高速列车运行空气流场分析fluentWord文档下载推荐.docx
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日期:
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日期:
导师签名:
日期:
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
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(ComputationalFluidDynamics)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(ComputationalFluidDynamics)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:
质量守恒定律;
动量守恒定律;
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。
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”。
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。
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
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