詳細(xì)FLUENT實(shí)例講座-翼型計(jì)算

CAE聯(lián)盟論壇精品講座系列 詳細(xì)FLUENT實(shí)例講座-翼型計(jì)算主講人：流沙 CAE聯(lián)盟論壇總版主1.1 問題描述 翼型升阻力計(jì)算是CFD最常規(guī)的應(yīng)用之一。本例計(jì)算的翼型為RAE2822，其幾何參數(shù)可以查看翼型數(shù)據(jù)庫。本例計(jì)算在來流速度0.75馬赫，攻角3.19情況下，翼型的升阻系數(shù)及流場分布，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。模型示意圖如圖1所示。 1.png(12.13 K)2013/7/29 23:41:251.2 FLUENT前處理設(shè)置 Step 1：導(dǎo)入計(jì)算模型以3D，雙精度方式啟動(dòng)FLUENT14.5。利用菜單【File】【Read】【Mesh】，在彈出的文件選擇對話框中選擇網(wǎng)格文件rae2822_coarse.msh，點(diǎn)擊OK按鈕選擇文件。如圖2所示。點(diǎn)擊FLUENT模型樹按鈕General，在右側(cè)設(shè)置面板中點(diǎn)擊按鈕Display，在彈出的設(shè)置對話框中保持默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊Display按鈕，顯示網(wǎng)格。如圖3所示。 2.png(11.51 K)2013/7/29 23:41:253.png(33.41 K)2013/7/29 23:41:253-2.png(52.04 K)2013/7/29 23:41:25Step 2：檢查網(wǎng)格采用如圖4所示步驟進(jìn)行網(wǎng)格的檢查與顯示。點(diǎn)擊FLUENT模型樹節(jié)點(diǎn)General節(jié)點(diǎn)，在右側(cè)面板中通過按鈕Scale、Check及Report Quality實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格檢查。 4.png(12.10 K)2013/7/29 23:41:25點(diǎn)擊按鈕Check，在命令輸出按鈕出現(xiàn)如圖5所示網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息。從圖中可以看出，網(wǎng)格尺寸分布：x軸：-48.9750my軸：00.01mz軸：-5050m符合尺寸要求，無需進(jìn)行尺寸縮放。最小網(wǎng)格體積參數(shù)minimum volume為1.e-9，為大于0的值，符合計(jì)算要求。 5.png(27.22 K)2013/7/29 23:41:25Step 3：General設(shè)置點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)General，在右側(cè)設(shè)置面板中Solver下設(shè)置求解器為Density-Based，如圖6所示。小提示：對于高速可壓縮流場計(jì)算，常常使用密度基求解器。Step 4：Models設(shè)置使用SST k-w湍流模型，并且激活能量方程。1、激活SST k-w湍流模型如圖6-7所示，點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Models，在右側(cè)面板中的models列表項(xiàng)中鼠標(biāo)雙擊Viscous-laminar，彈出如圖6-8所示粘性模型設(shè)置對話框，在model選項(xiàng)中選擇k-omega(2 eqn)，并在k-omega Model選項(xiàng)中選擇選項(xiàng)SST，其它參數(shù)保持默認(rèn)。小技巧：對于外流場模型，若壁面附近流場非常重要，則SST k-w模型是理想的選擇。該湍流模型可以求解粘性子層，不過對網(wǎng)格要求較高，壁面附近需要非常細(xì)密的網(wǎng)格。2、激活能量方程在圖7所示面板中鼠標(biāo)雙擊列表項(xiàng)Eneergy-Off，彈出能量方程設(shè)置面板，在面板中激活Energy Equation選項(xiàng)。 8.png(42.49 K)2013/7/29 23:41:25Step 5：Materials設(shè)置設(shè)置氣體密度為理想氣體類型。如圖9所示，點(diǎn)擊FLUENT模型樹節(jié)點(diǎn)Materials，在右側(cè)設(shè)置面板中選擇材料air，點(diǎn)擊按鈕Create/Edit，彈出材料設(shè)置對話框。如圖10所示。設(shè)置密度Density選項(xiàng)為ideal-gas，設(shè)置粘性Viscosity選項(xiàng)為sutherland，在彈出的相應(yīng)面板中采取默認(rèn)設(shè)置。點(diǎn)擊Change/Create按鈕完成材料屬性的編輯。 小提示：ideal-gas采用的是理想氣體狀態(tài)方程，能夠反應(yīng)壓力與密度的關(guān)系，可以模擬流體的可壓縮性。對于高速可壓縮流動(dòng)問題，通常其流體物性與溫度關(guān)系較大，本例進(jìn)行了簡化，設(shè)置其比熱及熱傳導(dǎo)率為定值。Step 6：Cell Zone Conditions設(shè)置在Cell Zone Conditions中設(shè)置參考壓力為0。如圖11所示，點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Cell Zone Conditions，在右側(cè)設(shè)置面板中點(diǎn)擊按鈕Operating Conditions，彈出如圖12所示的設(shè)置對話框。在對話框中設(shè)置參數(shù)Operating Pressure為0。小技巧：設(shè)置操作壓力為零意味著在邊界條件中設(shè)置的壓力均為絕對壓力。Step 7：Boundary Conditions設(shè)置設(shè)置入口邊界inlet的邊界類型為Pressure Far-Field。設(shè)置壁面邊界airfoil的邊界類型為Wall。設(shè)置對稱邊界symmetry的邊界類型為Symmetry。1、設(shè)置入口邊界inlet如圖13所示，點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Boundary Conditions，在右側(cè)面板中Zone選項(xiàng)中選擇列表項(xiàng)inlet，設(shè)置邊界類型Type為pressure-far-field，點(diǎn)擊Edit按鈕在彈出的參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置入口邊界參數(shù)。如圖14所示。在Momentum標(biāo)簽頁中，設(shè)置表壓Gauge Pressure為11111Pa，設(shè)置馬赫數(shù)Mach Number為0.75，設(shè)置速度向量為直角坐標(biāo)方式Cartesian。設(shè)置方向向量為（0.99845，0，0.05565）。該向量為通過攻角3.19計(jì)算獲得。Cos3.19=0.99845，sin3.19=0.05565。設(shè)置湍流指定方式Specification Method為Intensity and Viscosity Ratio，指定湍流強(qiáng)度Turbulent Intensity為1%，湍流粘度比Turbulent Viscosity Ratio為1。切換至Thermal標(biāo)簽頁，設(shè)置溫度Temperature為216.65K。如圖15所示。2、設(shè)置airfoil邊界及symmetry邊界設(shè)置airfoil邊界類型為Wall，保持參數(shù)默認(rèn)，即使用無滑移光滑絕熱壁面。修改symmetry邊界類型為Symmetry。Step 8：Reference Value設(shè)置參考值主要用于升阻系數(shù)的計(jì)算。如圖16所示設(shè)置。點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Reference Values，在右側(cè)面板中Computer from選擇inlet，軟件會(huì)自動(dòng)對下方的參數(shù)進(jìn)行填充。用戶需要確保Area參數(shù)值為0.01。軟件利用參數(shù)值進(jìn)行升力系數(shù)及阻力系數(shù)的計(jì)算：式中，CD為阻力系數(shù)，CL為升力系數(shù)。Fstream為水平分力，F(xiàn)lateral為垂直分力。Step 9：Solution Methods設(shè)置如圖17所示，點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Solution Methods，在右側(cè)面板中設(shè)置求解方法。如圖所示，使用Implicit及Roe-FDS求解方法，修改Turbulent Kinetic Energy與Specific Dissipation Rat為Second Order Upwind，其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。Step 10：Solution Controls設(shè)置求解控制參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。該面板中的設(shè)置主要用于控制收斂性，通常軟件會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的模型及邊界條件對控制參數(shù)進(jìn)行一定的優(yōu)化，用戶往往無需進(jìn)行設(shè)定。在該面板中主要設(shè)置物理量的亞松弛因子。增大亞松弛因子能提高收斂速度，但是會(huì)降低穩(wěn)定性。Step 11：Monitor設(shè)置可以定義升力及阻力系數(shù)監(jiān)視器，以觀察這些物理量隨迭代進(jìn)行的變化情況。1、定義阻力監(jiān)視器如圖18所示，鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Monitors，在右側(cè)設(shè)置面板中點(diǎn)擊如圖所示Create按鈕下的Drag菜單，彈出如圖19所示的設(shè)置對話框。按如圖19所示，定義阻力監(jiān)視器。2、升力監(jiān)視器升力監(jiān)視器定義步驟與阻力監(jiān)視器相同，所不同的是力向量Force Vector改為-0.0556，0，。Step 12：Solution Initialization設(shè)置以入口inlet邊界條件進(jìn)行初始化。如圖20及圖21所示。Step 13：Run Calculation設(shè)置點(diǎn)擊FLUENT模型樹節(jié)點(diǎn)Run Calculation，右側(cè)面板設(shè)置如圖21所示。設(shè)置Number of Iterations為0，激活選項(xiàng)Solution Steering，在選項(xiàng)Flow Type為Transonic，激活選項(xiàng)Use FMG Initialization，點(diǎn)擊按鈕Calculate進(jìn)行FMG初始化。小技巧：對于航空外流問題，采用FMG初始化有助于提高收斂性。設(shè)置Number of Iterations為900，取消激活選項(xiàng)Use FMG Initialization，點(diǎn)擊Calculation按鈕進(jìn)行迭代計(jì)算。1.3 結(jié)果后處理Step 1：升阻系數(shù)監(jiān)控曲線圖22與圖23分別為升力系數(shù)與阻力系數(shù)監(jiān)控曲線。從圖中可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，升力系數(shù)及阻力系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定?？梢哉J(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。圖24為迭代輸出結(jié)果部分截圖，從圖中可以看出，升力系數(shù)約為0.71，阻力系數(shù)約為0.。Step 2：沿壁面的壓力系數(shù)分布點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Plot，在右側(cè)面板中選擇列表項(xiàng)XY Plot，彈出面板如圖25所示。激活選項(xiàng)Node Values與Position on X Axis，設(shè)置Plot Direction為（1,0,0），設(shè)置Y Axis Function為Pressure與Pressure Coefficient，設(shè)置X Axis Function為Direction Vector，選擇Surface為airfoil。點(diǎn)擊按鈕Load File，在彈出的文件選擇對話框中選擇試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件experiment.xy。點(diǎn)擊Plot按鈕顯示曲線。壓力系數(shù)分布如圖28所示。點(diǎn)擊Axes按鈕，彈出如圖26所示坐標(biāo)軸樣式設(shè)置對話框。激活選擇Y Axis，設(shè)置Number Format的Type為float，設(shè)置精度Precision為2。點(diǎn)擊Curve按鈕設(shè)置曲線樣式。如圖27所示。對話框中Curve#中選擇曲線編號，Line Style設(shè)置曲線的樣式：包括曲線的線型（Pattern）、顏色（Color）及線寬（weight）。在Maker Style中設(shè)置曲線上標(biāo)記點(diǎn)的樣式，包括參數(shù)symbol、Color及size。設(shè)置本次計(jì)算的曲線為實(shí)線，藍(lán)色，線寬為2。如圖所示。圖28所示為壓力系數(shù)分布曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布。從圖中可以看出，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。用戶可以加密網(wǎng)格以提高計(jì)算精度。Step 3：修改視圖方向本例中視圖方向如圖29上圖所示。用戶往往習(xí)慣以來流方向從左至右顯示，因此需要修改視圖方向以調(diào)整模型觀察方向，如圖29下圖所示。利用菜單【Display】【View】彈出如圖30所示視圖定義對話框。點(diǎn)擊Views對話框中的按鈕Camera，在彈出的對話框中設(shè)置Camera為Up Vector，設(shè)置向量為（0,0,-1），點(diǎn)擊Apply及Close按鈕確認(rèn)并關(guān)閉對話框。返回至views對話框中點(diǎn)擊Save按鈕保存視圖，點(diǎn)擊Apply按鈕確認(rèn)視圖選擇。調(diào)整視圖后的圖形顯示框中模型顯示如圖29右圖所示。Step 4：查看馬赫數(shù)分布點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Graphics and Animations，在右側(cè)面板Graphics中選擇列表項(xiàng)Contours，點(diǎn)擊Set Up按鈕進(jìn)入云圖設(shè)