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：化工机械与安全学院学号：********班级：化1512班学生姓名：**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。
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。
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。
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”。
⑵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。
⑶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。
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。
第二章时速200km/h高速列车Gambit建模及计算本次的计算是对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，得到列车运行时的周围气体运动的特征，对指导设计以获得良好的列车外型提供依据。
2.1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极大的简化，只是模拟出了列车车头的大致形状以及一部分车身，其他的都予以忽略。
2.1.1利用AutoCAD建立车体计算模型图2-1 车体模型2.1.2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，可将区域划分为五个分块，分别对每一个分块进行网格划分，如图2-2。
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。