高速列车运行空气流场分析fluent

高速列车运行空气流场分析fluent
目录
引言 (3)
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 (16)
3.2.3定义材料 (17)
3.2.4定义边界条件 (17)
3.2.5设置求解控制参数 (17)
3.3计算结果后处理 (18)
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 (21)
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 (24)
4.1网格划分 (24)
4.2Fluebt仿真计算 (24)
4.3计算结果后处理 (25)
第五章结论 (29)
谢辞 (31)
参考文献 (32)
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。

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指导教师评阅书
评阅教师评阅书
大连交通大学2008届本科毕业设计（论文）
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。

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[5]。

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。

1.2.3计算流体力学的特点
研究流体流动的完整体系包括传统的理论分析方法、试验测量方法和CFD方法。

理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。

但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。

对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。

实验测量方法所得的结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。

然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。

此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

而CFD方法恰好克服了前面两方面的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好
像在计算机上做一次物理实验[6]。

这样不仅省时省钱，有较多的灵活性，而且能给出详细完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。

此外，CFD作为一门比较新的学科，还有其他一些鲜明的特点：
第一，CFD的发展及应用与计算机的发展直接相关。

CFD发展的一个基本条件是高速、大容量的电子计算机。

随着对CFD研究的深入，我们将对这一点有越来越清晰的认识。

今天，计算机技术的迅速发展，已经使得采用CFD方法研究一些工程实际问题成为可能。

最近10年来，商业CFD软件不断涌现，极大地促进了CFD在工业领域的应用。

但是，由于计算机速度和容量的限制，还有很多问题在目前和近期还无法完全用CFD方法解决。

所以，计算机技术的发展，已经为CFD的广泛应用提供了一定可能，而CFD的发展还不断为计算机技术的进一步发展提出新的要求。

第二，CFD与应用数学有密切的联系。

在计算的离散化过程中，CFD产生了一系列的数学问题。

①离散的代数方程逼近原来的积分微分方程的程度如何? 数值解逼近积分微分方程的精确解程度如何？这就是CFD方法的精度和误差估计问题。

②当离散点的数量趋于无穷大，间距趋于无穷小时，数值解是否趋于精确解？这就是数值方法的收敛性问题。

③在计算机上，数值计算以有限的字长进行计算的，因此计算机得到的数值解不是精确的数值解。

由于机器字长有限产生的误差对计算结果影响如何，会不会无限增长以至于得不到有意义的解？这就是数值计算的稳定性问题。

这些问题及未列出的其他问题都是应用数学研究的重要内容，也是CFD研究的中心内容。

第三，CFD研究呈现出明显的学科交叉性。

CFD的生命力在于广泛应用于工程领域，解决其中涉及的与流体运动相关的问题。

为了解决这些问题，CFD研究必须和这些领域的研究交叉和融合[4]。

1.3 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[7]。

第二章 CFD软件Flurnt基本简介
为了完成CFD计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序缺乏通用性，而CFD本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较合适制成通用的商业软件。

于是诸如Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD等商用CFD软件就应运而生。

本次毕业设计主要应用的是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。

2.1Fluent软件的基本特性
2.1.1Fluent软件的网格特性
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。

2.1.2Fluent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。

2.1.3Fluent软件的灵活处理特性
Fluent使用C语言写的，可实现动态内存分配及高校数据结构，具有极大的灵活性和很强的处理能力。

它还提供了用户自定义子程序功能，可让用户自行定义连续方程、动量方程、能量方程，自定义边界条件初始条件、流体的物性等，这给特殊问题的处理带来了极大的方便[6]。

2.2 Fluent的程序结构
Fluent程序软件包括以下几个部分组成：
⑴ Gambit——用于建立几何结构和网格的生成。

⑵ Fluent——用于进行流动模拟的求解器。

⑶ prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。

⑷ TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。

⑸ Filter——将其他程序生成的网格，用于Fluent计算。

利用Fluent软件进行流体与传热的模拟计算流程如图2-1所示。

首先利用Gambit 进行流体区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式；然后利用Fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。

图2-1 基本程序机构示意图
2.3Fluent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。

2.4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[7]。

第三章时速200km/h高速列车Gambit建模及计算
本次毕业设计的课题是由长春客车厂的一个项目简化而来，进行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[8]。

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
本次设计中应用的200km/h高速列车的车头模型是从CATIA建立的实体模型中提取出来，是仿真计算的原始数据，由老师提供。

首先，将老师提供的动力车头模型倒入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。