计算流体力学毕业论文

1 目 录 引 言 2 第一章 计算流体力学概述 3 1 1 什么是计算流体力学 3 1 2 计算流体力学 CFD 的发展应用及特点 3 1 2 1 计算流体力学的发展 3 1 2 2 计算流体力学的应用 5 1 2 3 计算流体力学的特点 5 1 3CFD 的求解过程 6 第二章 CFD 软件 Flurnt 基本简介 8 2 1Fluent 软件的基本特性 8 2 1 1Fluent 软件的网格特性 8 2 1 2Fluent 软件定义边界条件特性 8 2 1 3Fluent 软件的灵活处理特性 9 2 2Fluent 的程序结构 9 2 3Fluent 程序可以求解的问题 10 2 4 用 Fluent 程序求解问题的步骤 10 第三章 时速 200km h 高速列车 Gambit 建模及计算 11 3 1 建立计算模型 11 3 1 1 利用 Gambit 建立车体计算模型 11 3 1 2 计算网格划分 11 3 1 3 定义边界和区域 13 3 1 4 生成 MESH 文件及储存 13 3 2 利用 Fluent 进行列车仿真计算 14 3 2 1 输入与检查网格 14 3 2 2 选择求解器 14 3 2 3 定义材料 15 3 2 4 定义边界条件 15 3 2 5 设置求解控制参数 16 3 3 计算结果后处理 16 3 3 1 列车外流场的压力 速度特性 17 3 3 2 列车的尾流特性 19 3 3 3 列车表面压力系数及力分析 20 第四章 对称模型的 CFD 仿真 21 4 1 网格划分 21 4 2Fluebt 仿真计算 21 4 3 计算结果后处理 22 第五章 结论 25 谢 辞 26 参考文献 27 2 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 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 本次毕业设计课题来源于长春客车厂所做的一个科研项目 即采用 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 而设计出阻力小 噪音低等各方面性能完善的高质量列车 3 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 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 1 3 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 还可以拒此计算出其它物理量 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 4 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 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 4 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 4 过程可以分为三个阶段 初始阶段 1965 1974 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 P S 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 开始走向工业应用阶段 1975 1984 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 5 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 ICEM CFD 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 5 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 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 1 2 3 计算流体力学的特点 研究流体流动的完整体系包括传统的理论分析方法 试验测量方法和 CFD 方法 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性 各种影响因素清晰可见 是指导 6 试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础 但是 它往往要求对计算对象进行抽 象和简化 才有可能得出理论解 对于非线性情况 只有少数流动才能给出解析结果 实验测量方法所得的结果真实可信 它是理论分析和数值方法的基础 其重要性 不容低估 然而 实验往往受到模型尺寸 流场扰动 人身安全和测量精度的限制 有时可能很难通过实验方法得到结果 此外 实验还会遇到经费投入 人力和物力的 巨大耗费及周期长等许多困难 而 CFD 方法恰好克服了前面两方面的弱点 在计算机上实现一个特定的计算 就 好像在计算机上做一次物理实验 6 这样不仅省时省钱 有较多的灵活性 而且能给 出详细完整的资料 很容易模拟特殊尺寸 高温 有毒 易燃等真实条件和实验中只 能接近而无法达到的理想条件 此外 CFD 作为一门比较新的学科 还有其他一些鲜明的特点 第一 CFD 的发展及应用与计算机的发展直接相关 CFD 发展的一个基本条件是高 速 大容量的电子计算机 随着对 CFD 研究的深入 我们将对这一点有越来越清晰的 认识 今天 计算机技术的迅速发展 已经使得采用 CFD 方法研究一些工程实际问题 成为可能 最近 10 年来 商业 CFD 软件不断涌现 极大地促进了 CFD 在工业领域的应 用 但是 由于计算机速度和容量的限制 还有很多问题在目前和近期还无法完全用 CFD 方法解决 所以 计算机技术的发展 已经为 CFD 的广泛应用提供了一定可能 而 CFD 的发展还不断为计算机技术的进一步发展提出新的要求 第二 CFD 与应用数学有密切的联系 在计算的离散化过程中 CFD 产生了一系列 的数学问题 离散的代数方程逼近原来的积分微分方程的程度如何 数值解逼近积 分微分方程的精确解程度如何 这就是 CFD 方法的精度和误差估计问题 当离散点 的数量趋于无穷大 间距趋于无穷小时 数值解是否趋于精确解 这就是数值方法的 收敛性问题 在计算机上 数值计算以有限的字长进行计算的 因此计算机得到的 数值解不是精确的数值解 由于机器字长有限产生的误差对计算结果影响如何 会不 会无限增长以至于得不到有意义的解 这就是数值计算的稳定性问题 这些问题及未 列出的其他问题都是应用数学研究的重要内容 也是 CFD 研究的中心内容 第三 CFD 研究呈现出明显的学科交叉性 CFD 的生命力在于广泛应用于工程领域 解决其中涉及的与流体运动相关的问题 为了解决这些问题 CFD 研究必须和这些领域 的研究交叉和融合 4 1 3 CFD 的求解过程 CFD 的任务是流体力学的数值模拟 数值模拟是 计算机上实现的一个特定的计算 7 通过数值计算和图像显示一个虚拟的物理实验 数值试验 数值 模拟包括以下几 个步骤 首先 要建立反映问题 工程问题 物理问题等 本质的数学模型 建立反映问 题各量之间的微分方及相应的定解条件 这是数值模拟的出发点 牛顿型流体流动的 数学模型就是著名的 N S 方程及其相应的定解条件 其次 数学模型建立以后需要解决的问题是寻求高效率 高准确度的计算方法 计算方法不仅包括数学方程的离散化及求解方法 还包括计算网络的建立 边界条件 的处理 再次 在确定计算方法和坐标系统后 编制程序和进行计算是整个工作的主体 当求解的问题比较复杂 如求解非线性的 N S 方程 还需要通过实验加以验证 最后 在计算工作完成后 流场的图像显示是不可缺少的部分 随着研究问题的 不断深入和复杂 计算结果也更加纷繁浩瀚 难以把握 只有把数值计算的结果以各 式各样的图像和曲线形式输出才能有效的判断结果的正确性 进而得出结论和获取需 要数据 7 8 第二章 CFD 软件 Flurnt 基本简介 为了完成 CFD 计算 过去多是用户自己编写计算程序 但由于 CFD 的复杂性及计 算机软硬件条件的多样性 使得用户各自的应用程序缺乏通用性 而 CFD 本身又有其 鲜明的系统性和规律性 因此 比较合适制成通用的商业软件 于是诸如 Fluent CFX Phoenics Star CD 等商用 CFD 软件就应运而生 本次毕业设计主要应用的是 Fluent 软件对 200km h 列车的外流场进行空气动力学 仿真 Fluent 是由美国 FLUENT 公司于 1983 推出的 CFD 软件 它的市场占有率遥遥领 先于其他厂商 目前这个趋势没有任何变化 ANSYS 公司收购 Fluent 后 它拥有 Fluent CFX 及 ICEM CFD 等优秀的 CFD 分析软件 使得 ANSYS 公司成为世界最大的 CFD 软件开发商 这是自 2006 年来的一个新变化 两家优秀 CFD 软件公司的合并意味 着 它的发展潜力更好 给用户带来更显著的好处 2 1Fluent 软件的基本特性 2 1 1Fluent 软件的网格特性 Fluent 提供了非常灵活的网格特性 让用户可以使用非结构 包括三角形 四边 形 四面体 六面体 金字塔形网格来解决具有复杂外形的流体流动 甚至可以用混 合型非结构网格 它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改 简化 粗化 Fluent 使用 Gambit 作为前处理软件 它可读入多种 CAD 软件的三维几何模型和多种 CAE 软件的网格模型 Fluent 可用于二维平面 二维轴对称和三维流动分析 它可完 成多种参考系下的流场模拟 定常与非定常流动分析 不可压流和可压流计算 层流 和湍流模拟等 它的湍流模型包括 k 模型 Reynolds 应力模型 LES 模型双层近壁 模型等 2 1 2Fluent 软件定义边界条件特性 Fluent 可让用户定义多种边界条件 如流动入口和出口边界条件避免边界条件等 可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量流入 所有边界条件均可随时间和空间 变化 包括轴对称和周期变化等 9 2 1 3Fluent 软件的灵活处理特性 Fluent 使用 C 语言写的 可实现动态内存分配及高校数据结构 具有极大的灵活 性和很强的处理能力 它还提供了用户自定义子程序功能 可让用户自行定义连续方 程 动量方程 能量方程 自定义边界条件初始条件 流体的物性等 这给特殊问题 的处理带来了极大的方便 6 2 2 Fluent 的程序结构 Fluent 程序软件包括以下几个部分组成 Gambit 用于建立几何结构和网格的生成 Fluent 用于进行流动模拟的求解器 prePDF 用于模拟 PDF 燃烧过程 TGrid 用于从现有的边界网格生成体网格 Filter 将其他程序生成的网格 用于 Fluent 计算 利用 Fluent 软件进行流体与传热的模拟计算流程如图 2 1 所示 首先利用 Gambit 进行流体区域几何形状的构建 边界类型以及网格的生成 并输出用于 Fluent 求解器计算的格式 然后利用 Fluent 求解器对流动区域进行求解计算 并进行计算结 果的后处理 图 2 1 基本程序机构示意图 10 2 3Fluent 程序可以求解的问题 Fluent 软件可以计算二维和三维流动计算问题 在计算过程中 王阁可以自适应 调整 Fluent 软件应用非常广泛 主要范围如下 可压缩与不可压缩问题 稳态和瞬态流动问题 无黏流 层流及湍流问题 牛顿流体及非牛顿流体 对流换热问题 导热与对流换热耦合问题 辐射换热问题 惯性坐标系和非惯性坐标系下流动问题模拟 用 Lagrangian 轨道模型模拟稀流相 颗粒 水滴 气泡等 一维风扇 热交换器性能计算 两相流问题 复杂表面形状下的自由面流动问题 2 4 用 Fluent 程序求解问题的步骤 利用 FLUENT 软件求解问题的具体步骤如下 确定几何形状 生成计算网格 用 GAMBIT 输入并检查网格 选择 2D 求解器 选择求解的方程 确定流体的材料性质 确定边界类型及边界条件 条件计算控制参数 流场初始化 求解计算 保存结果进行后处理等 7 11 第三章 时速 200km h 高速列车 Gambit 建模及计算 本次毕业设计的课题是由长春客车厂的一个项目简化而来 进行 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 得到列车运行时的阻力系数 升力系数和列车表面压力系数分布 对指导设计以获得良好的列车外型提供依据 3 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 8 本次计算 模型实施了一下简化措施 1 去掉电弓 转向架及车底的一些细小设备 2 列车计算模型取动力车头 一节车厢 总长度为 25m 车头及车厢的中间截 面为模型计算截面 车体底部的车轮及悬挂厢等省略 3 运行工况 忽略环境风的影响 假设列车在原为静止的空气中沿平直线路 匀速 平稳运行 运行速度在 V 200km h 4 忽略空气的可压缩性 当列车的运行速度不超过 360km h 时 将空气按不 可压缩粘性流体考虑所引起的误差很小 可满足要求 3 1 1 利用 Gambit 建立车体计算模型 本次设计中应用的 200km h 高速列车的车头模型是从 CATIA 建立的实体模型中提 取出来 是仿真计算的原始数据 由老师提供 首先 将老师提供的动力车头模型倒入 Gambit 中 偏移车头中相应的点 然后连 接点构成矩形模拟车厢 使车头和车厢总长度为 25m 其次 建立计算区域 由于列车 运行时尾部存在较强的尾流 且有纵向涡流长生 因此 计算区域长度的选区应使区 域下游边界尽可能远离列车尾部 根据常规 本次计算选取尾流区长度为车体高度的 10 倍 列车头部距计算区域上游边界为车高的 3 倍列车顶部距计算边界也为车高的 3 倍 车体底部距离地面 256mm 模型及计算区域如图 3 1 12 图 3 1 模型及计算区域 图 3 2 计算区域划分图 3 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 可将区域划分为六个分 块 分别对每一个分块进行网格划分 如图 3 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 9 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 区域 I 的车体表面全由复杂的曲线构成 而且这些曲线的弧度较大 首先用结构 网格划分这一区域 经过多次尝试 网格质量始终大于 0 75 虽然这一质量勉强可行 但为了实验的精确性 于是采用非结构网格 区域 I 的网格质量为 0 395183 划分如 下 13 图 3 3 非结构网格划分图 区域俄 II 各边分别采用 0 95 和 0 9 的间距比例 Ratio 划分边线 边线上分 别 70 点和 60 点 车体表面采用等间距点划分形成结构网格 网格质量情况为 0 478211 网格区域 III IV VI 四周边界线都较规则 采用结构网格较好 不仅网格质量 好 而且很适合于以后的仿真计算 区域 V 内有很长的尾流 尾流对车的各种空气动 力性能有很大的影响 因此 对这一区域划分网格应较密些 这样能更好的显示出尾 流特性 综合所有网格 知道网格最差质量为区域二的 0 478211 这一质量对仿真计 算来讲是很好的了 总体网格划分如图 3 4 图 3 4 总体网格划分图 3 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 3 5 定义前边界线为 inlet 后边界线为 outlet 下边界线为 move wall 车体模型上表面为 wall1 下表面为 wall2 车体分为两个 wall 有利于后边分别描述车体上下表面空气流场的特性 14 图 3 5 定义边界界面 3 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 3 2 利用 Fluent 进行列车仿真计算 3 2 1 输入与检查网格 在第一章已经介绍 CFD 软件 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 62070 个 15 3 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 Fluent 提供了分离式和耦合式的两种求解器 其中耦合求解器形式还分为耦合隐式求 解器和耦合显式求解器 分离求解器是顺序地 逐一地求解各方程 也就是先在全部网格上解出一个方 程后 再解另外一个方程 由于控制方程是非线性的 且相互之间是耦合的 因此 在得到收敛解之前 要经过多轮迭代 耦合式求解器是同时求解连续方程 动量方程 能量方程及组分输运方程的耦 合方程组 然后 再逐一求解湍流等标量方程 由于控制方程是非线性的 且相互之 间是耦合的 因此 在得到收敛解之前 也要经过多轮迭代 6 非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动 耦合求解器的 方法则可用在高速可压缩流动 Fluent 默认的是非耦合求解器 但对于高速可压缩流 动 或需要考虑体积力 浮力或离心力 的流动 求解问题时网格比较密 常采用耦 合隐式求解方法解能量和动量方程 可较快的得到收敛解 但是这需要的内存比较大 7 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 仿真实验中采用非耦合求解方法比较合适 设置界面如图 3 6 图 3 6 求解器设置界面 图 3 7 定义材料界面 16 3 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 3 7 3 2 4 定义边界条件 进入 Fluent 后 通过 Boundary Gonditions 对话框来完成设置边界条件工作 首先 设置 inlet 边的边界条件 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 这一边界条件不能让速度进口的边界离固 体障碍物过近 如果过近会导致如流驻点特性具有较高的非一致性 因此 在划分计 算边界区域是 前端计算边界据离车头 3 倍的车高 其次 设置 outlet 边的边界条件 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 相对压力 静压的设定只相对于亚音速流动 此外 当压力出口边界上流动反向时 还需设定一组 回流 条件 否则收敛较困难 列车运行时在尾部形成很长的尾流 当 outlet 边界线刚好穿过尾流中的湍流时 就形 成流动反向 因此 尾部计算边界距车体尾部定义了 10 倍的车高 再次 设定 wall move 边界条件 在实际中 列车是相对于空气和地面运动的 而空气和地面相对于坐标系是静止的 而在 CFD 仿真实验中 为了研究问题的方便 定义列车是静止的而空气和地面相对于车体向后运动 于是定义地面边界条件时 要 把 wall move 定义为一个与空气相同速度运动的壁面 最后 其他未定义的壁面 wall1 wall2 即车体的上表面和下表面定义为墙壁 3 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 17 始化变量 及激活监视变量等 6 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 其他方式采用一阶精度格式进行离散 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 为了加快计算速度 先在一阶精度格式下 计算 然后转到二阶精度格式下计算不仅达到的计算精度 而且节省计算时间 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 inlet 的参数初始化较好 3 3 计算结果后处理 档计算前的各种参数设定好之后 就可以进行迭代计算 迭代的初始值设定为 1000 步 先用一阶动量方程 一阶湍流 k 方程和一阶 Turbulence Dissipation Rate 进行迭代待迭代 660 步收敛之后 再用二阶方程进行迭代计算 迭代 732 步收敛 收敛图如 3 8 图 3 8 单车头模型计算曲线收敛图 3 3 1 列车外流场的压力 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 3 9 3 10 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 18 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 10 同时头 部前端呈流线型 流场速度不是很大图 3 11 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 3 12 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 98m s 图 3 9 列车外流场压力云图 19 图 3 10 列车外流场等压线图 图 3 11 车头前端外流场速度图 图 3 12 车体外流场速度矢量图 3 3 2 列车的尾流特性 由图 3 12 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 20 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 3 13 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 3 13 列车尾部湍流 3 3 3 列车表面压力系数及力分析 Fluent 仿真计算不仅可以生成各种需要的云图及矢量图 还可以计算出各种力的 大小和所需的系数 表 3 1 列出了列车各个边界所受的力及各种系数 图 3 14 描绘了 车表面压力系数分布情况 从表中可以看出在车的上表面受到 2510 9969N 向下的力 下表面受到 1831 021N 向上的力 总力方向向下 所以列车运行较安全不会上 飘 从表面系数分布图可以看出车头和车头与车厢连接处压力系数变化较大 分布也不均 匀 而在车厢部分压力系数布较稳定均匀 表 3 1 X 方向各边界力及系数 范围压力 N粘滞力 N总力 N压力系数粘滞系数总系数 wall end5787 130905787 13090 7570038200 75700382 wall bottom1679 621151 400021831 0210 21970810 0198043560 23951245 wall top 2697 8579186 86098 2510 9969 0 352901780 024442937 0 32845884 net4766 3097495 025955261 33560 623472110 0647534230 68822553 21 图 3 14 车顶及车底压力分布图 22 第四章 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 4 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 我们把列车较近表面从新围起 与车体边界构成一个计算 区域 这个区域的外边界与整体计算边界线构成第二个计算区域 由于区域一的边线 不规则 所以用非结构网格 而且网格密度也较密 区域二距车体表面较远 各边界 也规则 所以用较疏的结构网格 网格划分图 4 1 图 4 1 对称模型网格划分图 4 2Fluebt 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 4 2 23 图 4 2 对称模型收敛曲线图 4 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 4 3 压力云图所示 图 4 3 对称模型外流场压力云图 24 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 尾部湍流现象明显减弱 几乎没有湍流现象 如图 4 4 图 4 4 对称模型尾部湍流 25 图 4 5 对称模型车体表面压力系数分布图 湍流的减弱同时也大大地减小了车的阻力 车体表面的粘性系数也减小 对比表 4 1 与表 3 1 可以看出整个车体所受力大小也有很大的改善 表 4 1 对称模型 X 方向各边界力及系数 范围压力 N粘滞力 N总力 N压力系数粘滞系数总系数 train bottom1399 429152 37251551 80150 1830567 0 019931560 2029882 train top 382 912336 4583 46 45455 0 050088120 04401148 0 00607663 net1014 884758 690531773 57460 13275509 0 0992428970 23199799 26 第五章 结论 随着列车速度的不断提高 空气阻力等影响列车动力性 经济性 安全性 舒适 性等性能的空气动力学问题日益突出 高速列车运行空气流场分析成为一项重要课题 本论文试图仿真出 200km h 列车运行