郑州电力高专：叶片式流体机械数字化设计.pptVIP

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。 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。 1.2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： 1.3 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， 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。 2.叶片式流体机械数字化设计的方法 2.1 数字化设计的常用的两种方法 （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。 2.1 数字化设计的常用的两种方法 （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。 2.2 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。 CFD 分析主要步骤 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 3.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 3.1.1 NUMECA/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。 3.1.2 Fluent 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 3.1.3 CFX 软件 CFX 软件是由英国AEA Technology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