高速列车运行空气流场分析fluent

目录

引言 (2)

第一章计算流体力学概述 (4)

1.1什么是计算流体力学 (4)

1.2计算流体力学（CFD）的发展应用及特点 (4)

1.2.1计算流体力学的发展 (4)

1.2.2计算流体力学的应用 (6)

1.2.3计算流体力学的特点 (6)

1.3CFD的求解过程 (7)

第二章 CFD软件Flurnt基本简介 (9)

2.1Fluent软件的基本特性 (9)

2.1.1Fluent软件的网格特性 (9)

2.1.2Fluent软件定义边界条件特性 (9)

2.1.3Fluent软件的灵活处理特性 (10)

2.2Fluent的程序结构 (10)

2.3Fluent程序可以求解的问题 (11)

2.4用Fluent程序求解问题的步骤 (11)

第三章时速200km/h高速列车Gambit建模及计算 (12)

3.1建立计算模型 (12)

3.1.1利用Gambit建立车体计算模型 (12)

3.1.2计算网格划分 (13)

3.1.3定义边界和区域 (14)

3.1.4生成MESH文件及储存 (15)

3.2利用Fluent进行列车仿真计算 (15)

3.2.1输入与检查网格 (15)

3.2.2选择求解器 (15)

3.2.3定义材料 (16)

3.2.4定义边界条件 (16)

3.2.5设置求解控制参数 (17)

3.3计算结果后处理 (17)

3.3.1列车外流场的压力、速度特性 (18)

3.3.2列车的尾流特性 (20)

3.3.3列车表面压力系数及力分析 (21)

第四章对称模型的CFD仿真 (22)

4.1网格划分 (22)

4.2Fluebt仿真计算 (22)

4.3计算结果后处理 (23)

第五章结论 (26)

谢辞 (27)

参考文献 (28)

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

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。

本次毕业设计课题来源于长春客车厂所做的一个科研项目，即采用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，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[1-3]。

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[4]。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[4]。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。