案例分享：利用CFD Cradle软件分析航天飞机表面凹面气动特性的可行性与方法

Lakireddy Bali Reddy College of Engineering (LBRCE) 使用 CFD Cradle 软件的scFLOW模块，探索航天飞机再入飞行器的凹度对流动物理现象和热分布模式的影响，LBRCE航空航天工程系成立于2011年，发表了多篇研究论文并参与了多项研究活动，还配备了多个先进的实验室，拥有独立的空气动力学和飞机结构研究小组，以及多项研究出版物。

挑战

LBRCE航空航天工程系正在开展一个设计可重复使用航天器的项目。 在任何可重复使用的航天器的设计中，成功的一个重要因素是航天器在多次再入条件下的生存能力。 为了实现这一目标，研究团队热衷于探索具有不同凹凸度的再入飞行器的凹度如何改变流动物理现象和热分布模式。 一般来说，几乎所有可重复使用的航天飞机的重返大气层都类似于一个大迎风面的平板，因 为它的迎风面是平坦的。

为了解决这个问题，团队使用了完整的三维 Navier-Stokes 方程。在这种方法中，方程在一个薄凹板上以不同的攻角对高超声速流动进行求解。将不同偏心板的峰值温度和阻力系数与垂直于流动的平板的峰值温度和阻力系数进行比较。空气被假定为热完全气体。将不同偏心度的凹板的总传热率和峰值热通量与平板进行了比较。

航空航天工程系在此研究应用中使用了商用的分析工具。 然而，软件处理这种高速流动物理的能力是有限的。 对于高速可压缩流，面临求解器的高度不稳定性的问题。 此外，与现有文献相比，仿真数据在稳定性、收敛性和准确性方面存在一定的挑战。

解决方案

为了解决列出的一些问题，团队开始使用 MSC Software 的商用求解器 scFLOW V14.1 来计算分析航天飞机中使用的凹腹面的可行性。 使用 scFLOW 中可用的一流发散控制方法，能够解决围绕发散以及求解器高度不稳定性的问题。

此外，借助 MSC Software 灵活的许可系统，能够同时运行三个仿真，从而节省时间。项目还利用了 scFLOW 卓越的可扩展性功能，被证明有助于更快的解决方案。

图1: 可重复使用的航天飞机的二维视图

优势

使用 scFLOW，能够获得许多显著优势，详情如下：

节约时间： 由于具有快速自动网格生成器、强大的求解器功能、有效发散控制方法的速度以及非常强大的后处理等特性，学生们能够显著减少整体仿真时间。 此外，scFLOW 在 CFD 仿真的每个阶段并行化的能力证明有助于减少仿真时间。 结果 ，学生团队能够在短短一个月内在如此复杂的 领域进行深入研究，使他们能够在其中一个享有盛誉的会议——第 46 届全国流体力学和流体动力会议 (FMFP) 上提交研究论文（于 2019 年 12 月 9 日至 11 日在印度哥印拜陀 PSG 技术学院举行）。

易于使用： 使用 scFLOW 的学生发现它易于使用，尤其是在涉及离散化或求解器设置方法等过程时。团队还对项目中使用的cradle软件的后处理功能印象深刻。

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