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一、cfd數值模擬概述

數值模擬，是工科類學生的一門重要的專業課，主要培養學生的計算機應用、開發能力和綜合運用相關學科知識解決實際問題的能力。CFD（computationalfluiddynamics）數值模擬，是以計算機為手段，通過數值計算和圖像顯示的方法，在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對流體流動進行模擬。CFD在航天航空、汽車設計、機械、船舶、材料加工、化工等許多領域有著廣泛的應用。本文結合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設計領域的綜合教學經驗，對CFD數值模擬在這兩個領域進行了課程研究。通過該課程的教學研究與實踐，對教學手段進行改革和完善，提高了教學質量，增強學生的實際應用能力。

二、CFD數值模擬軟件簡介

目前，進行CFD數值模擬計算常用的軟件有FLU-ENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對計算對象進行建模、生成網格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對計算結果進行輸出、顯示。

三、CFD數值模擬實踐應用實例

應用Fluent軟件進行對某摩托車車身行駛過程中的三維流場進行CFD數值模擬，根據結果分析其空氣動力學特性，包括其氣動力系數和外流場速度矢量圖、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.模型的建立及網格劃分。確立CFD研究模擬的對象，建立模型。對于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對于較復雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設計或者逆向設計，完成三維實體造型。由于摩托車外形復雜，在不影響車身前部迎風面積的情況下需要對摩托車模型進行一定的簡化，方便進行CFD數值模擬。將該模型文件以STP文件格式導入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個方體。其中小方體是為了細化車身周圍的網格而設置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當于空氣動力學試驗中的“風洞”。將大方體和摩托車車身進行布爾求差運算，得到的空間區域即為CFD數值模擬的計算域。對計算域進行非結構化網格的劃分，其中計算域中的小方體區域進行網格細化處理，其余部分進行網格粗化處理。最后的網格總數在150萬個左右。設置入口和出口邊界面等，保存輸出網格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數的建立和求解計算。入口邊界設定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設定為壓力出口，出口相對于遠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，根據摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計算湍流動能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對模型進行收斂計算。

3.CFD數值模擬計算的后處理。待模型計算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據摩托車氣動力系數和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對摩托車前部車身進行造型優化，以達到減小風阻的目的。通過講述CFD數值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時對CFD相關軟件有了基本認識；并結合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動力學性能，提高了學生對CFD數值模擬的理解能力和實際運用能力。