【案例分享】FastCAE—Flow流体软件在高铁场景中的应用（附源码下载网址）

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1 FastCAE—Flow流体软件介绍

FastCAE—Flow是一款具备完整前后处理功能的流体软件，现已成功实现流体仿真全流程。它集几何建模、网格划分、边界条件设置、求解控制以及结果后处理于一体，为用户提供了从模型建立到结果分析的一站式解决方案。FastCAE—Flow流体软件采用先进的算法和技术，确保仿真结果的准确性和可靠性，有效提升了流体仿真工作的效率和精度。

本文FastCAE—Flow流体软件的实际案例，深入探讨高铁高速行驶时周围空气的流动特性，以及展示采用FastCAE—Flow流体软件对高铁仿真前后处理和求解流程。

2 高铁流场仿真基础

流场是指在某个空间区域内，流体（液体或气体）的流动状态在每一点都有确定的描述的场。简单来说，就是充满流体且流体的运动参数（如速度、压力、密度等）在空间上有分布的区域。在流场中，每一个点都对应着一组特定的流体运动参数，这些参数可以随时间和空间位置而变化。

高铁列车在运行时，其尾部会形成明显的尾流。列车高速驶过后，尾流区域的空气会形成复杂的紊流结构，并且会在列车后方延伸较长的距离，影响范围可达数十米甚至更远。这不仅会对铁路沿线的环境产生影响，如扬起灰尘、影响附近的植被等，还可能对后续列车或靠近铁路的物体产生一定的作用力。对比传统测试方法，仿真能提前优化设计、降低成本、提高安全性等优势。

高铁运行时受到的气动力主要包括：

①气动阻力：与运动方向相反的力，直接影响能耗。

②升力：可能导致车轮与轨道接触力减小，影响稳定性。

③侧向力：在侧风或弯道时显著，需防止列车脱轨。

④气动压力波动：如隧道通过时的压力变化、列车交会时的瞬态冲击。

气动阻力通常用以下公式估算：

其中，p为密度，v为速度，C_D为阻力系数，A为迎风面积。

关键参数：

阻力系数C_D取决于车体形状（如流线型车头可降低C_D）。

高速下湍流效应显著，需修正模型。

其他力的计算：

升力（F_L）和侧向力（F_S）使用类似公式，但系数（C_L，C_S）需要通过实验或模拟获取。

3 FastCAE—Flow流体软件高铁场景仿真

（1）几何模型导入

FastCAE—Flow流体软件支持stp、igs等多种几何格式的导入，导入过程高效迅速，渲染效果卓越，同时具备几何模型的旋转、移动等操作功能。几何模型渲染效果如图1所示。

图1 几何模型渲染效果

（2）网格划分

对导入后的几何模型表面进行精细化的网格划分，此外还配置盒子区域的大小、边界条件以及网格划分区域的选择，全面优化网格划分过程。

在Geometry节点下，用户可勾选Mesh选项，打开网格划分功能。通过设定Mesh→Refinement的最大最小值，控制表面网格精度。数值越大，表面网格精度越高，但相应的计算成本也会随之增加，如图2所示。

图2 表面网格精度

在Base节点下，用户可选择盒子区域类型(立方体与圆柱体)，盒子区域大小可自适应几何模型的最小包覆范围，也可手动调整盒子区域的坐标范围，并基于此区域进行网格精度设置。通过Base→Boundaries下可完成边界条件的设置。如图3所示。

图3 盒子区域及边界条件

网格划分区域的选择由用户创建点的位置决定，可在Mesh→Points节点下设置点坐标。当点坐标位于几何区域内侧时，则在几何内部进行网格划分；反之，则在几何外侧进行网格划分。如图4所示。

图4 网格划分区域

网格划分完成后，在Boundary节点下会显示边界面信息，并通过点击“√”，可显示与关闭边界。网格划分结果如图5所示。

图5 网格划分结果

（3）求解计算

完成网格划分后，选择SIMPLE求解器进行计算。求解器参数设置包括边界条件设置、残差数值、求解时长及步长等。在SIMPLE求解器的参数设置界面，用户需根据具体的仿真需求调整各项参数。

边界条件设置需确保与实际物理场景相符。

残差数值的设定关乎求解的收敛性，通常需根据经验或通过试算确定合适的范围。

求解时长及步长的选择则需在计算精度与计算资源之间找到平衡点，以保证在可接受的时间内获得准确的结果。

FastCAE—Flow流体软件目前已集成两款求解器，可求解单向流与两相流问题。在Setup节点下，选择SIMPLE求解器进行求解设置。如图6所示。

图6 求解器选择

在SIMPLE求解器Turbulence节点下，配备三种流体计算方法，并支持八种计算模型选择。本次案例选择RANS方法、k-Omega SST模型进行求解计算，如图7所示。

图7 模型选择

将边界创建到Boundary Conditions节点下，设置速度入口、压力出口、壁面边界，并赋予数值，如图8、图9所示。

图8 边界条件创建

图9 边界条件参数设置

在Run节点下设置求解时长为200，存储步长为10，点击Run运行程序求解计算，如图10、图11所示。

图10 求解时长

图11开始计算

（4）结果输出

计算完成后，点击post进入自研后处理平台CFDPost，进行后处理操作。流速分布及流线分布动画如图12—图14所示。

图12呈现了高铁流速的俯视图，从中可以清晰地观察到高铁运行后尾端气流流速的变化情况。

图12 高铁流速俯视图

图13则是高铁的主视图，通过彩色动画的手段，展示了高铁周围的速度云图。

图13 高铁流速主视图

图14展示了高铁周围的流线运动轨迹，能够直观地看到气流的运动路径。

图14 高铁流线图

基于FastCAE—Flow流体软件提取后处理数据，数据线的位置为平行于x轴，且过高铁中心，绘制高铁第一帧的速度、压力曲线如图15所示，由于高铁内部密封，无数据提取，故曲线生成断点。

图15 速度、压力曲线

4 视频演示

演示视频

源码网址：https://atomgit.com/fastcaecodebase