Fluent Tutorials：再入舱高超声速流动的模拟与优化

1 案例介绍

本案例中模拟的再入舱速度及环境条件为其在大约50 km高度地球大气层的条件。

本文演示以下操作：

使用watertight工作流创建计算网格
用高速数值模拟方法，用two-temperature模型模拟能量，用appropriate模型模拟空气特性
使用SST k-omega湍流模型
使用密度基耦合求解器

2 模型描述

该问题考虑攻角α=-25°及自由流马赫数17.0时再入舱周围的流动。再入舱的几何形状如图所示，图中还表示了给定情况下的升力和阻力方向。在本教程中，假设再入舱周围的流动是对称的。

3 计算网格

在Fluent Meshing中生成计算网格。

启动Fluent Meshing，选择使用Watertight Geometry工作流程，如下图所示

模型树节点如下图所示

导入CAD几何模型
选择Import Geometry节点
选择Units为m
指定几何文件CapsuleFlow.scdoc
点击按钮Import Geometry导入几何模型

注意：再入舱的几何被包围在一个合适的流体域内，该流体域为一系列攻角提供不同的流入和流出区域，并避免在这种流中形成的弓形激波与流入面接触”

设置Local Sizing指定局部网格尺寸
激活Add Local Sizing
指定Name为capsule
指定Growth Rate为1.1
指定Target Mesh Size为0.1
选择区域为origin-capsule
点击按钮Add Local Sizing

添加BOI网格控制
指定Name为boi_1
指定Growth Rate为1.1
指定Size Control Type为Body Of Influence
指定Target Mesh Size为0.2
选择区域为capsuleflow-boi1
点击按钮Add Local Sizing

添加BOI网格控制
指定Name为boi_2
指定Growth Rate为1.1
指定Size Control Type为Body Of Influence
指定Target Mesh Size为0.05
选择区域为capsuleflow-boi2
点击按钮Add Local Sizing

生成面网格
进入面板Generate the Surface Mesh
指定Minimum Size为0.1
指定Maximum Size为1
指定Growth Rate为1.1
点击按钮Generate the Surface Mesh生成面网格

描述几何模型
选择选项 The geometry consists of only fluid regions with no voids
其他参数保持默认设置

进入面板Update Boundaries，如下图所示

进入面板Update Regions，如下图所示设置

添加边界层参数
指定参数Offset Method Type为last-ratio
指定参数Number of Layers为30
指定参数Transition Ratio为1
指定参数First Height为0.001
点击按钮Add Boundary Layers

进入面板Generate the Volume Mesh生成计算网格
选择参数Fill With为 polyhedra
指定参数Max Cell Length为1
点击按钮 Generate the Volume Mesh生成计算网格

生成计算网格如下图所示。

**File→ Write → Mesh…**保存网格文件
Switch to Solution进入求解模式

4 Fluent设置

4.1 General设置

采用Density-Based求解器

注：高超声速模拟通常选用密度基求解器。

4.2 Models设置

激活能量方程，选中选项Two-Temperature Model

注：当使用基于密度的求解器时，双温度模型可用于模拟高超音速流动中的非平衡热现象。其模拟了流动中的能量弛豫过程，并提供了比单温度模型更好的流场预测。 ”

选择使用SST k-omega湍流模型，激活选项Compressibility Effects

4.3 Materials设置

如下图所示指定空气的介质属性，修改Density为ideal-gas，其他参数保持默认设置

4.4 操作条件设置

指定Operating Pressure为0 Pa

注：在流体介质选用理想气体模型时，常将操作压力指定为零，这样计算域中的压力为绝对压力。

4.5 边界条件设置

设置入口inflow的边界条件
指定Gauge Pressure为25 Pa
指定Mach Number为17
指定X-Component of Flow Direction为0.90630778
指定Y-Component of Flow Direction为-0.42261826

注：x方向分量为cos(-25°)，y方向分量为sin(-25°)

指定inflow边界的温度为250 K

指定出口边界outflow的边界条件
指定Gauge Pressure为25 Pa
激活选项Average Pressure Specification，选择Averageing Method为Weak

指定出口回流温度为250 K

指定壁面capsule的温度为1500 K

4.6 Methods

在TUI窗口中输入下面的命令以激活高速数值格式

/solve/set/high-speed-numerics/ enable? y

如下图所示。

进入Methods设置面板，如下图所示进行设置
指定Formulation为Implicit
指定Flux Type为AUSM
指定Gradient为Green-Gauss Node Based
激活选项Convergence Acceleration For Stretched Meshes

4.7 设置Controls

打开Controls面板，点击Limits...按钮打开对话框
指定Maximum Static Temperature为20000 K

4.8 设置监测升阻力

右键选择模型树节点Report Definitions，点击弹出菜单项New → Force Report → Drag…打开定义对话框

img

如下图所示设置阻力监测

添加升力监测定义

如下图所示设置参数

4.9 残差控制

如下图所示修改残差标准

4.10 初始化

采用Standard Initialization进行初始化
利用入口inflow进行初始化

进行fmg初始化设置及初始化，如下所示

solve/initialize/set-fmg-initializationCustomize your FMG initialization:set the number of multigrid levels [5] 3set FMG parameters on levels ..residual reduction on level 1 is: [0.001]number of cycles on level 1 is: [10] 200residual reduction on level 2 is: [0.001]number of cycles on level 2 is: [50] 400residual reduction on level 3 [coarsest grid] is: [0.001]number of cycles on level 3 is: [100] 1000Number of FMG (and FAS geometric multigrid) levels: 3* FMG customization summary:* residual reduction on level 0 [finest grid] is: 0.001* number of cycles on level 0 is: 1* residual reduction on level 1 is: 0.001* number of cycles on level 1 is: 200* residual reduction on level 2 is: 0.001* number of cycles on level 2 is: 400* residual reduction on level 3 [coarsest grid] is: 0.001* number of cycles on level 3 is: 1000* FMG customization completeset FMG courant-number [0.75] 0.25enable FMG verbose? [no] yessolve/initialize/fmg-initializationEnable FMG initialization? [no] yes

注：对于高超声速流动，采用FMG初始化有利于提高收敛性。