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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（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。 计算流体力学 1.1什么是计算流体力学 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）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。 1.2 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，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