数值计算在流体动力学中的应用

数值计算是通过数值求解各种简化的或非简化的流体动力学基本方程，获取各种条件下流动的状态参数和作用在绕流物体上的力、力矩等数据。由此产生了一个独立的学科分支，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）。

CFD起步于20世纪60年代，当时受数值计算方法和计算机技术的限制，直到20世纪70年代末期，随着一大批杰出科学家在计算方法上的突破，加之计算机运算能力的快速提升，CFD才有了飞速的发展。因此，CFD真正的发展也就是近30年的事情。目前已经成为流体力学中最活跃、最有生命力的领域之一，在航空、航天、流体机械等领域得到了广泛应用。

与试验方法相比较，CFD的特点如下：

1）CFD只是运用计算机和CFD软件，所以花费低、周期短、损耗小，这是CFD 的突出优势。

2）可以在计算机上方便地改变几何数据和流动条件，因此容易实现各种条件下的流动计算，也不存在试验装置对流场的干扰。

3）可以给出流体运动区域内的离散解，定量给出各个物理量的流动参数，细致描述局部或总体的流场，定量刻画流动的时间变化，任意进行流场重构和诊断分析等。

数值计算应用于安全阀研究始于20世纪80年代初。由于当时对安全阀内部流动缺乏充分的认识以及流体数值计算方法的限制，在很长时间内，人们只能建立一维的计算模型，且该模型是半经验的，需要试验修正系数加以校正，其中具有代表性的就是美国电力研究所主持编写的一个名为“COU⁃PLE”的计算程序，利用这个程序可以计算高温蒸汽、两相流和过冷水在上游管道和弹簧载荷式安全阀中的流动，以及阀门运动件的运动。

图5⁃7 安全阀雷诺平均N⁃S模型的网格划分（1in＝25.4mm）(www.xing528.com)

20世纪80年代末，研究人员对COUPLE中的升力模型进行了改进。将安全阀内部流场简化为一个二维轴对称流场（图5⁃7），建立雷诺平均N⁃S差分方程组，求解流场的数值解。

20世纪90年代中期，研究人员用FIDAP软件计算安全阀内部流场。具体的数值模型为：轴对称流场、非滑移壁面、不可压缩等温流（图5⁃8）。算法采用大雷诺数k⁃ε模型。共计算了5个不同开高下的流动情况，但计算结果都没有符合收敛原则。将数值计算的结果（升力和压力）与测量值进行比较，发现在3个开启高度下，数据比较吻合，但另两个情况下，差别很大。

20世纪末，随着计算机硬件技术和CFD算法的迅猛发展，安全阀流场仿真进入了三维计算模型阶段，其应用也日益广泛。Dresser公司利用CFD商用软件建立了安全阀流场模型，计算黏性流体的排量黏度修正系数曲线，其结果与试验数据曲线十分接近。B＆P公司在其新系列API产品的研发工作中，将CFD作为了一个基本的手段，分别模拟了可压缩流和不可压缩流的流动情况。将可压缩流超临界流动工况的计算结果与试验数据进行了比较，结果证明使用该模型进行安全阀内部流动模拟具有相当的可信性。

图5⁃8 FIDAP软件安全阀流场模型网格划分

从2004年开始，北京航天石化技术装备工程公司开始利用CFD商用软件开展安全阀的数值仿真工作，并以此为工具，开展了安全阀基础理论研究和产品流道结构优化工作。国内还有一些科研院所，如华南理工大学、华东理工大学也开展了大量安全阀流场仿真工作。

利用商用CFD软件开展安全阀流场研究已经成为一种普遍采用的手段。