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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: 学号: 班级: 学生姓名: 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 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。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: ①质量守恒定律;②动量守恒定律;③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,形成 CFD 软件,通过运行这些软件来得到所需的数值解。 计算流体力学( CFD )的发展应用及特点 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。⑴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