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正文內(nèi)容

高速列車運行空氣流場分析fluent畢業(yè)論文(參考版)

2025-06-21 15:25本頁面
  

【正文】 在論文的撰寫過程中老師們給予我很大的幫助,幫助解決了不少的難點,使得論文能夠及時完成,這里一并表示真誠的感謝。老師們認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我收益匪淺。最后,我要特別感謝我的導(dǎo)師趙達(dá)睿老師、和研究生助教熊偉麗老師。四年的風(fēng)風(fēng)雨雨,我們一同走過,充滿著關(guān)愛,給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。感謝老師四年來對我孜孜不倦的教誨,對我成長的關(guān)心和愛護(hù)。從這里走出,對我的人生來說,將是踏上一個新的征程,要把所學(xué)的知識應(yīng)用到實際工作中去。最后,我要感謝我的父母對我的關(guān)系和理解,如果沒有他們在我的學(xué)習(xí)生涯中的無私奉獻(xiàn)和默默支持,我將無法順利完成今天的學(xué)業(yè)。其次,我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對我的嚴(yán)格要求,感謝他們對我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助,使我了解了許多專業(yè)知識和為人的道理,能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。從他身上,我學(xué)到了許多能受益終生的東西。首先,我要特別感謝我的知道郭謙功老師對我的悉心指導(dǎo),在我的論文書寫及設(shè)計過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo),為我理清了設(shè)計思路和操作方法,并對我所做的課題提出了有效的改進(jìn)方案。這期間凝聚了很多人的心血,在此我表示由衷的感謝。本次畢業(yè)設(shè)計是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來最好的檢驗。首先非常感謝學(xué)校開設(shè)這個課題,為本人日后從事計算機(jī)方面的工作提供了經(jīng)驗,奠定了基礎(chǔ)。(保密論文在解密后遵守此規(guī)定)畢業(yè)設(shè)計(論文)使用授權(quán)聲明本人完全了解濱州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(論文)的規(guī)定。 對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。論文密級:□公開 □保密(___年__月至__年__月)(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議)作者簽名:_______ 導(dǎo)師簽名:______________年_____月_____日 _______年_____月_____日 獨 創(chuàng) 聲 明本人鄭重聲明:所呈交的畢業(yè)設(shè)計(論文),是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下,獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果,成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。盡我所知,除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。感謝所有幫助和支持我的同學(xué)和朋友們。感謝曹剛同學(xué)在本次論文編寫過程中給以的大力協(xié)助。本次論文設(shè)計不僅豐富了我的知識范疇,最重要的是培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實,勤懇認(rèn)真的科研態(tài)度,這將使我受益一生,再一次衷心表達(dá)對王教授深深的敬意。在這次大型的畢業(yè)設(shè)計中,王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、耐心的講解使我獲益非淺。鑒于本人學(xué)識和時間以及計算機(jī)條件的限制,本文的工作尚有許多不完善之處,敬請各位老師批評指正。計算模型網(wǎng)格劃分和模型簡化對計算結(jié)果有較大的影響,須進(jìn)一步深入研究,以使仿真計算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映實際氣動規(guī)律,為高速列車氣動外形設(shè)計提供定量化參數(shù),另外二維模型的計算結(jié)果并沒有三維模型的精確,但是限于計算機(jī)條件和本人能力,我并沒有完成此項工作,這也是今后努力的方向。將所建立的高速列車模型輸入現(xiàn)在流行的商用專業(yè)CFD軟件——Fluent中,采用標(biāo)準(zhǔn)的Ke兩方程湍流模型進(jìn)行空氣動力學(xué)數(shù)值模擬計算,通過高速列車的外表面速度和壓力分布云圖,分析外表面流場特性。雖然受計算機(jī)條件的限制,并沒有計算出三維的高速列車的外流場參數(shù),但是從中獲益非淺,現(xiàn)總結(jié)如下:按照要求在Gambit軟件中建立了二維時速200公里/小時的計算模型,并根據(jù)列車的流場特點,在模型的網(wǎng)格生成方面,采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格結(jié)合的方法,靠近列車壁面的地方網(wǎng)格劃分的盡可能密一些,而在遠(yuǎn)離列車壁面的地方網(wǎng)格可以疏一些。本論文試圖仿真出200km/h列車運行時空氣流場的情況,得出相關(guān)的受力大小、力的分布及相關(guān)系數(shù),為指導(dǎo)設(shè)計提供理論依據(jù)。對比表41與表31可以看出整個車體所受力大小也有很大的改善。圖43 對稱模型外流場壓力云圖 對稱模型的外流場變化最大的是其尾流情況,由于尾部形狀與車頭相同(這也是現(xiàn)在動車組的實際情況),都是有流行型曲線構(gòu)成沒有橫截面面積突然變化的情況,這就大大改善了車體外流場特性,尾部湍流現(xiàn)象明顯減弱,幾乎沒有湍流現(xiàn)象,如圖44。其收斂曲線圖如42。圖41 對稱模型網(wǎng)格劃分圖同第三章相同,網(wǎng)格劃分好之后生成網(wǎng)格文件,然后導(dǎo)入Gambit中,選擇材料,定義邊界條件,設(shè)置求解控制參數(shù),初始化,進(jìn)行迭代計算。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。劃分網(wǎng)格最理想的情況是:靠近列車車體附近的網(wǎng)格比較密,而離車體較遠(yuǎn)的地方網(wǎng)格比較疏松,同時網(wǎng)格盡量用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在邊界曲線很復(fù)雜時在考慮用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。仿真實驗的結(jié)果為我們研究高速列車的外流場空氣動力性能,指導(dǎo)設(shè)計與改進(jìn)外形提供有用的參考數(shù)據(jù)。車總長50m,高度不變,與原模型主要區(qū)別是改變了車的尾部形狀。本章主要對改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真。從表面系數(shù)分布圖可以看出車頭和車頭與車廂連接處壓力系數(shù)變化較大,分布也不均勻, 而在車廂部分壓力系數(shù)布較穩(wěn)定均勻。表31列出了列車各個邊界所受的力及各種系數(shù),圖314描繪了車表面壓力系數(shù)分布情況。此外,由于列車尾部出現(xiàn)尾跡流,空氣在列車的尾部形成了很強的“渦”如圖313,這是造成列車的尾部很遠(yuǎn)處速度波動依然劇烈的主要原因,列車的尾部具有很強的湍流特性,并伴隨著能量的耗散,因此大大增加了列車的阻力,進(jìn)一步研究還表明,列車尾渦的強度隨著離開列車尾部距離的增大而減小。車體外流場最大速度值達(dá)到98m/s。在列車的尾部,由于車尾的吸引,在列車的最大橫截面處開始減小的位置出現(xiàn)流動分離。圖38 單車頭模型計算曲線收斂圖、速度特性以下是用Fluent軟件計算出來的200km/h高速列車周圍空氣壓力的分布云圖和等壓線圖,如圖3310。迭代的初始值設(shè)定為1000步,先用一階動量方程、一階湍流kε方程和一階Turbulence Dissipation Rate進(jìn)行迭代待迭代660步收斂之后,再用二階方程進(jìn)行迭代計算,迭代732步收斂。該初始值對解的收斂性有重要影響,與最終的實際解約接近越好,所以,用inlet的參數(shù)初始化較好。本次仿真實驗中采用默認(rèn)值就可以。為了加快計算速度,先在一階精度格式下計算,然后轉(zhuǎn)到二階精度格式下計算不僅達(dá)到的計算精度,而且節(jié)省計算時間。默認(rèn)情況下,當(dāng)使用分離式求解器時,所有方程中的對流項均采用一階迎風(fēng)格式離散;當(dāng)使用耦合求解器時,所用方程采用二階精度格式;其他方式采用一階精度格式進(jìn)行離散。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]。最后,其他未定義的壁面wall1,wall2即車體的上表面和下表面定義為墻壁。在實際中,列車是相對于空氣和地面運動的,而空氣和地面相對于坐標(biāo)系是靜止的。列車運行時在尾部形成很長的尾流,當(dāng)outlet邊界線剛好穿過尾流中的湍流時,就形成流動反向,因此,尾部計算邊界距車體尾部定義了10倍的車高。靜壓的設(shè)定只相對于亞音速流動。其次,設(shè)置outlet邊的邊界條件。速度進(jìn)口邊界條件用于不可壓流,在列車仿真中雖然空氣是可壓縮的流體,但是對于56km/s的低馬赫數(shù)速度來說,用速度進(jìn)口也是可以的。首先,設(shè)置inlet邊的邊界條件。列車的外流場為空氣,通常假定它為一個大氣壓,沒有特殊要求下采用Fluent軟件中的默認(rèn)值就滿足200km/h的列車運行時的外界材料環(huán)境,如圖37。當(dāng)然,用戶還可創(chuàng)建新的材料。 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名稱來一并表示,F(xiàn)luent要求為每個參與計算的區(qū)域定義一種材料。但是這需要的內(nèi)存比較大[7]。耦合求解器的方法則可用在高速可壓縮流動。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,也要經(jīng)過多輪迭代[6]。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。⑴ 分離求解器是順序地、逐一地求解各方程。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。這一過程列出了計算區(qū)域在X,Y方向的最大最小值,同時還報告網(wǎng)格的其他特性。在Fluent讀入網(wǎng)格文件的同時,會在信息反饋窗口內(nèi)顯示網(wǎng)格信息。由Gambit完成的網(wǎng)格和模型要導(dǎo)入Fluent后才能計算。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。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。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??傮w網(wǎng)格劃分如圖34。這樣能更好的顯示出尾流特性。不僅網(wǎng)格質(zhì)量好,而且很適合于以后的仿真計算。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。首先用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分這一區(qū)域,經(jīng)過多次嘗試。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。此外,還有一大類網(wǎng)格稱作非結(jié)構(gòu)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。而網(wǎng)格劃分就是這一過程的前提。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。這樣處理是因為,在車頭處車體形狀不規(guī)則,
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