空气动力学及Ansys 基础VIP

空气动力学基础O.大气物理性质（Atmospheric physical property）空气密度：空气密度是指单位体积的空气质量，取决于分子数的多少，也就是空气稠密的程度。空气密度大，比较稠密，物体在空气中运动所受阻力越大；空气密度小，比较稀薄，物体所受阻力小。空气温度：空气温度表示空气的冷热程度，是分子不规则热运动的平均速度的表现形式。分子运动速度大，即分子的平均动能大，则空气温度高；分子运动速度小，即分子的平均动能小，则空气温度低。空气压强：空气压强指单位面积上所承受的空气垂直作用力。产生空气压强的原因是空气分子连续不断撞击物体表面作用的结果。它与分子热运动的平均动能成正比，取决于单位体积内的分子数目、分子质量和分子运动的平均速度。A. 理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）：流 体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻的两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两 层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质，并显著地随温度变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成 正比。当流体的粘性较小（实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的），运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略 不计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的，这样的流体称为理想流体。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言，我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。B. 牛顿流体（Newtonian Fluid）和非牛顿流体（non-Newtonian Fluid）：依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，粘性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦剪应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。比例系数称为流体动力粘度，常简称为粘度。它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。若为常数，则称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体C.可压缩流体（Compressible Fluid）和不可压缩流体（Incompressible Fluid）：在 流体的运动过程中，由于压力、温度等因素的改变，流体质点的体积（或密度，因质点的质量一定），或多或少有所改变。流体质点的体积或密度在受到一定压力差 或温度差的条件下可以改变的这个性质称为压缩性。真实流体都是可以压缩的。它的压缩程度依赖于流体的性质及外界的条件。例如水在100个大气压下，容积缩小0.5%，温度从20变化到100，容积降低4%。 因此在一般情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特殊问题中，例如水中爆炸或水击等问题，则必须把液体看作是可压缩的。气体的压缩性比液体大得 多，所以在一般情形下应该当作可压缩流体处理。但是如果压力差较小，运动速度较小，并且没有很大的温度差，则实际上气体所产生的体积变化也不大;此时，也可以近似地将气体视为不可压缩的。在可压缩流体的连续方程中含密度，因而可把密度视为连续方程中的独立变量进行求解，再根据气体的状态方程求出压力。不可压流体的压力场是通过连续方程间接规定的。由于没有直接求解压力的方程，不可压流体的流动方程的求解具有其特殊的困难。D.层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）：实 验表明，粘性流体运动有两种形态，即层流和湍流。这两种形态的性质截然不同。层流是流体运动规则，各部分分层流动互不掺混，质点的轨线是光滑的，而且流动 稳定。湍流的特征则完全相反，流体运动极不规则，各部分激烈掺混，质点的轨线杂乱无章，而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互 转化。E.定常流动（Steady Flow）和非定常流动（Unsteady Flow）：以时间为标准，根据流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化，将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化，为定常流动；反 之称为非定常流动。定常流动也称为恒定流动，或者稳态流动；非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常 流动，而正常运转时可看作是定常流动。F.亚音速流动(Subsonic)与超音速流动（Supersonic）：当气流速度很大，或者流场压力变化很大时，流体就受到了压速性的影响。马赫数定义为当地速度与当地音速之比。当马赫数小于1时，流动为亚音速流动；当马赫数远远小于1（如M0.1）时，流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近1时候（跨音速），可压速性影响就显得十分重要了。如果马赫数大于1，流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速，跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。G.热传导（Heat Transfer）及扩散（Diffusion）：除了粘性外，流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时，温度高的地方将向温度低的地方传送热量，这种现象称为热传导。同样地，当流体混合物中存在组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质，这种现象称为扩散。H雷诺数（Reynolds number）、弗劳德数（Froude number）、马赫数（Mach number）雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。Re=vd/，其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道的当量直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。弗劳德数是流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参敦，记为Fr。它表示惯性力和重力量级的比，即：Fr=U2/gL,式中U为物体运动速度，g为重力加速度；L为物体的特征长度。流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数，记为Ma，定义为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比，即Ma=v/c。1. 伯努利方程（Bernoulli Eq）假设条件:使用伯努利定律必须符合以下假设，方可使用；如没完全符合以下假设，所求的解也是近似值。定常流：在流动系统中，流体在任何一点之性质不随时间改变。不可压缩流：密度为常数，在流体为气体适用于马赫数(Ma)2。边界层形状因子上面两个厚度比所组成的无量纲参数称为形状因子，通常表为：1/2=H12(在低速时也写为H) 因12，故H1。在层流边界层中，H的值由驻点附近的2.0到分离点的3.5。在湍流边界层中，它的值不定大约为1.22.5。6.降低赛车气动阻力的主要措施 （1）气流紧贴车身表面流动 （2）车身前端气流正压区应尽可能小 （3）车身尾部涡流应尽可能小 （4）减小车轮周围及轮室内涡流强度 （5）车身表面平顺和圆角化处理 （6）找出赛车气动阻力关键部位进行优化 （7）在气流分理处改进或者添加附加装置，抑制附面层增厚和气流分离7.提高赛车下压力主要措施 （1）车身应尽能扁平 （2）车身底部表面应尽量平顺 （3）加装车身底部导流板 （4） 前部驻点要低，后部分离点要高 （5）采用俯仰角造型 （6）车身表面去棱角 （7）加装空气动力学装置（前翼、侧翼、尾翼、前颚扰流器阻碍、直接撞击车轮的空气量，引导气流加速扩散、侧裙阻碍侧部气流进入车底、尾部扰流器、底部扩散器）ANASYS基础（针对方程式赛车分析）1. 方程式赛车分析基本流程：赛车简化模型创建（封闭体且没有重叠面）导入ICEM CFD进行网格划分划分好的网格导入ANASYS Fluent进行分析2. 湍流模型选择：湍流模型选择剪切应力运输k-模型，即SST k-模型： 式中，Gk为湍动能k的生成项，G为耗散率的生成项；k和分别为k和的有效扩散系数；Yk和Y为由于紊流引起的k和的耗散；D为交叉扩散项；Sk和S为自定义源项。该模型综合了k-模型在近壁区计算的优点和k-模型在远场计算的优点，将k-和标准k-模型都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。在近壁区，混合函数的数值等于1，因此在近壁区等价于k-。在远离近壁面的区域混合值函数等于0，因此自动转化为标准k-模型。与标准k-相比，SST k-模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的运输过程，模型中使用的湍流常数也有所不同。这些特点使得SST k-模型的适用范围更加广泛，适用于翼型计算等。3. 湍流强度（turbulence intensity）和湍流耗散率（turbulent dissipation）湍流强度简称湍流度或湍强，是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。计算公式湍流强度涨落标准差和平均速度的比值，是衡量湍流强弱的相对指标。湍流强度I(turbulence intensity)按下式计算：湍流强度等于湍流脉动速度与平均速度的比值，也等于0.16与按水力直径计算得到的雷诺数的负八分之一次方的乘积计算公式：I=0.16*(re)(-1/8)式中：I湍流强度，re雷诺数一般来说，其判定方法为：小于1%为低湍流强度，高于10%为高湍流强度。湍流动能耗散率是指在分子粘性作用下由湍流动能转化为分子热运动动能的速率。通常以单位质量流体在单位时间内损耗的湍流动能来衡量，以表示。湍流速度在空间上存在着随机涨落，从而形成了显著的速度梯度，在分子粘性力作用下通过内摩擦不断地将湍流动能转化为分子运动的动能。大气湍流的动能耗散主要发生在大小为毫米数量级的湍涡。湍流粘性比（turbulent viscosity ratio）是指湍动粘度t与动力粘度的比值t/，而湍动粘度又可表示成k和的函数：t=*C*k2/。C为经验系数，通常取0.09，k为湍动能，为团动能耗散率。湍动粘度比t/正比于湍动Reynolds数。4.边界条件设置：速度入口（velocity inlet）边界条件和压力出口（pressure outlet）边界条件；湍流强度0.5%，湍流粘性比：4*计算域面积/计算域周长。速度入口边界条件：用于定义流动入口边界的速度和标量。压力入口边界条件：用来定义流动入口边界的总压和其它标量。5算法及离散格式：SIMPLE、二阶迎风（Second Order Upwind）在FLUENT中，可以使用标准SIMPLE算法、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法及PISO算法。SIMPLE通常用于定常（steady）流计算PISO通常用于非定常流计算。默认是SIMPLE算法，但是对于许多问题如果使用SIMPLEC可能会得到更好的结果，尤其是可以应用增加的亚松驰迭代时，具体介绍如下: 对于相对简单的问题（如：没有附加模型激活的层流流动），其收敛性已经被压力速度耦合所限制，通常可以用SIMPLEC算法很快得到收敛解。在SIMPLEC中，压力校正亚松驰因子通常设为1.0，它有助于收敛。但是，在有些问题中，将压力校正松弛因子增加到1.0可能会导致不稳定。对于所有的过渡流动计算，推荐使用PISO算法邻近校正。它允许你使用大的时间步，而且对于动量和压力都可以使用亚松驰因子1.0。对于定常状态问题，具有邻近校正的PISO并不会比具有较好的亚松驰因子的SIMPLE或SIMPLEC好。对于具有较大扭曲网格上的定常状态和过渡计算推荐使用PISO倾斜校正。当你使用PISO邻近校正时，对所有方程都推荐使用亚松驰因子为1.0或者接近1.0。如果你只对高度扭曲的网格使用PISO倾斜校正，请设定动量和压力的亚松驰因子之和为1.0比如：压力亚松驰因子0.3，动量亚松驰因子0.7）。离散化的目的： 我们知道描述流体流动及传热等物理问题的基本方程为偏微分方程，想要得它们的解析解或者近似解析解，在绝大多数情况下都是非常困难的，甚至是不可能的，就 拿我们熟知的Navier-Stokes方程来说，现在能得到的解析的特解也就70个左右；但为了对这些问题进行研究，我们可以借助于我们已经相当成熟的 代数方程组求解方法，因此，离散化的目的简而言之，就是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照某种方法遵循特定的规则在计算区域的离散网格上转化为代数方 程组，以得到连续系统的离散数值逼近解。在数值传热学中,迎风格式的引入是为了克服由于网格Pe数小于0而导致数值解出现震荡的，迎风格式又可以分为一阶迎风格式和二阶迎风格式。其中,一阶迎风格式(First Order Upwind)容易获得不准确的解,除非划分足够细密的网格,而且有一定的假扩散作用，即人工粘性。为此引入二阶迎风格式(Second Order Upwind)，这种格式可以获得较准确的解，而且绝对稳定。采用有限容积法定义的二阶迎风格式为：u0时，Fp=1.5Fw-0.5Fww;u0时,Fp=1.5Fp-0.5FE;5.亚松驰：1、亚松驰（Under Relaxation）：所谓亚松驰就是将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当缩减，以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程的发散。用通用变量来写出时，为松驰因子（Relaxation Factors）。2、FLUENT中的亚松驰：由于FLUENT所解方程组的非线性，我们有必要控制的变化。一般用亚松驰方法来实现控制，该方法在每一部迭代中减少了的变化量。亚松驰最简单的形式为：单元内变量等于原来的值加上亚松驰因子a与变化的积,分离解算器使用亚松驰来控制每一步迭代中的计算变量的更新。这就意味着使用分离解算器解的方程，包括耦合解算器所解的非耦合方程（湍流和其他标量）都会有一个相关的亚松驰因子。在FLUENT中，所有变量的默认亚松驰因子都是对大多数问题的最优值。这个值适合于很多问题，但是对于一些特殊的非线性问题（如：某些湍流或者高Rayleigh数自然对流问题），在计算开始时要慎重减小亚松驰因子。使用默认的亚松驰因子开始计算是很好的习惯。如果经过4到5步 的迭代残差仍然增长，你就需要减小亚松驰因子。有时候，如果发现残差开始增加，你可以改变亚松驰因子重新计算。在亚松驰因子过大时通常会出现这种情况。最 为安全的方法就是在对亚松驰因子做任何修改之前先保存数据文件，并对解的算法做几步迭代以调节到新的参数。最典型的情况是，亚松驰因子的增加会使残差有少 量的增加，但是随着解的进行残差的增加又消失了。如果残差变化有几个量级你就需要考虑停止计算并回到最后保存的较好的数据文件。注意：粘性和密度的亚松驰 是在每一次迭代之间的。而且，如果直接解焓方程而不是温度方程（即：对PDF计算），基于焓的温度的更新是要进行亚松驰的。要查看默认的亚松弛因子的值，你可以在解控制面板点击默认按钮。对于大多数流动，不需要修改默认亚松弛因子。但是，如果出现不稳定或者发散你就需要减小默认的亚松弛因子了，其中压力、动量、k和e的亚松弛因子默认值分别为0.2，0.5，0.5和0.5。对于SIMPLEC格式一般不需要减小压力的亚松弛因子。在密度和温度强烈耦合的问题中，如相当高的Rayleigh数的自然或混合对流流动，应该对温度和/或密度（所用的亚松弛因子小于1.0）进行亚松弛。相反，当温度和动