cfd的多工况流体综合测试平台设计(附件)
摘 要摘 要对于不同边界下的流体的综合测试的平台设计是近几年来被关注的一个热点的研究趋势方向，是目前发展所迫切需要的，并且在许多个领域都取得了多个研究成果。本文介绍了采用计算流体力学(CFD)作为一种先进的手段，在此基础上提出了设计出一个不同于以往实验平台装置，并具有体积小，结构简单，成本低，对实验环境要求不高等特点的多工况流体综合测试平台的总体设计方案。本文分析了微流体测试原理，在此基础上提出了多工况流体综合测试平台的总体设计方案，设计了有平台结构、流体试验配水系统和数据采集系统组成的多工况流体综合测试平台，并且分别对各部分进行方案设计。在完成多工况流体综合测试平台结构设计，对关键结构部分进行计算分析。针对微流体试验的特点，进行了流体试验配水系统的分析与研究。完成了各个结构部分的安装、加工和调试。根据流体试验测试特点，设计了多工况流体综合测试平台数据采集系统的软件和硬件部分。根据数据采集系统的采集要求，完成了硬件部分中各个部件的选择。采用CFD技术中Fluent软件的应用为多工况流体综合测试平台最终设计成功提供了有力保障。试验结果表明本多工况流体综合测试平台能够用于不同边界下的流体的综合测试试验的相关研究。关键词：CFD；测试平台；层流；湍流；流场分析目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 多工况流体综合测试平台研究的目的及意义 2
1.3 国内外研究现状 3
1.3.1 流体调控设备测试实验台研究现状 3
1.3.2 多工况流体综合测试平台研究的不足 4
1.4 论文主要研究内容 5
第二章 多工况流体综合测试平台的工作原理和总体方案 6
2.1 多工况流体综合测试试验平台的功能需求 6
2.2 多工况流体综合测试平台流量测量系统 7
2.3 基于CFD的多工况流体综合测试平台计算公式 8
2.3.1 用于CFD流体控制方程 8
2.4 CFD在多工况流体综合测试平台设计中的应用 9
2.4.1 CFD的组成、思想 10
2.4.2 Fluent软件 10
第三章 多工况流体综合测试平台的设计 11
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
综合测试平台流量测量系统 7
2.3 基于CFD的多工况流体综合测试平台计算公式 8
2.3.1 用于CFD流体控制方程 8
2.4 CFD在多工况流体综合测试平台设计中的应用 9
2.4.1 CFD的组成、思想 10
2.4.2 Fluent软件 10
第三章 多工况流体综合测试平台的设计 11
3.1 多工况流体综合测试平台的总体功能设计 12
3.1.1 流况分析 12
3.2 多工况流体综合测试平台结构设计 13
3.2.1 多工况流体综合测试平台的系统结构 13
3.2.2 多工况流体综合测试平台的主体结构 14
3.2.3 三维模型的建立 15
3.3 多工况流体综合测试平台的元器件选型 15
3.3.1 水泵的选型 16
3.3.2 喷嘴与阀的选型 18
第四章 多工况流体综合测试平台的数值模拟及流动仿真 20
4.1 多工况流体综合测试平台仿真体系的建立 20
4.1.1 流体平台流体域的建立 21
4.1.2 网格划分策略 22
4.2 Fluent中参数的设置 23
4.2.1 定常流动与非定常流动 23
4.2.2求解模型的选择 23
4.2.3 流体域材料的添加 23
4.2.4 边界条件设置 23
4.2.5 计算精度与时间步设置 24
4.3. 求解结果分析 24
4.3.1 多工况流体测试的模拟分析 24
4.3.2 收敛性 26
4.3.3 求解结果 27
4.3.4 结果分析 31
第五章 总结与展望 31
5.1 结论 32
5.2 展望 32
致谢 32
参考文献 33
绪论
1.1 研究背景
随着人们对实验测试系统的要求以及节能意识的不断提高，流体在不同工作情况下的不同流态测试系统在流体机械中的应用变得越来越广泛。因为在多数时候，设计流量基本都高于变化的流量结构系统，并且随着系外部条件的转变，流量变化的结构系统在每个外部环流线路中的流量大小也在转变，整个系统时刻处于动态变化之中 全部的系统随时都处在动态的变化之中。对于有关在系统中的液体的平衡状态，流量转变运行方式在流体测试实验平台系统中也有了更高的需求，特别是系统的动态流体平衡问题，这些问题不仅影响系统的不同工作情况下的不同流态测试效果，同一时刻也造成了整个测试平台系统的操作运作的能量消耗大量的提高。为了更好解决目前变流量流体测试系统中存在的问题，在流体输配流量系统调节控制策略的研制中涌现出一些新的控制调节技术，像一些新型的水力控制阀，以及水泵调速变频技术，又比如自动式压力控制阀以及动态流流体平衡阀[1]。由于这些技术和产品具有独特的调节控制特性，基于这些新技术和新产品的独特调节特性提出了一些新的流量调节控制策略，期望能达到更好的流体调节性能及节能效果。在这些新的控制策略的研究中，需要测试这些新的调节控制策略的调节特性，来验证控制策略的正确性和合理性[2]。
在流体输送与配置结构系统中，水泵为测试平台系统中的必不可少构成部件。水泵的性能曲线表明，水泵可以在不同的流量和压头的组合下工作，不同的工作点对应不同的工作区，而工作区又分为稳定工作区和非稳定工作区，合理的确定水泵的工作点关乎系统的稳定和节能。目前关于水泵的设计大多数是采用理论与经验相互结合的方式，为了检验证明新产品设计的正确性与合理性，必须通过水泵的功能测试实验台来验查，给产品完善供给可靠的实验性能数据。特别是随着水泵变频调速技术在流体综合测试平台系统中广泛应用，明确变频条件下水泵的性能曲线[3]。
在液体的输配系统中，调节阀具有一样的突出的功能。调节阀不仅是一种掌控液体流动的机械产品，并且对能源也有一定的消耗，装拆在管道上的许多阀口为水泵的动力消耗重要组成部分。因此，准确测试阀实际流通能力、流体特征参数对阀的研发、使用具有突出意义。此外，近几年出现一些新型水力控流阀，并且在流体综合测试平台结构中得到一定应用，因此需要准确的测量它们的特殊流量特性，以便于更好的研发、推广和应用[4]。
总之，不管是流体综合测试平台系统的调节控制策略的研究中，还是在阀门、水泵、喷嘴等流体设备和管件的开发研制中，都需要通过搭建流量特性测试实验台测试其动态流量特性。本文以此为背景研制多工况流体综合测试实验平台。
1.2 多工况流体综合测试平台研究的目的及意义
伴着世界的全面发展，在材料制造业、热能与动力中，液压泵、流体机械等知识上得到了充分的进步与运用。依据以往几年的数据总结可知，全国总的电能消耗中机械产业占据了三分之一，所以，国民经济的发展都受其在运行中的可行性，经济效率所影响。本文通过实现利用有限体积分析法对多工况流体综合测试平台技术进行分析计算，通过实现各种不同工作情况下的流动状况，模拟不同的流速下的层流以及各种类型的湍流，并分析了各种流况在不同转速和流量下的影响。由于近些年来科学水平的迅猛进步，多工况流体综合测试实验平台源于它的可操作性强、材料小和重量轻等许多优点在目前世界的许多方面中被充分的采用。长久以来，多工况流体综合测试平台的研究都深受国内外学者和专家的关注[5]。
因为被许多科技水平所限，在传统的液体测试试验平台中，大多数流体测试都是分开而单独的着的。各种工作情况下流体测试试验都离不开单独的实验设备与试验环境，在白费了许多宝贵的资金和实验资源的同时[6]，而且为不同流体工作情况下的流体测试携带了巨大困扰，给多工况流体综合测试实验平台的进步和发展带来了巨大的障碍。伴随着如今科技的迅猛进步与各种学问的总结，多工况测试平台试验的进步提高也必不可少了,在“多工况测试平台”的实验中，“液体测试试验”、“水泵性能试验”与“液量计试验”为必不可少的几个试验平台,在一定大小的实验环境中，为了使多工况测试平台的利用更加高效，节省试验的
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 多工况流体综合测试平台研究的目的及意义 2
1.3 国内外研究现状 3
1.3.1 流体调控设备测试实验台研究现状 3
1.3.2 多工况流体综合测试平台研究的不足 4
1.4 论文主要研究内容 5
第二章 多工况流体综合测试平台的工作原理和总体方案 6
2.1 多工况流体综合测试试验平台的功能需求 6
2.2 多工况流体综合测试平台流量测量系统 7
2.3 基于CFD的多工况流体综合测试平台计算公式 8
2.3.1 用于CFD流体控制方程 8
2.4 CFD在多工况流体综合测试平台设计中的应用 9
2.4.1 CFD的组成、思想 10
2.4.2 Fluent软件 10
第三章 多工况流体综合测试平台的设计 11
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
综合测试平台流量测量系统 7
2.3 基于CFD的多工况流体综合测试平台计算公式 8
2.3.1 用于CFD流体控制方程 8
2.4 CFD在多工况流体综合测试平台设计中的应用 9
2.4.1 CFD的组成、思想 10
2.4.2 Fluent软件 10
第三章 多工况流体综合测试平台的设计 11
3.1 多工况流体综合测试平台的总体功能设计 12
3.1.1 流况分析 12
3.2 多工况流体综合测试平台结构设计 13
3.2.1 多工况流体综合测试平台的系统结构 13
3.2.2 多工况流体综合测试平台的主体结构 14
3.2.3 三维模型的建立 15
3.3 多工况流体综合测试平台的元器件选型 15
3.3.1 水泵的选型 16
3.3.2 喷嘴与阀的选型 18
第四章 多工况流体综合测试平台的数值模拟及流动仿真 20
4.1 多工况流体综合测试平台仿真体系的建立 20
4.1.1 流体平台流体域的建立 21
4.1.2 网格划分策略 22
4.2 Fluent中参数的设置 23
4.2.1 定常流动与非定常流动 23
4.2.2求解模型的选择 23
4.2.3 流体域材料的添加 23
4.2.4 边界条件设置 23
4.2.5 计算精度与时间步设置 24
4.3. 求解结果分析 24
4.3.1 多工况流体测试的模拟分析 24
4.3.2 收敛性 26
4.3.3 求解结果 27
4.3.4 结果分析 31
第五章 总结与展望 31
5.1 结论 32
5.2 展望 32
致谢 32
参考文献 33
绪论
1.1 研究背景
随着人们对实验测试系统的要求以及节能意识的不断提高，流体在不同工作情况下的不同流态测试系统在流体机械中的应用变得越来越广泛。因为在多数时候，设计流量基本都高于变化的流量结构系统，并且随着系外部条件的转变，流量变化的结构系统在每个外部环流线路中的流量大小也在转变，整个系统时刻处于动态变化之中 全部的系统随时都处在动态的变化之中。对于有关在系统中的液体的平衡状态，流量转变运行方式在流体测试实验平台系统中也有了更高的需求，特别是系统的动态流体平衡问题，这些问题不仅影响系统的不同工作情况下的不同流态测试效果，同一时刻也造成了整个测试平台系统的操作运作的能量消耗大量的提高。为了更好解决目前变流量流体测试系统中存在的问题，在流体输配流量系统调节控制策略的研制中涌现出一些新的控制调节技术，像一些新型的水力控制阀，以及水泵调速变频技术，又比如自动式压力控制阀以及动态流流体平衡阀[1]。由于这些技术和产品具有独特的调节控制特性，基于这些新技术和新产品的独特调节特性提出了一些新的流量调节控制策略，期望能达到更好的流体调节性能及节能效果。在这些新的控制策略的研究中，需要测试这些新的调节控制策略的调节特性，来验证控制策略的正确性和合理性[2]。
在流体输送与配置结构系统中，水泵为测试平台系统中的必不可少构成部件。水泵的性能曲线表明，水泵可以在不同的流量和压头的组合下工作，不同的工作点对应不同的工作区，而工作区又分为稳定工作区和非稳定工作区，合理的确定水泵的工作点关乎系统的稳定和节能。目前关于水泵的设计大多数是采用理论与经验相互结合的方式，为了检验证明新产品设计的正确性与合理性，必须通过水泵的功能测试实验台来验查，给产品完善供给可靠的实验性能数据。特别是随着水泵变频调速技术在流体综合测试平台系统中广泛应用，明确变频条件下水泵的性能曲线[3]。
在液体的输配系统中，调节阀具有一样的突出的功能。调节阀不仅是一种掌控液体流动的机械产品，并且对能源也有一定的消耗，装拆在管道上的许多阀口为水泵的动力消耗重要组成部分。因此，准确测试阀实际流通能力、流体特征参数对阀的研发、使用具有突出意义。此外，近几年出现一些新型水力控流阀，并且在流体综合测试平台结构中得到一定应用，因此需要准确的测量它们的特殊流量特性，以便于更好的研发、推广和应用[4]。
总之，不管是流体综合测试平台系统的调节控制策略的研究中，还是在阀门、水泵、喷嘴等流体设备和管件的开发研制中，都需要通过搭建流量特性测试实验台测试其动态流量特性。本文以此为背景研制多工况流体综合测试实验平台。
1.2 多工况流体综合测试平台研究的目的及意义
伴着世界的全面发展，在材料制造业、热能与动力中，液压泵、流体机械等知识上得到了充分的进步与运用。依据以往几年的数据总结可知，全国总的电能消耗中机械产业占据了三分之一，所以，国民经济的发展都受其在运行中的可行性，经济效率所影响。本文通过实现利用有限体积分析法对多工况流体综合测试平台技术进行分析计算，通过实现各种不同工作情况下的流动状况，模拟不同的流速下的层流以及各种类型的湍流，并分析了各种流况在不同转速和流量下的影响。由于近些年来科学水平的迅猛进步，多工况流体综合测试实验平台源于它的可操作性强、材料小和重量轻等许多优点在目前世界的许多方面中被充分的采用。长久以来，多工况流体综合测试平台的研究都深受国内外学者和专家的关注[5]。
因为被许多科技水平所限，在传统的液体测试试验平台中，大多数流体测试都是分开而单独的着的。各种工作情况下流体测试试验都离不开单独的实验设备与试验环境，在白费了许多宝贵的资金和实验资源的同时[6]，而且为不同流体工作情况下的流体测试携带了巨大困扰，给多工况流体综合测试实验平台的进步和发展带来了巨大的障碍。伴随着如今科技的迅猛进步与各种学问的总结，多工况测试平台试验的进步提高也必不可少了,在“多工况测试平台”的实验中，“液体测试试验”、“水泵性能试验”与“液量计试验”为必不可少的几个试验平台,在一定大小的实验环境中，为了使多工况测试平台的利用更加高效，节省试验的
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