值耗散引起的光滑效果 和数值频散引 起的寄生振荡问题取得了 不同程度的进展: 多重网格法和预处理共扼斜 量法的应用， 加速了数值解的收敛性。有限元法与边界元法日趋成熟，在实际应用中 取得了空前的进展和创新。在激波问题、跨音速绕流、多相流、自由面、活动边界等 多种困难课题上都有新的突破。 有限元与边界元互相渗透、结合，具有更显著的应用 效果。谱方法具有 “ 任意阶”的总体光滑性，不形成有限元法的质量矩阵，并具有自 适应的后验精度估计等优点， 使之在计算流体动力学中得到越来越广泛的应用和发 展。 数学模型的研究，是计算流体动力学的奠基性工作， 近二十多年来， 建模研究有 了 很大的进步。如， 不同的简化n s方程模型、燃烧湍流的a -6 -z和e s c i mo模 型、 地下石油模型和地下水流模型、飞机的整机气动力分析模型、 气候模型等。一旦 建立了实际物理问题的合理数学模型，数值计算就可以发挥很大的作用。 c f d在2 0 世纪8 0 年代左右取得了 不少重大进展。 在高速可压缩流动方面， 基于 总变差减小( t o t a l v a r i a t i o n d i m i n i s h i n g ,t v d ) 与矢通量分裂( f l u x v e c t o r s p l i t t i n g ) 、 通量 差分分裂( f l u x d i f f e r e n c e s p l i tt i n g ) 等方法的高精致格式 ( h i g h r e s o l u t i o n s c h e m e ) 终于 较好地解决了 流体力学的一大难题 跨、 超音速计算的激波精确捕获。 而采用传统 的人工赫性方法的j a m e s o n 格式等在这方面也取得很大的成功。 多层网格与残差光顺 ( r e s i s u a l s m o o t h i n g ) 等加速收敛技术有效地减少了 三维流动模拟的巨大计算工作量 而在低速不可压流动方面， 利用人工可压缩性方法与压力校正法等对纳维尔卜 斯托克斯 方程组的直接求解取代了 局限性很大的流函数一 涡量法等传统解法，从而也促进 c f d 技术向 流体传热、多相流、 燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入。 这些进展为数 值计算软件的发展奠定了良 好的理论基础. 。 1 .2 . 3网 格生成技术的发展2 1 9 (1 2 ) 1 3 1 网格生成技术具有不容忽视的作用， 这也是计算流体动力学近 2 0多年来一个取 得较大进展的领域。 1 9 7 4 年t h o m p s o n 等提出来用求解椭圆型方程方法生成贴体网 格， 在网 格生 成 技 术的 发 展 上 起到了 开 创 作 用。 随 后s t e g e r 等 又提出 采 用 求 解 双曲 型 方 程 方法生成贴体网格。但直到 8 0年代中期，对比计算格式和方法的飞跃发展，网格生 成技术未能与之保持同步地发展。因而自8 0年代开始，各国计算流体和工业界都十 分重视网格生成技术的研究， 发展了如多块对接网格技术和多域重叠网格技术等，因 而较容易生成非常复杂外形的c f d计算网格。9 0 年代以来迅速发展的非结构化网格 和自 适应笛卡尔网格等方法， 使复杂外形的网格生成技术呈现出了更加繁荣发展的局 面。 网格生成技术已成为计算流体动力学的一个重要分支。 现己培养出了一大批专职 研究队伍，产生了一大批实用软件。正是网格生成技术的迅速发展，才 实现了流场解 的高质量，使工业界能将c f d的研究成果应用于产品开发设计中去。 1 .3 c f d的 成 熟与c f d 通 用 软 件的 蓬 勃发 展 3 15 i6 经过半个世纪的迅猛发展， 这门学科己相当成熟，成熟的一个重要标志是近十几 年来，各种 c f d通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性 能日 趋完善， 应用范围不断扩大。 至今， c f d技术的应用早己超越传统的流体力学和 流体工程的范畴，如航空、航天、船舶、动力、水利等， 而扩展到化工、核能、冶金、 建筑、环境等许多相关领域中去了。 c f d通用软件包的出现与商业化，对c f d技术在工程应用中的推广起了巨大的 促进作用。在此之前，航空和航天工程一直较重视 c f d技术，并早已研制出用于气 动设计的专业性应用软件包。但在其他方面，主要还是在学术范围内开展研究工作， 真正在工程设计中实际应用并不多。 显然， c f d技术艰深的理论背景与流体力学问题 的复杂多变阻碍了它向工业界推广。一般工程技术人员很难较深入地了解这门学科， 由专家编制的程序用起来也不容易，因为总有不少条件、参数要根据具体问题以及运 算过程随时做出修改调整， 若不熟悉方法和程序， 往往会束手无策， 此外， 前、后处理 也显得十分棘手。 c f d研究成果与实际应用的结合成为极大难题，这一切曾使人们对 c f d的工程 应用前景产生疑虑。 在此情况下， 通用软件包应运而生。 一般认为是s p a l d i n g 主持的 英 国c h a m公司跨出了第一步， s p a ld i n g 与p a t a n k a r 提出的s i m p l e 算法( 半隐式压力 校正解法) 在7 0 年代己 被广泛用于热流问 题求解， c h a m公司在8 0 年代初以 该方法 为基础推出了计算流体动力学与传热学的商业化软件一 p h o e n i c s的早期版本。这是 c f d通用软件包的雏型， 具有一定通用性， 尽管功能还很不完备， 但问 世后很受欢迎. 于是， 在其版本不断更新的同时， 新的 通用软件，如f l u e n t , s t a r - c d与c f x等 也相继问世，这些软件十分重视商业化的要求，致力于工程实际应用，并在前、后处 理，人机对话等方面下大功夫，从而被工业界所认识和接受，为 c f d技术打开了广 阔的应用前景。 进入9 0 年代， 更多的商业化c f d应用软件如雨后春笋般出现， 涉及范围越来越 广。 c f d通用软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、 人机对话式的界面操作以 及直 观清晰的流场显示引起了人们的广泛关注， 其发展在西方国家得到工业界和政府部门 的有力支持，9 0 年代后期，工程技术界还曾出现推广学习c f d技术的热潮。这标志 着c f d技术终于成功走出学术研究的象牙之塔，成为工程设计的重要手段。 在我国，加入 c f d学习和研究的队伍亦日益壮大。最近几年，c i d学术界的交 流活动非常活跃，如中国空气动力学会，北京大学等其他院校， 研究所组织了 “ 实用 计算流体力学经验交流会” ，“ 海峡两岸计算流体力学学术讨会”等等研讨会。另外 c f d通用软件登陆国内市场后， 各软件公司营销商也召开各种软件应用研讨会， 如著 名的f l u e n t 公司， a e a公司等。 和世界各国一样，中国 亦把计算流体与计算传热作 为工科高层次人才培养的一门重要课程。 1 .4 c f d通用商业软件的应用及其特点 1 .4 . 1 著名c f d通用商业软件介绍 2 1 1 6 1 8 1 目前在我国设有代理或办事处的著名 c f d 通用商业软件有 p h o e n i c s . f l u e n t , s t a r - c d , c f x - t a s c f l o w与n u me c a等，p h o e n i c s 软件是最早推 出的c f d通用软件，f l u e n t , s t a r - c d与c f x - t a s c fl o w是目 前国际市场上主流 软件，而n u me c a则代表了c f d通用软件中的后起之秀。 1 9 8 1 年， 英国的c h a m公司推出第一个专业的c f d软件p h o e n i c s ， 它用来求 解流动与传热问题。该软件以 低速热流输运现象为主要模拟对象，包含的湍流模型、 多相流模型、 燃烧与化学反应模型等相当丰富， 其中有不少原创性的成分。 p h o e n i c s 的边界条件设置也很有特点， 是以 源项的方式给定的。 这个软件附带了从简到繁的大 量算例， 一般的工程应用问 题几乎都可以从中找到相近的范例， 再作一些修改就可计 算用户的课题， 所以能给用户带来极大方便。由 于 p h o e n i c s以压力校正法为基本 解法， 从而不大适合高速可压流计算。 p h o e n i c s软件的价格比 其他c f d通用软件 低得多，其高性价比使之成为国内用户最多的软件。 f l u e n t , s t a r - c d与c f x - t a s c fl o w堪称目 前c f d主流商业软件， f l u e n t ( 包 括其多 种专用版本) 的市场占 有率达4 0 % 左右， 显然是 应用面最广、 影响最大的c f d 软件:s t a r - c d在日本销量占首位，在汽车工业中广泛用于内燃机计算;而 c f x - t a s c fl o w则在叶轮机、核能工程等领域广泛使用。 这几种软件有不少共同的特点， 例如它们都采用了压力校正法作为低速不可压流 动计算方法，而可压缩流动则采用祸合法。它们在前、后处理上都下了极大功 夫，f l u e n t还根据用户的不同需求推出多种专用版本， 如用于电子设备冷却的 i c e p a k 、用于空调分析的a i r p a k、用于化工搅拌的mi x s i m等，为用户带来很大 便利，这是它们取得商业化成功的重要因素。s t a r - c d是按非结构化网格设计的软 件， f l u e n t 与c f x在其新版本f l u e n t 5 与c f x 5 中采用了非结构化网 格。 非结构 化网格由于其表面方向的多变性，使一些在结构化网格中成功应用的高精度离散格 式， 如基于矢通量分裂或通量差分分裂的二阶上风格式及其限制器， 不能直接推广应 用于非结构化网格: q u i c k格式用于非结构化网 格时 精度也降 低。 f l u e n t采用的 二阶上风格式是 b a r t h与 j e s p e r s e n针对非结构化网格提出的多维梯度重构法 ( m u lt i- d im e n s i o n a l g r a d i e n t r e c o n s t r u c t i o n ) 。 这 个 方 法也 是 第一 个 较 成功 地 用于 非结 构 化网格的二阶上风格式，它后来进一步发展， 采用最小二乘法估算梯度，能较好地处 理畸变网格的计算。 f l u e n t 等率先采用非结构化网格使它们在技术上处于领先， 然 而总的说来，非结构化网格技术还不十分成熟，对于复杂的流态，结构化网格能获得 较高的计算精度。f l u e n t与s t a r - c d都提供了结构型、非结构型以及两者混合的 多 种网 格类型 供用户选择。 此外， 在非定常 流计算中 十分 重要的 滑移网 格 m o v i n g m e s h ) 技术方面， f l u e n t与s t a r - c d也有领先优势。在湍流模型、多相流模型等方面， 这几个软件都相当丰富， 在此不赘。 n u me c a代表c f d应用软件中的后起之秀，它目 前的正式名称是 “ f i n e ，但 人们都习惯以其软件开发公司的名称“ n u me c a ” 来称呼它。 这个软件的前身是布鲁 塞尔自由 大学与瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中 心( e s a ) 开发的航天飞行器计 算软件 “ e u r a n u s ，后来发展为通用性的商业化软件，9 0年代中期才开始推向市 场。由于它的前身是计算高速流动的专业级软件， 从而软件的核心部分离散格式 与解法，以及跟求解密切相关的多层网格等方面的质量很高。如前所述，其中心格式 采用了j a m e s o n人工乳性显格式，上风格式采用基于t v d与通量差分分裂方法的高 精致格式， 方 程求 解采用多 步r u n g e - k u t t a 法， 低速计算 采用预条 件法等， 并 采用了 多层网格与隐式残差光顺法等加速收敛技术。该软件的主体部分是在 9 0年代初编制 的， 这些技术体现了当时c f d的最高水平。 n u me c a后来重点发展其叶轮机流动计 算模块，由于其高速流动计算的性能很强，从而对于跨、超音速区的高速压缩机，叶 轮机的数值模拟具有明显定的优势， n u m e c a现也正致力于发展非结构化版本。 1 .4 .2 c f d通用软件的选择 面对种类如此繁多涉及面如此之广的 c f d专用软件，要做出正确的选择，确实 有点无所适从， 但是对于一个成熟的商业c f d软件。 根据c f d模拟的基本步骤和作 者实际的经验，认为c f d软件应该具备下列基本特点: 1 , c f d软 件应有灵活的 前处 理模块。 前处理模块是负责实际工程问题具体到软件系统的重要模块， 其从功能表现上完 成几何建模和网格划分的功能。 众多经验表明， 对于几何模型比 较复杂的建模，一般建议采用专业的c a d商业 软件，所以，c f d软件除自 身能够完成c a d几何建模的功能之外，它还应该可以 接 受其他商业c a d软件( 如u q p r o / e 等) 的几何模型， 也就是提供丰富的商业c a d模 型接口，甚至能够集成其他的商业c a d软件。 对于网格生成技术也是前处理的关键所在， 网格生成功能的完善程度也是评价一 个 c f d商业软件的重要指标。前处理模块应该可以方便用户生成计算网格，网格生 成能力也不能过于约束， 并且可以 接受当 今比 较流行的网 格生成软件( 如i c e m c f d等) 生成的网格。 2 , c f d软件应有准确、高效的求解器。 c f d软件求解器是整个软件的核心， c f d软件应该具有丰富、 准确的计算模型， 并且可供用户选择和组合，同时应该有自 动优化求解策略， 使得迭代求解收敛速度加 快，稳定性好，达到足够精度的数值解。这是评价c f d商业软件的主要指标。 3 , c f d软 件应有灵活多 样的 后处 理模块. 后处理模块应该具有多样化的显示， 输出功能。 一般要求能够给出各个迭代变量， 如速度场、压力场、 温度场，浓度场等各种可视化图。另外，还要与其他商业后处理 软 件( 如: t e e p l o t 等) 有良 好的 接口 ，以 供 用户选 择。 另外，c f d商业软件作为通用性的c f d软件，并不能完全满足某些特殊用户的 要求， 它还应该具备处理用户的特定计算对象的能力， 也就是二次开发的能力。 当然， 这是对于高级用户而言，但是从长远上讲，用户终会有此要求。 1 .4 .3 c f d通用软件在我国的i业应用2 1 6 1 7 1 8 1 在我国， 受种种条件、因素的限制与影响， c f d通用软件在我国的引进推广比较 晚， 在很长一段时间内， 只有极少数研究单位和大型企业引 进正规 c f d软件， 人们 接触较多的是p h o e n i c s的早期版本( 基本上是免费的) ， 虽有一些c f d软件公司曾 在我国找过代理，举办过产品介绍会，但收效甚微。一直到最近几年才有较大起色。 著名软件c f x于1 9 9 5 年在我国设立代理，并成功地发展了一批用户，是进入较早的 一个c f d通用软件; 自1 9 9 7 起，,p h o e n i c s 以 其较低廉的 价格、 较高的性价比以 及代 理商的成功促销发展了不少国内用户。 p h o e n i c s和 c f x使很多人对 c f d通用软件 包的特点与功能有了初步认识。1 9 9 8年，全球市场占有率最高的 c f d软件一一 f l u e n t在北京设立代理公司，正式进入中国市场，并迅速取得良 好的销售业绩。 s t a r - c d , n u m e c a ( f i n e ) 等著名软件也先后在中国 设立代理， 发展用户，于是国内 出现了c f d软件群雄逐鹿的局面。 从应用情况上讲， c f d软件最初主要应用在高精尖和军事领域， 直到最近十年刁 扩展到一般的工业领域。 c f d软件主要用于模拟和分析各种流体设备和过程中的流体 流动、 传热等复杂问题。 c f d软件通过数值模拟的方法在工业产品设计环节时预测流 体设备的性能， 免除了物理制造和试验测量， 因此工业产品开发的费用和周期都大幅 减少。不仅如此， 通过运用 c f d软件还可获得流场的三维详细图像和准确数据，在 此基础上分析流场存在的问 题( 如效率、损失、 噪声等) ，并进一 步改进和优化设计， 而这一点通过试验手段往往很难实现， 甚至不可能实现。 随着近年计算机硬件的发展 以及计算流体力学的发展，通用流体分析软件的计算代价和对使用者的要求大大降 低， 在工业领域中得到越来越广范的 应用。 作为当今c a d / c a e / c a m / c a t技术中 最 重要的一个方面，c f d技术对于工业新产品开发具有重大意义。 尽管c f d软件己经进入很多的制造生产企业，但是真正用c f d参与新产品开发 与设计的企业确实少之又少，基本上还处于将 c f d计算结果与自身产品试验数据进 行比较的“ 确认”阶段， 而且“ 国内设计部门普遍对气动计算软件既缺乏信任，又抱 怨不好用” 。而西方先进国家的情况并非如此。美 a i a a 1 9 9 8 . 6月发表 “ g u id e f o r v e r i f i c a t i o n a n d v a l i d a t i o n o f c f d s i m u l a t i o n ( a i a a g - 0 7 7 - 1 9 9 8 ) ，同时a i a a j 出 版 了“ c r e d i b le c f d s i m u l a t i o n s ，这标志着c f d软件在国外早已得到设计部门的使用 和认可。这种对比，强烈揭示出目前我国生产 设计部门在c f d通用软件的应用方面的严重不 足，表现出设计方法的保守和陈旧，与现代的 要求产生了严重的脱节。这其中有各种复杂的 原因。不管如何，作为热流体方面研究的一个 现代性工具，c f d的普及应用是必然的。 如今国内制冷知名企业如美的集团，格力 集团等都成立了c f d研究中心，上海通用汽车 公司也成功的运用 c f d软件进行汽车外形设 计，当然还有其他的例子，在此不再多举。 c f d 工 程规 划 详细考虑c f d 运用 的儿个重要问题 c 邓前处理 1 、儿何建锁 2 、网格划分 3 ,边界条m定义 设计模拟对象 的几何尺寸 1 . 5 c f d 通用软件在流体机械中的应用 定制与开发 1 .5 . 1 c f d 应用 过 程的 一 般 步 骤 m 1 cfd应用过程的一般过程如图1 - 1 所示。 工程方案设计 工程方案设计的主要工作是根据设计任 图 1 - 1 c f d应用过程的一股步骤 务， 按照相关热流体理论初步设计出产品的结构尺寸。这种初步设计方法一般都比较 成熟，许多设计部门都有 自己的相关设计软件和设计经验。 二、c f d工程规划 当决定使 c f d软件解决某一工程问题时，首先要考虑如下几点问题: 1 、定义模型目 标:利用c f d软件进行 c f d工程分析的时候，使用者首先必须 确定从c f d模型中需要得到什么样的结果，以及从模型中需要得到什么样的精度。 2 、选择计算模型:c f d工程分析需要提取所需要模拟的物理系统，确定计算区 域的起点和终点， 确定在模型的边界处使用何种边界条件， 分析采用二维问题分析还 是三维问题分析，最后还要考虑适合工程分析的网格拓扑结构。 3 、物理模型的选取:基于流体运动现象的复杂性，要求对物理现象进行合理的 判断，以及对物理模型进行正确的选取。 包括流体运动是否考虑粘性，流动状态是层 流还湍流， 定常还是非定常， 可压流还是不可压流，以及是否需要应用其它的物理模 型。 4 、其他重要因素的考虑:包括该工程问题是否可以简化，例如当物理过程中流 体的物性变化不大时可作常物性的假定: 物理量的场在某一方向变化相对于其它两个 方向很小时， 可做二维的假定: 求解器是否使用缺省的求解格式和参数值， 采用哪种 求解格式可以加速收敛; 在物理上考虑计算机的内存是否够用:还有得到收敛解需要 多久的时间。 在使用c f d分析之前详细考虑这些问题，对c f d模拟来说是很有必要，否则极 有可能的在后面的步骤中发现必须返工，比如在 c f d前处理网格划分的时候发现模 型过于复杂，导致网格数目 过多， 计算机无法承受。 另外当 计划一个 c f d工程时， 尽量利用c f d软件供应商提供给的技术支持。 三、c f d前处理 c f d前处理的主要工作是几何建模，网格划分，以及边界条件定义。各个 c f d 软件 一 般都有自己的前处理建模和网格划分软件。 几何模型的建立无论是在 c f d建模软件中完成还是在其他专 业 c a d软件中生 成，都是先生成点，接着是生成线，然后生成面，最后才 一 是生成体。各个步骤的生成 的难度由实际模型而定。 生成的几何模型就是c f d的求解区域。 c f d 用户必须对求解区域生成适合于c f d 软件计算用的网格。 分析者必须事先确定哪个地方流体的梯度变化较大， 在这些地方， 网格必须作适当的调整。 例如:如果用了湍流模型，靠近壁面的区域的网格密度必须 比层流模型密得多，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对 流动造成的显著影响， 相反那些长边与低梯度方向一致的 单元可以有很大的长宽比。 而且，为了得到精确的结果， 应使网格能在边界上更好地保持恒定的网格特性和好的 1 五 交特性。 四、c f d求解 c f d求解一般需要完成下列步骤: 1 、读取和检查前处理生成的网格; 2 、选择求解方法，比如不可压缩选用分离显式求解方法，可压缩选用祸合隐式 求解方法; 选择求解模型，比如湍流可选k一 : 模型等; 定义流体属性，包括流体密度，粘性系数，比热，导热系数，摩尔分子量等 等; 定义边界条件，如质量进口边界条件，压力出口边界条件等: 设定求解的一些控制参数，如调节收敛因子，调节求解限制，选择求解格式 等: 7 、初始化流场: 8 、 迭代求解; 五、c f d后处理和工程方案分析和优化 c f d后处理的工作是获取感兴趣的计算结果和流场。一般c f d软件都具有后处 理功能。 另外也可以 借助其他的商业后处理软件进行结果显示等工作。 工程方案分析 就是借助 c f d软件后处理部分，分析流场情况，并根据专业理论进行流动诊断，以 找到该设计的不足和缺陷， 据此再根据相关的优化理论提出产品设计改进，重复进行 前面的步骤， 模拟新改进的流场进行分析， 如此反复， 最终达到优化了的满意的工程 方案。 1 . 5 .2 c f d在流体机械应用中的 特定需求2 3 1 随着科学技术的进步和经济的发展， 许多领域特别是石油化工、 航空等对高性能 的流体机械需求越来越迫切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测 量等工作，为此需要耗费大量的资金和时间。显然，为了 设计出高性能的流体机械， 传统的设计方法已 满足不了需要，必须采用现代设计理论和方法。 c f d技术的发展使得对流体机械内部流动进行数值模拟成为现实，c f d方法将 在一定程度上取代实验，以 达到降低成本、 缩短研制周期的目 的，并且数值模拟可提 供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，人们深信 c f d 方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段， 它使设计者以最快、 最经济 的途径， 从流体流动机理出 发， 寻求提高性能的设计思想和设计方案， 从满足多种约 束条件下获取最佳的设计，可以说c f d方法为流体机械设计提供了 新的途径。 但是，由于 c f d商业软件开发商只能将软件定位在通用求解上，由前面几节介 绍可知，完整的 c f d工程分析，它需要用户具备丰富的多种交叉学科理论知识 ( 流 体力学， 微分方程数值理论， 数值方法， 计算机相关应用知识) ， 这对于c f d在流体 机械工程应用上的推广无疑增加了很大的障碍。 目 前， 不少单位正在开发c f d专业平台。 例如， 由国家气动中心牵头的 十 五 联合攻关重大项目“ 实用的气动数值计算系统开发和实用算法研究” ，其宗旨是改进 和提高已 有 c f d平台性能和档次，一个核心措