計算流體力學(xué)(CFD)是20世紀(jì)60年代起伴隨著計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展起來的學(xué)科。在CFD沒有應(yīng)用到葉輪機(jī)械設(shè)計中之前，對葉輪流道內(nèi)的流場分析主要依靠風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析。理論分析方法是用解析的方法來求流體力學(xué)方程的精確解。由于流體力學(xué)方程組，特別是高速流動，其主控方程是多自變量的非線性偏微分方程組，對這類方程組，經(jīng)典的偏微分方程組理論幾乎無能為力。因此，理論分析的方法在葉輪機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用范圍非常有限。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)一直是流體力學(xué)研究和葉輪機(jī)械設(shè)計的重要手段，此方法的優(yōu)點(diǎn)是獲得的數(shù)據(jù)可靠、直觀，但實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，周期長，只能在小的雷諾數(shù)和馬赫數(shù)范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)，而且測點(diǎn)數(shù)有限，數(shù)據(jù)采集受到實(shí)驗(yàn)時間的限制，難以觀察流場的具體變化過程，特別是細(xì)節(jié)處的變化情況；此外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不能模擬許多重要狀態(tài)，如粘性效應(yīng)、化學(xué)反映和非平衡狀態(tài)等。因此，理論分析方法的簡陋和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的昂貴，推動了CFD技術(shù)的迅速發(fā)展。
近年來，隨著快速、大容量電子計算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用以及計算流體力學(xué)的迅猛發(fā)展，CFD技術(shù)己經(jīng)在葉輪機(jī)械設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。在葉輪機(jī)械設(shè)計中采用CFD技術(shù)可以完全控制流體的性質(zhì)，對流場不產(chǎn)生干擾，可以獲得計算域內(nèi)的大部分計算信息，并且可以節(jié)省大量的人力物力投入，周期短，可完全重復(fù)，在計算中發(fā)現(xiàn)問題便于修改；另外，也可以避免設(shè)計經(jīng)驗(yàn)不完全轉(zhuǎn)移帶來的風(fēng)險。目前，CFD技術(shù)已發(fā)展到可以替代部分研究性實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外已形成了許多數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)室。在氣動設(shè)計中采用CFD方法己經(jīng)成為提高葉輪機(jī)械效率和級負(fù)荷，減少級數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，相應(yīng)的一大批CFD軟件在葉輪機(jī)械設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用oCFD軟件采用一些比較成熟的、標(biāo)準(zhǔn)的計算方法，使設(shè)計更加方便、快捷，并且可以進(jìn)行二維以上的復(fù)雜流面的計算。CFD軟件在我國的引進(jìn)推廣比較晚，直到最近幾年才有較大起色。世界上比較著名的CFD商業(yè)軟件Fluent，CFX，Phoenix, Star-CD，NUMECA等先后在中國設(shè)立代理，于是國內(nèi)也出現(xiàn)了CFD商業(yè)軟件被廣泛應(yīng)用的局面。
雖然CFD技術(shù)在葉輪機(jī)械設(shè)計和研究中發(fā)揮了很大的作用，但也存在一些不足。葉輪機(jī)械的工作過程是非常復(fù)雜的，各種假定正確與否，還需實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。計算的精確性還有賴于邊界條件的恰當(dāng)取定，而這些邊界條件許多是通過實(shí)驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)公式、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表，計算的初始值多數(shù)也取自實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，實(shí)驗(yàn)工作是數(shù)值計算的前提和基礎(chǔ)，而數(shù)值計算又是實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)一步深化和補(bǔ)充，相輔相成．隨著計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，以及實(shí)驗(yàn)和測試手段的不斷完善，CFD技術(shù)必將在離心風(fēng)機(jī)等葉輪機(jī)械的設(shè)計和研究方面發(fā)揮越來越大的作用。
Numeca軟件可用于任何可壓或不可壓、定常或非定常、二維或三維的粘性或無粘流動的數(shù)值模擬，該軟件的組成主要包括前處理、求解器和后處理三個應(yīng)用模塊。
IGG和AutoGrid組成了該軟件的前處理部分，它可以生成任何幾何形狀的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，尤其利用AutoGrid自動網(wǎng)格生成器模塊，可自動生成任何葉輪機(jī)械的H形、I形或HOH形網(wǎng)格。CFview為該軟件的后處理部分，它是功能強(qiáng)大的流動顯示器模塊，可以對計算結(jié)果做任何矢量或標(biāo)量的顯示圖。Euranus為該軟件的求解器模塊，其核心部分——離散格式與計算方法，以及跟求解密切相關(guān)的多重網(wǎng)格法等方面的技術(shù)都比較完善，它的中心格式采用了Jameson人工粘性顯式格式，迎風(fēng)差風(fēng)格式采用基于TVD與通量差分分裂方法的高精度格式，方程求解采用多步龍格一庫塔法，低速計算采用預(yù)條件處理的方法等，多重網(wǎng)格與隱式殘差光順法等技術(shù)的應(yīng)用提高了數(shù)值模擬的收斂速度。因此，無論在計算速度、計算精度、所需計算機(jī)內(nèi)存以及使用方便程度等方面都有很大優(yōu)勢。
