【正文】 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(jì)算精度降低，而且有可能不收斂，得不到數(shù)值解。這樣處理的好處是不僅不影響邊界處的流場(chǎng)分析效果，而且可以減少計(jì)算網(wǎng)格，減少內(nèi)存量。模型及計(jì)算區(qū)域如圖31。由于列車運(yùn)行時(shí)尾部存在較強(qiáng)的尾流，且有縱向渦流長生，因此，計(jì)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。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，使車頭和車廂總長度為25m。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。本次計(jì)算模型實(shí)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(jì)算模型取動(dòng)力車頭+一節(jié)車廂，總長度為25m。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)的課題是由長春客車廠的一個(gè)項(xiàng)目簡化而來，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)。⑼ 求解計(jì)算。⑺ 條件計(jì)算控制參數(shù)。⑸ 確定流體的材料性質(zhì)。⑶ 選擇2D求解器。⑿ 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)問題。⑽ 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算。⑻ 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下流動(dòng)問題模擬。⑹ 導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問題。⑷ 牛頓流體及非牛頓流體。⑵ 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題。圖21 基本程序機(jī)構(gòu)示意圖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。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。⑷ TGrid——用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。⑵ Fluent——用于進(jìn)行流動(dòng)模擬的求解器。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。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。它允許用戶根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改（簡化/粗化）。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。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。 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。 第二章 CFD軟件Flurnt基本簡介為了完成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。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。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(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。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。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。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。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)”。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]。第三，CFD研究呈現(xiàn)出明顯的學(xué)科交叉性。由于機(jī)器字長有限產(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。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。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。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。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。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)。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)。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，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)[6]。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。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。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)。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。高速列車的特點(diǎn)是龐大、細(xì)長、在地面軌道上運(yùn)行，其空氣動(dòng)力學(xué)問題非常復(fù)雜。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。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)。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)。如美國的FLUNENT、ANSYS及英國的AEA等[5]。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。　　1985年的第四界國際計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議上，Spalding作了CFD在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景的專題報(bào)告，在該報(bào)告中，他將工程中常見的流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等過程分為十大類問題，并指出CFD都有能力加以解決，分析了工業(yè)界不感興趣，是因?yàn)檐浖耐ㄓ眯阅懿缓?，使用困難。⑶ 快速發(fā)展期(1985年～)　　CFD在工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及應(yīng)用效果的研究取得了豐碩的成果，在學(xué)術(shù)界得到了充分的認(rèn)可。1977年，Spalding等開發(fā)的用于預(yù)測(cè)二維邊界層內(nèi)的遷移現(xiàn)象的GENMIX程序公開，其后，他們首先意識(shí)到公開計(jì)算源程序很難保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此，在1981年，組建的CHAM公司將包裝后的計(jì)算軟件（PHONNICS－鳳凰）正式投放市場(chǎng)，開創(chuàng)了CFD商業(yè)軟件的先河，但是，在當(dāng)時(shí)，該軟件使用起來比較困難，軟件的推廣并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。同時(shí)，CFD技術(shù)開始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問題方向發(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?！　×硪环矫妫瑸榱私鉀Q工程上具有復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)問題，人們開始研究網(wǎng)格的變換問題，如Thompson, Thams和Mastin提出了采用微分方程來根據(jù)流動(dòng)區(qū)域的形狀生成適體坐標(biāo)體系，從而使計(jì)算流體力學(xué)對(duì)不規(guī)則的幾何流動(dòng)區(qū)域有了較強(qiáng)的適應(yīng)性，逐漸在CFD中形成了專門的研究領(lǐng)域：“網(wǎng)格形成技術(shù)”。⑴ 初始階段（1965~1974）初始階段的主要研究內(nèi)容是解決計(jì)算流體力學(xué)中的一些基本的理論問題，如模型方程（湍流、流變、傳熱、輻射、氣體－顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等）、數(shù)值方法（差分格式、代數(shù)方程求解等）、網(wǎng)格劃分、程序編寫與實(shí)現(xiàn)等，并就數(shù)值結(jié)果與大量傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精確解進(jìn)行比較，以確定數(shù)值預(yù)測(cè)方法的可靠性、精確性及影響規(guī)律。（CFD）的發(fā)展應(yīng)用及特點(diǎn)CFD產(chǎn)生于第二次世界大戰(zhàn)前后，在20 世紀(jì)60年代左右逐漸形成了一門獨(dú)立的學(xué)科[4]。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]。要把這些積分和微分項(xiàng)用離散的代數(shù)形式代替，必須首先把求解的問題離散化。這些控制方程的微分或積分項(xiàng)中包括時(shí)間/空間變量（自變量）以及物理變量（因變量）。流體的運(yùn)動(dòng)一般可以通過流動(dòng)基本方程及相關(guān)模型和狀態(tài)方程由偏微分方程（組）或積分形式方程來描述。通過這些數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場(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。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值得集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解這些方程組獲得場(chǎng)變量的近似值[13]。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源于長春客車廠所做的一個(gè)科研項(xiàng)目，即采用CFD學(xué)科中的常用商業(yè)軟件Fluent仿真一個(gè)時(shí)速200km/h的二維流線型車頭的外流場(chǎng)，對(duì)其空氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析，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?？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。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家運(yùn)輸業(yè)也有了