在今天的帖子中，Wojciech Regulski向您介绍了使用MATLAB建模流体动力学。Wojciech拥有波兰华沙理工大学机械工程博士学位，并在其研究工作中专攻计算流体动力学(CFD)。Wojciech还联合创立了QuickerSim公司，专门开发流体流动模拟软件。

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介绍

CFD建模在许多领域变得不可或缺。它用于确定流动条件，例如速度，压力或温度，以实现各种问题。知道这些是衡量的。汽车或飞机空气动力学，加热或冷却问题甚至天气预报或气候学。

根据其应用的范围和复杂性，CFD要求:

1. 很多计算资源，
2. 专用软件和
3. 相当复杂的工程知识。

当你正在读这个帖子时，让我们不要太担心＃3。＃1变得越来越多，甚至笔记本电脑都带有多核CPU甚至GPU。＃2将在这篇文章中解决;我们希望在MATLAB中为您提供一个基本的CFD模拟。我们还将分享示例并向学生团队目前进行的项目提供见解。

MATLAB中的CFD建模

QuickerSim CFD工具箱，一个专用于MATLAB的CFD工具箱，提供了在流体和固体中执行标准流动模拟和相关传热的功能。该工具箱基于有限元法(FEM)，使用MATLAB偏微分方程工具箱数据格式。它的操作很像标准的CFD求解器——一组执行连续模拟步骤的例程，见图1。首先，读入计算网格并初始化解。然后进行求解方程的迭代过程。最后，用户可以使用各种后处理工具，自己操作数据流。

图1所示。脚本和插图的流模拟通过一组管道。

CFD学生竞赛团队最佳实践

虽然实际上汽车设计的任何方面都需要CFD分析，但许多领域都非常苛刻。诸如燃料燃烧或噪音产生等课题只有大型且经验丰富的工程部门才能解决。此外，所使用的数值模型非常复杂，并已通过大量的实验试验加以验证。尽管如此，个人可以在相对较短的时间内使用标准工具分析电池冷却或简单的空气动力学情况。

加热和冷却的模拟

图2显示了二维热交换器模拟的结果，其中流体通过一组垂直于流动方向的管道，如图1所示。观察管壁上所谓的热边界层的发展，它的厚度取决于流体的性质。固体壁面附近的流动和热现象的解析是准确预测热流通量和气动阻力的关键。工具箱包含一组函数，可以生成和改进边界层网格。

虽然这里的几何是简单的，但基本规则对于更复杂的案例保持不变。首先，一个人解决了流体流动，是什么构成了大多数计算工作。在此之上，求解传热方程，其计算得更便宜。在笔记本电脑上的几分钟内完成了40行代码行。

你可以在这里得到代码:https://quickersim.com/cfdtoolbox/tutorial/tutorial-15-laminar-heat-exchanger/

图2.层流式热交换器的2D模拟。两个不同的热导流率的温度场

电池包冷却

SAE团队Form UL从UniversitéAval.， Québec，在MATLAB中创建了他们的赛车的数值模型。其中一个模块处理电池中的非稳态传热问题如图3所示。皮埃尔·奥利维尔·西门(Pierre Olivier Cimon)是该团队的领导者之一，也是该模型的开发者，他认识到它的局限性。“标准工程相关性没有考虑瞬时效应和隔间内的流动限制。因此，我们求助于QuickerSim CFD工具箱，希望获得更好的传热和压降数据。”

图3由UL SAE团队从加拿大使用的电池组

这项工作还在进行中，因为车队想要模拟整个30分钟的赛车运行。这很难通过直接模拟实现，而是需要一个简化假设的聪明选择。

第一步是使用仅使用少量电池单元的共轭传热的非定常流量的数值模型的评估。您可以查看以下初始结果的联合电影。

汽车空气动力学

Strom + Söhne团队从纽伦堡,在他们的设计中使用了工具箱，参见图4.“我们的目标是增加拖拉尽可能低的车辆的向下力量”，Standm +Söhne领导者之一。模拟整个组件是一个配方1级的复杂性挑战，但是一个人仍然可以使用2D仿真获得有价值的见解。其Aileron-PLAP系统的第一个结果如下图5所示。您可以注意到翼型下侧的压力区。

图4. Strohm +Söhne队赛车的透视图。

最具挑战性的模拟将是那些皮瓣明显偏转的地方。流动很可能会变得非常混乱，稳定的cfd模型在那时将没有什么用处。然而，在此之前，稳态湍流模型(所谓的RANS模型)给出了准确的结果。

图5 S+S组扰流板周围的速度场和压力场形成Nürnberg。

自动翼型优化

事实上，人们经常会通过操纵其形状来寻求翼型性能的改善。通常他会最大化提升比例（L / D）。这种过程可以自动进行。因此，来自工具箱的基本湍流流程仿真在MATLAB优化代码中嵌套。在每个优化步骤中，网格相应地变形，并执行另一个CFD仿真。

下面你可以看一看连续步骤的结果。观察后缘形状和长/长比的巨大初始变化。仅仅几个步骤之后，改进就变得很轻微，整个过程就终止了。

你可以在这里得到代码:https://quickersim.com/cfdtoolbox/tutorial/tutorial-22-automatic-shape-optimization/

结论

总而言之，我们希望我们设法说服你：

1. 基本的流程案例可以在MATLAB中处理，作为更大的工作流的一部分。
2. 即使是复杂的三维流动问题也可以用二维代理来近似。

如果您想测试QuickerSim CFD工具箱自己，可在这里:https://quickersim.com/cfdtoolbox/download/．基本版本是免费的，它涉及稳定的层流，仅在两个尺寸中传播。如果要解锁全部潜力，请询问我们进行试用版。属于赛车休息室的团队可以免费获得全年的完整许可证 - 只需联系我们contact@quickersim.com.