【正文】 是他們?cè)谖耶厴I(yè)的最后關(guān)頭給了我們巨大的幫助與鼓勵(lì)，給了我很多解決問題的思路，在此表示衷心的感激。四年的大學(xué)生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要?jiǎng)澤暇涮?hào)，心中是無盡的難舍與眷戀。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計(jì)。本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。學(xué)位論文作者（本人簽名）： 年 月 日學(xué)位論文出版授權(quán)書本人及導(dǎo)師完全同意《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》(以下簡稱“章程”)，愿意將本人的學(xué)位論文提交“中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社”在《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開出版，并同意編入CNKI《中國知識(shí)資源總庫》，在《中國博碩士學(xué)位論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫》中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。感謝我們同組的其他同學(xué)對(duì)我在設(shè)計(jì)過程中疑難問題給以耐心的講解。對(duì)比了對(duì)稱模型與單車頭模型的外流場(chǎng)特性，從仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出尾部形狀出車體流場(chǎng)影響很大，尾部采用流線型大大地改善車體外流場(chǎng)對(duì)減小阻力，降低列車升力，提高列車運(yùn)行穩(wěn)定性都有很大的幫助，這也是實(shí)際動(dòng)車組設(shè)計(jì)成雙車頭的原因。圖44 對(duì)稱模型尾部湍流圖45 對(duì)稱模型車體表面壓力系數(shù)分布圖湍流的減弱同時(shí)也大大地減小了車的阻力，車體表面的粘性系數(shù)也減小。考慮到上面這些原則，我們把列車較近表面從新圍起，與車體邊界構(gòu)成一個(gè)計(jì)算區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的外邊界與整體計(jì)算邊界線構(gòu)成第二個(gè)計(jì)算區(qū)域。表31 X方向各邊界力及系數(shù)范圍壓力N粘滯力N總力N壓力系數(shù)粘滯系數(shù)總系數(shù)wall__end00wall__bottomwall__topnet圖314 車頂及車底壓力分布圖 第四章 對(duì)稱模型的CFD仿真第三章仿真計(jì)算了200km/h每小時(shí)高速列車的單動(dòng)力車頭模型?？偟膩碇v就是此車體周圍負(fù)壓區(qū)較多。在開始對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解之前，須提供對(duì)流場(chǎng)的解的初始猜測(cè)值。在完成了網(wǎng)格、計(jì)算模型、材料和邊界條件的設(shè)置后，原則上就可以讓Fluent開始對(duì)200km/h列車模型的外流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，但為了更好地控制求解過程，需要在求解器中進(jìn)行某些設(shè)置。通常情況下設(shè)定為壓力出口（pressureoutlet）這種邊界條件需要設(shè)置靜壓（相對(duì)壓力）。一旦這些材料被定義好之后，便可將材料分配給相應(yīng)的邊界區(qū)域。非耦合求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動(dòng)。此列車模型的外流場(chǎng)劃分網(wǎng)格總數(shù)62070個(gè)。圖35 定義邊界界面在Gambit當(dāng)中模型建立完畢，網(wǎng)格劃分成功，邊界定義之后，就可以生成仿真計(jì)算要用的相關(guān)文件，為導(dǎo)入Fluent計(jì)算作準(zhǔn)備。區(qū)域V內(nèi)有很長的尾流，尾流對(duì)車的各種空氣動(dòng)力性能有很大的影響，因此，對(duì)這一區(qū)域劃分網(wǎng)格應(yīng)較密些。這類網(wǎng)格更適用于處理形狀復(fù)雜的求解域[9]。網(wǎng)格劃分是仿真實(shí)驗(yàn)中最基本也是最重要的一步，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞不僅影響以后仿真計(jì)算的精度，而且對(duì)收斂性影響很大，如果網(wǎng)格質(zhì)量不好可能會(huì)使實(shí)驗(yàn)得不到有效的收斂解。其次，建立計(jì)算區(qū)域。⑽ 保存結(jié)果進(jìn)行后處理等[7]。利用FLUENT軟件求解問題的具體步驟如下：⑴ 確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格（用GAMBIT）.⑵ 輸入并檢查網(wǎng)格。⑸ 對(duì)流換熱問題。⑸ Filter——將其他程序生成的網(wǎng)格，用于Fluent計(jì)算。它的湍流模型包括kε模型、Reynolds應(yīng)力模型、LES模型雙層近壁模型等。Fluent是由美國FLUENT公司于1983推出的CFD軟件。再次，在確定計(jì)算方法和坐標(biāo)系統(tǒng)后，編制程序和進(jìn)行計(jì)算是整個(gè)工作的主體。 CFD的求解過程CFD的任務(wù)是流體力學(xué)的數(shù)值模擬。①離散的代數(shù)方程逼近原來的積分微分方程的程度如何? 數(shù)值解逼近積分微分方程的精確解程度如何？這就是CFD方法的精度和誤差估計(jì)問題。CFD發(fā)展的一個(gè)基本條件是高速、大容量的電子計(jì)算機(jī)。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡化，才有可能得出理論解。在汽車制造業(yè)，用CFD預(yù)報(bào)阻力、分析車的內(nèi)部空氣流動(dòng)和車內(nèi)環(huán)境已成為常規(guī)。如何在CFD的基礎(chǔ)研究與工程開發(fā)設(shè)計(jì)研究之間建立一個(gè)橋梁?如何將研究結(jié)果為高級(jí)工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員所掌握，并最大限度地應(yīng)用于工程咨詢、工程開發(fā)與設(shè)計(jì)研究?這正是本時(shí)期應(yīng)用基礎(chǔ)研究所追求的目標(biāo)。⑵ 開始走向工業(yè)應(yīng)用階段(1975～1984年) 　隨著數(shù)值預(yù)測(cè)、原理、方法的不斷完善，關(guān)鍵的問題是如何得到工業(yè)界的認(rèn)可，如何在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，因此，該階段的主要研究內(nèi)容是探討CFD在解決實(shí)際工程問題中的可行性、可靠性及工業(yè)化推廣應(yīng)用。此過程就是求解域被近似為一系列的網(wǎng)格點(diǎn)或單元體的中心，定點(diǎn)或其它特性點(diǎn)上。計(jì)算流體力學(xué)可以看做是在流動(dòng)基本方程，即任何流體的運(yùn)動(dòng)都遵循的3個(gè)基本定律：①質(zhì)量守恒定律；②動(dòng)量守恒定律；③能量守恒定律，控制下對(duì)流體的數(shù)值仿真模擬。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)在工程領(lǐng)域內(nèi)取得重大的進(jìn)步，特別是在高速列車的外型設(shè)計(jì)方面起了很大作用。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。這些基本定律可由數(shù)學(xué)方程組來描述，如歐拉方程、NS方程。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源于長春客車廠所做的一個(gè)科研項(xiàng)目，即采用CFD學(xué)科中的常用商業(yè)軟件Fluent仿真一個(gè)時(shí)速200km/h的二維流線型車頭的外流場(chǎng)，對(duì)其空氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析，而設(shè)計(jì)出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高質(zhì)量列車。這些控制方程的微分或積分項(xiàng)中包括時(shí)間/空間變量（自變量）以及物理變量（因變量）。⑴ 初始階段（1965~1974）初始階段的主要研究內(nèi)容是解決計(jì)算流體力學(xué)中的一些基本的理論問題，如模型方程（湍流、流變、傳熱、輻射、氣體－顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等）、數(shù)值方法（差分格式、代數(shù)方程求解等）、網(wǎng)格劃分、程序編寫與實(shí)現(xiàn)等，并就數(shù)值結(jié)果與大量傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精確解進(jìn)行比較，以確定數(shù)值預(yù)測(cè)方法的可靠性、精確性及影響規(guī)律。⑶ 快速發(fā)展期(1985年～)　　CFD在工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及應(yīng)用效果的研究取得了豐碩的成果，在學(xué)術(shù)界得到了充分的認(rèn)可。還可以提供流動(dòng)區(qū)域內(nèi)精細(xì)的流場(chǎng)（速度矢量）、溫度場(chǎng)、各種與反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)的組分參數(shù)場(chǎng)，通過對(duì)這些場(chǎng)量的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裝置或設(shè)計(jì)中存在的不足，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、改造設(shè)計(jì)提供依據(jù)。用CFD仿真可以詳細(xì)了解高速列車的空氣動(dòng)力特性，從而設(shè)計(jì)出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高質(zhì)量列車。而CFD方法恰好克服了前面兩方面的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)[6]。所以，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)為CFD的廣泛應(yīng)用提供了一定可能，而CFD的發(fā)展還不斷為計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出新的要求。第三，CFD研究呈現(xiàn)出明顯的學(xué)科交叉性。牛頓型流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型就是著名的NS方程及其相應(yīng)的定解條件。 第二章 CFD軟件Flurnt基本簡介為了完成CFD計(jì)算，過去多是用戶自己編寫計(jì)算程序，但由于CFD的復(fù)雜性及計(jì)算機(jī)軟硬件條件的多樣性，使得用戶各自的應(yīng)用程序缺乏通用性，而CFD本身又有其鮮明的系統(tǒng)性和規(guī)律性，因此，比較合適制成通用的商業(yè)軟件。它允許用戶根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改（簡化/粗化）。⑵ Fluent——用于進(jìn)行流動(dòng)模擬的求解器。⑵ 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題。⑽ 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算。⑺ 條件計(jì)算控制參數(shù)。車體底部的車輪及懸掛廂等省略；（3） 運(yùn)行工況：忽略環(huán)境風(fēng)的影響，假設(shè)列車在原為靜止的空氣中沿平直線路勻速、平穩(wěn)運(yùn)行、運(yùn)行速度在V=200km/h；（4） 忽略空氣的可壓縮性：當(dāng)列車的運(yùn)行速度不超過360km/h時(shí)，將空氣按不可壓縮粘性流體考慮所引起的誤差很小，可滿足要求。這樣處理的好處是不僅不影響邊界處的流場(chǎng)分析效果，而且可以減少計(jì)算網(wǎng)格，減少內(nèi)存量。它主要有以下幾種類型：H型網(wǎng)格、O型網(wǎng)格、C型網(wǎng)格、對(duì)于較復(fù)雜的求解域還采用多項(xiàng)網(wǎng)格、重疊網(wǎng)格等。劃分如下圖33 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖 （Ratio）劃分邊線，邊線上分別70點(diǎn)和60點(diǎn)，車體表面采用等間距點(diǎn)劃分形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它是在網(wǎng)格和各個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分完成之后，在Gambit中進(jìn)行的，定義界面如圖35。在Fluent讀入網(wǎng)格文件的同時(shí)，會(huì)在信息反饋窗口內(nèi)顯示網(wǎng)格信息。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂解之前，要經(jīng)過多輪迭代。 圖36 求解器設(shè)置界面 圖37 定義材料界面 在Fluent中，流體和固體的物理屬性都用材料這個(gè)名稱來一并表示，F(xiàn)luent要求為每個(gè)參與計(jì)算的區(qū)域定義一種材料。速度進(jìn)口邊界條件用于不可壓流，在列車仿