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大连交通大学2008届本科毕业设计（论文）
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。
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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
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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]。
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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。
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