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一、cfd數(shù)值模擬概述

數(shù)值模擬，是工科類學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用、開發(fā)能力和綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。CFD（computationalfluiddynamics）數(shù)值模擬，是以計(jì)算機(jī)為手段，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。CFD在航天航空、汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械、船舶、材料加工、化工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的綜合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CFD數(shù)值模擬在這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了課程研究。通過該課程的教學(xué)研究與實(shí)踐，對(duì)教學(xué)手段進(jìn)行改革和完善，提高了教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

二、CFD數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介

目前，進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算常用的軟件有FLU-ENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個(gè)主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行建模、生成網(wǎng)格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出、顯示。

三、CFD數(shù)值模擬實(shí)踐應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行對(duì)某摩托車車身行駛過程中的三維流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析其空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括其氣動(dòng)力系數(shù)和外流場(chǎng)速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。

1.模型的建立及網(wǎng)格劃分。確立CFD研究模擬的對(duì)象，建立模型。對(duì)于簡(jiǎn)單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對(duì)于較復(fù)雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設(shè)計(jì)或者逆向設(shè)計(jì)，完成三維實(shí)體造型。由于摩托車外形復(fù)雜，在不影響車身前部迎風(fēng)面積的情況下需要對(duì)摩托車模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，方便進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。將該模型文件以STP文件格式導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個(gè)方體。其中小方體是為了細(xì)化車身周圍的網(wǎng)格而設(shè)置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場(chǎng)，相當(dāng)于空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的“風(fēng)洞”。將大方體和摩托車車身進(jìn)行布爾求差運(yùn)算，得到的空間區(qū)域即為CFD數(shù)值模擬的計(jì)算域。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，其中計(jì)算域中的小方體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，其余部分進(jìn)行網(wǎng)格粗化處理。最后的網(wǎng)格總數(shù)在150萬(wàn)個(gè)左右。設(shè)置入口和出口邊界面等，保存輸出網(wǎng)格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數(shù)的建立和求解計(jì)算。入口邊界設(shè)定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口相對(duì)于遠(yuǎn)方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizablek-ε模型，根據(jù)摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計(jì)算湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對(duì)模型進(jìn)行收斂計(jì)算。

3.CFD數(shù)值模擬計(jì)算的后處理。待模型計(jì)算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個(gè)物理場(chǎng)量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據(jù)摩托車氣動(dòng)力系數(shù)和外流場(chǎng)速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場(chǎng)的湍流特征等物理量，對(duì)摩托車前部車身進(jìn)行造型優(yōu)化，以達(dá)到減小風(fēng)阻的目的。通過講述CFD數(shù)值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時(shí)對(duì)CFD相關(guān)軟件有了基本認(rèn)識(shí)；并結(jié)合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動(dòng)力學(xué)性能，提高了學(xué)生對(duì)CFD數(shù)值模擬的理解能力和實(shí)際運(yùn)用能力。