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流體動力學模擬理論范文1
關鍵詞 數值模擬、流體動力學、幕墻通風
中圖分類號：O313文獻標識碼： A 文章編號：
1基本方程
建筑幕墻通風普遍采用理論公式計算分析，常規計算方法能夠比較正確地分析標準規則的幕墻自然通風，但很難計算分析構造復雜的建筑幕墻，這是因為作用于建筑幕墻的風一般呈湍流流動。流體試驗表明，當Reynolds數大于某一臨界值時，流動是會出現一系列復雜的變化，最終導致流動特征的本質變化，流動呈無序的混亂狀態。這時，即使是邊界條件保持不變，流動也是不穩定的，速度等流動特性都隨機變化，這種狀態稱為湍流（turbulent flow），湍流瞬時控制方程如下：
湍流中的脈動現象能夠影響幕墻的通風效果，且通風構件布置設計的合適與否也直接決定了幕墻通風設計方案的優劣，因此如構件截面尺寸大小，構件的間距等均需要通過模擬計算分析來加以確定。
2風壓計算
垂直于氣流方向的平面所受到的風壓力，其值是動風壓與靜風壓的總和,即Po=Ps+ WP，根據伯努利方程得出的風－壓關系，風的動壓為：WP =0.5×ro×V²，此式為標準風壓公式。根據國家標準《民用建筑熱工規范》GB50176-93附表3.2，可計算出幕墻面受到的大氣壓強為WP總=101328.025Pa.
3 CFD計算分析
本案例幕墻通風主要依靠鋁板開啟門的開啟與關閉來進行控制。開啟門開啟寬度的大小與開啟門外側的鋁格柵間距大小均會影響到通風量的大小。方案中格柵總開口寬度為145mm，高度為2950mm，豎向格柵的水平間距為28.5mm，豎向方向加設三根副框。初步方案設計假設3種開啟狀態。狀態1：設置格柵,開啟門完全開啟；狀態2：設置格柵,開啟門60°開啟；狀態3：取消格柵,開啟門完全開啟。
3.1 CFD計算條件
針對以上3種狀態進行CFD模擬計算，以狀態1（設置格柵,開啟門完全開啟）為例：取幕墻一個通風單元作為分析對象，橫向玻璃左右寬度均取700mm，豎向取2950mm。室外空氣壓強WP總= 101328.03 Pa。三維模型長6米，寬1.6米，高2.95米，采用GAMBIT程序建模，因格柵與開啟門構造復雜,此計算區域按加密的網格形式劃分,網格尺寸由中間往兩側逐漸增大，總計產生約46萬左右個體三維網格。此尺寸三維空間模型可認為滿足本案流體動力學模擬計算的需要。
通過格柵及開啟門的空氣流動歸為內流分析，當雷諾數大于2000時，流場將由層流過渡到湍流狀態。邊界條件中入口指定為Inlet vent類型，出口指定為Out vent類型；空氣密度ρ為1.2225 kg/m3，空氣運動粘度viscosity為1.7894e-05m2/s。求解器采用壓力-速度耦合SIMPLER算法，其Under-relaxation Factor中的系數如下：Pressure=0.3，Density=0.3，Body force=1，Momentum=0.7。
假定計算域的空氣符合連續介質，所有材料均為灰體, 交界面為理想接觸，不考慮接觸熱阻,空氣對輻射的吸收為零, 通道內空氣密度遵循BoUssinesq假設。采用FLUENT 6.3.26進行模擬計算,計算結果圖形見二維速度矢量等值云圖（右圖）。
從右圖可知，以開啟門及格柵中間位置的interior face為基面，基面外側的格柵周圍空氣形成漩渦狀擾動，空氣經過格柵的縫隙后，速度逐漸提高，此區域的空氣湍流運動明顯增強，靠近開啟門的室內空氣湍流最為劇烈，距離開啟門約400mm范圍內的空氣擾動強烈，明顯存在直噴波形湍流現象。
3.2計算結果
狀態1~3，單位時間進入室內的空氣流量分別為：M1=0.45kg/s，M2=0.38kg/s，M3=0.53kg/s。
4 理論計算分析
4.1理論計算條件
狀態1~3下，開啟門的通風面積分別為：，，。冬季平均室外風速取V=2.2 m/s，空氣密度r=1.2225 kg/m³。
4.2理論計算結果
狀態1~3，單位時間內進入室內的空氣流量分別為：,,。
5 結果比較
由右圖可知，流體動力學計算得到的空氣流量（曲線）比理論計算（ABC曲線）的結果要小，這主要是由于幕墻格柵及開啟門等構件損耗空氣流動的能量所導致，因此需考慮構件的合理布置，以免影響幕墻的通風。開啟門在完全開啟狀態下，設置有格柵的幕墻通風量約為取消格柵的幕墻的85%，因此如需增加通風量，可通過調整格柵的數量，截面尺寸及間距來實現。
6 結論
建筑幕墻通風的前期設計階段可以采用流體動力學CFD軟件計算分析，根據不同條件的計算結果來調整優化設計方案，能夠節省成本與時間，是將來建筑幕墻通風設計的發展方向。
參考文獻
[1]《民用建筑熱工設計規范》GB50176-93
[2]《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003
[3]《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2003
流體動力學模擬理論范文2
關鍵詞：工程流體力學；教學改革；大學；專業基礎課
中圖分類號：642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）03-0030-02
“工程流體力學”課程是以高等數學、大學物理、工程力學、工程熱力學為基礎，集概念、公式、實際應用于一體的一門專業基礎課。該課程基本概念抽象，公式結構復雜，實際應用眾多，尤其在石油行業尤為突出。石油工業中的許多問題都要采用流體力學理論解決，諸如鉆井液循環壓力和流速的設計，套管強度的校核，采油過程中油井采出的流體在泵或井筒內的流動規律分析，地面管線的布設，管徑設計，管線強度的校核，壓差與流量之間關系的確定，輸液泵的選擇和安裝位置的確定，儲油罐強度的校核，油品裝卸時間的計算，油品和天然氣的計量，氣蝕和水擊等現象的預防等。解決這些問題，要求從事石油工程技術的科學工作者必須具備“工程流體力學”知識，以便在石油工程的建設和管理中更好地發揮作用。為了使學生能夠更好地學習掌握該課程的內容，教學環節尤為重要。對如何設計教學環節，本文主要從以下四個方面加以說明。
一、教學由多媒體與板書共同完成
教學板書是教師教學思路的整體反映，是教師在教學過程中引導學生學習，幫助學生理解和記憶，以及啟發學生思考的重要手段，是教學過程中不可缺少的組成部分。教學板書以文字、符號、圖表等手段將教學內容直接訴諸學生的視覺，豐富了學生的感知表象，有助于學生吸收和掌握知識信息。在授課過程中，筆者把學生對使用板書和多媒體的意見進行調查，90%的學生更傾向于使用板書教學。
由于“工程流體力學”課程，基本概念多、難理解，公式復雜難懂，采用板書邊寫邊講解，給學生留有足夠的時間去理解，去認知，接受起來更容易一些。但是流體本身運動復雜，沒有固定的形狀，在外力作用下，流體流動狀態、流動規律是什么樣的，在板書上表達起來可能不夠準確，不夠形象、逼真；而采用多媒體[1]，將其制作成圖片或動畫課件，則直觀明了，生動具體，給學生在視覺上以新穎的感覺，在頭腦里的印象會更深刻一些。比如：講工程流體力學的發展史，單純講授枯燥無味。此時，制作多媒體課件展示給大家， 比如弧線球也稱香蕉球，找一個足球明星踢弧線球的視頻放里面，邊放映邊講解，學生很感興趣，還學到了知識，同時也激發了學生的學習熱情，起到了很好的引導效果。
二、將計算流體動力學軟件融入到理論教學中
“工程流體力學”一般采用理論方法、實驗方法和數值計算三種方法研究，其中，數值計算就是使用計算流體動力學軟件計算[2]，是當今比較常用也比較流行的方法。計算流體動力學（簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。CFD可以看作是在流動基本方程控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區等。CFD方法克服了理論方法和實驗方法的局限性，在計算機上實現一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。例如，機翼的繞流，通過計算機并將其結果在屏幕上顯示，就可以看到流場的各種細節；如激波的運動、強度、渦的生成與傳播、流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。數值模擬可以形象地再現流動情景，與做實驗沒有區別。
目前，CFD軟件中比較著名的就是Fluent軟件。所以可以在教學中使用Fluent軟件模擬，給學生展示流動規律和流動結果。例如：馮?卡門渦街，不同形狀物體繞流使用Fluent進行模擬，既直觀又能清楚地展現流動規律，同時對流體本身產生無限的向往，對“工程流體力學”課程充滿了期待和興趣，為學生以后學習軟件打下了基礎。
三、實施雙語教學
隨著我國與世界的接軌，隨著世界一體化進程，迫切需要大量精通兩種以上語言的人才，作為一種培養國際化人才的有效手段，雙語教學勢在必行。高等教育作為教育的前沿陣地，也要同國際接軌。雙語教學本身就是我國高等教育國際化趨勢的客觀要求，對高校來講，可以加強國內高校和國外高校的教學合作，高校之間的合作項目越來越多，有助于國內外專業領域知識體系的統一和完善；對教師來說，可以促進國內高校教師同國外高校教師的學術交流，國內高校教師可從中了解到很多世界前沿知識，并有效地傳遞給學生；從學生自身來看，打破了語言障礙，學生能夠在專業技術領域內較好地將母語和英語這兩種語言之間根據交際對象和工作環境的需要進行切換，有效地開展交流與合作，并且多掌握一種語言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先進世界的途徑，多一份機會。雙語教學不僅可以培養學生運用外語解決實際問題的能力，而且有利于學生學習、掌握、精通一門外語（主要是英語），能夠多一種思維方式，學會從多種角度，用不同觀點看問題，進而提升競爭能力，同時也為培養“復合型”人才奠定了基礎。
現今實施“雙語教學”，既符合與時俱進的要求，又能夠提升教學水平，這意味著在教學中實施“雙語教學”勢在必行。在“工程流體力學”專業基礎課教學中改變使用單純母語（漢語）的教學方式，將外語（主要是英語）運用于其教學的全過程之中，使之與母語教學互相融合、互相促進，既體現專業基礎課教學的特色和針對性的同時，又能夠全面提高學生的外語應用能力和綜合素質，使教學更好地適應新世紀人才培養目標的要求。在“工程流體力學”教學中推行雙語教學，使學生在雙語教學課堂中提高英語水平，學會用英語表達專業知識，繼而過渡到用英語去思維、求知、交流，以便熟練地用外語來解決實際問題。這種教學模式既符合經濟迅速發展對涉外人才基本素質的要求，也符合大學各專業交叉融合的發展方向，是教學改革的重要內容。
根據“工程流體力學”課程的特點，在其教學中可以使用綜合型教學模式。即對一些基本概念、基本理論，比較好理解的，可以采用浸入型；而對一些公式的推導，專業性比較強的，難于理解的采用過渡型。另外，將一些流體發展的歷史、實例用多媒體教學手段進行授課，達到直觀的效果。
四、注重實驗環節
“工程流體力學”也是一門實驗科學[3]。很多流體力學理論都是以實驗為基礎建立起來的，理論分析得出的結果需要通過實驗來驗證，而實驗的進行又需要用分析得出的理論來指導。因此，實驗是“工程流體力學”課程的重要組成部分，是必不可少的教學環節。它不僅是為了驗證理論，有助于學生學好流體力學，而且是培養學生進行科學研究、提高獨立工作和創新能力的重要環節。
隨著大學教育的普及，受教育的人數迅猛增長，而實驗教學設備與人數增長不成比例，導致教學和實驗的間隔周期較長，使得實驗前，有些學生并沒有做好充分的準備，并且缺乏必要的理論復習，對即將做的實驗相關知識沒概念，致使理論和實驗嚴重脫節，實驗效果不佳。但是對學生的考核僅僅是一份實驗報告，導致有些報告抄襲嚴重，甚至有些學生做實驗，看別人怎么做就怎么做。這樣，學生的動手能力、實踐能力怎么能培養出來？更不用說培養學生的創新能力和發散思維。實驗課是教學的必要環節，也是重要環節，不容忽視。
1.實驗前，回顧與實驗相關的知識點，讓學生在短時間內了解本次實驗和相關理論，這里的相關理論不是本實驗的結論，實驗結論應該由學生通過做實驗總結出來；也可以將本實驗過程錄制成一段視頻，讓學生提前看一下，熟悉一下實驗過程，視覺在人心中留的印象會更深刻一些，做到心中有數，這樣真正自己動手做實驗就不會茫然。
2.由于時間和設備的限制，實驗只能就某一種情況進行操作，對其他條件變化時會有什么樣的規律不能面面俱到，這時在實驗教學中應用計算流體動力學軟件演示也會收到很好的教學效果。所以，計算流體動力學軟件不僅在教學中，在實驗中的作用也是顯著的。
3.在實驗課教學改革的同時，實驗課考核的方法也應該相應地加以整改。通過純粹的書面實驗報告和出勤率進行考核，學生互相抄襲，敷衍了事，實驗做完后真正的原理還沒弄明白。為了避免此類情況的發生，一方面，考核每個學生親自動手做實驗，邊做實驗邊講解，不僅能夠鍛煉學生動手的實驗能力，語言表達能力相應地也有所提高，為此應該增加實驗教師的人數；另一方面，除了增加實驗課在最終成績的比例（10%）外，還要在期末試卷中增加實驗內容，以檢驗學生對實驗的理解能力和掌握情況。
為了使學生能夠更好地掌握“工程流體力學”課程的內容，教學需要改革，這就要求當代大學教師不斷地嘗試、不斷地探索新的教學模式，充分調動學生的學習熱情。本文針對“工程流體力學”這門專業基礎課程的特點，提出了幾點教學建議，希望對工作在一線的流體力學教師有點幫助。
參考文獻：
[1]于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學課程教學改革與實踐[J].裝備制造技術，2011，（11）.
流體動力學模擬理論范文3
關鍵字：風工程，研究方法，學科進展
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
中圖分類號：TB482.2 文獻標識碼：A文章編號：
1.研究意義
風及其作用的研究歷史與人類發展的歷史一樣久遠。在許多神話和史前故事中，人類被風的威力與運動深深地吸引住。隨著歷史的發展，人類越來越認識到自然的循環規律，并認為風是一種能量運動 。
在今天，風的研究主要有兩個分支。第一個是如何最大程度地減少強風的破壞。另外一個分支是如何利用風能為人類服務。在風工程的分支里，對風特性的研究是類似的。不過如何去抵抗風的破壞、免除人身傷亡是急迫的生存問題，更具有現實意義。
許多學者越來越對風與結構的相互耦合作用的研究感興趣。早在半個世紀前，Jensen 就證明了通過實驗合理建立風模型，研究結構上風荷載的可行性。在近幾十年里，現代風工程針對低矮建筑物的研究已經取得豐碩的成果 。但是強風破壞的研究還是一個難題，需要風工程學者進行更深入的研究。
強風，颶風及龍卷風是危害最大的自然災害之一，對生命與財產造成巨大的破壞。在2003年，加拿大中西部發生的龍卷風造成巨大的破壞，造成直接與間接的經濟損失超過300億美金 ；1998年北美颶風總共造成12000人傷亡 。在災難中，根據房屋的破壞程度，把結構主要分成三類 ：(1)沒有進行抗風設計的；(2)進行小范圍的抗風加固的；(3)進行了專業抗風設計的。沒有進行抗風設計的房屋結構基本被摧毀倒塌；有局部抗風加固的結構也遭遇了嚴重的破壞；而進行了專業抗風設計的結構只收到輕微的破壞。
風災中，大部分房屋的破壞主要以屋蓋破壞為主 。由于風洞試驗的成本較高，許多建筑物并沒有進行風洞試驗研究。但是如果出現暴風，結構的破壞將是沒法估計的。
隨著科學技術的發展，輕質高強新型建筑材料的不斷涌現，以及施工工藝的日新月異，大跨度柔性屋蓋結構以其輕巧優美的姿態廣泛應用于機場、體育館、文體活動中心以及展覽館等公共建筑。但是由于這類建筑物質量輕、柔性大、阻尼小、自振頻率低等特點，風荷載將成為建筑物結構設計的主要荷載。所以深入準確地研究風荷載對這類建筑物的作用以及湍流的形成機理是非常必要的。
2.結構風工程的研究方法
結構風工程學是風工程學的分支，主要研究風和結構的相互作用,亦稱結構風效應問題,特別是動力風效應,即風致振動問題。結構風工程經過幾十年的發展，形成了比較完善的體系，研究方法包括理論分析、現場實測、風洞模擬和計算風工程方法。
2.2理論研究
理論分析以結構隨機振動理論為基礎，綜合應用結構力學和概率論的知識，用于結構順風向的隨機振動分析和橫風向亞臨界范圍的隨機振動分析與跨臨界范圍的確定性共振響應分析。在實際工程中，一般運用理論分析來指導工程計算和試驗。
2.2全尺度實測
全尺度實測（現場實測）是最直接、最真實的研究手段，利用風速儀、加速度計等儀器在現場對實際風環境及結構風響應進行測量，可獲得風特性和結構響應的第一手資料，是檢驗其他方法結果是否正確不可缺少的方法。
基于現場實測，近地風可處理為平均風速和脈動風速的疊加；平均風速沿高度可用對數律或冪函數來描述，而脈動風的主要特征是紊流度、脈動風速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。在初步掌握這些重要特性的基礎上， 給出了這些特征量的推薦值和推薦公式 (Simiu, et al. 1996; Sethu-Ramam 1979; Counihan 1975; Deaves, et al. 1978；Kaimal, et al. 1972; Davenport 1961; Panofsky 1965)。
全尺度實測也有它的限制和困難：
(1) 費時、費力、花費較高。
(2) 只能對已經建成的建筑物及其周圍風環境進行測試，無法對擬建建筑物進行風環境預測，且不能對將來由于建筑周圍環境變化而可能出現的情況進行研究。
(3) 由于缺乏可控制的環境，很難去重復試驗和研究流動的各種特性。
(4) 由于風流動非常態性，數據采集和分析也很困難。
2.3風洞試驗
可控制環境下結構與風相互作用的研究可追溯到19世紀初 。當時大部分風洞研究主要應用于航天應用，航天結構與建筑物的風洞試驗也是在層流中進行的。一直到1958年，Jensen 才將湍流邊界層模型應用到測試建筑物的風洞試驗。這正是因為設備、測量技術、來流地形模型和分析方法的巨大進步，邊界層風洞試驗才被廣泛應用于風工程研究中。
自60年代初美國Colorado州立大學 和加拿大WesternOntario 大學建成邊界層風洞以來，目前世界各國的邊界層風洞已經達到上百座，我國也相繼建成了 20 多座邊界層風洞。風洞試驗是在風洞實驗室模擬大氣邊界層中的實際風環境和實際建筑結構，從實驗室的模型風效應考察實際的結構效應，是人為控制條件下對結構風效應進行再現。在建筑繞流和建筑物風荷載研究中風洞試驗起著重要作用，但風洞試驗也存在著很多問題：
1.試驗必須采用幾何縮微模型，一般在1:200~1:1000，這樣建筑物細部對風作用的響應得不到合理的反映；
2.試驗要求滿足相似性原理，然而有一些情況在常規的實驗條件下是無法達到的，如強風暴這類的高雷諾數流動及繞流流動的脈動特性等在風洞中很難得到比較好的模擬，特別是湍流的小尺度脈動；同時鑒于近地風具有顯著的紊亂性和隨機性，在風洞中很難進行準確模擬，因此實驗結果和實測值必然存在一定的差異；
3.建設風洞投資費用高，試驗過程中的費用高、周期長。設計是一個反復的過程，需要多個方案進行比較，但不可能一一做風洞試驗，結果不能得到抗風性能最優的結構。
2.4計算風工程
由于風洞試驗的局限性并隨著計算機技術的快速發展，計算風工程方法已經逐步成為繼風洞試驗后預測建筑物表面風壓、周圍風速和湍流特性的一種新的有效方法。
計算風工程方法（Computational Wind Engineering，簡稱 CWE）的核心內容是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics），亦稱為其控制方程在數學上為一組偏微分方程。數值風洞通過在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的流體動力學方程進行數值求解，并且可借助計算機圖形學技術將模擬結果形象地描述出來，以對建筑物周圍風場進行仿真模擬。CWE 技術在傳統的風洞試驗所不能解決的問題上具有廣闊的前景，將不斷地被人們所接受。
對于任何給定的流體流動問題，必須滿足一系列要求，并且要經過一些步驟才能獲得滿意的結果。這些要求和步驟包括：對計算域的的定義，網格生成，邊界條件的指定，初始條件的定義，對數值方法和離散格式、湍流模型、時間步大小、時間推進方法及收斂準則的選擇。
計算風工程與風洞試驗相比較，其優點表現為：1.數值計算成本相對較低，周期短，精度高；2.可以根據研究和設計的不同需要不斷改變流場和結構的相關參數，對研究對象進行全方位多角度的分析研究；3.可以進行全尺度的模擬，克服實驗中難以滿足雷諾數相似性的困難，可避免風洞試驗由于尺寸縮放所引起的誤差；4.數值模擬結果可以利用豐富的可視化工具，提供風洞實驗不便或無法提供的流場繞流信息。數值風洞是綜合計算流體動力學、結構動力學、風工程學、結構工程，以及計算機語言、數值計算方法、計算機圖形學和動態可視化處理技術等多學科的新興交叉學科，其特點是工程應用背景強，理論研究難度大。
參考文獻
[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]項海帆. 結構風工程研究的現狀和展望.振動工程學報, 1997,10(3):258-263
[13]黃本才.結構抗風分析原理及應用[M].上海:同濟大學出版社,2001
流體動力學模擬理論范文4
關鍵詞： 軌道車輛；動車組； 空調系統；冷凝風；擾流裝置；
中圖分類號：U266 文獻標識碼：A
引言：
高溫季節，武廣高速動車沿線天氣炎熱，車輛在運行過程中頻繁出現列車空調系統制冷效果差，但回庫檢查空調制冷又正常，在實時監控中發現列車在高溫（35度上）高速(時速超330)情況下，空調系統運行壓力過高，過制冷系統系統旁通閥打開，導致空調出風溫度升高而引起空調制冷量不足。
一、列車空調冷凝風量分析
根據現場監控分析，由于列車在高速運行過程中產生的行車氣動阻力，導致空調冷凝風機排風不暢，制冷系統冷凝換熱不良，制冷系統壓力升高。
（一）CFD軟件分析及模型建立
為驗證是否是該原因導致列車空調制冷系統壓力升高，并采用計算流體動力學CFD的FLUENT軟件對高速行駛的列車空調機組冷凝風量進行仿真分析；
研究對象：列車高速運行時，空調機組冷凝風機流量；
研究目的：了解冷凝風機出口流量；
根據空調制冷系統設計要求，冷凝風量需大于10000立方米/小時才能空調冷凝換熱；
在計算時假設：
a空氣密度不變化，流體為不可壓縮；
b流動中無熱量交換，不考慮能量守恒方程。
內流模擬采用的連續性方程及納維-斯托克斯方程（即N-S方程）為：
（1）
湍流模型選取常用的Realizable k-ε二方程模型。
（2）
（3）
將CAD軟件Pro/E建立的模型導入FLUENT，并對模型進行適當修正，建立幾何模型。
圖1 計算模型示意圖
1、載荷工況
在計算過程中，由于我們關心的位置在車頂部位置，因此對于車輛與地面之間的關系進行了簡化，同時在計算中我們作出如下假設：
（1）計算中采用模擬風洞的方式，認為車不動，風速以車速朝列車吹風（保證了相對運動關系，計算結果不受影響）；
（2）計算中將風扇處理為FLUENT軟件中的Fan-Model，同時認為風扇始終以最大靜壓值工作（Pmax=148Pa）；
（3）設計工況：計算網格數量約為722萬；
（4）收斂判定：連續性相對誤差小于0.0001；
（二）計算結果分析：
過冷凝風扇流量列表
通過計算數據可以看出，兩臺空調機組的冷凝風風量分別為6906.7m3/h和8613.3 m3/h，都小于空調制冷系統設計要求，所以照成空調系統壓力偏高，制冷效果不好。這也就意味著現有的排風設計存在著缺陷，在車輛運行速度較高時，車廂頂部靠前的風扇基本上工作不正常，無法很好的進行排風，需要對這個位置進行優化設計。
優化方案及驗證
在空調機組后端冷凝頂蓋側，增加一擾流裝置，改善空調機組在不同運行方向的流場，使空調的冷凝風量順利排放，改善系統冷凝散熱，降低列車高速運行時的機組冷凝壓力。
1、更改后模型：
圖3 更改后模型（增加導流罩）
計算方法同1.2原始模型：
下面對二種模型下的風量、壓力等參數進行對比：
冷凝風扇出風量對比
從以上數據可以看出，在更改模型后，空調冷凝風扇的出風量明顯增大，符合空調制冷系統設計要求，從理論上能夠解決武廣高速動車組空調機組制冷效果不良的問題。
2、仿真分析結論：
原始模型的空調出風量在350km/h速度下，前后部空調的冷凝出風量均不滿足設計要求；
更改后模型在350km/h速度下，空調的冷凝出風量能夠滿足設計要求；
通過計算論證建議采用更改后模型進行試驗測試。
三、結論
本文通過有計算流體動力學CFD對現運行武廣線高速動車組客室空調系統的冷凝風機排風進行流體力學分析，并提出在空調機組冷凝側增加擾流裝置的優化方案可以促進冷凝風量順利排放，改善系統冷凝散熱，降低列車高速運行時的機組冷凝壓力，保證高溫季節時空調穩定正常運行。
參考文獻：
[1]韓占忠，王敬，蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社.2008.
流體動力學模擬理論范文5
熱平衡狀態下，各處溫度保持恒定不變，各系統的吸、放熱量相等。(1)發動機冷卻系統Q0＝Q1＝P1，式中：Q0為冷卻液通過發動機時的吸熱量；Q1為冷卻液通過水箱散熱器時的放熱量；P1為水箱散熱器的換熱量。(2)液力傳動散熱系統Q21＝P2，式中：Q21為液力油通過液力散熱器時的放熱量；P2為液力散熱器的換熱量。Q21+Q22＝Q2，其中Q22＝∑KdiAdiΔtdi。式中：Q22為液力系統油箱、變速箱和輸油管路等表面的放熱量；Q2為液力變矩器的液力損失；Kdi、Adi和Δtdi分別為液力系統油箱、變速箱和輸油管路等表面的散熱系數、外表面面積和油與環境的溫度差。(3)液壓傳動散熱系統Q31＝P3，式中：Q31為液壓油通過液壓散熱器時的放熱量；P3為液壓散熱器的換熱量。Q31+Q32＝Q3，式中：Q3為液壓系統的能量損失；Q32為液壓系統油箱、液壓缸和輸油管路等表面的放熱量。(4)冷卻風散熱系統Q4＝Q1+Q21+Q31＝P1+P2+P3，式中：Q4為空氣通過散熱器組時的吸熱量。雖然傳統設計方法存在對細節考慮不足的缺點，但其具有對問題表達方便以及計算過程簡單等優點，對某些問題也不失準確性，故仍作為設計和研究熱交換系統的基本方法，具有較大的使用價值。
2試驗研究
試驗研究是利用先進的物理試驗技術，對實際熱管理系統關鍵部位的主要工作參數進行測量分析。任何理論計算方法都是建立在某些假定條件上的抽象方法，都有其適用范圍，偏離了其適用范圍，計算結果就會產生較大偏差。由于流體傳熱問題的復雜性，人們目前對某些方面的認知還不夠深入和準確，試驗研究仍是不可缺少的手段。試驗測試系統結構如圖1所示[5]84,88[7]20。
3流場的數值模擬分析
工程機械主要利用流體來完成傳熱，流動特征對傳熱效果和能量損失有著較大影響，合理設計流道是非常必要的。隨著計算流體動力學(CFD)技術在傳熱方面應用的不斷深入，利用數值模擬計算分析流場，可獲取大量的流動細節數據，有利于分析產生不良性能的原因。可利用CFD技術對冷卻風流場、散熱器中流體流動及傳熱特性、發動機冷卻水腔內部流動、液力變矩器以及液壓元件內部流動等進行分析。引入CFD技術可彌補傳統設計方法的不足，并降低開發成本和縮短開發周期，它已成為國內外自主創新和自主設計的重要技術支持之一[5]8[6]4[7]20,501。例如冷卻風流道由機罩、發動機、導風罩、風扇和散熱器組構成，其中流動比較復雜，不同部位流態差別也較大。在設計機罩、導風罩和風扇等時，可以借助CFD軟件對流場進行數值模擬分析，由此對上述部件的結構形狀進行優化改進。利用冷卻風流場的數值模擬結果，還可以計算出冷卻風的平均集總參數，用于對整機熱管理系統的計算機仿真分析[10-11][12]092802-6。
3.1流場數值模擬分析
對流場進行數值模擬分析主要包括建立計算域、計算域網格劃分、流場數值模擬計算和計算結果分析。目前常用的CFD軟件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此進行數值模擬計算大多可以得到比較滿意的結果，其中準確設定流體密度和黏度等物性參數以及邊界條件是獲得準確計算結果的關鍵[7]507。計算結果分析包括以下內容。(1)流場分析觀察分析流速及壓強等物理量的大小及分布特點，分析流場中渦流、滯流、回流、卡門渦列等流動特征的位置和強度，分析它們對工作性能的影響。(2)典型斷面主要參數的分析利用流場模擬計算結果，可計算出平均流速、平均壓強、流量和阻力等參數，進而可計算出流速系數和阻力系數等參數。據此分析流動參數與流道幾何結構、尺寸以及工作參數之間的相互影響，為設計高性能產品提供有價值的建議。
3.2裝載機冷卻風流道的分析
針對XG953型裝載機，利用CFD技術計算了原結構和幾個改進方案的冷卻風流場。重點從流速場、壓力場、流量和風阻4個方面進行比較分析，由此提出改善散熱效果的措施：①封堵或盡量減小散熱器四周的間隙，避免熱風回流；②機罩后部靠頂部處開出風口，以保證熱風排出順暢；③進風口采用風阻較小的網狀結構，其位置盡量靠近風扇進口，以減小進風風阻。采用前兩個措施后，可增加冷卻風有效流量約15.2%。采用某一改進方案，在高速跑車工況下，裝載機機罩出口冷卻風速度分布如圖2所示。將機罩出口冷卻風速度的計算值與試驗測量值比較發現，計算值與試驗測量值基本接近，表明采用數值分析方法能很好地解決實際問題。
4計算機仿真
工程機械熱管理系統由多個子系統組成，實際工作中它們之間相互影響，單純依靠傳統計算分析方法，不易設計出整體性能良好的熱管理系統。因此，借助先進的計算機系統仿真技術，對整機熱管理系統的工作特性進行模擬計算，無疑是解決這種復雜問題的有效手段。利用計算機仿真技術，可以計算出系統中各個部位的溫度、壓力和流量等參數的靜態和動態特性，可以分析各參數對各子系統的影響以及各參數對系統性能的影響，有助于人們對系統更直觀、更全面、更深入的認知，彌補傳統計算方法和試驗的不足?？捎糜谠摲矫娴姆抡孳浖蠩ASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。
4.1XG953型裝載機散熱系統仿真模型
筆者利用EASY5軟件構建了改進后的XG953型裝載機散熱系統仿真模型，散熱系統包括發動機散熱、液力傳動系統散熱、液壓系統散熱和冷卻風4個子系統，如圖3所示。
4.2仿真結果分析
在36℃環境溫度下，對裝載機在高速跑車工況下的熱平衡狀態進行了仿真計算與試驗測試，結果基本吻合(如表1和表2所列)。其中發動機冷卻水和液力傳動冷卻油的熱平衡仿真曲線如圖4所示。
5結語
流體動力學模擬理論范文6
關鍵詞：潔凈室計算流體動力學風機過濾器單元滿布率節能
1引言
潔凈室空調系統經典的方案是采用中央空調和三級過濾器集中送風，通過大型風道將已經處理的空氣送至過濾器的接聯管道，然后經高效空氣過濾器（HEPAFilter）或者超高效空氣過濾器（ULPAFilter）送到潔凈室。而另一種方案是采用室內循環風就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風不能提供全部冷負荷的問題，同時利用風機過濾器單元來進行空氣循環。每種方式各有一定的適用范圍，風機過濾器單元（FFU）因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區域的潔凈度、占用空間較少等優點得到越來越多的應用，尤其適合于舊廠房的改造及技術更新較快的工程。雖然FFU系統成本較高，而從綜合投資角度，分析認為采用FFU方式在末端過濾器鋪設率為25%－30%時較為有利【1】。
ISO5級（百級）潔凈室屬于潔凈室用暖通空調系統耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風方式，運行能耗較大。有關潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風空調系統如何有效地向潔凈室分布經過凈化和溫濕度調節的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風速度，布置末端過濾器、回風口、減少送風量以便節能是人們關注的焦點。
另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數據表明，大部分換氣次數遠低于建議的下限值【2】，而在設計中存在系統風量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔心系統運行可靠性的保守思想有關，說明提高節省能源的機會確實存在。隨著計算流體動力學（CFD）技術自身的發展，已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領域，通過計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細分布情況，是一種較好的優化設計工具。其優勢在于利用CFD技術對設計方案進行模擬可以在施工前發現失誤并及時更正，避免經濟損失；可以迅速發現提高系統運行效率的可能性；另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找最經濟方案時有所依據。
本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調系統的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進行計算機模擬，通過幾個設計方案相比較，利用所得到的速度場，分析評價其性能，利用理論計算驗證其平衡態的潔凈度，并提出一些應用中的注意事項，為實際工程應用提供參考。
2數值模擬及分析
2.1數學模型
從流動的雷諾數Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動滿足連續性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關心紊流的精細結構及其瞬時變化，而只關心紊流隨機變量的有關平均值，因此，本文采用數值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數法，流動模型采用暖通空調廣泛采用的標準k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數。
控制方程的通用形式為【4】：
式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(kg/ms)，Sφ是源項，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一項，u,v,w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變為連續性方程。
邊界條件：墻體邊界設為無滑移邊界條件。送風邊界條件，送風速度取過濾器面風速平均值，速度方向豎直向下?；仫L邊界條件，回風口滿足充分發展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小，不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進行求解。
2.2物理模型及計算結果分析
方案一將風機過濾器單元（規格為1.2m×1.2m）成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。物理模型平面圖如圖1。經模擬計算得到氣流流場示于圖3，由于送風口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風口至墻體范圍內有較大的渦流區，則主流區范圍減少，不能使全室工作區達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。
圖1FFU布置平面示意圖（條型）圖2FFU布置平面示意圖（均勻）
圖3FFU條型布置YZ截面流場圖
圖4FFU均勻布置YZ截面流場圖
方案二將FFU（規格為1.2m×1.2m）散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風速在0.45m/s，回風采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區1.2m及0.8m高度斷面平均風速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區，但在工作區0.8m－1.2m范圍內已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區產生影響?？諝庵械奈⒘Ｔ谥亓?、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10－3【3】。此設計中新風處理機組設三級過濾器，FFU中過濾器為U15≥99.9995%＠MPPS，直徑＞1μm的微?？梢暈榱?，因此，工作區產生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。
當進一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風口正下方—定區域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區，污染物極易被卷吸進入渦流區內而不易排出。
經過模擬計算及分析，我們認為在送風口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風，過濾器面風速在0.45m/s，相應換氣次數為147次/小時，由于FFU可達到較大的送風面風速，以及均勻散布穿孔地板回風口的均流作用，因為如果采用側墻下側回風，就會在潔凈室中間下部區域形成較大的渦流三角區【5】，因此，潔凈室內能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區內能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現渦旋，因此在布置設備時，應避免將設備靠墻壁布置，而應留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應加以注意的。另外，此設計中雖然不能形成如傳統滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流，但美國標準IES－RP－CC012.1【6】中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。
3理論計算潔凈度
潔凈室的潔凈度級別由通風系統和室內污染源所決定?？梢酝ㄟ^數學公式對其進行計算。根據粒子平衡理論，進入潔凈室的粒子有室外新風帶入、循環空氣帶入及室內污染源。對于電子廠房室內污染源主要是工作人員的產塵，而設備產塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風帶出及由于室內正壓而滲出的粒子?？傻萌缦路匠獭?】：
達到平衡狀態時，濃度方程變為：
其中
以上式中：Q，送風量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s；V，潔凈室的容積，m3；x，循環風的比例，此處為1；c，潔凈室的濃度，粒/m3；c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3；c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3；c1，滲出空氣的濃度，粒/m3；cout，室外新風的濃度，粒/m3；t，時間；ηout，新風過濾器效率；ηrec，回風過濾器效率；S，室內污染源，粒/秒；ε,通風效率。
新風預過濾器為F5（η＝55%），中效過濾器為F9（η＝95%），高效過濾器為H12（η＝99.5%），FFU中過濾器為U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新風含塵濃度天津地區取為3×107粒/m3(≥0.5μm)；身著潔凈服的工作人員走動時的產塵量為1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；設同時有3人在工作；通風效率取為90%；新風比為4.42%。計算得出此設計的潔凈室穩定含塵濃度為2857粒/m3（即81粒/ft3），達到ISO5級100粒/ft3的設計要求。
4結論
通過本文的研究可得到如下結論：
1）針對電子廠房潔凈室發塵量較低，室內人員較少，熱負荷較小的情況，通過選擇級別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風方式后，即使設計的室內換氣次數、斷面平均風速低于規范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿足空氣潔凈度要求。
2）CFD是一種較好的優化設計工具，結合工程實際情況，借助模擬工具進行輔助設計是必然趨勢。
參考文獻
1.嚴德隆.全國室內空氣凈化工程與技術發展研討會.2001:94～97
2.徐騰芳,楊耀祖.潔凈與空調技術,2002(B12)：37～42
3.許鐘麟.空氣潔凈技術原理.上海：同濟大學出版社，1998
4.陶文銓.數值傳熱學（第二版）.西安:西安交通大學出版社,2001
5.樊洪明,何鐘怡，李先庭.空氣動力學學報，2001，19（3）：302～309
