【文章內容簡介】 S方程及其相應的定解條件。其次，數(shù)學模型建立以后需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。計算方法不僅包括數(shù)學方程的離散化及求解方法，還包括計算網(wǎng)絡的建立、邊界條件的處理。再次，在確定計算方法和坐標系統(tǒng)后，編制程序和進行計算是整個工作的主體。當求解的問題比較復雜，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雜，計算結果也更加紛繁浩瀚，難以把握。只有把數(shù)值計算的結果以各式各樣的圖像和曲線形式輸出才能有效的判斷結果的正確性，進而得出結論和獲取需要數(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的復雜性及計算機軟硬件條件的多樣性，使得用戶各自的應用程序缺乏通用性，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軟件就應運而生。 本次畢業(yè)設計主要應用的是Fluent軟件對200km/h列車的外流場進行空氣動力學仿真。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?，給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構，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復雜外形的流體流動，甚至可以用混合型非結構網(wǎng)格。它允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進行修改（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)內存分配及高校數(shù)據(jù)結構，具有極大的靈活性和很強的處理能力。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的程序結構Fluent程序軟件包括以下幾個部分組成：⑴ Gambit——用于建立幾何結構和網(wǎng)格的生成。⑵ Fluent——用于進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軟件進行流體與傳熱的模擬計算流程如圖21所示。首先利用Gambit進行流體區(qū)域幾何形狀的構建、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)域進行求解計算，并進行計算結果的后處理。圖21 基本程序機構示意圖Fluent軟件可以計算二維和三維流動計算問題，在計算過程中，王閣可以自適應調整。Fluent軟件應用非常廣泛，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 導熱與對流換熱耦合問題。⑺ 輻射換熱問題。⑻ 慣性坐標系和非慣性坐標系下流動問題模擬。⑼ 用Lagrangian軌道模型模擬稀流相（顆粒，水滴，氣泡等）。⑽ 一維風扇、熱交換器性能計算。 ⑾ 兩相流問題。⑿ 復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。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 保存結果進行后處理等[7]。第三章 時速200km/h高速列車Gambit建模及計算本次畢業(yè)設計的課題是由長春客車廠的一個項目簡化而來，進行200km/h二維列車明線運行空氣流場數(shù)值仿真分析，即以計算流體力學（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行分析，得到列車運行時的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和列車表面壓力系數(shù)分布，對指導設計以獲得良好的列車外型提供依據(jù)。受計算機硬件條件的限制，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構尤其是車頭及車尾進行簡化，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、轉向架及車底的一些細小設備；（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） 運行工況：忽略環(huán)境風的影響，假設列車在原為靜止的空氣中沿平直線路勻速、平穩(wěn)運行、運行速度在V=200km/h；（4） 忽略空氣的可壓縮性：當列車的運行速度不超過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。本次設計中應用的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，偏移車頭中相應的點，然后連接點構成矩形模擬車廂，使車頭和車廂總長度為25m。其次，建立計算區(qū)域。由于列車運行時尾部存在較強的尾流，且有縱向渦流長生，因此，計算區(qū)域長度的選區(qū)應使區(qū)域下游邊界盡可能遠離列車尾部。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，方向等，而在距列車模型表面較遠處流場較穩(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，多是由曲線構成，如果采用相同的網(wǎng)格劃分方法，形成的網(wǎng)格質量很差，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，這些變量分別對應著相應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)格都可以稱作結構網(wǎng)格。此外，還有一大類網(wǎng)格稱作非結構網(wǎng)格。這類網(wǎng)格更適用于處理形狀復雜的求解域[9]。根據(jù)本次設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的車體表面全由復雜的曲線構成，而且這些曲線的弧度較大。首先用結構網(wǎng)格劃分這一區(qū)域，經(jīng)過多次嘗試。雖然這一質量勉強可行，但為了實驗的精確性，于是采用非結構網(wǎng)格。，劃分如下圖33 非結構網(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構網(wǎng)格。網(wǎng)格區(qū)域III 、IV、VI四周邊界線都較規(guī)則，采用結構網(wǎng)格較好。不僅網(wǎng)格質量好，而且很適合于以后的仿真計算。區(qū)域V內有很長的尾流，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，這一質量對仿真計算來講是很好的了?？傮w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文件，為導入Fluent計算作準備。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