中科大叶片式流体机械数字化设计课件

流体机械数字化设计技术叶片式流体机械数字化设计2008.11.201流体机械数字化设计技术主要内容叶片式流体机械产品开发的概述叶片式流体机械数字化设计方法数字化设计中常用商业软件介绍流体机械数字化设计的展望2叶片式流体机械产品开发的概述1.1叶片式流体机械的概念流体机械是以流体为工作介质和能量载体的机械设备，根据流体与机械相互作用的方式可将流体机械分成：①叶片式；②容积式；③其它不属于这两类的流体机械。其中叶片式流体机械是指通过叶轮与连续绕流叶片的流体介质之间进行能量转换的一类机械。产品开发的概述3从能量传递的方向上叶片式流体机械可分为：原动机（如水轮机、汽轮机、燃气轮机、风力机等）和工作机（泵、风机、压缩机等）；从结构形式上又可分为：径流式、混流式和轴流式。流体机械数字化设计技术41.2叶片式流体机械传统的设计开发方法

与其它机械产品相比，流体机械产品在研究开发、设计与制造过程中都有独特之处。长期以来，一些叶片式流体机械产品开发采用基于实物模型试验验证为主的产品研制方法：首先进行流体动力学设计，设计出过流部件的流道，然后进行结构设计。其过程一般为：产品开发的概述5流体机械数字化设计技术图1-1叶片式流体机械传统设计方法流程图61.3数字化技术在流体机械开发中的应用随着世界经济的一体化和制造的全球化的形成，叶片式流体机械传统的设计方法由于研制周期长、成本高，已不符合快速变化的、激烈竞争市场的要求。为了在更短的时间开发出富有竞争力的流体机械产品，流体机械数字化设计技术7用数值模拟与性能预测代替模型试验，采用基于性能预测的优化设计、仿真加工等数字化设计与制造技术提高产品开发的可靠性，改善了产品开发的并行性，大大加快产品开发速度，产品数字化开发方法已成为企业做强做大的不可缺少的手段。流体机械数字化设计技术82.叶片式流体机械数字化设计的方法

流体机械数字化设计技术图2-1产品的开发阶段9（1）新产品的设计

利用流体动力学理论对过流部件（叶轮和其他过流部件）的几何形状的设计。很多都根据流体力学的设计理论设计出了专门的设计程序。如比利时NUMECA公司的Fine/Dsign2D通用叶轮设计软件、美国的CFX/Turbo模块等；国内的清华大学、东电等单位也都开发了一些水轮机的设计程序。流体机械数字化设计技术2.1数字化设计的常用的两种方法10（2）基于性能预测的流体机械优化设计采用“初步设计——数值模拟试验——修改设计”的方法，这种设计方法的指导思想是，根据比较成熟的经验公式和现存的设计方法，设计出叶轮的初始流道，然后进行三维湍流的数值模拟和性能预测计算，判断流动状态是否合理，不断修改设计直到满意为止。

流体机械数字化设计技术2.1数字化设计的常用的两种方法112.2数字化设计的步骤流体机械的数字化设计主要包括两个阶段：产品建模从计算几何、计算数学、流体力学、弹性力学、结构力学、动力学方面定量方法对计算模型进行描述。仿真分析对设计的流体机械产品的数字模型进行流体力学、结构力学及动力学分析，在此基础上进行流体动力、结构力学及动力学性能预测和评价，并综合各方面因素，决定最终的产品设计方案。流体机械数字化设计技术12流体机械数字化设计技术图2-2数字化设计的步骤13CFD分析主要步骤流体机械数字化设计技术步骤1:创建几何CAD软件导入等创建一个代表流体流域的三位实体步骤2:划分网格

在创建的实体里面划分体网格步骤3:物理定义

定义物理模型，材料属性和边界条件步骤4:数值求解求解守恒方程，得出数值解步骤5:后处理

对数值结构进行量化和可视化分析143.数字化设计中常用商业软件介绍3.1三维流场数值模拟分析软件3.1.1NUMECA/FINE系列软件

NUMECA/FINE系列软件是国际著名的叶轮机械气体动力学及CFD专家，比利时王国科学院院士查尔斯·赫恩领导的NUMECA公司开发的面向叶片式流体机械CFD计算和优化的设计软件。它是典型的基于流场的数值模拟的叶片式流体机械优化设计软件。应用范围：可以用于各种压缩机、泵、水轮机、风机、透平机、燃气轮机等叶片式流体机械和内燃机、搅拌机、塔体、换热器、管道、阀门等内部流动的数值模拟计算和流道设计。

FINE中提供了多种类型的流体介质：液体、理想气体、可凝结气体以及真实气体等牛顿流体和非牛顿流体。流体机械数字化设计技术153.1.2Fluent软件

Fluent软件是由美国Fluent公司于1983年推出的。它是目前国际上最流行的CFD软件包，主要应用范围如下：可压缩与不可压缩流动问题稳态和瞬态流动问题无黏流、层流及湍流问题牛顿流体及非牛顿流体对流换热问题导热与对流换热耦合问题辐射换热问题流体机械数字化设计技术16流体机械数字化设计技术Fluent仿真的水泵迹线图（方案I）17流体机械数字化设计技术Fluent仿真的水泵迹线图（方案Ⅱ）18流体机械数字化设计技术3.1.3CFX软件

CFX软件是由英国AEATechnology公司开发，目前CFX在航空航天、叶片式流体机械、生物技术、水处理、火灾安全等领域有多方面的应用。和大多数CFD软件不同的是，CFX除了可以使用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法，提高了数值计算的精确性。

CFX中有Tascflow专业的旋转机械设计与分析模块，另外还有BladeGen交互式涡轮机械叶片设计工具，用户通过修改元件库参数或完全依靠BladeGen中的工具设计各种旋转和静止叶片元件，使叶片设计在几分钟内就可以完成。193.2结构数值模拟分析软件在叶片式流体机械中，一些具有简单的几何形状和受力条件的零部件可以采用材料力学中简化模型来进行强度、刚度计算校核。而大部分零部件的几何形状和受力条件都为复杂，过流部件还涉及“流—固”耦合分析问题，转动部分涉及转子动力学分析的问题。流体机械数字化设计技术203.2.1ANSYS软件

ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的通用有限元分析软件，已广泛用于很多领域。ANSYS软件具有多种物理场的耦合功能，允许在同一个模型进行各式各样的耦合计算，如热—结构、磁—结构、固体—流体耦合等。流体机械数字化设计技术21有限元与有限体积法的区别有限体积法又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。流体机械数字化设计技术223.3实体建模软件由于叶片式流体机械具有复杂的空间几何形状，其叶片是由多个复杂的雕塑面组成，若用AutoCAD软件或仿真软件中自带的实体建模软件往往很困难，这时就常常借助一些商业造型软件如UG、Pro/E建立叶片式流体机械的实体模型。流体机械数字化设计技术233.3.1Unigraphics软件

流体机械数字化设计技术40多年的发展历史－成立于1963年全球6300名员工全世界62个国家46000家客户近400万套的软件安装套数创建并管理世界上40%的3D数据24UG建模方式显式建模∶显式建模是非参数化建模,对象是相对于模型空间而不是相对于彼此建立。对一个或多个对象所做的改变不影响其它对象或最终模型。参数化建模∶一个参数化模型为了进一步编缉,将用于模型定义的参数值随模型存贮。参数可以彼此引用以建立在模型的各个特征间的关系。例如设计者的意图可以是孔的深度总是等于凸垫的高度。基于约束的建模∶模型的几何体是从作用到定义模型几何体的一组设计规则_称之为约束,来驱动或求解的。这些约束可以是尺寸约束(如草图尺寸或定位尺寸)或几何约束(如平行或相切)。例如一条线相切到一个弧。设计者的意图是线的角度改变时仍维持相切,或当角度修改时仍维持正交条件。复合建模(NXHybridModeling)∶是上述三种建模技术的发展与选择性组合。UG复合建模支持传统的显式几何建模及基于约束的草绘和参数化特征建模。所有工具无缝地集成在单一的建模环境内。流体机械数字化设计技术25利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。

NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。NX与UGSPLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。263.3.2Pro/E软件流体机械数字化设计技术

Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

27通过UG建立的水轮机转轮模型流体机械数字化设计技术28流体机械数字化设计技术UG中建立的双吸水泵转轮模型29流体机械数字化设计技术30流体机械数字化设计技术314.流体机械数字化设计的展望数字化技术在流体机械产品开发过程中从流体动力学设计到真机的运行、维护的各个环节都得到了逐步的应用。特别是近20年，随着现代先进设计与制造理论与技术的发展，流体机械数字化技术的研究、开发与应用取得了巨大的发展，在开发方面发挥了巨大的作用。流体机械的数字化技术经历了数字化图纸、数字化模型阶段。产品的开发从串行工程转到企业范围的并行协作工程，从基于二维图纸的开发过程转变到三维实体模型为中心的开发过程。流体机械数字化设计技术32哈尔滨电机厂的数字化系统哈尔滨电机厂有限责任公司（简称“哈电”）是50年代建厂的国有大型制造企业。主要承揽国内外大型水电和火电机组设计和制造任务。经过半个世纪的不断发展，哈电产品设计手段已由过去的人人“趴图板”转变成现在人手一台电脑的电子化绘图，生产销售管理已由过去的电话、传真以及纸制通知单等方式变为现在的Intranet和Internet网络沟通方式。尤其是在近几年三峡项目的承建过程中，原有的设计和管理模式逐渐显露出诸多不适合国际市场需求的弊端，主要表现在：1.图纸及文档存储分散且版本控制容易混乱，不易查询和管理，时有丢失现象；2.产品结构缺乏成套性，相似产品结构重新配置重复工作多；3.产品