马赫数17：Fluent软件模拟航天器返回舱气动特性
马赫数17：Fluent软件模拟航天器返回舱气动特性
本文详细介绍了如何使用Fluent软件模拟航天器返回舱在超高音速条件下的空气动力学特性。通过设置可压缩流动模型、边界条件和求解参数，文章展示了从模型导入到后处理的完整仿真流程。
1. 超音速流动概念
声音在15℃的空气中的速度是340米每秒，大约是1224千米每小时。超音速是指速度比340米每秒大的状态，小于340米每秒的速度称作亚音速，等于340米每秒的速度为穿音速。
可压缩流动按马赫数大小可分为亚声速流动（Ma=0.3～0.8左右）、跨声速流动（Ma=0.8～1.2左右）、超声速流动(Ma=1.2～5.0左右)和高超声速流动（Ma>5.0）。
一般Ma大于0.3就认为流体属于可压缩流动，Ma小于0.3属于不可压缩流动。
2. 模型描述
本例模拟航天器的返回舱返回地球大气层时周围空气的情况，认为大气压为25Pa。返回舱的攻角α=-25°，马赫数Ma=17.0。模拟过程中计算了升力和阻力情况。
3. 基本设置
3.1 导入网格：
使用Fluent软件打开Chapter79.msh.gz网格文件，文件在本文末尾链接资源内。
导入mesh文件后，显示模型，再返回舱附近进行了网格加密，以捕捉附近的空气流动
3.2 修改模型尺寸
本案例模型尺寸不需要修改，打开Scale mesh查看模型尺寸是否以m为单位
3.3 求解器设置
基于密度求解器，稳态设置，不勾选重力
注：
- 对于可压缩流动，基于密度的隐式求解器是首选；对于冲击射流，可选择基于密度的显示求解器；对于不可压缩流动，需要选择基于压力的求解器。
- 什么是可压缩？什么是不可压缩？？
实际上，任何流体都是可压缩的，只不过有的压缩性比较好(比如空气)，有的压缩性很差(比如水)。
对于压缩性较好的流体，我们认为Ma>0.3，即表示可压缩。
4. 设置计算模型
4.1 能量方程
能量方程打开
对于基于密度求解器，可选择双温度模型。
双温度模型可以考虑超高声速流的热不平衡现象，对于表面传热和温度能够进行更加精确的预测。
选择双温度模型，材料物性会自动改变
4.2 湍流模型设置
选择SST k-omega模型，并勾选Compressibilty Effects
Compressibilty Effects：适用于高马赫数的流动，能够提高对流动自由剪切层的预测
4.3 设置air材料属性
双击air，打开材料设置界面。
双温度模型会自动改变材料物性，以适用高马赫数的流动。air材料物性保持不变即可。
5. 操作条件设置
设置操作压力为0，对于高马赫数可压缩流动，将操作压力设置为0，这样做是可避免截断误差的产生。
由于此处将操作压力设置为0，因此在后面的边界条件设置中，必须输入绝对压力
操作压力的设置可参考文章：六十二、Fluent操作压力operating pressure设置
6. 边界条件设置
6.1 inlet边界设置
inflow设置为压力远场Pressure Far-Field边界条件
Gauge Pressure：25 Pa
由于操作压力设置为0，此处的静压即绝对压力，也即高空中的大气压力为25Pa.
Mach Number：17
X-Component of Flow Direction：0.90630778
Y-Component of Flow Direction：-0.42261826
上面的两个值返回舱的攻角α= -25°决定
cos -25°= 0.90630778
sin -25° = -0.42261826.
湍流参数设置：
Turbulent Intensity：1%
Turbulent Viscosity Ratio：1
单击到温度界面，设置温度为250K
注：
- Pressure Far-Field边界条件只适用于可压缩流动
- 压力远场，顾名思义，用来说明无穷远处的自由来流状态，当给出马赫数和静参数条件后可用。
本例实际上是空气静止，返回舱运动。为计算方便，认为空气高速掠过返回舱，Pressure Far-Field用于给出大范围无穷远处的空气运动参数
6.2 outlet设置
设置为压力出口边界条件
Gauge Pressure：25Pa
勾选Average Pressure Specification.
勾选Weak
Backflow Turbulent Intensity：1%
Backflow Turbulent Viscosity Ratio：1
选择温度界面，设置回流温度为250K
6.3 wall设置
capsule设置为wall
设置壁面温度为1500K
7. 求解设置
7.1 high speed numerics
在TUI界面打开high speed numerics
在文本控制界面输入下列的文本
/solve/set/high-speed-numerics enable y
下图中的蓝色字体为输入内容，黑色字体会输出内容
再次在TUI界面输入下列文本
/solve/set/cafsm y 100
7.2 求解方法
Solution-Solution Methods
按照下图设置求解方法
7.3 求解控制
Solution-Solution Controls
点击Limits...弹出Soluton Limits界面
Maximum Static Temperature：设置为20000K
7.4 监测物理量
监测返回舱的阻力。
Solution → Defnitions → New → Force Report → Drag...
双击Reports Definitions，弹出下图窗口
依次点击New → Force Report → Drag...可弹出下图窗口。
Name：输入drag-force
Report Output Type：选择Drag Force
Force Vector：x输入 0.9063078；y输入-0.4226183
Zones：选择capsule
勾选Report Plot（表示在窗口画实时曲线图）和 Print to Console（表示在文本界面输出阻力值）
再次监测返回舱升力lift
Solution → Defnitions → New → Lift Report → Lift...
依次点击New → Lift Report → Lift...可弹出下图窗口。
Name：输入lift-force
Report Output Type：选择Lift Force
Force Vector：x输入0.4226183 ；y输入0.9063078
Zones：选择capsule
勾选Report Plot（表示在窗口画实时曲线图）和 Print to Console（表示在文本界面输出阻力值）
完成上述设置后，会在Monitors树下自动生成两个报告
残差设置
Solution → Reports → Residuals...
按照下图设置残差界面
8. 初始化
标准初始化，详细操作可参考文章：一文说清楚Fluent初始化操作(标准+混合初始化+Patch+UDF)
点击Initialize，进行标准初始化
下面进行Full Multigrid (FMG)初始化
使用文本控制命令打开FMG初始化，在文本控制栏先输入下面文本
solve/initialize/set-fmg-initialization
依次输入蓝色字体
再次输入solve/initialize/fmg-initialization，完成FMG初始化
FMG初始化对于存在极强梯度的高超声速流具有更好的初始化效果，FMG初始化会通过逐步增加CFL数措施，来逐渐减少收敛的迭代次数。
FMG初始化需要经过一定的迭代才能完成，因此需要一定的时间
9. 计算设置
Number of Iterations设置为500，单击 Calculate
10. 后处理
10.1 阻力曲线
10.2 升力曲线
10.3 Ma云图
10.4 温度云图
本文原文来自csdn