七十九、Fluent可压缩超高音速流动

本文摘要（由AI生成）：

这篇文档主要介绍了用 Fluent 软件进行超音速流动分析的案例，内容包括超音速流动的概念、模型描述、基本设置、边界条件设置、求解设置、初始化、计算设置和后处理。案例模拟了航天器返回舱返回地球大气层时周围空气的情况，分析了其升力和阻力情况。

1. 超音速流动概念

声音在15℃的空气中的速度是340米每秒，大约是1224千米每小时。超音速是指速度比340米每秒大的状态，小于340米每秒的速度称作亚音速，等于340米每秒的速度为穿音速

可压缩流动按马赫数大小可分为亚声速流动（Ma=0.3～0.8左右）、跨声速流动（Ma=0.8～1.2左右）、超声速流动(Ma=1.2～5.0左右)和高超声速流动（Ma>5.0）。

一般Ma大于0.3就认为流体属于可压缩流动，Ma小于0.3属于不可压缩流动。

本例模拟航天器的返回舱返回地球大气层时周围空气的情况，认为大气压为25Pa。返回舱的攻角α=-25°，马赫数Ma=17.0。模拟过程中计算了升力和阻力情况。

3.1 导入网格：

使用Fluent软件打开Chapter79.msh.gz网格文件，文件在本文末尾链接资源内。

导入mesh文件后，显示模型，再返回舱附近进行了网格加密，以捕捉附近的空气流动

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸不需要修改，打开Scale mesh查看模型尺寸是否以m为单位

3.3 求解器设置

注：

1. 对于可压缩流动，基于密度的隐式求解器是首选；对于冲击射流，可选择基于密度的显示求解器；对于不可压缩流动，需要选择基于压力的求解器。

   
   

2. 什么是可压缩？什么是不可压缩？？

   
   

   实际上，任何流体都是可压缩的，只不过有的压缩性比较好(比如空气)，有的压缩性很差(比如水)。

   
   

   对于压缩性较好的流体，我们认为Ma>0.3，即表示可压缩。

4.1 能量方程

能量方程打开

对于基于密度求解器，可选择双温度模型。

双温度模型可以考虑超高声速流的热不平衡现象，对于表面传热和温度能够进行更加精确的预测。

选择双温度模型，材料物性会自动改变

4.2 湍流模型设置

选择SST k-omega模型，并勾选Compressibilty Effects

Compressibilty Effects：适用于高马赫数的流动，能够提高对流动自由剪切层的预测

4.3 设置air材料属性

双击air，打开材料设置界面。

双温度模型会自动改变材料物性，以适用高马赫数的流动。air材料物性保持不变即可。

设置操作压力为0，对于高马赫数可压缩流动，将操作压力设置为0，这样做是可避免截断误差的产生。

由于此处将操作压力设置为0，因此在后面的边界条件设置中，必须输入绝对压力

操作压力的设置可参考文章：六十二、Fluent操作压力operating pressure设置

6.1 inlet边界设置

inflow设置为压力远场Pressure Far-Field边界条件

Gauge Pressure：25 Pa

由于操作压力设置为0，此处的静压即绝对压力，也即高空中的大气压力为25Pa.

Mach Number：17

X-Component of Flow Direction：0.90630778

Y-Component of Flow Direction：-0.42261826

上面的两个值返回舱的攻角α= -25°决定

cos -25°= 0.90630778 

sin -25° = -0.42261826.

湍流参数设置：

Turbulent Intensity：1% 

Turbulent Viscosity Ratio：1

单击到温度界面，设置温度为250K

注：

1. Pressure Far-Field边界条件只适用于可压缩流动

2. 压力远场，顾名思义，用来说明无穷远处的自由来流状态，当给出马赫数和静参数条件后可用。

本例实际上是空气静止，返回舱运动。为计算方便，认为空气高速掠过返回舱，Pressure Far-Field用于给出大范围无穷远处的空气运动参数

6.2 outlet设置

设置为压力出口边界条件

Gauge Pressure：25Pa

勾选Average Pressure Specification.

勾选Weak 

Backflow Turbulent Intensity：1%

Backflow Turbulent Viscosity Ratio：1

选择温度界面，设置回流温度为250K

6.3 wall设置

capsule设置为wall

设置壁面温度为1500K

7.1 high speed numerics

在TUI界面打开high speed numerics

在文本控制界面输入下列的文本

下图中的蓝色字体为输入内容，黑色字体会输出内容

再次在TUI界面输入下列文本

7.2 求解方法

Solution-Solution Methods

按照下图设置求解方法

7.2 求解控制

Solution-Solution Controls

点击Limits...弹出Soluton Limits界面

Maximum Static Temperature：设置为20000K

7.4 监测物理量

监测返回舱的阻力。

Solution → Defnitions → New → Force Report → Drag...

双击Reports Definitions，弹出下图窗口

Name：输入drag-force

Report Output Type：选择Drag Force

Force Vector：x输入 0.9063078；y输入-0.4226183

Zones：选择capsule

勾选Report Plot（表示在窗口画实时曲线图）和 Print to Console（表示在文本界面输出阻力值）

再次监测返回舱升力lift

Solution → Defnitions → New → Lift Report → Lift...

依次点击New → Lift Report → Lift...可弹出下图窗口。

Name：输入lift-force

Report Output Type：选择Lift Force

Force Vector：x输入0.4226183

；y输入0.9063078

Zones：选择capsule

勾选Report Plot（表示在窗口画实时曲线图）和 Print to Console（表示在文本界面输出阻力值）

完成上述设置后，会在Monitors树下自动生成两个报告

残差设置

Solution → Reports → Residuals...

按照下图设置残差界面

标准初始化，详细操作可参考文章：一文说清楚Fluent初始化操作(标准+混合初始化+Patch+UDF)

点击Initialize，进行标准初始化

下面进行Full Multigrid (FMG)初始化

使用文本控制命令打开FMG初始化，在文本控制栏先输入下面文本

solve/initialize/set-fmg-initialization

依次输入蓝色字体

再次输入solve/initialize/fmg-initialization，完成FMG初始化

FMG初始化对于存在极强梯度的高超声速流具有更好的初始化效果，FMG初始化会通过逐步增加CFL数措施，来逐渐减少收敛的迭代次数。

FMG初始化需要经过一定的迭代才能完成，因此需要一定的时间

Number of Iterations设置为500，单击 Calculate

10.1 阻力曲线

10.2 升力曲线

10.3 Ma云图

10.4 温度云图

链接：见附件