Fluent中阻力系数问题的分析与解决

1．阻力系数定义

阻力系数：阻力系数常表示为Cd是流体力学中的无因次量，用来表示物体在流体（例如水或是空气）中的阻力。阻力系数和物体的形状及其表面特性有关。    

式中，

Cd：阻力系数

F ：阻力（阻力与来流速度方向相同）

pd ：动压，pd=ρv*v/2 (ρ为空气密度，v为气流相对于物体的流速）

A ：参考面积（飞机一般选取机翼面积为参考面积）

在fluent帮助文件中，The force coefficient is defined as force divided by 1/2ρv2A，where  ρ，v，A and  are the density，velocity，and area。fluent中的定义与上述定义相同。

阻力及阻力系数有方向之分，为流动主流方向，其他方向的阻力很小。设置时需要指定阻力及阻力系数的方向。

2. 动压

动压，物体在流体中运动时，在正对流体运动的方向的表面，流体完全受阻，此处的流体速度为0，其动能转变为压力能，压力增大，其压力称为全受阻压力（简称全压或总压，用P表示），它与未受扰动处的压力（即静压，用P静表示）之差，称为动压（用P动表示）。

经Fluent验证，动压=总压-静压

动压的特点：

（1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；

（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零；

（3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；

（4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零

3. Fluent中的阻力系数

从定义可以看出，阻力系数与速度、面积及密度有关，Fluent中需要首先指定阻力系数计算时的参考值

（Force coefficients use the reference area, density, and velocity. In addition, the pressure force calculation uses the reference pressure.）

参考值reference values：

参考面积Area：为迎风面积，对管内流，参考面积为圆管截面积

参考密度：参考温度对于的密度，设置为流场中的平均密度，与操作密度不同

参考速度：气流与物体的相对速度，若固体保持静止，则为气体流速

注：这里有个问题，参考速度与参考密度只有在计算之后才能够知道，那如何从计算开始时就监测阻力系数？

操作标准：在计算之后，通过某计算域的平均密度及速度指定参考密度及参考速度，然后通过后处理Results---Forces输出阻力系数。

4. Fluent中阻力系数的输出

Fluent中阻力系数有两种输出方式。

4.1 监视器输出

Per Zone：指定是否在每个墙壁区域上分别监控多个墙壁区域的阻力。如果打开，表示输出选中的每个wall单独的阻力系数，当此选项关闭（默认）时，Fluent计算并监控所有选定墙壁区域组合在一起的总阻力。

Average Over (Time-Steps), Average Over (Iterations)：多个时间步或迭代步输出一次，如指定的数值为5，表示五个迭代步输出一次，且输出的是这五个迭代步的平均值。

Force Vector：有X、Y、Z栏，阻力系数的方向，一般为主流方向。

Compute：可在控制栏输出阻力及其系数的数值

4.2 后处理输出

界面与第一种方式界面相似。对于Wall Zones的选取，想要计算哪个wall上的阻力，就选取哪个wall。

值得注意的是，对于wall-pipe和wall-pipe-shadow，两个面并不是同一个面，所相邻的计算域不同，计算出的结果差别很大，要选取正确。

上面为输出的结果，Forces及Coefficients均有三个参数，分别为Pressure、Viscous、Total。其中Viscous表示阻力相关，Forces---Viscous表示阻力，Coefficients-- -Viscous表示阻力系数。Forces-Direction Vector(0  0  1)表示z方向的阻力及系数。

上面的结果：阻力为0.013730473，阻力系数为1.2672903。与第一种方式的输出结果相同。

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