CFD数字课教学实践

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一、cfd数值模拟概述

数值模拟，是工科类学生的一门重要的专业课，主要培养学生的计算机应用、开发能力和综合运用相关学科知识解决实际问题的能力。CFD（computationalfluiddynamics）数值模拟，是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等）控制下对流体流动进行模拟。CFD在航天航空、汽车设计、机械、船舶、材料加工、化工等许多领域有着广泛的应用。本文结合作者多年来在材料加工和汽车摩托车设计领域的综合教学经验，对CFD数值模拟在这两个领域进行了课程研究。通过该课程的教学研究与实践，对教学手段进行改革和完善，提高了教学质量，增强学生的实际应用能力。

二、CFD数值模拟软件简介

目前，进行CFD数值模拟计算常用的软件有FLU-ENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD软件都包含有3个主要的功能部分：前处理、求解器、后处理。其中前处理是指对计算对象进行建模、生成网格和选取边界面等；求解器是指求解控制方程组的程序；后处理是指对计算结果进行输出、显示。

三、CFD数值模拟实践应用实例

应用Fluent软件进行对某摩托车车身行驶过程中的三维流场进行CFD数值模拟，根据结果分析其空气动力学特性，包括其气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、速度流线图等。这里主要介绍其前处理以及求解过程。

1.模型的建立及网格划分。确立CFD研究模拟的对象，建立模型。对于简单的模型，可直接在FLUENT的前处理软件GAMBIT中建立二维或者三维模型；对于较复杂的模型，可在CATIA、UG等三维造型软件中，采用正向设计或者逆向设计，完成三维实体造型。由于摩托车外形复杂，在不影响车身前部迎风面积的情况下需要对摩托车模型进行一定的简化，方便进行CFD数值模拟。将该模型文件以STP文件格式导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中。这里需要建立两个方体。其中小方体是为了细化车身周围的网格而设置的密度体，大方体是车身行驶过程中所处于的流场，相当于空气动力学试验中的“风洞”。将大方体和摩托车车身进行布尔求差运算，得到的空间区域即为CFD数值模拟的计算域。对计算域进行非结构化网格的划分，其中计算域中的小方体区域进行网格细化处理，其余部分进行网格粗化处理。最后的网格总数在150万个左右。设置入口和出口边界面等，保存输出网格模型，如图1所示：

2.物理模型参数的建立和求解计算。入口边界设定为速度入口，V=20m/s；出口边界设定为压力出口，出口相对于远方来流处的压力为零，即静压值取零。本次仿真选择Realizablek-ε模型，根据摩托车尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k为计算湍流动能，ε为湍流耗散率。采用耦合隐式求解器，对模型进行收敛计算。

3.CFD数值模拟计算的后处理。待模型计算收敛后，在后处理窗口中观察摩托车行驶过程中的各个物理场量分布情况。图2所示为该摩托车的表面压力分布云图。根据摩托车气动力系数和外流场速度矢量图、压力分布图、尾流场的湍流特征等物理量，对摩托车前部车身进行造型优化，以达到减小风阻的目的。通过讲述CFD数值模拟课程，了解CFD的基本原理及概念，同时对CFD相关软件有了基本认识；并结合Fluent软件研究某摩托车行驶过程中的空气动力学性能，提高了学生对CFD数值模拟的理解能力和实际运用能力。