【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 FD 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。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)。相當(dāng)于是一個(gè)通用的、多功能的大型冷、熱態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)（數(shù)值試 驗(yàn) ）。 因 CFD有強(qiáng)大的模擬仿真功能，它已覆蓋了工程的廣大領(lǐng)域，隨后，這一技術(shù)又用于內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、燃燒室的設(shè)計(jì)。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)。 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。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)輸業(yè)也有了很大的發(fā)展，特別是列車經(jīng)過幾次提速后，高速列車在國家運(yùn)輸行業(yè)中所占比例不斷提高。高速列車的特點(diǎn)是龐大、細(xì)長(zhǎng)、在地面軌道上運(yùn)行，其空氣動(dòng)力學(xué)問題非常復(fù)雜?？諝庠诹熊嚤砻嫘纬煽諝饬鲌?chǎng)，空氣阻力急劇增加，作用在列車的阻力大部分來自壓強(qiáng)阻力，而一部分 來自表面磨擦阻力，這就使能耗過大，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。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。 計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn) 研究流體流動(dòng)的完整體系包括傳統(tǒng)的理論分析方法、試驗(yàn)測(cè)量方法和 CFD 方法。 理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導(dǎo)試驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。但是， 它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化 ，才有可能得出理論解。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。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法所得的結(jié)果真實(shí)可信，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，其重要性不容低估。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果。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。 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 好大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 像 在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn) [6]。這樣不僅省時(shí)省錢，有較多的靈活性，而且能給出詳細(xì)完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、 有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。 此外， CFD 作為一門比較新的學(xué)科，還有其他一些鮮明的特點(diǎn)： 第一 ， CFD 的發(fā)展及應(yīng)用與計(jì)算機(jī)的發(fā)展直接相關(guān)。 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)。隨著對(duì) CFD 研究的深入，我們將對(duì)這一點(diǎn)有越來越清晰的認(rèn)識(shí)。今天，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)使得采用 CFD 方法研究一些工程實(shí)際問題成為可能。最近 10 年來，商業(yè) CFD 軟件不斷涌現(xiàn)，極大地促進(jìn)了 CFD 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，由于計(jì)算機(jī)速度和容量的限制，還有很多問題在目前和近期還無法完全用 CFD 方法 解決。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。 第二， CFD 與應(yīng)用數(shù)學(xué)有密切的聯(lián)系。 在計(jì)算的離散化過程中， CFD 產(chǎn)生了一系列的數(shù)學(xué)問題。 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。 ② 當(dāng)離散點(diǎn)的數(shù)量趨于無窮大，間距趨于無窮小時(shí)，數(shù)值解是否趨于精確解？這就是數(shù)值方法的收斂性問題。 ③ 在計(jì)算機(jī)上，數(shù)值計(jì)算以有限的字長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算的，因此計(jì)算機(jī)得到的數(shù)值解不是精確的數(shù)值解。由于機(jī)器字長(zhǎng)有限產(chǎn)生的誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果影響如何， 會(huì)不會(huì)無限增長(zhǎng)以至于得不到有意義的解？這就是數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性問題。這些問題及未列出的其他問題都是應(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。 第三， CFD 研究呈現(xiàn)出明顯的學(xué)科交叉性。 CFD 的生命力在于廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，解決其中涉及的與流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的問題。為了解決這些問題， CFD 研究必須和這些 領(lǐng)域的研究交叉和融合 [4]。 CFD 的求解過程 CFD 的任務(wù)是流體力學(xué)的數(shù)值模擬。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)”。數(shù)值，模擬包括以下幾個(gè)步驟。 首先，要建立反映問題（工程問題、物理問題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。建立反映問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)。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。 其次，數(shù)學(xué)模型建立以后需要解決的問題是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。計(jì)算方法不僅包括數(shù)學(xué)方程的離散化及求解方法，還包括計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的建立、邊界條件的處理。 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。當(dāng)大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 求解的問題比較復(fù)雜，如求解非線性的 NS方程，還需要通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。 最后，在計(jì)算工作完成后，流場(chǎng)的圖像顯示是不可缺少的部分。隨著研究問題的不斷深入和復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果也更加紛繁浩瀚，難以把握。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]。 大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第二章 CFD 軟件 Flurnt 基本 簡(jiǎn)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。 于是諸如 Fluent、 CFX、Phoenics、 StarCD等商用 CFD 軟件就應(yīng)運(yùn)而生。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的是 Fluent 軟件對(duì) 200km/h 列車的外流場(chǎng)進(jìn)行 空氣動(dòng)力學(xué)仿真。 Fluent 是由美國 FLUENT 公司于 1983 推出的 CFD 軟件。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)沒有任何變化。 ANSYS 公司收購 Fluent 后，它擁有 Fluent、CFX、及 ICEMCFD 等優(yōu)秀的 CFD 分析軟件，使得 ANSYS 公司成為世界最大的 CFD 軟件開發(fā)商，這是自 2021 年來的一個(gè)新變化。兩家優(yōu)秀 CFD 軟件公司的合并意味著，它的發(fā)展?jié)摿Ω茫o用戶帶來更顯著的好處。 軟件的基本特性 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。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(jiǎn)化 /粗化）。 Fluent使用 Gambit 作為前處理軟件， 它可讀入多種 CAD 軟件的 三維幾何模型和多種 CAE 軟件的網(wǎng)格模型。 Fluent 可用于二維平面、二維軸對(duì)稱和三維流動(dòng)分析，它可完成多種參考系下的流場(chǎng)模擬、定常與非定常流動(dòng)分析、不可壓流和可壓流計(jì)算、層流和湍流模擬等。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 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。 大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 Fluent 使用 C 語言寫的，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配及高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有極大的靈活性和很強(qiáng)的處理能力。它還提供了用戶自定義子程序功能，可讓用戶自行定義連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程，自定義邊界條件初始條件、流體的物性等，這給特殊問題的處理帶來了極大的方便 [6]。 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。 ⑵ Fluent—— 用于進(jìn)行流動(dòng)模擬的求解器。 ⑶ prePDF—— 用于模擬 PDF 燃燒過程。 ⑷ TGrid—— 用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 ⑸ Filter—— 將其他程序生成的網(wǎng)格，用于 Fluent 計(jì)算。 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。首先利用 Gambit進(jìn)行流體區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于 Fluent 求解器計(jì)算的格式；然后利用 Fluent 求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域 進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。 圖 21 基本程序機(jī)構(gòu)示意圖 大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 程序可以求解的問題 Fluent 軟件可以計(jì)算二維和三維流動(dòng)計(jì)算 問題，在計(jì)算過程中，王閣可以自適應(yīng)調(diào)整。 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題。 ⑵ 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題。 ⑶ 無黏流，層流及湍流問題。 ⑷ 牛頓流體及非牛頓流體。 ⑸ 對(duì)流換 熱問題。 ⑹ 導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問題。 ⑺ 輻射換熱問題。 ⑻ 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下流動(dòng)問題模擬。 ⑼ 用 Lagrangian 軌道模型模擬稀流相（顆粒，水滴，氣泡等）。 ⑽ 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算。 ⑾ 兩相流問題。 ⑿ 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)問題。 用 Fluent 程序求解 問題的步驟 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。 ⑶ 選擇 2D 求解器。 ⑷ 選擇求解的方程。 ⑸ 確定流體的材料性質(zhì)。 ⑹ 確定邊界類型及邊界條件。 ⑺ 條件計(jì)算控制參數(shù)。 ⑻ 流場(chǎng)初始化。 ⑼ 求解計(jì)算。 ⑽ 保存結(jié)果進(jìn)行后處理等 [7]。 大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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，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)。 建立計(jì)算模型 受計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，計(jì)算模型不可能完全模擬列出的真實(shí)情況，必須抓住主要矛盾對(duì)列車某些結(jié)構(gòu)尤其是車頭及車尾 進(jìn)行簡(jiǎn)化，并縮短列車長(zhǎng)度 [8]。本次計(jì)算模型實(shí)施了一下簡(jiǎn)化措施： （ 1） 去掉電弓、轉(zhuǎn)向架及車底的一些細(xì)小設(shè)備； （ 2） 列車計(jì)算模型取動(dòng)力車頭 +一節(jié)車廂，總長(zhǎng)度為 25m。車頭及車廂的中間截面為模型計(jì)算截面。 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。 利用 Gambit 建立車體計(jì)算模型 本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的 200km/h高速列車的車頭模型是從 CATIA建立的實(shí)體模型中提取出來，是仿真計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，由 老師提供。 首先，將老師提供的動(dòng)力車頭模型倒入 Gambit 中， 偏移 車頭中相應(yīng)的點(diǎn)，然后連接點(diǎn)構(gòu)成矩形模擬車廂，使車頭和車廂總長(zhǎng)度為 25m。其次，建立計(jì)算區(qū)域。 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。根據(jù)常規(guī)，本次計(jì)算選取尾流區(qū)長(zhǎng)度為車體高度的 10倍，列車頭部距計(jì)算區(qū)域上游邊界為車高的 3 倍列車頂部距計(jì)算邊界也為車高的 3 倍，車體底部距離地面 256mm。模型及計(jì)算區(qū)域如圖 31。 大連交通大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 31 模型及計(jì)算區(qū)域 圖 32 計(jì)算區(qū)域劃分圖 計(jì)算網(wǎng)格劃分 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，