CFX這種仿真工具在流體機(jī)械內(nèi)的應(yīng)用，以及相應(yīng)的仿真優(yōu)化流程

計算流體動力學(xué)簡稱CFD，通過數(shù)值方法求解流體運動的控制方程，得到離散流場的定量描述，并以此預(yù)測流體運動規(guī)律的學(xué)科。

CFD主要是求解流場中的數(shù)值解的過程，通過把流體運動控制方程的離散化，將流體質(zhì)點上的控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后通過計算機(jī)求解質(zhì)點上的代數(shù)方程組并得到流場在離散的時間、空間點上的數(shù)值解。

計算流體動力學(xué)為水力機(jī)械提供了設(shè)計、優(yōu)化和模擬的廉價工具，在實際的工程應(yīng)用過程當(dāng)中，流動狀況往往比較復(fù)雜，所以使得測量過程變得很困難，而計算流體力學(xué)能提供全部流場內(nèi)的詳細(xì)信息。

CFD技術(shù)為流體機(jī)械提供了一種相對廉價的設(shè)計方法，在流體機(jī)械行業(yè)中開發(fā)新產(chǎn)品時往往都要利用CFD進(jìn)行流場優(yōu)化。CFD技術(shù)在流體機(jī)械行業(yè)內(nèi)越來越占據(jù)重要的地位。

本課程重點講述CFX這種仿真工具在流體機(jī)械內(nèi)的應(yīng)用，以及相應(yīng)的仿真優(yōu)化流程。其中包括Turbogrid結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及其用法、ICEM網(wǎng)格劃分、利用CFX對流體機(jī)械（泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)）的仿真分析、利用workbench進(jìn)行流體機(jī)械的流固耦合分析、利用Workbench進(jìn)行優(yōu)化流程、CFD-POST的后處理分析等等。

對于新手來講，想要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)流體機(jī)械整個仿真流程確實是一件困難的事。不僅要知道這樣做，還要知道為什么這樣做，很多從事仿真工作的工程師知道這樣做，但是不知道為什么這樣做。這一塊就是我們需要提升的地方。

本期系列課結(jié)合自己做過的實際例子，來為大家講述流體機(jī)械的仿真流程，不僅教大家怎么做，而且講解為什么要這樣做？當(dāng)然要想真正理解CFD（計算流體力學(xué)），還需要大家多學(xué)習(xí)，所練習(xí)，多思考。下面我?guī)ьI(lǐng)大家初步了解一下流體機(jī)械的奧秘。

一、流道模型輸入（葉輪、擴(kuò)壓器）

在開始仿真之前我們需要獲得流道的模型，對于流體機(jī)械而言，我們需要獲得葉輪、擴(kuò)壓器、其他過流部件的流道。擴(kuò)壓器在水泵和風(fēng)機(jī)中叫蝸殼。對于壓縮機(jī)來講，還需要劃分無葉擴(kuò)壓器和有葉擴(kuò)壓器的模型。

二、網(wǎng)格劃分

使用Turbogrid劃分旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是我們進(jìn)行流場模擬的前提，在這里我們利用Turbogrid來劃分葉輪的網(wǎng)格，這樣可以形成流面方便我們進(jìn)行后處理。蝸殼的網(wǎng)格通常采用ICEM來劃分。

1、基本劃分的劃分原則如下：

① 網(wǎng)格要和幾何保持良好的貼合；

② 在流動復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。這也是利用Turbogrid進(jìn)行葉輪網(wǎng)格劃分的優(yōu)點。

③ 對于網(wǎng)格如有必要需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查。

④ 不同交界面之間的網(wǎng)格尺寸盡量一致

在這里我們還將學(xué)習(xí)如何利用DM和Turbogrid做葉輪的逆向處理，如何利用Turbogrid給現(xiàn)有的三維葉輪模型劃分網(wǎng)格。

2、如何使用TurboGrid給現(xiàn)有葉輪畫網(wǎng)格

第一步，我們從Cfturbo導(dǎo)出的文件可以看出，其導(dǎo)出的文件一共有四個文件。

從圖中我們可以看出這里面我只是截取了其中一個流面截線的點坐標(biāo)。其余的點坐標(biāo)也是以這樣的格式導(dǎo)入到里面的。

同樣的道理，前后蓋板的文件也是以這樣的格式做好相應(yīng)的.curve文件。第二步，我們看一下怎么講葉片的點坐標(biāo)以什么樣的格式放入到里面。

從圖中我們可以看出這里面我只是截取了其中一個流面截線的點坐標(biāo)。其余的點坐標(biāo)也是以這樣的格式導(dǎo)入到里面的。

同樣的道理，前后蓋板的文件也是以這樣的格式做好相應(yīng)的.curve文件。

第三步，我們看一下如何編輯配置文件。

配置文件的內(nèi)容如下：

① 位置是葉片數(shù)② 位置是旋轉(zhuǎn)軸③ 位置是后蓋板點文件的位置④ 位置是導(dǎo)入單位⑤ 位置是葉片型線點坐標(biāo)文件的位置

還有前蓋板點坐標(biāo)文件的位置沒有標(biāo)出來，你需要將前后蓋板以及葉片型線點坐標(biāo)文件換成你做好的點坐標(biāo)文件的位置以及長度單位改成MM，葉片數(shù)改成自己的葉片數(shù)。

做好配置文件之后在Turbogrid里面打開TSE文件即可。

三、CFX前處理

這一部分主要包括：

1、新建文件

2、導(dǎo)入網(wǎng)格

3、定義模擬類型（穩(wěn)態(tài)模擬、瞬態(tài)模擬）

4、創(chuàng)建計算域（按照導(dǎo)入網(wǎng)格模型的個數(shù)建立），在這個過程中還需要定義域的相關(guān)特性。

5、指定邊界條件：這里面就涉及了邊界條件的選擇以及定義。

6、建立交界面：不同域之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞需要建立交界面。

7、初始化流場：初始化流場對于流場計算有著非常重要的意義。

8、定義求解控制；

9、定義輸出；

10、定義運行

11、控制計算

離心泵設(shè)置示意圖

離心壓縮機(jī)設(shè)置示意圖

四、CFD-POST后處理

做仿真的目的是驗證我們的設(shè)計結(jié)果并為我們的設(shè)計提供優(yōu)化思路，所以我們需要在CFD-POST中進(jìn)行后處理，根據(jù)流場的仿真分析的結(jié)果提供合理的優(yōu)化建議，當(dāng)然這一切都是在我們前面流場模擬是準(zhǔn)確合理的。

一般來說，我們做CFD分析都是為實現(xiàn)我們前期的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)的。一般的，我們做正向設(shè)計時，先做葉輪的設(shè)計，先做好葉輪設(shè)計，優(yōu)化完葉輪設(shè)計后，在匹配后面的流道，比如蝸殼等等其他過流部件。

后處理中，我們一般要得到外特性、速度分布圖、壓力分布圖等等，根據(jù)不同的需要，我們需要做出不同的后處理。

流面壓力分布

五、利用WorkBench進(jìn)行優(yōu)化過程

這一小節(jié)講述如何利用WorkBench進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械的優(yōu)化流程。