计算流体力学CFD 上机考试报告
学院：城市轨道交通学院
学号：12424050xx
姓名：
专业：建筑环境与设备工程
计算流体力学CFD 上机考试报告
——Gambit 及Fluent 软件应用
前言：
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ）是用计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个学科。流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。而此次上机我们采用的便是利用Gambit 软件建立模型并进行网格mesh 划分，再使用Fluent 软件设置边界条件后进行网格收敛计算。 1 前处理（Pro-processor ）
本案例研究的是一个长宽高均为2m 的立方空间的流体稳定运行状态。考虑影响气流组织的因素有进风口位置及型式，出风口位置，
房间几何形状，空间内的各
种扰动等。其中以送风口的
空气射流及其参数对气流
组织的影响最为重要。我们
尝试在其顶部中央开一宽
0.2m 的进口；侧面有两处
同样宽0.2m 的出口（图1）；
其余各面均为wall 。设置进
Outlet 图1
口初始速度为0.4m/s 。研究在此假设下空间内气流运行状态分布。
首先我们利用Gambit 软件建立该模型。该模型长宽高为2m x 2m x 2m 。第一步我们以原点作为基点，利用点工具作出各交点的坐标，然后用线工具将各点连接，并将线段所围成的面通过面生成工具生成，最后把各个面围成的空间生成体。
2 网格划分
对边界进行网格
划分。计算区域划分
的每个网格点周围都
有一个互不重复的控
制体积，利用控制体
积积分便可得出一组
离散方程。本文采用
六面体网格，网格的
最大单元为0.025m x0.025m x 0.025m ，最长边划分格数为72，同时还考虑进出入口附近边界层的存在，对局部的网格进行了局部double sided 的加密细化，最终方案生成网格数为558009个（图2），基本符合运算和精度的要求。
3 Fluent 处理
将Gambit 中生成的网格模型导
入到Fluent 软件中，设置材料属性
Materials 为Fluid 中的air
，边界条件
图
2
Boundary Conditions 进口处速度0.4m/s 。在Monitors 命令中将方程计算连续性、x 方向速度、y 方向速度、z 方向速度、温度k 等结果的绝对精度控制为10-5等级。
在经过2200次左右的残差计算后，各数据的计算值已达到10-5精度等级，并逐渐趋向于收敛（图3）。
Fluent 软件的求解器（solver ）核心是数值求解方案。包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法等。其根据的控制方程有：
（1）质量守恒方程
（2）能量守恒方程
图3-残差图
（3）动量守恒方程
（4）组分质量守恒方程
4数据后处理（Post-processor ）
此时在Fluent 软件中生成后处理图像， 如图4为整个立方体进 出口以及边界的速度分布状况，图5为x 轴向切面的速度分布图像。可以看到进口处气流初始速度最大，但由于边界层的作用气流速度在进口下方处速度梯度较大，速度减慢较快。而在出口处同样因为孔口和边界层的影响，在接近出口处速度梯度变大。
而立方体中部的气流图4-空间速度分布图
图5-截面速度分布图
就比较平稳，速度变化不大。由入口进入的气流由于出口所在平面的边界层作用产生了向上的回流后遇到顶部wall 形成了类似顶棚射流的流场，在立方体空间上部形成了两个环流。
如图5是x 轴向的切面密度分布图，可以看到出、入口附近的流体密度较大，而立方体中心部分及其余四处空间由于气流较为平稳而密度分布较均匀也较稀疏。基本与速度场的分布形式相契合。
由前文分析可以看出，将气流出口设置在立方体两侧中央位置会导致内部空间出现“气流短路”现象，即空间内气流出口上端位置出现了气流涡旋，这部分的气流处于与外界循环交换的过程中，因此保证了这部分空间内的空气新鲜度质量；但出口下端位置的空气明显处于相对静止状态，与上部气流运动规律出现了断层，就无法使这部分空气得到与外界的有效交换，从而大大影响了空气质量。这是由于入口进入的气体射流上部卷吸空气量少，因而流速大，静压小，而射流下部静压大，
上下压力差在加上出口处边界层的存在导致了气流被向图5
上抬举，形成涡旋。而下部气流没有影响其速度压力变化的因素存在，因而难以形成有效的气流流动。
根据分析结果我们可以看出这种通风口的设计并不符合我们希
望室内环境优良的要求，因此我们可以考虑将出风口位置下调，以获得良好的气流运动，使得房间内空气质量得到优化。
5 总结
利用Gambit建模网格划分软件和Fluent数据处理软件我们可以较为准确地模拟出所假设空间内的流体运动分布情况，以及速度、压力、密度、湍流等分布状态。利用这种特性我们可以分析出所求空间气流的变化，以达到我们在实际情况中所要求的空气质量和温度数据。这在工程设备，建筑环境等方面有着非常广泛的应用。合理使用CFD 软件，可以大大提升我们的工作效率。
