CFD分析模型：实用理论与案例

建立动力舱温度场CFD分析模型，需要综合考虑湍流模型和离散格式的选择，网格划分方法及其质量检查，数值求解的合理性、稳定性以及数值计算方法的快速收敛性等相关问题，以获得较高的计算效率与计算精度。

1.湍流模型的选择

选择湍流模型的原则是在保证计算精度的前提下具有较好的计算效率。分别选择应用标准k－ε模型、RNG k－ε模型和Realizable k－ε模型，在保持其他参数设置完全相同的情况下，对某型坦克动力舱温度场进行CFD分析，计算过程的残差曲线对比如图9.2.1所示，结果对比如表9.2.1所示。

表9.2.1　3种湍流模型的CFD分析结果

图9.2.1　3种湍流模型的残差曲线

（a）标准k－ε模型；（b）RNG k－ε模型；（c）Realizable k－ε模型

从收敛情况来比较，标准k－ε湍流模型收敛最快，残差曲线下降稳定；从选取的主要部位CFD分析结果来比较，3种模型的CFD分析结果差别不大。因此认为，在动力舱流场与温度场CFD分析中采用标准k－ε湍流模型可以获得较好的计算效率。

选定湍流模型后，动力舱流场与温度场CFD分析的控制方程组可表示为三维、黏性、可压缩、湍流、定常流动偏微分控制方程组。

连续性方程

动量守恒方程

能量守恒方程

标准k－ε湍流模型

2.三维实体模型和网格划分

可以应用Fluent软件的前处理软件Gambit，建立动力舱的舱体实体模型和各部件实体模型。所建立的某型坦克动力舱整体及部件实体模型如图9.2.2和图9.2.3所示。为了考虑外界环境对动力舱内空气流动的影响，可在动力舱外设置一个适当大小的空间，将其作为动力舱外流场计算区域，通过多次CFD分析，研究动力舱外计算区域尺寸对分析结果的影响，最终确定CFD计算区域尺寸。

图9.2.2　动力舱的整体实体模型

图9.2.3　动力舱部件的实体模型

整个CFD分析区域包括舱内空气流动区域、舱体壁面区域以及舱外空气流动区域。某型坦克动力舱CFD分析区域如图9.2.4所示。

图9.2.4　CFD分析区域

CFD分析区域结构复杂，可将整个计算区域分为若干子区域，对结构简单的区域用结构化网格离散每个子区域，对结构复杂的区域用非结构化网格离散每个子区域，在空气流动变化较为剧烈或部件外形较为复杂的区域加密网格。某型坦克动力舱CFD分析区域的网格划分结果如图9.2.5所示，动力舱不同区域内采用不同的网格单元尺寸如表9.2.2所示。

图9.2.5　CFD分析区域的网格划分

表9.2.2　动力舱各子区域网格尺寸和节点数

续表

网格质量直接影响着CFD分析的收敛性及分析结果的精度。在对固体壁面附近流动区域进行网格划分时，通常用无量纲的壁面单位y＋来度量近壁面流体单元到壁面之间的距离。y＋值在接近下边界时较好，如果y＋值过大，则采用自适应方法对网格进行细化处理。某型坦克动力舱内沿气缸盖壁面边界网格细化前后的对比如图9.2.6所示。(www.xing528.com)

图9.2.6　沿气缸盖壁面边界网格细化

（a）细化前；（b）细化后

针对动力舱采用的网格类型，可以选用长宽比、边比率、等角失真和等尺寸失真4个指标检查网格质量。对某型坦克动力舱网格质量进行检查，长宽比和边比率的检查结果如图9.2.7所示，数值越小，网格质量越高；等角失真和等尺寸失真的检查结果如图9.2.8所示，两项指标中小于0.5的可认为是高质量网格，小于0.75的可认为是良好质量网格。

图9.2.7　长宽比、边比率质量检查结果

图9.2.8　等角失真、等尺寸失真检查结果

3.对流项离散格式的确定

在使用有限体积法建立离散方程时，需要应用离散格式将控制体界面上的物理量及其导数由节点物理量插值求出。Fluent商业软件中提供了多种对流项的离散格式，每种离散格式对不同的问题具有不同的适应性。

可以分别应用一阶迎风、二阶迎风、幂定律、QUICK 4种对流项离散格式，通过动力舱CFD对比分析来选择。某型坦克动力舱温度场CFD分析时，4种对流项离散格式所需迭代步数和收敛时间如表9.2.3所示。可见，在保证机油散热器和水散热器出口平均空气流速、平均空气温度计算结果基本相同的情况下，不同对流项离散格式的收敛情况相差很大；一阶迎风格式收敛最快。因此，选择对流项一阶迎风离散格式较适合动力舱CFD分析，可以大大节约资源。

表9.2.3　不同对流项离散格式的CFD分析结果

4.求解算法的确定

为了确定求解算法，可以分别应用基于压力求解算法中的SIMPLE分离式算法和耦合式算法，通过对坦克动力舱进行CFD对比分析来选择。某型坦克动力舱进行CFD分析时，不同算法的计算结果如表9.2.4所示。可见，基于压力求解器中的分离式求解器与耦合式求解器所获得的结果与精度基本相同，但后者迭代步数和收敛时间明显较低。因此，可在计算中采用基于压力的耦合式求解算法。

表9.2.4　不同求解算法的CFD分析结果

续表

5.采用并行求解技术

为了提高计算效率，实现计算的工程化，可采用并行计算求解技术，以大幅缩短求解时间。某型坦克动力舱温度场进行CFD分析时，在求解结果基本相同的情况下，并行求解和串行求解所需的时间对比如表9.2.5所示（采用HP xw8400工作站，配置为4核双CPU）。

表9.2.5　并行与串行求解结果对比

6.数值解的收敛控制

为了保证数值解的收敛性，应用3个收敛的判断标准，具体如下。

（1）各参数变量残差值的收敛。各参数变量残差值随迭代步数的增加而降低，最后低于设定的标准值。在所有的控制体积单元P上，变量φ的残差定义为

要求能量方程的残差小于或等于10－6，其他方程的残差小于或等于10－3。

（2）质量守恒的判断。检验流入CFD分析区域的空气质量流量与流出CFD分析区域的空气质量流量是否平衡，以判断CFD分析是否收敛。质量流量的相对误差定义为

在数值计算结束后，要求Rm≤5×10－3。

（3）重要特征量的收敛判断。对研究中重点关注点处的分析值进行监测，要求其在5次连续的迭代中分析值的相对误差小于或等于10－2，即对于任何一个特征量C有

式中　N——迭代步数。

当数值计算的迭代达到以上3条标准时，即认为迭代收敛，结束计算。