XField新功能-支持二维CFD流场仿真数据后处理
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前言
本期我们将以XField新功能「支持二维CFD流场仿真数据后处理」为主题，以超音速流动「拉瓦尔喷管马赫环二维对称仿真」为案例展示。整个仿真采用Fluent解算，导出多时刻流场数据plt文件，XField完成二维流场解算数据后处理。
接下来，我们先直观感受一下XField对二维仿真数据的后处理结果展示，内容包括瞬态速度、瞬态压力、瞬态马赫数及瞬态温度云图。以上云图将展示超音速流动中拉瓦尔喷管马赫环的演变过程，帮助我们更深入地理解流动的特性和行为。
1. 案例背景
马赫环是火箭发动机、超音速燃烧冲压发动机等在大气层中工作时，尾部喷出的明亮耀眼、钻石型激波。
火箭发动机和航空发动机尾部最常用的构件便是拉瓦尔喷管，由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。火箭和飞机都需要喷射超音速气流来获得强大推力，喷出的超音速气流压力很高，所以当它从喷管喷入大气中时，会直接膨胀；但膨胀后的气流压力又会低于大气压，因此会再次被压缩，这样一来，超音速气流会在膨胀与压缩间往复循环，这个过程会形成膨胀波与压缩波，二者在传播过程中相遇叠加，就形成了一个个的圆环，也就是马赫环。
马赫环现象出现的必要条件：一是超音速气流；二是气流压力与环境压力不等。前者满足冲击波出现的条件；而后者能使气流发生变化，进而产生不同的波。
马赫环场景
2. 仿真计算
由于拉瓦尔喷管的几何形状和流场分布具有明显的对称性质，可以将拉瓦尔喷管马赫环的仿真问题简化为二维平面问题。在二维对称仿真中，只需要考虑流场在一个平面内的分布情况，而不需要考虑喷管的轴向分布，可以显著减少计算的复杂度和计算资源的消耗，可以更快速地获得拉瓦尔喷管马赫环的相关参数，如马赫数分布等，从而为设计和优化喷管提供参考。
Part. 2.1
几何前处理
根据几何和流场对称性，将拉瓦尔喷管简化为二维对称平面，其几何数模如下所示：
1/2对称几何数模
Part. 2.2
网格前处理
计算网格采用结构化四边形网格，拉瓦尔喷管轴向加密处理，单元共72701，网格如下图所示：
1/2对称网格
Part. 2.3
计算边界条件
仿真采用非定常计算，整个计算流场由轴对称边界、壁面边界、压力入口和压力出口边界组成，其中压力入口和出口边界参数如下表1所示：
表1-相关计算参数
3. 二维流场XField后处理
Part. 3.1
镜像还原某时刻完整二维流场
对于某些二维或者三维模型，为对称外形结构，在数值模拟过程中通常在对称面或对称轴上采用对称边界条件，计算一半流场，然后通过流场数据重构获得全模流场数据。这种半模计算方法可以减少约一半的计算量，省时省力。
目前XField已经实现还原完整流场功能，后处理可视化时通过对流场数据进行镜像或旋转，实现对局部流场数据进行几何变换，解决数据不完整、不准确和不充分的问题，以实现流场数据的可视化及全面分析。
下面以速度云图为例：
某时刻对称流场速度云图
某时刻完整流场速度云图
Part. 3.2
以物面网格形式显示二维流场
物面网格形式是一种以图形化方式展示流场结果的方法，它通过在物体表面上绘制网格或颜色变化来表示流场的属性。这种显示方式可以直观地展示流场的分布、变化和特征，帮助用户更好地理解流动行为。
Part. 3.3
多时刻瞬态二维流场显示
多时刻瞬态流场显示功能允许用户查看二维或者三维流体仿真结果随时间变化的动态情况，并提供直观的界面来显示这些时刻的结果。用户可以轻松切换不同时间步，对比不同时间步之间的差异，以便观察和分析流场参数的变化趋势。用户也可以播放仿真动画，观察流场随时间的演变，从而更好地理解和分析流动的动态行为。
4. 结语
通过拉瓦尔喷管马赫环二维仿真数据来展示XField的新功能-支持二维CFD流场仿真数据后处理，为流体力学领域的科研工作者和工程师们提供了更加强大和便捷的工具。
现在有了XField的支持，处理二维CFD仿真数据这一过程变得更加高效和灵活，XField都能够准确而快速地完成。随着版本不断迭代优化，XField将继续致力于为用户提供更多创新的功能和更好的用户体验，为计算流体力学领域的研究和应用带来更大的便利和前景。
期待未来XField能够为用户带来更多的惊喜和突破！
