搜索
南京理工大学作者:张明亮学号：11310100030学院(系):机械工程学院专业:机械制造及其自动化题目:Fluent仿真指导老师：时岩2014-5-27引言计算流体力学CFD（ComputationalFluidDynamics）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。第一章计算流体力学1.1什么是计算流体力学计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）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。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。1.2CFD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，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。第二章Fluent简介本次设计主要应用的是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。fluent是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体和六面体及混合网格。fluent很能够根据计算的结果调整网格，这种网格自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。2.1Fluent软件的基本特性2.1.1Fluent软件的基本构成FLUENT软件包中包括以下几个软件：（1）FLUENT求解器——FLUENT软件的核心，所有计算在此完成。（2）prePDF——FLUENT用PDF模型计算燃烧过程的预处理软件。（3）GAMBIT——FLUENT提供的网格生成软件。（4）TGRID——FLUENT用于从表面网格生成空间网格的软件。（5）过滤器——或者叫翻译器，可以将其他CAD/CAE软件生成的网格文件变成能被FLUENT识别的网格文件。上述几种软件之间的关系如图1-1所示。图1-1基本程序机构示意图GAMBIT即可以生成用于FLUENT计算的网格，也可以生成其他一些CAE软件的网格。一旦网格文件被输入到FLUENT中，剩下的工作就由FLUENT完成。这些工作包括设定边界条件和物质属性、调整网格、进行计算、对结果进行后处理并显示结果等等。2.1.2Fluent软件定义网格特性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-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型双层近壁模型等。2.1.3Fluent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。2.2Fluent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：⑴可压缩与不可压缩问题。⑵稳态和瞬态流动问题。⑶无黏流，层流及湍流问题。⑷牛顿流体及非牛顿流体。⑸对流换热问题。⑹导热与对流换热耦合问题。⑺辐射换热问题。⑻惯性坐标系和非惯性坐标系下流动问题模拟。⑼用Lagrangian轨道模型模拟稀流相（颗粒，水滴，气泡等）。⑽一维风扇、热交换器性能计算。⑾两相流问题。⑿复杂表面形状下的自由面流动问题。2.3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：⑴确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT）.⑵输入并检查网格。⑶选择2D求解器。⑷选择求解的方程。⑸确定流体的材料性质。⑹确定边界类型及边界条件。⑺条件计算控制参数。⑻流场初始化。⑼求解计算。⑽保存结果进行后处理等。第三章Gambit建模及计算本次是对200km/h二维列车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。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中应用的200km/h高速列车的车头模型是从proe建立的实体模型中提取出来，是仿真计算的原始数据。首先，动力车头模型导入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。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。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