空氣動(dòng)力學(xué)及Ansys 基礎(chǔ)

1、空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)O.大氣物理性質(zhì)（Atmospheric physical property）空氣密度：空氣密度是指單位體積的空氣質(zhì)量，取決于分子數(shù)的多少，也就是空氣稠密的程度。空氣密度大，比較稠密，物體在空氣中運(yùn)動(dòng)所受阻力越大；空氣密度小，比較稀薄，物體所受阻力小?？諝鉁囟龋嚎諝鉁囟缺硎究諝獾睦錈岢潭龋欠肿硬灰?guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均速度的表現(xiàn)形式。分子運(yùn)動(dòng)速度大，即分子的平均動(dòng)能大，則空氣溫度高；分子運(yùn)動(dòng)速度小，即分子的平均動(dòng)能小，則空氣溫度低。空氣壓強(qiáng)：空氣壓強(qiáng)指單位面積上所承受的空氣垂直作用力。產(chǎn)生空氣壓強(qiáng)的原因是空氣分子連續(xù)不斷撞擊物體表面作用的結(jié)果。它與分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能成正比，取決于單位

2、體積內(nèi)的分子數(shù)目、分子質(zhì)量和分子運(yùn)動(dòng)的平均速度。A. 理想流體（Ideal Fluid）和粘性流體（Viscous Fluid）：流 體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)相鄰的兩層流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)滑動(dòng)速度卻是有抵抗的，這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩 層流體相對(duì)滑動(dòng)速度，或普遍說(shuō)來(lái)抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì)，并顯著地隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明，粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對(duì)速度成 正比。當(dāng)流體的粘性較?。▽?shí)際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的），運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度也不大時(shí)，所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力如慣性力可忽略 不計(jì)。此時(shí)我們可以近似地把流

3、體看成無(wú)粘性的，這樣的流體稱為理想流體。十分明顯，理想流體對(duì)于切向變形沒(méi)有任何抗拒能力。這樣對(duì)于粘性而言，我們可以將流體分為理想流體和粘性流體兩大類。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，真正的理想流體在客觀實(shí)際中是不存在的，它只是實(shí)際流體在某些條件下的一種近似模型。B. 牛頓流體（Newtonian Fluid）和非牛頓流體（non-Newtonian Fluid）：依據(jù)內(nèi)摩擦剪應(yīng)力與速度變化率的關(guān)系不同，粘性流體又分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓內(nèi)摩擦定律表示：流體內(nèi)摩擦剪應(yīng)力和單位距離上的兩層流體間的相對(duì)速度成比例。比例系數(shù)稱為流體動(dòng)力粘度，常簡(jiǎn)稱為粘度。它的值取決于流體的性質(zhì)、溫度和壓力大小。若為常數(shù)，則稱為牛

4、頓流體，否則為非牛頓流體。空氣、水等均為牛頓流體；聚合溶液、含有懸浮粒雜質(zhì)或纖維的流體為非牛頓流體C.可壓縮流體（Compressible Fluid）和不可壓縮流體（Incompressible Fluid）：在 流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于壓力、溫度等因素的改變，流體質(zhì)點(diǎn)的體積（或密度，因質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量一定），或多或少有所改變。流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓力差 或溫度差的條件下可以改變的這個(gè)性質(zhì)稱為壓縮性。真實(shí)流體都是可以壓縮的。它的壓縮程度依賴于流體的性質(zhì)及外界的條件。例如水在100個(gè)大氣壓下，容積縮小0.5%，溫度從20變化到100，容積降低4%。 因此在一般情況下液體可以近似地看成不可壓的

5、。但是在某些特殊問(wèn)題中，例如水中爆炸或水擊等問(wèn)題，則必須把液體看作是可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大得 多，所以在一般情形下應(yīng)該當(dāng)作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小，運(yùn)動(dòng)速度較小，并且沒(méi)有很大的溫度差，則實(shí)際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大;此時(shí)，也可以近似地將氣體視為不可壓縮的。在可壓縮流體的連續(xù)方程中含密度，因而可把密度視為連續(xù)方程中的獨(dú)立變量進(jìn)行求解，再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場(chǎng)是通過(guò)連續(xù)方程間接規(guī)定的。由于沒(méi)有直接求解壓力的方程，不可壓流體的流動(dòng)方程的求解具有其特殊的困難。D.層流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）：實(shí) 驗(yàn)表明，粘性流體運(yùn)

6、動(dòng)有兩種形態(tài)，即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流是流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則，各部分分層流動(dòng)互不摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的，而且流動(dòng) 穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反，流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無(wú)章，而且流場(chǎng)極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互 轉(zhuǎn)化。E.定常流動(dòng)（Steady Flow）和非定常流動(dòng)（Unsteady Flow）：以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)流體流動(dòng)的物理量（如速度、壓力、溫度等）是否隨時(shí)間變化，將流動(dòng)分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化，為定常流動(dòng)；反 之稱為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)也稱為恒定流動(dòng)，或者穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；非定常流動(dòng)也稱為非恒定流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)

7、流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常 流動(dòng)，而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。F.亞音速流動(dòng)(Subsonic)與超音速流動(dòng)（Supersonic）：當(dāng)氣流速度很大，或者流場(chǎng)壓力變化很大時(shí)，流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當(dāng)?shù)厮俣扰c當(dāng)?shù)匾羲僦取．?dāng)馬赫數(shù)小于1時(shí)，流動(dòng)為亞音速流動(dòng)；當(dāng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1（如M0.1）時(shí)，流體的可壓速性及壓力脈動(dòng)對(duì)密度變化影響都可以忽略。當(dāng)馬赫數(shù)接近1時(shí)候（跨音速），可壓速性影響就顯得十分重要了。如果馬赫數(shù)大于1，流體就變?yōu)槌羲倭鲃?dòng)。FLUENT對(duì)于亞音速，跨音速以及超音速等可壓流動(dòng)都有模擬能力。G.熱傳導(dǎo)（Heat Transfer）及擴(kuò)散（

8、Diffusion）：除了粘性外，流體還有熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在溫度差時(shí)，溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地，當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時(shí)，濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。H雷諾數(shù)（Reynolds number）、弗勞德數(shù)（Froude number）、馬赫數(shù)（Mach number）雷諾數(shù)是一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)。Re=vd/，其中v、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。例如流體流過(guò)圓形管道，則d為管道的當(dāng)量直徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可用來(lái)確定物體在流體中流動(dòng)所受到

9、的阻力。弗勞德數(shù)是流體力學(xué)中表征流體慣性力和重力相對(duì)大小的一個(gè)無(wú)量綱參敦，記為Fr。它表示慣性力和重力量級(jí)的比，即：Fr=U2/gL,式中U為物體運(yùn)動(dòng)速度，g為重力加速度；L為物體的特征長(zhǎng)度。流體力學(xué)中表征流體可壓縮程度的一個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)，記為Ma，定義為流場(chǎng)中某點(diǎn)的速度v同該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀賑之比，即Ma=v/c。1. 伯努利方程（Bernoulli Eq）假設(shè)條件:使用伯努利定律必須符合以下假設(shè)，方可使用；如沒(méi)完全符合以下假設(shè)，所求的解也是近似值。定常流：在流動(dòng)系統(tǒng)中，流體在任何一點(diǎn)之性質(zhì)不隨時(shí)間改變。不可壓縮流：密度為常數(shù)，在流體為氣體適用于馬赫數(shù)(Ma)2。邊界層形狀因子上面兩個(gè)厚度比

10、所組成的無(wú)量綱參數(shù)稱為形狀因子，通常表為：1/2=H12(在低速時(shí)也寫為H) 因12，故H1。在層流邊界層中，H的值由駐點(diǎn)附近的2.0到分離點(diǎn)的3.5。在湍流邊界層中，它的值不定大約為1.22.5。6.降低賽車氣動(dòng)阻力的主要措施 （1）氣流緊貼車身表面流動(dòng) （2）車身前端氣流正壓區(qū)應(yīng)盡可能小 （3）車身尾部渦流應(yīng)盡可能小 （4）減小車輪周圍及輪室內(nèi)渦流強(qiáng)度 （5）車身表面平順和圓角化處理 （6）找出賽車氣動(dòng)阻力關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化 （7）在氣流分理處改進(jìn)或者添加附加裝置，抑制附面層增厚和氣流分離7.提高賽車下壓力主要措施 （1）車身應(yīng)盡能扁平 （2）車身底部表面應(yīng)盡量平順 （3）加裝車身底部導(dǎo)流板

11、 （4） 前部駐點(diǎn)要低，后部分離點(diǎn)要高 （5）采用俯仰角造型 （6）車身表面去棱角 （7）加裝空氣動(dòng)力學(xué)裝置（前翼、側(cè)翼、尾翼、前顎擾流器阻礙、直接撞擊車輪的空氣量，引導(dǎo)氣流加速擴(kuò)散、側(cè)裙阻礙側(cè)部氣流進(jìn)入車底、尾部擾流器、底部擴(kuò)散器）ANASYS基礎(chǔ)（針對(duì)方程式賽車分析）1. 方程式賽車分析基本流程：賽車簡(jiǎn)化模型創(chuàng)建（封閉體且沒(méi)有重疊面）導(dǎo)入ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入ANASYS Fluent進(jìn)行分析2. 湍流模型選擇：湍流模型選擇剪切應(yīng)力運(yùn)輸k-模型，即SST k-模型： 式中，Gk為湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)，G為耗散率的生成項(xiàng)；k和分別為k和的有效擴(kuò)散系數(shù)；Yk和Y為由于紊流引起

12、的k和的耗散；D為交叉擴(kuò)散項(xiàng)；Sk和S為自定義源項(xiàng)。該模型綜合了k-模型在近壁區(qū)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和k-模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，將k-和標(biāo)準(zhǔn)k-模型都乘以一個(gè)混合函數(shù)后再相加就得到這個(gè)模型。在近壁區(qū)，混合函數(shù)的數(shù)值等于1，因此在近壁區(qū)等價(jià)于k-。在遠(yuǎn)離近壁面的區(qū)域混合值函數(shù)等于0，因此自動(dòng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)k-模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-相比，SST k-模型中增加了橫向耗散導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，同時(shí)在湍流粘度定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力的運(yùn)輸過(guò)程，模型中使用的湍流常數(shù)也有所不同。這些特點(diǎn)使得SST k-模型的適用范圍更加廣泛，適用于翼型計(jì)算等。3. 湍流強(qiáng)度（turbulence intensity）和湍流耗散率（turbulent di

13、ssipation）湍流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱湍流度或湍強(qiáng)，是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特性的最重要的特征量。計(jì)算公式湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值，是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)。湍流強(qiáng)度I(turbulence intensity)按下式計(jì)算：湍流強(qiáng)度等于湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，也等于0.16與按水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)的負(fù)八分之一次方的乘積計(jì)算公式：I=0.16*(re)(-1/8)式中：I湍流強(qiáng)度，re雷諾數(shù)一般來(lái)說(shuō)，其判定方法為：小于1%為低湍流強(qiáng)度，高于10%為高湍流強(qiáng)度。湍流動(dòng)能耗散率是指在分子粘性作用下由湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的速率。

14、通常以單位質(zhì)量流體在單位時(shí)間內(nèi)損耗的湍流動(dòng)能來(lái)衡量，以表示。湍流速度在空間上存在著隨機(jī)漲落，從而形成了顯著的速度梯度，在分子粘性力作用下通過(guò)內(nèi)摩擦不斷地將湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。大氣湍流的動(dòng)能耗散主要發(fā)生在大小為毫米數(shù)量級(jí)的湍渦。湍流粘性比（turbulent viscosity ratio）是指湍動(dòng)粘度t與動(dòng)力粘度的比值t/，而湍動(dòng)粘度又可表示成k和的函數(shù)：t=*C*k2/。C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取0.09，k為湍動(dòng)能，為團(tuán)動(dòng)能耗散率。湍動(dòng)粘度比t/正比于湍動(dòng)Reynolds數(shù)。4.邊界條件設(shè)置：速度入口（velocity inlet）邊界條件和壓力出口（pressure outlet）邊

15、界條件；湍流強(qiáng)度0.5%，湍流粘性比：4*計(jì)算域面積/計(jì)算域周長(zhǎng)。速度入口邊界條件：用于定義流動(dòng)入口邊界的速度和標(biāo)量。壓力入口邊界條件：用來(lái)定義流動(dòng)入口邊界的總壓和其它標(biāo)量。5算法及離散格式：SIMPLE、二階迎風(fēng)（Second Order Upwind）在FLUENT中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）算法及PISO算法。SIMPLE通常用于定常（steady）流計(jì)算PISO通常用于非定常流計(jì)算。默認(rèn)是SIMPLE算法，但是對(duì)于許多問(wèn)題如果使用SIMPLEC可能會(huì)得到更好的結(jié)果，尤其是可以應(yīng)用增加的亞松馳迭代時(shí)，具體介紹如下: 對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的

16、問(wèn)題（如：沒(méi)有附加模型激活的層流流動(dòng)），其收斂性已經(jīng)被壓力速度耦合所限制，通常可以用SIMPLEC算法很快得到收斂解。在SIMPLEC中，壓力校正亞松馳因子通常設(shè)為1.0，它有助于收斂。但是，在有些問(wèn)題中，將壓力校正松弛因子增加到1.0可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。對(duì)于所有的過(guò)渡流動(dòng)計(jì)算，推薦使用PISO算法鄰近校正。它允許你使用大的時(shí)間步，而且對(duì)于動(dòng)量和壓力都可以使用亞松馳因子1.0。對(duì)于定常狀態(tài)問(wèn)題，具有鄰近校正的PISO并不會(huì)比具有較好的亞松馳因子的SIMPLE或SIMPLEC好。對(duì)于具有較大扭曲網(wǎng)格上的定常狀態(tài)和過(guò)渡計(jì)算推薦使用PISO傾斜校正。當(dāng)你使用PISO鄰近校正時(shí)，對(duì)所有方程都推薦使用亞松

17、馳因子為1.0或者接近1.0。如果你只對(duì)高度扭曲的網(wǎng)格使用PISO傾斜校正，請(qǐng)?jiān)O(shè)定動(dòng)量和壓力的亞松馳因子之和為1.0比如：壓力亞松馳因子0.3，動(dòng)量亞松馳因子0.7）。離散化的目的： 我們知道描述流體流動(dòng)及傳熱等物理問(wèn)題的基本方程為偏微分方程，想要得它們的解析解或者近似解析解，在絕大多數(shù)情況下都是非常困難的，甚至是不可能的，就 拿我們熟知的Navier-Stokes方程來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在能得到的解析的特解也就70個(gè)左右；但為了對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究，我們可以借助于我們已經(jīng)相當(dāng)成熟的 代數(shù)方程組求解方法，因此，離散化的目的簡(jiǎn)而言之，就是將連續(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照某種方法遵循特定的規(guī)則在計(jì)算區(qū)域的離

18、散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)化為代數(shù)方 程組，以得到連續(xù)系統(tǒng)的離散數(shù)值逼近解。在數(shù)值傳熱學(xué)中,迎風(fēng)格式的引入是為了克服由于網(wǎng)格Pe數(shù)小于0而導(dǎo)致數(shù)值解出現(xiàn)震蕩的，迎風(fēng)格式又可以分為一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式。其中,一階迎風(fēng)格式(First Order Upwind)容易獲得不準(zhǔn)確的解,除非劃分足夠細(xì)密的網(wǎng)格,而且有一定的假擴(kuò)散作用，即人工粘性。為此引入二階迎風(fēng)格式(Second Order Upwind)，這種格式可以獲得較準(zhǔn)確的解，而且絕對(duì)穩(wěn)定。采用有限容積法定義的二階迎風(fēng)格式為：u0時(shí)，F(xiàn)p=1.5Fw-0.5Fww;u0時(shí),Fp=1.5Fp-0.5FE;5.亞松馳：1、亞松馳（Under Relaxati

19、on）：所謂亞松馳就是將本層次計(jì)算結(jié)果與上一層次結(jié)果的差值作適當(dāng)縮減，以避免由于差值過(guò)大而引起非線性迭代過(guò)程的發(fā)散。用通用變量來(lái)寫出時(shí)，為松馳因子（Relaxation Factors）。2、FLUENT中的亞松馳：由于FLUENT所解方程組的非線性，我們有必要控制的變化。一般用亞松馳方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，該方法在每一部迭代中減少了的變化量。亞松馳最簡(jiǎn)單的形式為：?jiǎn)卧獌?nèi)變量等于原來(lái)的值加上亞松馳因子a與變化的積,分離解算器使用亞松馳來(lái)控制每一步迭代中的計(jì)算變量的更新。這就意味著使用分離解算器解的方程，包括耦合解算器所解的非耦合方程（湍流和其他標(biāo)量）都會(huì)有一個(gè)相關(guān)的亞松馳因子。在FLUENT中，所有變

20、量的默認(rèn)亞松馳因子都是對(duì)大多數(shù)問(wèn)題的最優(yōu)值。這個(gè)值適合于很多問(wèn)題，但是對(duì)于一些特殊的非線性問(wèn)題（如：某些湍流或者高Rayleigh數(shù)自然對(duì)流問(wèn)題），在計(jì)算開(kāi)始時(shí)要慎重減小亞松馳因子。使用默認(rèn)的亞松馳因子開(kāi)始計(jì)算是很好的習(xí)慣。如果經(jīng)過(guò)4到5步 的迭代殘差仍然增長(zhǎng)，你就需要減小亞松馳因子。有時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)殘差開(kāi)始增加，你可以改變亞松馳因子重新計(jì)算。在亞松馳因子過(guò)大時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)這種情況。最 為安全的方法就是在對(duì)亞松馳因子做任何修改之前先保存數(shù)據(jù)文件，并對(duì)解的算法做幾步迭代以調(diào)節(jié)到新的參數(shù)。最典型的情況是，亞松馳因子的增加會(huì)使殘差有少 量的增加，但是隨著解的進(jìn)行殘差的增加又消失了。如果殘差變化有幾個(gè)量

21、級(jí)你就需要考慮停止計(jì)算并回到最后保存的較好的數(shù)據(jù)文件。注意：粘性和密度的亞松馳 是在每一次迭代之間的。而且，如果直接解焓方程而不是溫度方程（即：對(duì)PDF計(jì)算），基于焓的溫度的更新是要進(jìn)行亞松馳的。要查看默認(rèn)的亞松弛因子的值，你可以在解控制面板點(diǎn)擊默認(rèn)按鈕。對(duì)于大多數(shù)流動(dòng)，不需要修改默認(rèn)亞松弛因子。但是，如果出現(xiàn)不穩(wěn)定或者發(fā)散你就需要減小默認(rèn)的亞松弛因子了，其中壓力、動(dòng)量、k和e的亞松弛因子默認(rèn)值分別為0.2，0.5，0.5和0.5。對(duì)于SIMPLEC格式一般不需要減小壓力的亞松弛因子。在密度和溫度強(qiáng)烈耦合的問(wèn)題中，如相當(dāng)高的Rayleigh數(shù)的自然或混合對(duì)流流動(dòng)，應(yīng)該對(duì)溫度和/或密度（所用的亞松弛因子小于1.0）進(jìn)行亞松弛。相反，當(dāng)溫度和動(dòng)