【文章內(nèi)容簡介】 S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)確度的計算方法。計算方法不僅包括數(shù)學(xué)方程的離散化及求解方法，還包括計算網(wǎng)絡(luò)的建立、邊界條件的處理。再次，在確定計算方法和坐標(biāo)系統(tǒng)后，編制程序和進(jìn)行計算是整個工作的主體。當(dāng)求解的問題比較復(fù)雜，如求解非線性的NS方程，還需要通過實驗加以驗證。最后，在計算工作完成后，流場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，計算結(jié)果也更加紛繁浩瀚，難以把握。只有把數(shù)值計算的結(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]。 第二章 CFD軟件Flurnt基本簡介為了完成CFD計算，過去多是用戶自己編寫計算程序，但由于CFD的復(fù)雜性及計算機(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)計主要應(yīng)用的是Fluent軟件對200km/h列車的外流場進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真。Fluent是由美國FLUENT公司于1983推出的CFD軟件。它的市場占有率遙遙領(lǐng)先于其他廠商，目前這個趨勢沒有任何變化。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2006年來的一個新變化。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。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，甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進(jìn)行修改（簡化/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、二維軸對稱和三維流動分析，它可完成多種參考系下的流場模擬、定常與非定常流動分析、不可壓流和可壓流計算、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間和空間變化，包括軸對稱和周期變化等。Fluent使用C語言寫的，可實現(xiàn)動態(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計算。利用Fluent軟件進(jìn)行流體與傳熱的模擬計算流程如圖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求解器計算的格式；然后利用Fluent求解器對流動區(qū)域進(jìn)行求解計算，并進(jìn)行計算結(jié)果的后處理。圖21 基本程序機(jī)構(gòu)示意圖Fluent軟件可以計算二維和三維流動計算問題，在計算過程中，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 對流換熱問題。⑹ 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題。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、熱交換器性能計算。 ⑾ 兩相流問題。⑿ 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動問題。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 條件計算控制參數(shù)。⑻ 流場初始化。⑼ 求解計算。⑽ 保存結(jié)果進(jìn)行后處理等[7]。第三章 時速200km/h高速列車Gambit建模及計算本次畢業(yè)設(shè)計的課題是由長春客車廠的一個項目簡化而來，進(jìn)行200km/h二維列車明線運(yùn)行空氣流場數(shù)值仿真分析，即以計算流體力學(xué)（CFD）為理論依據(jù)，采用Fluent軟件數(shù)值仿真一個時速200km/h的二維流線型車頭模型的外流線場，對其空氣動力性能進(jìn)行分析，得到列車運(yùn)行時的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和列車表面壓力系數(shù)分布，對指導(dǎo)設(shè)計以獲得良好的列車外型提供依據(jù)。受計算機(jī)硬件條件的限制，計算模型不可能完全模擬列出的真實情況，必須抓住主要矛盾對列車某些結(jié)構(gòu)尤其是車頭及車尾進(jìn)行簡化，并縮短列車長度[8]。本次計算模型實施了一下簡化措施：（1） 去掉電弓、轉(zhuǎn)向架及車底的一些細(xì)小設(shè)備；（2） 列車計算模型取動力車頭+一節(jié)車廂，總長度為25m。車頭及車廂的中間截面為模型計算截面。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，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。本次設(shè)計中應(yīng)用的200km/h高速列車的車頭模型是從CATIA建立的實體模型中提取出來，是仿真計算的原始數(shù)據(jù)，由老師提供。首先，將老師提供的動力車頭模型倒入Gambit中，偏移車頭中相應(yīng)的點，然后連接點構(gòu)成矩形模擬車廂，使車頭和車廂總長度為25m。其次，建立計算區(qū)域。由于列車運(yùn)行時尾部存在較強(qiáng)的尾流，且有縱向渦流長生，因此，計算區(qū)域長度的選區(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)，本次計算選取尾流區(qū)長度為車體高度的10倍，列車頭部距計算區(qū)域上游邊界為車高的3倍列車頂部距計算邊界也為車高的3倍，車體底部距離地面256mm。模型及計算區(qū)域如圖31。 圖31 模型及計算區(qū)域 圖32 計算區(qū)域劃分圖 仿真實驗當(dāng)中由于在模型表面附近的空氣流場特性變化比較大，如流場速度，壓強(qiáng)，方向等，而在距列車模型表面較遠(yuǎn)處流場較穩(wěn)定，所以在劃分網(wǎng)格時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。這樣處理的好處是不僅不影響邊界處的流場分析效果，而且可以減少計算網(wǎng)格，減少內(nèi)存量。在網(wǎng)格劃分過程中，根據(jù)模型特點及其計算區(qū)域的形狀，可將區(qū)域劃分為六個分塊，分別對每一個分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖32。這樣處理是因為，在車頭處車體形狀不規(guī)則，多是由曲線構(gòu)成，如果采用相同的網(wǎng)格劃分方法，形成的網(wǎng)格質(zhì)量很差，這不僅使計算精度降低，而且有可能不收斂，得不到數(shù)值解。網(wǎng)格劃分是仿真實驗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算的精度，而且對收斂性影響很大，如果網(wǎng)格質(zhì)量不好可能會使實驗得不到有效的收斂解。第一章中已經(jīng)簡述，在流體力學(xué)控制方程的微分和積分項中包括時間/空間變量，這些變量分別對應(yīng)著相應(yīng)的求解域和這些求解域上的解。要把積分和微分項用離散的代數(shù)形式代替就要進(jìn)行控制方程的離散化。而網(wǎng)格劃分就是這一過程的前提。網(wǎng)格一般采用貼體網(wǎng)格。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、對于較復(fù)雜的求解域還采用多項網(wǎng)格、重疊網(wǎng)格等。這些類型的網(wǎng)格都可以稱作結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。此外，還有一大類網(wǎng)格稱作非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。這類網(wǎng)格更適用于處理形狀復(fù)雜的求解域[9]。根據(jù)本次設(shè)計中建立的模型及各個區(qū)域塊的特點，分別劃分各區(qū)域的網(wǎng)格。區(qū)域I的車體表面全由復(fù)雜的曲線構(gòu)成，而且這些曲線的弧度較大。首先用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分這一區(qū)域，經(jīng)過多次嘗試。雖然這一質(zhì)量勉強(qiáng)可行，但為了實驗的精確性，于是采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。，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點和60點，車體表面采用等間距點劃分形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格區(qū)域III 、IV、VI四周邊界線都較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格較好。不僅網(wǎng)格質(zhì)量好，而且很適合于以后的仿真計算。區(qū)域V內(nèi)有很長的尾流，尾流對車的各種空氣動力性能有很大的影響，因此，對這一區(qū)域劃分網(wǎng)格應(yīng)較密些。這樣能更好的顯示出尾流特性。綜合所有網(wǎng)格，這一質(zhì)量對仿真計算來講是很好的了。總體網(wǎng)格劃分如圖34。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。它是在網(wǎng)格和各個計算區(qū)域劃分完成之后，在Gambit中進(jìn)行的，定義界面如圖35。定義前邊界線為inlet；后邊界線為outlet；下邊界線為movewall；車體模型上表面為wall1；下表面為wall2。車體分為兩個wall有利于后邊分別描述車體上下表面空氣流場的特性。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，就可以生成仿真計算要用的相關(guān)文件，為導(dǎo)入Fluent計算作準(zhǔn)備。Gambit中總共生成五個文件：mesh文件、jou文件、dbs文件、lok文件、trn文件。在第一章已經(jīng)介紹