计算流体力学结课报告

1、计算流体力学结课报告200Km/h列车fluent仿真计算学 部： 化、环、生学部 学 院： 化工机械与安全学院 学 号： 31507095 班 级： 化1512班 学生姓名： 孙金 引言数值仿真就是对所建立的数值模型进行数值实验和求解的过程。而计算流体力学 CFD（Computational Fluid Dynamics）就是在工程仿真实验领域中应用最广泛的一门学科。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律这就是CFD研

2、究问题的方法。在实际计算流体力学方面，采用通用的CFD软件来完成工程上的一些流体力学问题，有极为广泛的应用前景。近年来，随着计算机技术以及相关技术的发展，CFD技术已经在工程领域内取得重大的进步，特别是在高速列车的外型设计方面起了很大作用。 随着国家经济的发展，国家运输业也有了很大的发展，特别是列车经过几次提速后，高速列车在国家运输行业中所占比例不断提高。高速列车的特点是庞大、细长、在地面轨道上运行，其空气动力学问题非常复杂。空气在列车表面形成空气流场，空气阻力急剧增加，作用在列车的阻力大部分来自压强阻力，而一部分来自表面磨擦阻力，这就使能耗过大，同时列车可能出现较大的空气升力，导致列车产生“

3、飘”的现象，激发列车脱轨事故的发生，因此研究高速列车气动力性能非常重要。用CFD仿真可以详细了解高速列车的空气动力特性，从而设计出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高质量列车。本文采用CFD学科中的常用商业软件Fluent仿真一个时速200km/h的二维流线型车头的外流场，对其空气动力性能进行分析，从而得到不同车辆形状其周围流场的不同，进而分析哪种车型更适合。第一章 计算流体力学概述1.1什么是计算流体力学 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

4、CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值得集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解这些方程组获得场变量的近似值。 计算流体力学可以看做是在流动基本方程，即任何流体的运动都遵循的3个基本定律：质量守恒定律；动量守恒定律；能量守恒定律，控制下对流体的数值仿真模拟。通过这些数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些量随时间变化的情况，确定是否产生涡流，涡流分布特性及脱流区域等。还可以据此计算出其它

5、物理量。 流体的运动一般可以通过流动基本方程及相关模型和状态方程由偏微分方程（组）或积分形式方程来描述。CFD中把这些方程称为控制方程。这些控制方程的微分或积分项中包括时间/空间变量（自变量）以及物理变量（因变量）。这些变量分别对应着时间域和空间域及各自区域上的解。要把这些积分和微分项用离散的代数形式代替，必须首先把求解的问题离散化。此过程就是求解域被近似为一系列的网格点或单元体的中心，定点或其它特性点上。在每个网格点上或控制体上，流体运动方程的积分微分项被近似表示为离散分布的变量函数，并由此得控制方程的近似代数方程。在实际科学及工程中，常采用程序设计语言把求解的过程编成计算机程序，

6、形成CFD软件，通过运行这些软件来得到所需的数值解。1.2计算流体力学（CFD）的发展应用及特点 1.2.1计算流体力学的发展 CFD产生于第二次世界大战前后，在20 世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，从60年代至今，其发展过程可以分为三个阶段。  初始阶段（19651974）初始阶段的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传

7、统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。著名的研究成果如Patankar和Spalding于1967年发表的描述外部绕流问题的抛物线型偏微分方程的PS方法，1975年推出的解决内流问题的SIMPLE算法等。   另一方面，为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，如Thompson, Thams和Mastin提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。

8、0;开始走向工业应用阶段(19751984年) 随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序设计意图，改进和使用。1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现

9、象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS凤凰）正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科Z学院、部分高校开始兴起CFD的研究热潮。  快速发展期(1985年)CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作， Patankar也

10、在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。  1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算

11、机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEMCFD等等。同时，一些经济实力雄厚的实体也见到了CFD 应用软件的巨大商机，纷纷介入。如美国的FLUNENT、ANSYS及英国的AEA等。1.2.2计算流体力学的应用CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃烬程度，反应率，处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细

12、的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场（数值试验）。 因CFD有强大的模拟仿真功能，它已覆盖了工程的广大领域，随后，这一技术又用于内燃机、汽轮机、燃烧室的设计。在汽车制造业，用CFD预报阻力、分析车的内部空气流动和车内环境已成为常规。CFD的应用已成为工业生产中工艺设计的关键因素。 随着我国经济的发展，运输业也有了很大的发展，特别是列车经过几次提速后，高速列车在国家运输行业中所占比例不断提高。高速列车的特点是庞大、细长、在地

13、面轨道上运行，其空气动力学问题非常复杂。空气在列车表面形成空气流场，空气阻力急剧增加，作用在列车的阻力大部分来自压强阻力，而一部分来自表面磨擦阻力，这就使能耗过大，同时列车可能出现较大的空气升力，导致列车产生“飘”的现象，激发列车脱轨事故的发生，因此研究高速列车气动力性能非常重要。用CFD仿真可以详细了解高速列车的空气动力特性，从而设计出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高质量列车。第二章  时速200km/h高速列车Gambit建模及计算本次的计算是对200km/h二维列车明线运行空气流场数值仿真分析，即以计算流体力学（CFD）为理论依据，采用Fluent软件数值仿真一个时

14、速200km/h的二维流线型车头模型的外流线场，对其空气动力性能进行分析，得到列车运行时的周围气体运动的特征，对指导设计以获得良好的列车外型提供依据。2.1建立计算模型受计算机硬件条件的限制，计算模型不可能完全模拟列出的真实情况，必须抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是车头及车尾进行简化，并缩短列车长度。本次计算模型实施了极大的简化，只是模拟出了列车车头的大致形状以及一部分车身，其他的都予以忽略。2.1.1利用AutoCAD建立车体计算模型图2-1 车体模型2.1.2计算网格划分仿真实验当中由于在模型表面附近的空气流场特性变化比较大，如流场速度，压强，方向等，而在距列车模型表面较远处流场较稳定，所

15、以在划分网格时在靠近表面层出的网格要密些，在靠近远处边界的地方网格可以疏松些。这样处理的好处是不仅不影响边界处的流场分析效果，而且可以减少计算网格，减少内存量。在网格划分过程中，根据模型特点及其计算区域的形状，可将区域划分为五个分块，分别对每一个分块进行网格划分，如图2-2。这样处理是因为，在车头处车体形状不规则，多是由曲线构成，如果采用相同的网格划分方法，形成的网格质量很差，这不仅使计算精度降低，而且有可能不收敛，得不到数值解。网格划分是仿真实验中最基本也是最重要的一步，网格划分质量的好坏不仅影响以后仿真计算的精度，而且对收敛性影响很大，如果网格质量不好可能会使实验得不到有效的收敛解。第一章

16、中已经简述，在流体力学控制方程的微分和积分项中包括时间/空间变量，这些变量分别对应着相应的求解域和这些求解域上的解。要把积分和微分项用离散的代数形式代替就要进行控制方程的离散化，而网格划分就是这一过程的前提。网格一般采用贴体网格。它主要有以下几种类型：H型网格、O型网格、C型网格、，对于较复杂的求解域还采用多项网格、重叠网格等。这些类型的网格都可以称作结构网格。此外，还有一大类网格称作非结构网格。这类网格更适用于处理形状复杂的求解域。根据本次设计中建立的模型及各个区域块的特点，分别划分各区域的网格。图2-2 模型分块先给各条线画上网格，再给各个面画网格，总体网格划分如图2-3。图2-3 总体网

17、格2.1.3定义边界和区域定义边界和区域是进入Fluent后定义边界条件的前提。它是在网格和各个计算区域划分完成之后，在Gambit中进行的，定义界面如图2-4。定义前边界线为in；后边界线为out；上边界线为shang；其他边界为 wall。图2-4 定义边界2.1.4生成MESH文件及储存在Gambit当中模型建立完毕，网格划分成功，边界定义之后，就可以生成仿真计算要用的相关文件，为导入Fluent计算作准备。Gambit中总共生成五个文件：mesh文件、jou文件、dbs文件、lok文件、trn文件。2.2利用Fluent进行列车仿真计算2.2.1输入与检查网格在第一章已经介绍，CFD软

18、件Fluent的计算模型和仿真计算是在不同的软件中生成的。由Gambit完成的网格和模型要导入Fluent后才能计算。思路如下：  打开Fluent读入生成的网格文件。在Fluent读入网格文件的同时，会在信息反馈窗口内显示网格信息。  检查网格。这一过程列出了计算区域在X，Y方向的最大最小值，同时还报告网格的其他特性。此列车模型的外流场划分网格总数4845个。2.2.2选择求解器 在准备好网格之后就需要确定采用什么样的求解器及采用什么样的工作模式，本次设计的是200km/h的列车，仿真中采用列车静止而空气以56m/s的低马赫数速度迎着车头流动，因此，仿

19、真实验中采用基于压力的求解方法比较合适,设置界面如图2-5。图2-5 求解器设置2.2.3定义材料在Fluent中，流体和固体的物理属性都用材料这个名称来一并表示，Fluent要求为每个参与计算的区域定义一种材料。Fluent在其材料库中已提供了如air 和water等一些常用材料，用户可以从中复制过来直接使用，或修改后使用。当然，用户还可创建新的材料。一旦这些材料被定义好之后，便可将材料分配给相应的边界区域。列车的外流场为空气，通常假定它为一个大气压，没有特殊要求下采用Fluent软件中的默认值就满足200km/h的列车运行时的外界材料环境，如图2-6。图2-6 定义材料界面2.2.4定义边

20、界条件进入Fluent后，通过Boundary Conditions对话框来完成设置边界条件工作。 首先，设置in的边界条件。一般设定为速度进口（Velocity-inlet），此边界条件用于定义在流动进口处的流动速度及相关的其他标量型流动变量。速度进口边界条件用于不可压流，在列车仿真中虽然空气是可压缩的流体，但是对于56km/s的低马赫数速度来说，用速度进口也是可以的。其次，设置out的边界条件。通常情况下设定为压力出口（pressure-outlet）这种边界条件需要设置静压，值为90000Pa。 再次，设置shang边的边界条件。设置为wall，但是其she

21、ar stress全部为0。最后，其他未定义的壁面定义为wall。2.2.5设置求解控制参数在完成了网格、计算模型、材料和边界条件的设置后，原则上就可以让Fluent开始对200km/h列车模型的外流场进行仿真计算，但为了更好地控制求解过程，需要在求解器中进行某些设置。设置的内容主要包括：选择离散格式、设置前松弛因子、初始化变量、及激活监视变量等。 Fluent允许计算时选择不同的离散格式。默认情况下，当使用分离式求解器时，所有方程中的对流项均采用一阶迎风格式离散；当使用耦合求解器时，所用方程采用二阶精度格式，对于本次设计的列车流场分析，用一阶精度格式下容易收敛，但精度较差，故选择二

22、阶精度。 欠松弛因子是分离求解器中使用的一个加速收敛的参数，用于控制每个迭代步内所计算的场变量的更新。本次仿真实验中采用默认值就可以。 在开始对流场进行求解之前，须提供对流场的解的初始猜测值。该初始值对解的收敛性有重要影响，与最终的实际解约接近越好，所以，用all-zones的参数初始化。、初始化之后为了节省计算时间，将流场内的初始空气PATCH一个x正方向的速度，值为56m/s。2.3计算结果后处理计算前的各种参数设定好之后，就可以进行迭代计算。迭代初始值为800步，但在800步之前就已经收敛，收敛图如2-7。图2-7 单车头模型计算曲线收敛图2.3.1列车外流场的压力、

23、速度特性以下是用Fluent软件计算出来的200km/h高速列车周围空气压力的分布云图和等压线图，如图2-8、2-9。从中我们可以看出普通高速列车外流场是一种十分明显的湍流流场，在列车运行时，由于车头的挤压，头部周围的流场呈正压状态，同时头部前端呈流线型，流场速度不是很大，随着空气绕流列车压力的减小，外流场速度不断增大，并在接近列车最大的横截面处出现了第一个速度峰值，同时也是负压峰值，如图2-10。在列车的尾部，由于车尾的吸引，在列车的最大横截面处开始减小的位置出现流动分离。总的来讲就是此车体周围负压区较多。车体外流场最大速度值达到82m/s。图2-8 列车外流场压力云图图2-9 列车外流场等

24、压线图图2-10 列车外流场速度矢量图2.3.2列车的尾流特性由图2-10可以看出，列车尾部距离列车很远的地方速度矢量变化依然十分强烈。此外，由于列车尾部出现尾迹流，空气在列车的尾部形成了很强的“涡”如图2-11，这是造成列车的尾部很远处速度波动依然剧烈的主要原因，列车的尾部具有很强的湍流特性，并伴随着能量的耗散，因此大大增加了列车的阻力，进一步研究还表明，列车尾涡的强度随着离开列车尾部距离的增大而减小。图2-11 列车尾部湍流第三章  对称模型的CFD仿真第三章仿真计算了200km/h每小时高速列车的单动力车头模型。本章主要对改进后的模型进行仿真。车头与第一节车体关于车尾

25、边界线对称后形成新的模型。车总长50m，高度不变，与原模型主要区别是改变了车的尾部形状。这种双动力车头的模型将更符合现在高速列车的实际情况。仿真实验的结果为我们研究高速列车的外流场空气动力性能，指导设计与改进外形提供有用的参考数据。3.1网格划分第三章第一节已经详细叙述了第一种模型的网格划分过程，本节不再详述具体划分网格的方法，重点介绍划分第二种模型网格的思路。 划分网格最理想的情况是：靠近列车车体附近的网格比较密，而离车体较远的地方网格比较疏松，同时网格尽量用结构网格，在边界曲线很复杂时在考虑用非结构网格。考虑到上面这些原则，网格划分如图3-1。图3-1 对称模型网格划分图3.2F

26、luebt仿真计算同第三章相同，网格划分好之后生成网格文件，然后导入Gambit中，选择材料，定义边界条件，设置求解控制参数，初始化，进行迭代计算。此模型迭代到200步收敛。其收敛曲线图如3-2。图3-2 对称模型收敛曲线图3.3计算结果后处理对称模型计算出的数据与单车头模型有很大的区别，不仅外流场压力峰值减小，而且负压区域也有所改善，如图3-3压力云图所示。图3-3 对称模型外流场压力云图图3-4 对称模型外流场等压线图图3-5 对称模型外流场速度矢量图对称模型的外流场变化最大的是其尾流情况，由于尾部形状与车头相同（这也是现在动车组的实际情况），都是有流行型曲线构成没有横截面面积突然变化的情况，这就大大改善了车体外流场特性，尾部湍流现象