1、问题描述
机翼长1m,空气来流马赫数0.8,攻角4°。在Fluent中,当马赫数在0.3以上时,就不能忽略气体的压缩性。
2、导入并显示网格
2.1 启动Fluent软件,注意是2D求解器。读入网格。
2.2 显示网格
操作General->Display
放大中间机翼附近的网格如下图所示。
3、求解器设置
对于可压缩仿真,推荐使用密度基求解器。
4、模型选择
4.1 打开能量方程。对于可压缩仿真,能量方程必须打开。
4.2 选择湍流模型。
对于外部机翼流动问题,推荐使用单方程的Spalart-Allmaras模型,此模型能够对此类问题给出很好的求解结果。对于Fluent提供的湍流模型选择,可以参考前面的文章《Fluent提供了9个湍流模型,教你如何选择》。
5、材料设置
需要将空气设置为可压缩。
对于粘度项,选择sutherland方程,采用默认的三系数即可。
6、操作压力设置
将操作压力设置为0Pa,在Fluent中,对流马赫数大于0.1的流动,操作压力推荐为0,可以参考下图推荐的设置。
操作压力设置如下
7、边界条件设置
计算域外部边界条件,设置为压力远场。压力远场边界条件只对可压缩流动合适。
上图中的XY方向分量,是依据攻角进行计算的。X方向cos4°=0.997564,Y方向sin4°=0.069756。航空航天的攻角设置,可以如上面操作转化为XY方向的流动分量进行设置。
来流的温度为300K,设置如下。
其余边界为机翼的固体边界,按照默认为wall边界设置即可。
8、求解
8.1 离散方案
8.2 松弛因子
8.3 残差收敛判据
默认设置即可。
8.4 初始化
8.5 求解
先设置100步迭代,看看收敛如何。
计算100步后,收敛曲线如下。
从初步的计算过程看,收敛曲线是有向下趋势的,但是有震荡。如此的话,可以将Courant Number设置大些,例如20,加速收敛速度;通过监控机翼表面的力,进一步判断计算收敛。
9、改进求解
9.1 调整Courant Number
9.2 设置监控机翼的阻力系数
9.3 设置监控机翼的升力系数
9.4 设置参考值,因为阻力系数和升力系数的计算,需要给Fluent指定仿真的一些已知值。
9.5 将收敛残差设置更严格的数值
9.6继续迭代计算,不需要初始化!
9.7 判断收敛
阻力系数曲线如下
升力系数如下:
可以判断,基本上收敛,再来看看残差曲线。
基本上达到收敛值,当然,如果继续增加迭代步数更加好,计算到这里也可以初步判断已经收敛。
10、后处理
10.1 显示机翼表面网格的y+值,判断网格是否可以接受。
对于Spalart-Allmaras模型,y+值的要求要么y+=1,要么y+等于或大于30。从下面显示的y+值看出,大部分大于30,剩下的一部分虽然低于30,但也没有低太多,所以判断此网格可以接受。
10.2 显示马赫数云图
可以看出,机翼上表面有个激波,大概在0.45的位置。
10.3 显示机翼表面的压力系数
11、减少松弛因子仿真
从9.7的残差曲线看出,数值计算过程波动比较大,这中情况一般可以通过降低松弛因子改善。将松弛因子改为如下。
残差曲线如下,
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