本教程演示利用Fluent计算再入舱返回时其外部的高超声速流动。

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..

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• 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。

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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。

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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°)

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• 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

• 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-initialization

Customize your FMG initialization:
set the number of multigrid levels [5] 3
set FMG parameters on levels ..
residual reduction on level 1 is: [0.001]
number of cycles on level 1 is: [10] 200
residual reduction on level 2 is: [0.001]
number of cycles on level 2 is: [50] 400
residual reduction on level 3 [coarsest grid] is: [0.001]
number of cycles on level 3 is: [100] 1000
Number 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 complete
 
set FMG courant-number [0.75] 0.25
enable FMG verbose? [no] yes
 
solve/initialize/fmg-initialization
Enable 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。

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4.11 计算

• 设置迭代150次

• 升力监测曲线如下图所示

• 阻力监测曲线如下图所示

5 计算结果

• 对称面上的马赫数分布

• 再入舱表面上热流密度如下图所示

在对称平面上绘制平移旋转温度与振动电子温度的比值。这给出了流动中热不平衡区域的指示，这可以用双温度模型来考虑。

• 定义变量ttr-over-tve，定义为平移旋转温度除以振动电子温度，如下图所示

• 查看对称面上该物理量的分布

• 物理量分布如下图所示

相关文件：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Qlsybx3rQ1OWcW37Ucps_Q 提取码：754g

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