本案例利用STAR CCM+模拟了RAE2822翼型上的二维、湍流、可压缩、跨音速流动。

1 问题描述

计算模型如下图所示，自由流马赫数为0.725，基于弦长的雷诺数为6.5E6，攻角为2.92°。

自由来流为亚音速，翼型吸力侧为超音速。案例中监测升力和阻力系数，以判断计算是否达到收敛，并将翼型上的压力系数分布与实验数据进行比较。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+并新建Simulaiton

2.1 网格导入与处理

• 利用菜单File > Import > Import Volume Mesh导入网格aerofoil.ccm

• 点击菜单Mesh > Convert to 2D打开网格转换对话框，选中选项Delete 3D regions after conversion并点击OK按钮将网格转换为二维

• 右键选择模型树节点Continua > Physics 1，点击弹出菜单项Delete删除该节点

2.2 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Physics 1 2D，点击弹出菜单项Rename…修改节点名称为Aerofoil

• 右键选择模型树节点Aerofoil，点击弹出菜单项Select Models…，在弹出的对话框中选择以下物理模型
• Two Dimensional
• Steady
• Gas
• Coupled Flow
• Ideal Gas
• Turbulent
• Spalart-Allmaras Turbulence

选择完毕的模型对话框如下图所示。

2.3 设置初始条件

初始速度通过下式进行计算：

其中，为来流马赫数0.725，为比热比1.4，为普适气体常数287 J/kg-K，为温度300 K。

计算得到 m/s。

创建局部坐标系用于处理攻角。

• 鼠标右键选择模型树节点Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems，点击弹出菜单项New > Cartesian创建笛卡尔坐标系

• 弹出面板中如下图所示设置参数，点击按钮Create创建坐标系

注：创建坐标系的目的是方便后面的边界条件输入。这里攻角2.92°。

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• 选中模型树节点Continua > Aerofoil > Initial Conditions > Velocity，如下图所示指定初始速度

2.4 材料参数设置

为与实验值所对应的雷诺数6.5E6相匹配，这里调整材料参数。

式中， m/s； m；6.5e6；密度通过下式计算：

其中， Pa； J/kg-K； K。可得到密度 kg/m3，粘度 Pa-s。

• 双击模型树节点Models > Gas > Air > Material Properties，如下图所示设置材料参数

2.5 边界条件设置

• 修改节点Regions > Default_Fluid 2D名称为Fluid
• 双击模型树节点Fluid > Boundaries > freestream > Physics Values，如下图所示设置边界条件

2.6 物理量监测

1、监控升阻力系数

• 右键选择模型树节点Report，点击菜单项New Report > Flow / Energy > Force Coefficient创建 Drag Coefficient

• 如下图所示指定阻力系数相关参数

• 相同的方式创建升力系数

• 创建阻力系数与升力系数的监控及报告

2、翼型上压力系数与实验值比较

• 右键选择模型树节点 Tools > Tables，点击弹出菜单项New Table > File Table打开数据文件aero_exp.xy

• 创建XY Plot，设置Y轴为Pressure Coefficient，并添加导入的试验数据进行比较。

• 选中模型树节点Tools > Field Function > Pressure Coefficient，如下图所示设置参考密度与参考速度

2.6 进行计算

• 选择菜单Solution → Run进行计算

3 计算结果

• 监测的升力系数

• 监测的阻力系数

• 马赫数分布

• 压力分布

• 翼型压力系数分布与试验值比较

注：试验数据取自文献Cook, P.H., M.A. McDonald, M.C.P. Firmin “Aerofoil RAE 2822 - Pressure Distributions, and Boundary Layer and Wake Measurements Experimental Data Base for Computer Program Assessment”, AGARD Report AR 138, 1979

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注：本案例取自STAR CCM+随机文档。

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