流体机械仿真，知其然更应知其所以然

计算流体动力学简称CFD，通过数值方法求解流体运动的控制方程，得到离散流场的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。

CFD主要是求解流场中的数值解的过程，通过把流体运动控制方程的离散化，将流体质点上的控制方程转化为代数方程组，然后通过计算机求解质点上的代数方程组并得到流场在离散的时间、空间点上的数值解。

计算流体动力学为水力机械提供了设计、优化和模拟的廉价工具，在实际的工程应用过程当中，流动状况往往比较复杂，所以使得测量过程变得很困难，而计算流体力学能提供全部流场内的详细信息。

CFD技术为流体机械提供了一种相对廉价的设计方法，在流体机械行业中开发新产品时往往都要利用CFD进行流场优化。CFD技术在流体机械行业内越来越占据重要的地位。

本文重点讲述CFX这种仿真工具在流体机械内的应用，以及相应的仿真优化流程。其中包括Turbogrid结构网格划分及其用法、ICEM网格划分、利用CFX对流体机械（泵、风机、压缩机）的仿真分析、利用workbench进行流体机械的流固耦合分析、利用Workbench进行优化流程、CFD-POST的后处理分析等等。

对于新手来讲，想要系统的学习流体机械整个仿真流程确实是一件困难的事。不仅要知道这样做，还要知道为什么这样做，很多从事仿真工作的工程师知道这样做，但是不知道为什么这样做。这一块就是我们需要提升的地方。

本期系列课结合自己做过的实际例子，来为大家讲述流体机械的仿真流程，不仅教大家怎么做，而且讲解为什么要这样做？当然要想真正理解CFD（计算流体力学），还需要大家多学习，所练习，多思考。下面我带领大家初步了解一下流体机械的奥秘。

一、流道模型输入（叶轮、扩压器）

在开始仿真之前我们需要获得流道的模型，对于流体机械而言，我们需要获得叶轮、扩压器、其他过流部件的流道。扩压器在水泵和风机中叫蜗壳。对于压缩机来讲，还需要划分无叶扩压器和有叶扩压器的模型。

二、网格划分

网格划分是我们进行流场模拟的前提，在这里我们利用Turbogrid来划分叶轮的网格，这样可以形成流面方便我们进行后处理。蜗壳的网格通常采用ICEM来划分。

1、基本划分的划分原则如下：

① 网格要和几何保持良好的贴合；

② 在流动复杂区域进行网格加密。这也是利用Turbogrid进行叶轮网格划分的优点。

③ 对于网格如有必要需要进行网格无关性检查。

④ 不同交界面之间的网格尺寸尽量一致

在这里我们还将学习如何利用DM和Turbogrid做叶轮的逆向处理，如何利用Turbogrid给现有的三维叶轮模型划分网格。

2、如何使用TurboGrid给现有叶轮画网格

第一步，我们从Cfturbo导出的文件可以看出，其导出的文件一共有四个文件。

从图中我们可以看出这里面我只是截取了其中一个流面截线的点坐标。其余的点坐标也是以这样的格式导入到里面的。

同样的道理，前后盖板的文件也是以这样的格式做好相应的.curve文件。第二步，我们看一下怎么讲叶片的点坐标以什么样的格式放入到里面。

从图中我们可以看出这里面我只是截取了其中一个流面截线的点坐标。其余的点坐标也是以这样的格式导入到里面的。

同样的道理，前后盖板的文件也是以这样的格式做好相应的.curve文件。

第三步，我们看一下如何编辑配置文件。

配置文件的内容如下：

① 位置是叶片数

② 位置是旋转轴

还有前盖板点坐标文件的位置没有标出来，你需要将前后盖板以及叶片型线点坐标文件换成你做好的点坐标文件的位置以及长度单位改成MM，叶片数改成自己的叶片数。

做好配置文件之后在Turbogrid里面打开TSE文件即可。

三、CFX前处理

这一部分主要包括：

1、新建文件

2、导入网格

3、定义模拟类型（稳态模拟、瞬态模拟）

4、创建计算域（按照导入网格模型的个数建立），在这个过程中还需要定义域的相关特性。

5、指定边界条件：这里面就涉及了边界条件的选择以及定义。

6、建立交界面：不同域之间的进行数据传递需要建立交界面。

7、初始化流场：初始化流场对于流场计算有着非常重要的意义。

8、定义求解控制；

9、定义输出；

10、定义运行

11、控制计算

离心泵设置示意图

离心压缩机设置示意图

四、CFD-POST后处理

做仿真的目的是验证我们的设计结果并为我们的设计提供优化思路，所以我们需要在CFD-POST中进行后处理，根据流场的仿真分析的结果提供合理的优化建议，当然这一切都是在我们前面流场模拟是准确合理的。

一般来说，我们做CFD分析都是为实现我们前期的优化设计目标的。一般的，我们做正向设计时，先做叶轮的设计，先做好叶轮设计，优化完叶轮设计后，在匹配后面的流道，比如蜗壳等等其他过流部件。

后处理中，我们一般要得到外特性、速度分布图、压力分布图等等，根据不同的需要，我们需要做出不同的后处理。

流面压力分布

五、利用WorkBench进行优化过程

这一小节讲述如何利用WorkBench进行旋转机械的优化流程。