前言：中文期刊网精心挑选了流体动力学模拟理论范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
流体动力学模拟理论范文1
关键词 数值模拟、流体动力学、幕墙通风
中图分类号：O313文献标识码： A 文章编号：
1基本方程
建筑幕墙通风普遍采用理论公式计算分析，常规计算方法能够比较正确地分析标准规则的幕墙自然通风，但很难计算分析构造复杂的建筑幕墙，这是因为作用于建筑幕墙的风一般呈湍流流动。流体试验表明，当Reynolds数大于某一临界值时，流动是会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态。这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流（turbulent flow），湍流瞬时控制方程如下：
湍流中的脉动现象能够影响幕墙的通风效果，且通风构件布置设计的合适与否也直接决定了幕墙通风设计方案的优劣，因此如构件截面尺寸大小，构件的间距等均需要通过模拟计算分析来加以确定。
2风压计算
垂直于气流方向的平面所受到的风压力，其值是动风压与静风压的总和,即Po=Ps+ WP，根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压为：WP =0.5×ro×V²，此式为标准风压公式。根据国家标准《民用建筑热工规范》GB50176-93附表3.2，可计算出幕墙面受到的大气压强为WP总=101328.025Pa.
3 CFD计算分析
本案例幕墙通风主要依靠铝板开启门的开启与关闭来进行控制。开启门开启宽度的大小与开启门外侧的铝格栅间距大小均会影响到通风量的大小。方案中格栅总开口宽度为145mm，高度为2950mm，竖向格栅的水平间距为28.5mm，竖向方向加设三根副框。初步方案设计假设3种开启状态。状态1：设置格栅,开启门完全开启；状态2：设置格栅,开启门60°开启；状态3：取消格栅,开启门完全开启。
3.1 CFD计算条件
针对以上3种状态进行CFD模拟计算，以状态1（设置格栅,开启门完全开启）为例：取幕墙一个通风单元作为分析对象，横向玻璃左右宽度均取700mm，竖向取2950mm。室外空气压强WP总= 101328.03 Pa。三维模型长6米，宽1.6米，高2.95米，采用GAMBIT程序建模，因格栅与开启门构造复杂,此计算区域按加密的网格形式划分,网格尺寸由中间往两侧逐渐增大，总计产生约46万左右个体三维网格。此尺寸三维空间模型可认为满足本案流体动力学模拟计算的需要。
通过格栅及开启门的空气流动归为内流分析，当雷诺数大于2000时，流场将由层流过渡到湍流状态。边界条件中入口指定为Inlet vent类型，出口指定为Out vent类型；空气密度ρ为1.2225 kg/m3，空气运动粘度viscosity为1.7894e-05m2/s。求解器采用压力-速度耦合SIMPLER算法，其Under-relaxation Factor中的系数如下：Pressure=0.3，Density=0.3，Body force=1，Momentum=0.7。
假定计算域的空气符合连续介质，所有材料均为灰体, 交界面为理想接触，不考虑接触热阻,空气对辐射的吸收为零, 通道内空气密度遵循BoUssinesq假设。采用FLUENT 6.3.26进行模拟计算,计算结果图形见二维速度矢量等值云图（右图）。
从右图可知，以开启门及格栅中间位置的interior face为基面，基面外侧的格栅周围空气形成漩涡状扰动，空气经过格栅的缝隙后，速度逐渐提高，此区域的空气湍流运动明显增强，靠近开启门的室内空气湍流最为剧烈，距离开启门约400mm范围内的空气扰动强烈，明显存在直喷波形湍流现象。
3.2计算结果
状态1~3，单位时间进入室内的空气流量分别为：M1=0.45kg/s，M2=0.38kg/s，M3=0.53kg/s。
4 理论计算分析
4.1理论计算条件
状态1~3下，开启门的通风面积分别为：，，。冬季平均室外风速取V=2.2 m/s，空气密度r=1.2225 kg/m³。
4.2理论计算结果
状态1~3，单位时间内进入室内的空气流量分别为：,,。
5 结果比较
由右图可知，流体动力学计算得到的空气流量（曲线）比理论计算（ABC曲线）的结果要小，这主要是由于幕墙格栅及开启门等构件损耗空气流动的能量所导致，因此需考虑构件的合理布置，以免影响幕墙的通风。开启门在完全开启状态下，设置有格栅的幕墙通风量约为取消格栅的幕墙的85%，因此如需增加通风量，可通过调整格栅的数量，截面尺寸及间距来实现。
6 结论
建筑幕墙通风的前期设计阶段可以采用流体动力学CFD软件计算分析，根据不同条件的计算结果来调整优化设计方案，能够节省成本与时间，是将来建筑幕墙通风设计的发展方向。
参考文献
[1]《民用建筑热工设计规范》GB50176-93
[2]《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003
[3]《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003
流体动力学模拟理论范文2
关键词：工程流体力学；教学改革；大学；专业基础课
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）03-0030-02
“工程流体力学”课程是以高等数学、大学物理、工程力学、工程热力学为基础，集概念、公式、实际应用于一体的一门专业基础课。该课程基本概念抽象，公式结构复杂，实际应用众多，尤其在石油行业尤为突出。石油工业中的许多问题都要采用流体力学理论解决，诸如钻井液循环压力和流速的设计，套管强度的校核，采油过程中油井采出的流体在泵或井筒内的流动规律分析，地面管线的布设，管径设计，管线强度的校核，压差与流量之间关系的确定，输液泵的选择和安装位置的确定，储油罐强度的校核，油品装卸时间的计算，油品和天然气的计量，气蚀和水击等现象的预防等。解决这些问题，要求从事石油工程技术的科学工作者必须具备“工程流体力学”知识，以便在石油工程的建设和管理中更好地发挥作用。为了使学生能够更好地学习掌握该课程的内容，教学环节尤为重要。对如何设计教学环节，本文主要从以下四个方面加以说明。
一、教学由多媒体与板书共同完成
教学板书是教师教学思路的整体反映，是教师在教学过程中引导学生学习，帮助学生理解和记忆，以及启发学生思考的重要手段，是教学过程中不可缺少的组成部分。教学板书以文字、符号、图表等手段将教学内容直接诉诸学生的视觉，丰富了学生的感知表象，有助于学生吸收和掌握知识信息。在授课过程中，笔者把学生对使用板书和多媒体的意见进行调查，90%的学生更倾向于使用板书教学。
由于“工程流体力学”课程，基本概念多、难理解，公式复杂难懂，采用板书边写边讲解，给学生留有足够的时间去理解，去认知，接受起来更容易一些。但是流体本身运动复杂，没有固定的形状，在外力作用下，流体流动状态、流动规律是什么样的，在板书上表达起来可能不够准确，不够形象、逼真；而采用多媒体[1]，将其制作成图片或动画课件，则直观明了，生动具体，给学生在视觉上以新颖的感觉，在头脑里的印象会更深刻一些。比如：讲工程流体力学的发展史，单纯讲授枯燥无味。此时，制作多媒体课件展示给大家， 比如弧线球也称香蕉球，找一个足球明星踢弧线球的视频放里面，边放映边讲解，学生很感兴趣，还学到了知识，同时也激发了学生的学习热情，起到了很好的引导效果。
二、将计算流体动力学软件融入到理论教学中
“工程流体力学”一般采用理论方法、实验方法和数值计算三种方法研究，其中，数值计算就是使用计算流体动力学软件计算[2]，是当今比较常用也比较流行的方法。计算流体动力学（简称CFD）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可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。CFD方法克服了理论方法和实验方法的局限性，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算机并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节；如激波的运动、强度、涡的生成与传播、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有区别。
目前，CFD软件中比较著名的就是Fluent软件。所以可以在教学中使用Fluent软件模拟，给学生展示流动规律和流动结果。例如：冯・卡门涡街，不同形状物体绕流使用Fluent进行模拟，既直观又能清楚地展现流动规律，同时对流体本身产生无限的向往，对“工程流体力学”课程充满了期待和兴趣，为学生以后学习软件打下了基础。
三、实施双语教学
随着我国与世界的接轨，随着世界一体化进程，迫切需要大量精通两种以上语言的人才，作为一种培养国际化人才的有效手段，双语教学势在必行。高等教育作为教育的前沿阵地，也要同国际接轨。双语教学本身就是我国高等教育国际化趋势的客观要求，对高校来讲，可以加强国内高校和国外高校的教学合作，高校之间的合作项目越来越多，有助于国内外专业领域知识体系的统一和完善；对教师来说，可以促进国内高校教师同国外高校教师的学术交流，国内高校教师可从中了解到很多世界前沿知识，并有效地传递给学生；从学生自身来看，打破了语言障碍，学生能够在专业技术领域内较好地将母语和英语这两种语言之间根据交际对象和工作环境的需要进行切换，有效地开展交流与合作，并且多掌握一种语言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先进世界的途径，多一份机会。双语教学不仅可以培养学生运用外语解决实际问题的能力，而且有利于学生学习、掌握、精通一门外语（主要是英语），能够多一种思维方式，学会从多种角度，用不同观点看问题，进而提升竞争能力，同时也为培养“复合型”人才奠定了基础。
现今实施“双语教学”，既符合与时俱进的要求，又能够提升教学水平，这意味着在教学中实施“双语教学”势在必行。在“工程流体力学”专业基础课教学中改变使用单纯母语（汉语）的教学方式，将外语（主要是英语）运用于其教学的全过程之中，使之与母语教学互相融合、互相促进，既体现专业基础课教学的特色和针对性的同时，又能够全面提高学生的外语应用能力和综合素质，使教学更好地适应新世纪人才培养目标的要求。在“工程流体力学”教学中推行双语教学，使学生在双语教学课堂中提高英语水平，学会用英语表达专业知识，继而过渡到用英语去思维、求知、交流，以便熟练地用外语来解决实际问题。这种教学模式既符合经济迅速发展对涉外人才基本素质的要求，也符合大学各专业交叉融合的发展方向，是教学改革的重要内容。
根据“工程流体力学”课程的特点，在其教学中可以使用综合型教学模式。即对一些基本概念、基本理论，比较好理解的，可以采用浸入型；而对一些公式的推导，专业性比较强的，难于理解的采用过渡型。另外，将一些流体发展的历史、实例用多媒体教学手段进行授课，达到直观的效果。
四、注重实验环节
“工程流体力学”也是一门实验科学[3]。很多流体力学理论都是以实验为基础建立起来的，理论分析得出的结果需要通过实验来验证，而实验的进行又需要用分析得出的理论来指导。因此，实验是“工程流体力学”课程的重要组成部分，是必不可少的教学环节。它不仅是为了验证理论，有助于学生学好流体力学，而且是培养学生进行科学研究、提高独立工作和创新能力的重要环节。
随着大学教育的普及，受教育的人数迅猛增长，而实验教学设备与人数增长不成比例，导致教学和实验的间隔周期较长，使得实验前，有些学生并没有做好充分的准备，并且缺乏必要的理论复习，对即将做的实验相关知识没概念，致使理论和实验严重脱节，实验效果不佳。但是对学生的考核仅仅是一份实验报告，导致有些报告抄袭严重，甚至有些学生做实验，看别人怎么做就怎么做。这样，学生的动手能力、实践能力怎么能培养出来？更不用说培养学生的创新能力和发散思维。实验课是教学的必要环节，也是重要环节，不容忽视。
1.实验前，回顾与实验相关的知识点，让学生在短时间内了解本次实验和相关理论，这里的相关理论不是本实验的结论，实验结论应该由学生通过做实验总结出来；也可以将本实验过程录制成一段视频，让学生提前看一下，熟悉一下实验过程，视觉在人心中留的印象会更深刻一些，做到心中有数，这样真正自己动手做实验就不会茫然。
2.由于时间和设备的限制，实验只能就某一种情况进行操作，对其他条件变化时会有什么样的规律不能面面俱到，这时在实验教学中应用计算流体动力学软件演示也会收到很好的教学效果。所以，计算流体动力学软件不仅在教学中，在实验中的作用也是显著的。
3.在实验课教学改革的同时，实验课考核的方法也应该相应地加以整改。通过纯粹的书面实验报告和出勤率进行考核，学生互相抄袭，敷衍了事，实验做完后真正的原理还没弄明白。为了避免此类情况的发生，一方面，考核每个学生亲自动手做实验，边做实验边讲解，不仅能够锻炼学生动手的实验能力，语言表达能力相应地也有所提高，为此应该增加实验教师的人数；另一方面，除了增加实验课在最终成绩的比例（10%）外，还要在期末试卷中增加实验内容，以检验学生对实验的理解能力和掌握情况。
为了使学生能够更好地掌握“工程流体力学”课程的内容，教学需要改革，这就要求当代大学教师不断地尝试、不断地探索新的教学模式，充分调动学生的学习热情。本文针对“工程流体力学”这门专业基础课程的特点，提出了几点教学建议，希望对工作在一线的流体力学教师有点帮助。
参考文献：
[1]于靖博，张文孝，李广华.工程流体力学课程教学改革与实践[J].装备制造技术，2011，（11）.
流体动力学模拟理论范文3
关键字：风工程，研究方法，学科进展
Abstract: the wind and its function of research history and the history of human development as old. In recent years, the wind research method in the field of disaster prevention and mitigation become very important subject direction. This paper mainly discusses the structure of wind engineering research methods, and its development.
Key word: wind engineering, research methods, subject development
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：
1.研究意义
风及其作用的研究历史与人类发展的历史一样久远。在许多神话和史前故事中，人类被风的威力与运动深深地吸引住。随着历史的发展，人类越来越认识到自然的循环规律，并认为风是一种能量运动 。
在今天，风的研究主要有两个分支。第一个是如何最大程度地减少强风的破坏。另外一个分支是如何利用风能为人类服务。在风工程的分支里，对风特性的研究是类似的。不过如何去抵抗风的破坏、免除人身伤亡是急迫的生存问题，更具有现实意义。
许多学者越来越对风与结构的相互耦合作用的研究感兴趣。早在半个世纪前，Jensen 就证明了通过实验合理建立风模型，研究结构上风荷载的可行性。在近几十年里，现代风工程针对低矮建筑物的研究已经取得丰硕的成果 。但是强风破坏的研究还是一个难题，需要风工程学者进行更深入的研究。
强风，飓风及龙卷风是危害最大的自然灾害之一，对生命与财产造成巨大的破坏。在2003年，加拿大中西部发生的龙卷风造成巨大的破坏，造成直接与间接的经济损失超过300亿美金 ；1998年北美飓风总共造成12000人伤亡 。在灾难中，根据房屋的破坏程度，把结构主要分成三类 ：(1)没有进行抗风设计的；(2)进行小范围的抗风加固的；(3)进行了专业抗风设计的。没有进行抗风设计的房屋结构基本被摧毁倒塌；有局部抗风加固的结构也遭遇了严重的破坏；而进行了专业抗风设计的结构只收到轻微的破坏。
风灾中，大部分房屋的破坏主要以屋盖破坏为主 。由于风洞试验的成本较高，许多建筑物并没有进行风洞试验研究。但是如果出现暴风，结构的破坏将是没法估计的。
随着科学技术的发展，轻质高强新型建筑材料的不断涌现，以及施工工艺的日新月异，大跨度柔性屋盖结构以其轻巧优美的姿态广泛应用于机场、体育馆、文体活动中心以及展览馆等公共建筑。但是由于这类建筑物质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点，风荷载将成为建筑物结构设计的主要荷载。所以深入准确地研究风荷载对这类建筑物的作用以及湍流的形成机理是非常必要的。
2.结构风工程的研究方法
结构风工程学是风工程学的分支，主要研究风和结构的相互作用,亦称结构风效应问题,特别是动力风效应,即风致振动问题。结构风工程经过几十年的发展，形成了比较完善的体系，研究方法包括理论分析、现场实测、风洞模拟和计算风工程方法。
2.2理论研究
理论分析以结构随机振动理论为基础，综合应用结构力学和概率论的知识，用于结构顺风向的随机振动分析和横风向亚临界范围的随机振动分析与跨临界范围的确定性共振响应分析。在实际工程中，一般运用理论分析来指导工程计算和试验。
2.2全尺度实测
全尺度实测（现场实测）是最直接、最真实的研究手段，利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，可获得风特性和结构响应的第一手资料，是检验其他方法结果是否正确不可缺少的方法。
基于现场实测，近地风可处理为平均风速和脉动风速的叠加；平均风速沿高度可用对数律或幂函数来描述，而脉动风的主要特征是紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等。在初步掌握这些重要特性的基础上， 给出了这些特征量的推荐值和推荐公式 (Simiu, et al. 1996; Sethu-Ramam 1979; Counihan 1975; Deaves, et al. 1978；Kaimal, et al. 1972; Davenport 1961; Panofsky 1965)。
全尺度实测也有它的限制和困难：
(1) 费时、费力、花费较高。
(2) 只能对已经建成的建筑物及其周围风环境进行测试，无法对拟建建筑物进行风环境预测，且不能对将来由于建筑周围环境变化而可能出现的情况进行研究。
(3) 由于缺乏可控制的环境，很难去重复试验和研究流动的各种特性。
(4) 由于风流动非常态性，数据采集和分析也很困难。
2.3风洞试验
可控制环境下结构与风相互作用的研究可追溯到19世纪初 。当时大部分风洞研究主要应用于航天应用，航天结构与建筑物的风洞试验也是在层流中进行的。一直到1958年，Jensen 才将湍流边界层模型应用到测试建筑物的风洞试验。这正是因为设备、测量技术、来流地形模型和分析方法的巨大进步，边界层风洞试验才被广泛应用于风工程研究中。
自60年代初美国Colorado州立大学 和加拿大WesternOntario 大学建成边界层风洞以来，目前世界各国的边界层风洞已经达到上百座，我国也相继建成了 20 多座边界层风洞。风洞试验是在风洞实验室模拟大气边界层中的实际风环境和实际建筑结构，从实验室的模型风效应考察实际的结构效应，是人为控制条件下对结构风效应进行再现。在建筑绕流和建筑物风荷载研究中风洞试验起着重要作用，但风洞试验也存在着很多问题：
1.试验必须采用几何缩微模型，一般在1:200~1:1000，这样建筑物细部对风作用的响应得不到合理的反映；
2.试验要求满足相似性原理，然而有一些情况在常规的实验条件下是无法达到的，如强风暴这类的高雷诺数流动及绕流流动的脉动特性等在风洞中很难得到比较好的模拟，特别是湍流的小尺度脉动；同时鉴于近地风具有显著的紊乱性和随机性，在风洞中很难进行准确模拟，因此实验结果和实测值必然存在一定的差异；
3.建设风洞投资费用高，试验过程中的费用高、周期长。设计是一个反复的过程，需要多个方案进行比较，但不可能一一做风洞试验，结果不能得到抗风性能最优的结构。
2.4计算风工程
由于风洞试验的局限性并随着计算机技术的快速发展，计算风工程方法已经逐步成为继风洞试验后预测建筑物表面风压、周围风速和湍流特性的一种新的有效方法。
计算风工程方法（Computational Wind Engineering，简称 CWE）的核心内容是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics），亦称为其控制方程在数学上为一组偏微分方程。数值风洞通过在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的流体动力学方程进行数值求解，并且可借助计算机图形学技术将模拟结果形象地描述出来，以对建筑物周围风场进行仿真模拟。CWE 技术在传统的风洞试验所不能解决的问题上具有广阔的前景，将不断地被人们所接受。
对于任何给定的流体流动问题，必须满足一系列要求，并且要经过一些步骤才能获得满意的结果。这些要求和步骤包括：对计算域的的定义，网格生成，边界条件的指定，初始条件的定义，对数值方法和离散格式、湍流模型、时间步大小、时间推进方法及收敛准则的选择。
计算风工程与风洞试验相比较，其优点表现为：1.数值计算成本相对较低，周期短，精度高；2.可以根据研究和设计的不同需要不断改变流场和结构的相关参数，对研究对象进行全方位多角度的分析研究；3.可以进行全尺度的模拟，克服实验中难以满足雷诺数相似性的困难，可避免风洞试验由于尺寸缩放所引起的误差；4.数值模拟结果可以利用丰富的可视化工具，提供风洞实验不便或无法提供的流场绕流信息。数值风洞是综合计算流体动力学、结构动力学、风工程学、结构工程，以及计算机语言、数值计算方法、计算机图形学和动态可视化处理技术等多学科的新兴交叉学科，其特点是工程应用背景强，理论研究难度大。
参考文献
[1]Lugt,H.J.,Vortex Flow in Nature and Technology,John Wiley & Sons,1983
[2]Jensen,M.,The Model-law for phenomena in natural wind,Inqenioren,nternationalEdition,Vo l,No.4,pp .121-123, 1985
[3]Holmes,J.D.,Wind loads on low rise buildings-a review,CSIRO,Division of Building Research Australia,1983
[4]Stathopoulos,T.,Wind loads on low rise buildings:a review of the state of the art,Engineering Structures 6,119-135,1984
[5]Krishna,P.,Wind loads on low rise buildings-a review,J.Wind End. Ind.Aerodyn.55,383-396,1995
[6]Surry,D.,Wind loads on low rise buildings:past,present and future,10International Conference on Wind Engiineering, Copenhagen, 21-24 June,Rotterdam,pp.105-114,1999
[7]Uematsk,Y.,Isyumov,N.,Wind Pressures acting on low rise buildings-Review,J.Wind Eng.Ind.Aerodyn.82,1-25, 1999
[8]Ross,T.,and Lott,N.,Billion dollar U.S.Weather disasters 1980-2001,National Climatic Data Center,2001
[9]FEMA,Hurricane Gorges surpass hurricane Andrew in total number of disaster applicant registrations,Federal Emergency Management Agency,1998
[10]Manning,B.R,Hurricane Hugo,Puerto Rico,the Virgin Islands,and Charleston,South Carolina,September 17-22,1989,The National Academies Press,pp.247-257,1994
[11]Lucine,H.,The Influence of Eaves,Parapets and Other features on the Wind Loading of Low Building Roofs, M.E.Sc.Thesis,Department of Civil and Environmental Engineering,The University of Western Ontario,1993
[12]项海帆. 结构风工程研究的现状和展望.振动工程学报, 1997,10(3):258-263
[13]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2001
流体动力学模拟理论范文4
关键词： 轨道车辆；动车组； 空调系统；冷凝风；扰流装置；
中图分类号：U266 文献标识码：A
引言：
高温季节，武广高速动车沿线天气炎热，车辆在运行过程中频繁出现列车空调系统制冷效果差，但回库检查空调制冷又正常，在实时监控中发现列车在高温（35度上）高速(时速超330)情况下，空调系统运行压力过高，过制冷系统系统旁通阀打开，导致空调出风温度升高而引起空调制冷量不足。
一、列车空调冷凝风量分析
根据现场监控分析，由于列车在高速运行过程中产生的行车气动阻力，导致空调冷凝风机排风不畅，制冷系统冷凝换热不良，制冷系统压力升高。
（一）CFD软件分析及模型建立
为验证是否是该原因导致列车空调制冷系统压力升高，并采用计算流体动力学CFD的FLUENT软件对高速行驶的列车空调机组冷凝风量进行仿真分析；
研究对象：列车高速运行时，空调机组冷凝风机流量；
研究目的：了解冷凝风机出口流量；
根据空调制冷系统设计要求，冷凝风量需大于10000立方米/小时才能空调冷凝换热；
在计算时假设：
a空气密度不变化，流体为不可压缩；
b流动中无热量交换，不考虑能量守恒方程。
内流模拟采用的连续性方程及纳维-斯托克斯方程（即N-S方程）为：
（1）
湍流模型选取常用的Realizable k-ε二方程模型。
（2）
（3）
将CAD软件Pro/E建立的模型导入FLUENT，并对模型进行适当修正，建立几何模型。
图1 计算模型示意图
1、载荷工况
在计算过程中，由于我们关心的位置在车顶部位置，因此对于车辆与地面之间的关系进行了简化，同时在计算中我们作出如下假设：
（1）计算中采用模拟风洞的方式，认为车不动，风速以车速朝列车吹风（保证了相对运动关系，计算结果不受影响）；
（2）计算中将风扇处理为FLUENT软件中的Fan-Model，同时认为风扇始终以最大静压值工作（Pmax=148Pa）；
（3）设计工况：计算网格数量约为722万；
（4）收敛判定：连续性相对误差小于0.0001；
（二）计算结果分析：
过冷凝风扇流量列表
通过计算数据可以看出，两台空调机组的冷凝风风量分别为6906.7m3/h和8613.3 m3/h，都小于空调制冷系统设计要求，所以照成空调系统压力偏高，制冷效果不好。这也就意味着现有的排风设计存在着缺陷，在车辆运行速度较高时，车厢顶部靠前的风扇基本上工作不正常，无法很好的进行排风，需要对这个位置进行优化设计。
优化方案及验证
在空调机组后端冷凝顶盖侧，增加一扰流装置，改善空调机组在不同运行方向的流场，使空调的冷凝风量顺利排放，改善系统冷凝散热，降低列车高速运行时的机组冷凝压力。
1、更改后模型：
图3 更改后模型（增加导流罩）
计算方法同1.2原始模型：
下面对二种模型下的风量、压力等参数进行对比：
冷凝风扇出风量对比
从以上数据可以看出，在更改模型后，空调冷凝风扇的出风量明显增大，符合空调制冷系统设计要求，从理论上能够解决武广高速动车组空调机组制冷效果不良的问题。
2、仿真分析结论：
原始模型的空调出风量在350km/h速度下，前后部空调的冷凝出风量均不满足设计要求；
更改后模型在350km/h速度下，空调的冷凝出风量能够满足设计要求；
通过计算论证建议采用更改后模型进行试验测试。
三、结论
本文通过有计算流体动力学CFD对现运行武广线高速动车组客室空调系统的冷凝风机排风进行流体力学分析，并提出在空调机组冷凝侧增加扰流装置的优化方案可以促进冷凝风量顺利排放，改善系统冷凝散热，降低列车高速运行时的机组冷凝压力，保证高温季节时空调稳定正常运行。
参考文献：
[1]韩占忠，王敬，兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社.2008.
流体动力学模拟理论范文5
热平衡状态下，各处温度保持恒定不变，各系统的吸、放热量相等。(1)发动机冷却系统Q0＝Q1＝P1，式中：Q0为冷却液通过发动机时的吸热量；Q1为冷却液通过水箱散热器时的放热量；P1为水箱散热器的换热量。(2)液力传动散热系统Q21＝P2，式中：Q21为液力油通过液力散热器时的放热量；P2为液力散热器的换热量。Q21+Q22＝Q2，其中Q22＝∑KdiAdiΔtdi。式中：Q22为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的放热量；Q2为液力变矩器的液力损失；Kdi、Adi和Δtdi分别为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的散热系数、外表面面积和油与环境的温度差。(3)液压传动散热系统Q31＝P3，式中：Q31为液压油通过液压散热器时的放热量；P3为液压散热器的换热量。Q31+Q32＝Q3，式中：Q3为液压系统的能量损失；Q32为液压系统油箱、液压缸和输油管路等表面的放热量。(4)冷却风散热系统Q4＝Q1+Q21+Q31＝P1+P2+P3，式中：Q4为空气通过散热器组时的吸热量。虽然传统设计方法存在对细节考虑不足的缺点，但其具有对问题表达方便以及计算过程简单等优点，对某些问题也不失准确性，故仍作为设计和研究热交换系统的基本方法，具有较大的使用价值。
2试验研究
试验研究是利用先进的物理试验技术，对实际热管理系统关键部位的主要工作参数进行测量分析。任何理论计算方法都是建立在某些假定条件上的抽象方法，都有其适用范围，偏离了其适用范围，计算结果就会产生较大偏差。由于流体传热问题的复杂性，人们目前对某些方面的认知还不够深入和准确，试验研究仍是不可缺少的手段。试验测试系统结构如图1所示[5]84,88[7]20。
3流场的数值模拟分析
工程机械主要利用流体来完成传热，流动特征对传热效果和能量损失有着较大影响，合理设计流道是非常必要的。随着计算流体动力学(CFD)技术在传热方面应用的不断深入，利用数值模拟计算分析流场，可获取大量的流动细节数据，有利于分析产生不良性能的原因。可利用CFD技术对冷却风流场、散热器中流体流动及传热特性、发动机冷却水腔内部流动、液力变矩器以及液压元件内部流动等进行分析。引入CFD技术可弥补传统设计方法的不足，并降低开发成本和缩短开发周期，它已成为国内外自主创新和自主设计的重要技术支持之一[5]8[6]4[7]20,501。例如冷却风流道由机罩、发动机、导风罩、风扇和散热器组构成，其中流动比较复杂，不同部位流态差别也较大。在设计机罩、导风罩和风扇等时，可以借助CFD软件对流场进行数值模拟分析，由此对上述部件的结构形状进行优化改进。利用冷却风流场的数值模拟结果，还可以计算出冷却风的平均集总参数，用于对整机热管理系统的计算机仿真分析[10-11][12]092802-6。
3.1流场数值模拟分析
对流场进行数值模拟分析主要包括建立计算域、计算域网格划分、流场数值模拟计算和计算结果分析。目前常用的CFD软件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此进行数值模拟计算大多可以得到比较满意的结果，其中准确设定流体密度和黏度等物性参数以及边界条件是获得准确计算结果的关键[7]507。计算结果分析包括以下内容。(1)流场分析观察分析流速及压强等物理量的大小及分布特点，分析流场中涡流、滞流、回流、卡门涡列等流动特征的位置和强度，分析它们对工作性能的影响。(2)典型断面主要参数的分析利用流场模拟计算结果，可计算出平均流速、平均压强、流量和阻力等参数，进而可计算出流速系数和阻力系数等参数。据此分析流动参数与流道几何结构、尺寸以及工作参数之间的相互影响，为设计高性能产品提供有价值的建议。
3.2装载机冷却风流道的分析
针对XG953型装载机，利用CFD技术计算了原结构和几个改进方案的冷却风流场。重点从流速场、压力场、流量和风阻4个方面进行比较分析，由此提出改善散热效果的措施：①封堵或尽量减小散热器四周的间隙，避免热风回流；②机罩后部靠顶部处开出风口，以保证热风排出顺畅；③进风口采用风阻较小的网状结构，其位置尽量靠近风扇进口，以减小进风风阻。采用前两个措施后，可增加冷却风有效流量约15.2%。采用某一改进方案，在高速跑车工况下，装载机机罩出口冷却风速度分布如图2所示。将机罩出口冷却风速度的计算值与试验测量值比较发现，计算值与试验测量值基本接近，表明采用数值分析方法能很好地解决实际问题。
4计算机仿真
工程机械热管理系统由多个子系统组成，实际工作中它们之间相互影响，单纯依靠传统计算分析方法，不易设计出整体性能良好的热管理系统。因此，借助先进的计算机系统仿真技术，对整机热管理系统的工作特性进行模拟计算，无疑是解决这种复杂问题的有效手段。利用计算机仿真技术，可以计算出系统中各个部位的温度、压力和流量等参数的静态和动态特性，可以分析各参数对各子系统的影响以及各参数对系统性能的影响，有助于人们对系统更直观、更全面、更深入的认知，弥补传统计算方法和试验的不足。可用于该方面的仿真软件有EASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。
4.1XG953型装载机散热系统仿真模型
笔者利用EASY5软件构建了改进后的XG953型装载机散热系统仿真模型，散热系统包括发动机散热、液力传动系统散热、液压系统散热和冷却风4个子系统，如图3所示。
4.2仿真结果分析
在36℃环境温度下，对装载机在高速跑车工况下的热平衡状态进行了仿真计算与试验测试，结果基本吻合(如表1和表2所列)。其中发动机冷却水和液力传动冷却油的热平衡仿真曲线如图4所示。
5结语
流体动力学模拟理论范文6
关键词：洁净室计算流体动力学风机过滤器单元满布率节能
1引言
洁净室空调系统经典的方案是采用中央空调和三级过滤器集中送风，通过大型风道将已经处理的空气送至过滤器的接联管道，然后经高效空气过滤器（HEPAFilter）或者超高效空气过滤器（ULPAFilter）送到洁净室。而另一种方案是采用室内循环风就地冷却，利用干冷却盘管解决新风不能提供全部冷负荷的问题，同时利用风机过滤器单元来进行空气循环。每种方式各有一定的适用范围，风机过滤器单元（FFU）因其灵活性大,即可通过置换盲板来提高局部区域的洁净度、占用空间较少等优点得到越来越多的应用，尤其适合于旧厂房的改造及技术更新较快的工程。虽然FFU系统成本较高，而从综合投资角度，分析认为采用FFU方式在末端过滤器铺设率为25%－30%时较为有利【1】。
ISO5级（百级）洁净室属于洁净室用暖通空调系统耗能大户，通常采用吊顶满布高效过滤器的送风方式，运行能耗较大。有关洁净室运行费用的文献指出，在某些欧洲国家，能源消耗的费用已占洁净室运行、维护年度总费用的65%～75%【2】，其主要影响因素是洁净室的空气流量和采暖通风空调系统如何有效地向洁净室分布经过净化和温湿度调节的空气，所以在保证洁净污染控制的条件下，合理选择送风速度，布置末端过滤器、回风口、减少送风量以便节能是人们关注的焦点。
另外国外对一些ISO5级洁净室实测数据表明，大部分换气次数远低于建议的下限值【2】，而在设计中存在系统风量过大的倾向，这可能与对气流缺乏了解，担心系统运行可靠性的保守思想有关，说明提高节省能源的机会确实存在。随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域，通过计算机求解流体所遵循的控制方程，可以获得流动区域的流速、温度、浓度等物理量的详细分布情况，是一种较好的优化设计工具。其优势在于利用CFD技术对设计方案进行模拟可以在施工前发现失误并及时更正，避免经济损失；可以迅速发现提高系统运行效率的可能性；另外，通过模拟可以得到一系列运行的备选方案，以便在寻找最经济方案时有所依据。
本文利用CFD软件，对拟采用FFU净化空调系统的某微电子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟，通过几个设计方案相比较，利用所得到的速度场，分析评价其性能，利用理论计算验证其平衡态的洁净度，并提出一些应用中的注意事项，为实际工程应用提供参考。
2数值模拟及分析
2.1数学模型
从流动的雷诺数Re来考虑，洁净室的气流均为紊流【3】，空气的流动满足连续性方程，动量方程和能量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有关平均值，因此，本文采用数值计算三类方法中雷诺时均方程中的紊流粘性系数法，流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型，k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。
控制方程的通用形式为【4】：
式中：ρ为空气密度(kg/m3)，V为气流速度矢量(m/s)，Γφ，eff为有效扩散系数(kg/ms)，Sφ是源项，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一项，u,v,w为三个方向的速度分量(m/s)，k为紊流动能(m2/s2)，ε为紊流动能耗散率(m2/s3)，Φ=1时通用方程变为连续性方程。
边界条件：墙体边界设为无滑移边界条件。送风边界条件，送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下。回风边界条件，回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。
2.2物理模型及计算结果分析
方案一将风机过滤器单元（规格为1.2m×1.2m）成条型居中布置于天花板，满布比在25%，回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。物理模型平面图如图1。经模拟计算得到气流流场示于图3，由于送风口在Y方向呈对称布置，图中只给出一半流场。从图中可见，在送风口下方流线垂直向下，流线平行较好，而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区，则主流区范围减少，不能使全室工作区达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入主流区，排除污染物的路径增长，增加污染的可能性。
图1FFU布置平面示意图（条型）图2FFU布置平面示意图（均匀）
图3FFU条型布置YZ截面流场图
图4FFU均匀布置YZ截面流场图
方案二将FFU（规格为1.2m×1.2m）散布于天花板，满布比仍为25%，过滤器面风速在0.45m/s，回风采用全地面均匀散布高架格栅地板作为回风口。物理模型平面示意图如图2，气流流场分布如图4。模拟计算显示，对于均匀布置FFU方案，工作区1.2m及0.8m高度断面平均风速分别为0.1545m/s、0.1516m/s，可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流，形成小的涡流区，但在工作区0.8m－1.2m范围内已形成竖直向下的流线，时均流线平行较好，由于此洁净室产热量较小，热气流对流线影响可忽略，不会产生逆向污染，因此上部的涡流不会对主流区产生影响。空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运动速度和位移是微小的，直径在1μm时，微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10－3【3】。此设计中新风处理机组设三级过滤器，FFU中过滤器为U15≥99.9995%＠MPPS，直径＞1μm的微粒可视为零，因此，工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动，直接排出洁净室。
当进一步减小满布比时模拟计算可知，除送风口正下方—定区域外，其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下，过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区，污染物极易被卷吸进入涡流区内而不易排出。
经过模拟计算及分析，我们认为在送风口满布比为25%，均匀分布FFU，采用全地面均匀散布穿孔板回风，过滤器面风速在0.45m/s，相应换气次数为147次/小时，由于FFU可达到较大的送风面风速，以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用，因为如果采用侧墙下侧回风，就会在洁净室中间下部区域形成较大的涡流三角区【5】，因此，洁净室内能够形成比较合理的气流流形，在主流区内能形成基本垂直向下的流线，但在靠近四周墙壁处，由于形成受限射流，出现涡旋，因此在布置设备时，应避免将设备靠墙壁布置，而应留有一定距离，这是洁净室施工完毕，开始投入使用时应加以注意的。另外，此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流，但美国标准IES－RP－CC012.1【6】中已认为ISO5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型。
3理论计算洁净度
洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定。可以通过数学公式对其进行计算。根据粒子平衡理论，进入洁净室的粒子有室外新风带入、循环空气带入及室内污染源。对于电子厂房室内污染源主要是工作人员的产尘，而设备产尘很小可忽略不计。从洁净室排出的粒子有回风带出及由于室内正压而渗出的粒子。可得如下方程【7】：
达到平衡状态时，浓度方程变为：
其中
以上式中：Q，送风量，m3/sq，渗出的空气量，m3/s；V，洁净室的容积，m3；x，循环风的比例，此处为1；c，洁净室的浓度，粒/m3；c0，洁净室的初始浓度，粒/m3；c∞，洁净室的平衡浓度，粒/m3；c1，渗出空气的浓度，粒/m3；cout，室外新风的浓度，粒/m3；t，时间；ηout，新风过滤器效率；ηrec，回风过滤器效率；S，室内污染源，粒/秒；ε,通风效率。
新风预过滤器为F5（η＝55%），中效过滤器为F9（η＝95%），高效过滤器为H12（η＝99.5%），FFU中过滤器为U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新风含尘浓度天津地区取为3×107粒/m3(≥0.5μm)；身着洁净服的工作人员走动时的产尘量为1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；设同时有3人在工作；通风效率取为90%；新风比为4.42%。计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度为2857粒/m3（即81粒/ft3），达到ISO5级100粒/ft3的设计要求。
4结论
通过本文的研究可得到如下结论：
1）针对电子厂房洁净室发尘量较低，室内人员较少，热负荷较小的情况，通过选择级别较高的过滤器，合理布置末端高效过滤器的位置，回风方式后，即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于规范建议的下限值，仍可有效地滤除粒子，满足空气洁净度要求。
2）CFD是一种较好的优化设计工具，结合工程实际情况，借助模拟工具进行辅助设计是必然趋势。
参考文献
1.严德隆.全国室内空气净化工程与技术发展研讨会.2001:94～97
2.徐腾芳,杨耀祖.洁净与空调技术,2002(B12)：37～42
3.许钟麟.空气洁净技术原理.上海：同济大学出版社，1998
4.陶文铨.数值传热学（第二版）.西安:西安交通大学出版社,2001
5.樊洪明,何钟怡，李先庭.空气动力学学报，2001，19（3）：302～309
