详细FLUENT实例讲座-翼型计算

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详细FLUENT实例讲座-翼型计算

主讲人：流沙CAE联盟论坛总版主

1.1 问题描述

翼型升阻力计算是CFD最常规的应用之一。本例计算的翼型为RAE2822，其几何参数可以查看翼型数据库。本例计算在来流速度0.75马赫，攻角3.19°情况下，翼型的升阻系数及流场分布，并将计算结果与实验数据进行对比。模型示意图如图1所示。

1.2 FLUENT前处理设置

Step 1：导入计算模型

以3D，双精度方式启动FLUENT14.5。

利用菜单【File】>【Read】>【Mesh…】，在弹出的文件选择对话框中选择网格文件

rae2822_coarse.msh，点击OK按钮选择文件。如图2所示。

点击FLUENT模型树按钮General，在右侧设置面板中点击按钮Display…，在弹出的设置对话框中保持默认设置，点击Display按钮，显示网格。如图3所示。

Step 2：检查网格

采用如图4所示步骤进行网格的检查与显示。点击FLUENT模型树节点General节点，在

右侧面板中通过按钮Scale…、Check及Report Quality实现网格检查。

点击按钮Check，在命令输出按钮出现如图5所示网格统计信息。从图中可以看出，网格尺寸分布：

x轴：-48.97~50m

y轴：0~0.01m

z轴：-50~50m

符合尺寸要求，无需进行尺寸缩放。

最小网格体积参数minimum volume为1.690412e-9，为大于0的值，符合计算要求。

Step 3：General设置

点击模型树节点General，在右侧设置面板中Solver下设置求解器为Density-Based，如图6所示。

小提示：对于高速可压缩流场计算，常常使用密度基求解器。

Step 4：Models设置

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

如图6-7所示，点击模型树节点Models，在右侧面板中的models列表项中鼠标双击Viscous-laminar，弹出如图6-8所示粘性模型设置对话框，在model选项中选择k-omega(2 eqn)，并在k-omega Model选项中选择选项SST，其它参数保持默认。

小技巧：对于外流场模型，若壁面附近流场非常重要，则SST k-w模型是理想的选择。该湍流模型可以求解粘性子层，不过对网格要求较高，壁面附近需要非常细密的网格。

2、激活能量方程

在图7所示面板中鼠标双击列表项Eneergy-Off，弹出能量方程设置面板，在面板中激活Energy Equation选项。

Step 5：Materials设置

设置气体密度为理想气体类型。

如图9所示，点击FLUENT模型树节点Materials，在右侧设置面板中选择材料air，点击按钮Create/Edit…，弹出材料设置对话框。如图10所示。

设置密度Density选项为ideal-gas，设置粘性Viscosity选项为sutherland，在弹出的相应面板中采取默认设置。点击Change/Create按钮完成材料属性的编辑。

小提示：ideal-gas采用的是理想气体状态方程，能够反应压力与密度的关系，可以模拟流体的可压缩性。对于高速可压缩流动问题，通常其流体物性与温度关系较大，本例进行了简化，设置其比热及热传导率为定值。

Step 6：Cell Zone Conditions设置

在Cell Zone Conditions中设置参考压力为0。

如图11

所示，点击模型树节点Cell Zone Conditions，在右侧设置面板中点击按钮Operating Conditions…，弹出如图12

所示的设置对话框。在对话框中设置参数Operating Pressure为0。

小技巧：设置操作压力为零意味着在边界条件中设置的压力均为绝对压力。

Step 7：Boundary Conditions设置

设置入口边界inlet的边界类型为Pressure Far-Field。

设置壁面边界airfoil的边界类型为Wall。

设置对称边界symmetry的边界类型为Symmetry。

1、设置入口边界inlet

如图13所示，点击模型树节点Boundary Conditions，在右侧面板中Zone选项中选择列表项inlet，设置边界类型Type为pressure-far-field，点击Edit…按钮在弹出的参数设置对话框中设置入口边界参数。如图14所示。

在Momentum标签页中，设置表压Gauge Pressure为11111Pa，设置马赫数Mach Number 为0.75，设置速度向量为直角坐标方式Cartesian。设置方向向量为（0.99845，0，0.05565）。该向量为通过攻角3.19°计算获得。Cos3.19°=0.99845，sin3.19°=0.05565。

设置湍流指定方式Specification Method为Intensity and Viscosity Ratio，指定湍流强度Turbulent Intensity为1%，湍流粘度比Turbulent Viscosity Ratio为1。

切换至Thermal标签页，设置温度Temperature为216.65K。如图15所示。

2、设置airfoil边界及symmetry边界

设置airfoil边界类型为Wall，保持参数默认，即使用无滑移光滑绝热壁面。

修改symmetry边界类型为Symmetry。

Step 8：Reference Value设置

参考值主要用于升阻系数的计算。如图16所示设置。

点击模型树节点Reference Values，在右侧面板中Computer from选择inlet，软件会自动对下方的参数进行填充。用户需要确保Area参数值为0.01。

软件利用参数值进行升力系数及阻力系数的计算：

式中，CD为阻力系数，CL为升力系数。Fstream为水平分力，Flateral为垂直分力。

Step 9：Solution Methods设置

如图17所示，点击模型树节点Solution Methods，在右侧面板中设置求解方法。如图所示，使用Implicit及Roe-FDS求解方法，修改Turbulent Kinetic Energy与Specific Dissipation Rat为Second Order Upwind，其它参数保持默认设置。

Step 10：Solution Controls设置

求解控制参数采用默认设置。该面板中的设置主要用于控制收敛性，通常软件会根据用户设置的模型及边界条件对控制参数进行一定的优化，用户往往无需进行设定。在该面板中主要设置物理量的亚松弛因子。增大亚松弛因子能提高收敛速度，但是会降低稳定性。

Step 11：Monitor设置

可以定义升力及阻力系数监视器，以观察这些物理量随迭代进行的变化情况。

1、定义阻力监视器

如图18所示，鼠标点击模型树节点Monitors，在右侧设置面板中点击如图所示Create按钮下的Drag…菜单，弹出如图19所示的设置对话框。

按如图19所示，定义阻力监视器。

2、升力监视器

升力监视器定义步骤与阻力监视器相同，所不同的是力向量Force Vector改为[-0.0556，0，。

Step 12：Solution Initialization设置

以入口inlet边界条件进行初始化。如图20及图21所示。

Step 13：Run Calculation设置

点击FLUENT模型树节点Run Calculation，右侧面板设置如图21所示。设置Number of Iterations为0，激活选项Solution Steering，在选项Flow Type为Transonic，激活选项Use FMG Initialization，点击按钮Calculate进行FMG初始化。

小技巧：对于航空外流问题，采用FMG初始化有助于提高收敛性。

设置Number of Iterations为900，取消激活选项Use FMG Initialization，点击Calculation 按钮进行迭代计算。

1.3 结果后处理

Step 1：升阻系数监控曲线

图22与图23分别为升力系数与阻力系数监控曲线。从图中可以看出，随着迭代次数的增加，升力系数及阻力系数逐渐趋于稳定。可以认为计算达到收敛。

图24为迭代输出结果部分截图，从图中可以看出，升力系数约为0.71，阻力系数约为0.027416。

Step 2：沿壁面的压力系数分布

点击模型树节点Plot，在右侧面板中选择列表项XY Plot，弹出面板如图25所示。激活选项Node Values与Position on X Axis，设置Plot Direction为（1,0,0），设置Y Axis Function 为Pressure与Pressure Coefficient，设置X Axis Function为Direction Vector，选择Surface 为airfoil。

点击按钮Load File…，在弹出的文件选择对话框中选择试验数据文件experiment.xy。点击Plot按钮显示曲线。压力系数分布如图28所示。

点击Axes按钮，弹出如图26所示坐标轴样式设置对话框。激活选择Y Axis，设置Number Format的Type为float，设置精度Precision为2。

点击Curve按钮设置曲线样式。如图27所示。对话框中Curve#中选择曲线编号，Line Style 设置曲线的样式：包括曲线的线型（Pattern）、颜色（Color）及线宽（weight）。在Maker Style中设置曲线上标记点的样式，包括参数symbol、Color及size。

设置本次计算的曲线为实线，蓝色，线宽为2。如图所示。

图28所示为压力系数分布曲线及实验数据分布。从图中可以看出，数值仿真计算结果与实验数据吻合较好。用户可以加密网格以提高计算精度。

Step 3：修改视图方向

本例中视图方向如图29上图所示。用户往往习惯以来流方向从左至右显示，因此需要修改视图方向以调整模型观察方向，如图29下图所示。利用菜单【Display】>【View…】弹出如图30所示视图定义对话框。

点击Views对话框中的按钮Camera…，在弹出的对话框中设置Camera为Up Vector，设置向量为（0,0,-1），点击Apply及Close按钮确认并关闭对话框。返回至views对话框中点击Save按钮保存视图，点击Apply按钮确认视图选择。调整视图后的图形显示框中模型显示如图29右图所示。

Step 4：查看马赫数分布

点击模型树节点Graphics and Animations，在右侧面板Graphics中选择列表项Contours，点击Set Up按钮进入云图设置对话框。如图31所示，在Options中确保已选中选项Filled、Node Value、Global Range及Auto Range，同时设置Contours of组合框内容为Velocity…及Mach Number，选择Surfaces为Symmetry。点击Display按钮显示云图，如图32所示。

图31云图设置对话框

Step 5：压力分布

与步骤4相同的操作顺序，选择Contours of…下拉列表为Pressure与Static Pressure，显示压力分布如图33所示。