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离心风机之CFD技术的发展及Numeca软件简介
发布时间：2013-02-26 16:36 来源：未知
本文对离心风机的研究是建立在计算流体力学(CFD)的平台上进行的，因此有必要对CFD技术在叶轮机械领域中的应用做一简要的介绍。
计算流体力学(CFD)是20世纪60年代起伴随着计算机技术迅速发展起来的学科。在CFD没有应用到叶轮机械设计中之前，对叶轮流道内的流场分析主要依靠风洞实验和理论分析。理论分析方法是用解析的方法来求流体力学方程的精确解。由于流体力学方程组，特别是高速流动，其主控方程是多自变量的非线性偏微分方程组，对这类方程组，经典的偏微分方程组理论几乎无能为力。因此，理论分析的方法在叶轮机械设计中的应用范围非常有限。风洞实验一直是流体力学研究和叶轮机械设计的重要手段，此方法的优点是获得的数据可靠、直观，但实验费用高，周期长，只能在小的雷诺数和马赫数范围内实验，而且测点数有限，数据采集受到实验时间的限制，难以观察流场的具体变化过程，特别是细节处的变化情况；此外，风洞实验不能模拟许多重要状态，如粘性效应、化学反映和非平衡状态等。因此，理论分析方法的简陋和风洞实验的昂贵，推动了CFD技术的迅速发展。
近年来，随着快速、大容量电子计算机和数据处理系统的应用以及计算流体力学的迅猛发展，CFD技术己经在叶轮机械设计中得到广泛应用。在叶轮机械设计中采用CFD技术可以完全控制流体的性质，对流场不产生干扰，可以获得计算域内的大部分计算信息，并且可以节省大量的人力物力投入，周期短，可完全重复，在计算中发现问题便于修改；另外，也可以避免设计经验不完全转移带来的风险。目前，CFD技术已发展到可以替代部分研究性实验，国内外已形成了许多数值仿真实验室。在气动设计中采用CFD方法己经成为提高叶轮机械效率和级负荷，减少级数的关键技术手段之一，相应的一大批CFD软件在叶轮机械设计中发挥着重要的作用oCFD软件采用一些比较成熟的、标准的计算方法，使设计更加方便、快捷，并且可以进行二维以上的复杂流面的计算。CFD软件在我国的引进推广比较晚，直到最近几年才有较大起色。世界上比较著名的CFD商业软件Fluent，CFX，Phoenix, Star-CD，NUMECA等先后在中国设立代理，于是国内也出现了CFD商业软件被广泛应用的局面。
虽然CFD技术在叶轮机械设计和研究中发挥了很大的作用，但也存在一些不足。叶轮机械的工作过程是非常复杂的，各种假定正确与否，还需实验的验证。计算的精确性还有赖于边界条件的恰当取定，而这些边界条件许多是通过实验所获得的经验公式、统计数据和图表，计算的初始值多数也取自实验结果。因此，实验工作是数值计算的前提和基础，而数值计算又是实验工作的进一步深化和补充，相辅相成．随着计算流体力学的不断发展，以及实验和测试手段的不断完善，CFD技术必将在离心风机等叶轮机械的设计和研究方面发挥越来越大的作用。
Numeca软件可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘流动的数值模拟，该软件的组成主要包括前处理、求解器和后处理三个应用模块。
IGG和AutoGrid组成了该软件的前处理部分，它可以生成任何几何形状的多块结构化网格，尤其利用AutoGrid自动网格生成器模块，可自动生成任何叶轮机械的H形、I形或HOH形网格。CFview为该软件的后处理部分，它是功能强大的流动显示器模块，可以对计算结果做任何矢量或标量的显示图。Euranus为该软件的求解器模块，其核心部分——离散格式与计算方法，以及跟求解密切相关的多重网格法等方面的技术都比较完善，它的中心格式采用了Jameson人工粘性显式格式，迎风差风格式采用基于TVD与通量差分分裂方法的高精度格式，方程求解采用多步龙格一库塔法，低速计算采用预条件处理的方法等，多重网格与隐式残差光顺法等技术的应用提高了数值模拟的收敛速度。因此，无论在计算速度、计算精度、所需计算机内存以及使用方便程度等方面都有很大优势。
