【正文】 。感謝曹剛同學(xué)在本次論文編寫(xiě)過(guò)程中給以的大力協(xié)助。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分和模型簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響，須進(jìn)一步深入研究，以使仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映實(shí)際氣動(dòng)規(guī)律，為高速列車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)提供定量化參數(shù)，另外二維模型的計(jì)算結(jié)果并沒(méi)有三維模型的精確，但是限于計(jì)算機(jī)條件和本人能力，我并沒(méi)有完成此項(xiàng)工作，這也是今后努力的方向。對(duì)比表41與表31可以看出整個(gè)車體所受力大小也有很大的改善。由于區(qū)域一的邊線不規(guī)則，所以用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而且網(wǎng)格密度也較密；區(qū)域二距車體表面較遠(yuǎn)，各邊界也規(guī)則，所以用較疏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。本章主要對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真。車體外流場(chǎng)最大速度值達(dá)到98m/s。該初始值對(duì)解的收斂性有重要影響，與最終的實(shí)際解約接近越好，所以，用inlet的參數(shù)初始化較好。設(shè)置的內(nèi)容主要包括：選擇離散格式、設(shè)置前松弛因子、初始化變量、及激活監(jiān)視變量等[6]。靜壓的設(shè)定只相對(duì)于亞音速流動(dòng)。列車的外流場(chǎng)為空氣，通常假定它為一個(gè)大氣壓，沒(méi)有特殊要求下采用Fluent軟件中的默認(rèn)值就滿足200km/h的列車運(yùn)行時(shí)的外界材料環(huán)境，如圖37。耦合求解器的方法則可用在高速可壓縮流動(dòng)。在準(zhǔn)備好網(wǎng)格之后就需要確定采用什么樣的求解器及采用什么樣的工作模式。Gambit中總共生成五個(gè)文件：mesh文件、jou文件、dbs文件、lok文件、trn文件。這樣能更好的顯示出尾流特性。根據(jù)本次設(shè)計(jì)中建立的模型及各個(gè)區(qū)域塊的特點(diǎn)，分別劃分各區(qū)域的網(wǎng)格。第一章中已經(jīng)簡(jiǎn)述，在流體力學(xué)控制方程的微分和積分項(xiàng)中包括時(shí)間/空間變量，這些變量分別對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的求解域和這些求解域上的解。由于列車運(yùn)行時(shí)尾部存在較強(qiáng)的尾流，且有縱向渦流長(zhǎng)生，因此，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度的選區(qū)應(yīng)使區(qū)域下游邊界盡可能遠(yuǎn)離列車尾部。第三章 時(shí)速200km/h高速列車Gambit建模及計(jì)算本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是由長(zhǎng)春客車廠的一個(gè)項(xiàng)目簡(jiǎn)化而來(lái)，進(jìn)行200km/h二維列車明線運(yùn)行空氣流場(chǎng)數(shù)值仿真分析，即以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）為理論依據(jù)，采用Fluent軟件數(shù)值仿真一個(gè)時(shí)速200km/h的二維流線型車頭模型的外流線場(chǎng)，對(duì)其空氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析，得到列車運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和列車表面壓力系數(shù)分布，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)以獲得良好的列車外型提供依據(jù)。⑶ 選擇2D求解器。⑹ 導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)題。利用Fluent軟件進(jìn)行流體與傳熱的模擬計(jì)算流程如圖21所示。Fluent可讓用戶定義多種邊界條件，如流動(dòng)入口和出口邊界條件避免邊界條件等，可采用多種局部的笛卡爾和圓柱坐標(biāo)系的分量流入，所有邊界條件均可隨時(shí)間和空間變化，包括軸對(duì)稱和周期變化等。它的市場(chǎng)占有率遙遙領(lǐng)先于其他廠商，目前這個(gè)趨勢(shì)沒(méi)有任何變化。當(dāng)求解的問(wèn)題比較復(fù)雜，如求解非線性的NS方程，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。數(shù)值模擬是“計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)特定的計(jì)算，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示一個(gè)虛擬的物理實(shí)驗(yàn)——數(shù)值試驗(yàn)”。②當(dāng)離散點(diǎn)的數(shù)量趨于無(wú)窮大，間距趨于無(wú)窮小時(shí)，數(shù)值解是否趨于精確解？這就是數(shù)值方法的收斂性問(wèn)題。隨著對(duì)CFD研究的深入，我們將對(duì)這一點(diǎn)有越來(lái)越清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)于非線性情況，只有少數(shù)流動(dòng)才能給出解析結(jié)果。CFD的應(yīng)用已成為工業(yè)生產(chǎn)中工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。此后，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)微機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，CFD的前后處理軟件得到了迅速發(fā)展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEM－CFD等等。同時(shí)，CFD技術(shù)開(kāi)始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問(wèn)題方向發(fā)展，如氣固、液固多相流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等。在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上或控制體上，流體運(yùn)動(dòng)方程的積分微分項(xiàng)被近似表示為離散分布的變量函數(shù)，并由此得控制方程的近似代數(shù)方程[4]。通過(guò)這些數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些量隨時(shí)間變化的情況，確定是否產(chǎn)生渦流，渦流分布特性及脫流區(qū)域等。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家運(yùn)輸業(yè)也有了很大的發(fā)展，特別是列車經(jīng)過(guò)幾次提速后，高速列車在國(guó)家運(yùn)輸行業(yè)中所占比例不斷提高。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。任何流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是以質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)的。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。CFD中把這些方程稱為控制方程?？偟膩?lái)說(shuō)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，從60年代至今，其發(fā)展過(guò)程可以分為三個(gè)階段。我國(guó)80年代初期，隨著與國(guó)外交流的發(fā)展，科Z學(xué)院、部分高校開(kāi)始興起CFD的研究熱潮。 CFD分析研究可以提供工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、技術(shù)改造中所必需的參數(shù)，如流體阻力（阻力損失），流體與固體之間的傳熱量（散熱損失等），氣體、固體顆粒的停留時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量，燃燼程度，反應(yīng)率，處理能力（產(chǎn)量）等綜合參數(shù)以及各種現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)節(jié)量（如風(fēng)量、風(fēng)溫、組分等）對(duì)這些綜合參數(shù)的影響規(guī)律性。空氣在列車表面形成空氣流場(chǎng)，空氣阻力急劇增加，作用在列車的阻力大部分來(lái)自壓強(qiáng)阻力，而一部分來(lái)自表面磨擦阻力，這就使能耗過(guò)大，同時(shí)列車可能出現(xiàn)較大的空氣升力，導(dǎo)致列車產(chǎn)生“飄”的現(xiàn)象，激發(fā)列車脫軌事故的發(fā)生，因此研究高速列車氣動(dòng)力性能非常重要。此外，實(shí)驗(yàn)還會(huì)遇到經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長(zhǎng)等許多困難。但是，由于計(jì)算機(jī)速度和容量的限制，還有很多問(wèn)題在目前和近期還無(wú)法完全用CFD方法解決。這些問(wèn)題及未列出的其他問(wèn)題都是應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是CFD研究的中心內(nèi)容。建立反映問(wèn)題各量之間的微分方及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。只有把數(shù)值計(jì)算的結(jié)果以各式各樣的圖像和曲線形式輸出才能有效的判斷結(jié)果的正確性，進(jìn)而得出結(jié)論和獲取需要數(shù)據(jù)[7]。Fluent提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，讓用戶可以使用非結(jié)構(gòu)，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來(lái)解決具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)，甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 Fluent的程序結(jié)構(gòu)Fluent程序軟件包括以下幾個(gè)部分組成：⑴ Gambit——用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。Fluent軟件應(yīng)用非常廣泛，主要范圍如下：⑴ 可壓縮與不可壓縮問(wèn)題。⑼ 用Lagrangian軌道模型模擬稀流相（顆粒，水滴，氣泡等）。⑹ 確定邊界類型及邊界條件。車頭及車廂的中間截面為模型計(jì)算截面。 圖31 模型及計(jì)算區(qū)域 圖32 計(jì)算區(qū)域劃分圖 仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中由于在模型表面附近的空氣流場(chǎng)特性變化比較大，如流場(chǎng)速度，壓強(qiáng)，方向等，而在距列車模型表面較遠(yuǎn)處流場(chǎng)較穩(wěn)定，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)在靠近表面層出的網(wǎng)格要密些，在靠近遠(yuǎn)處邊界的地方網(wǎng)格可以疏松些。網(wǎng)格一般采用貼體網(wǎng)格。雖然這一質(zhì)量勉強(qiáng)可行，但為了實(shí)驗(yàn)的精確性，于是采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖34 總體網(wǎng)格劃分圖定義邊界和區(qū)域是進(jìn)入Fluent后定義邊界條件的前提。思路如下：⑴ 打開(kāi)Fluent讀入生成的網(wǎng)格文件。也就是先在全部網(wǎng)格上解出一個(gè)方程后，再解另外一個(gè)方程。本次設(shè)計(jì)的是200km/h的列車，仿真中采用列車靜止而空氣以56m/s的低馬赫數(shù)速度迎著車頭流動(dòng)，因此，仿真實(shí)驗(yàn)中采用非耦合求解方法比較合適,設(shè)置界面如圖36。一般設(shè)定為速度進(jìn)口（Velocityinlet），此邊界條件用于定義在流動(dòng)進(jìn)口處的流動(dòng)速度及相關(guān)的其他標(biāo)量型流動(dòng)變量。再次，設(shè)定wallmove邊界條件。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的列車流場(chǎng)分析，用一階精度格式下容易收斂，但精度較差。收斂圖如38。圖313 列車尾部湍流 Fluent仿真計(jì)算不僅可以生成各種需要的云圖及矢量圖，還可以計(jì)算出各種力的大小和所需的系數(shù)。這種雙動(dòng)力車頭的模型將更符合現(xiàn)在高速列車的實(shí)際情況。此模型迭代到200步收斂。將近一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)用著名的國(guó)際商用軟件進(jìn)行了高速列車的研究、設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值仿真。謝 辭論文是在導(dǎo)師王東屏教授的悉心指導(dǎo)下完成的，本文從選題到完稿無(wú)不浸透著導(dǎo)師的心血。 參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.[2] （第二版）[M].西安：縣交通大學(xué)出版社，2001.[3] [M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.[4] 任玉新，[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.[5] [J].南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2003.[6] [M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.[7] [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.[8] 梁習(xí)鋒，熊小慧.“中華之星”號(hào)列車司機(jī)室過(guò)度曲面局部空氣壓力分布研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2004：2931[9] [J].航空學(xué)報(bào)，1998：19（2）.[10] [J].高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集，1995，7：17[11] Jameson A，Schmidt W and Turkel E .numerical solution of the Euler equations by finite volume methods using RungeKutta time setting Paper，1981：81~1259，學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的成果。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。再次對(duì)周巍老師表示衷心的感謝。學(xué)友情深，情同兄妹。34