跨音速/超音速外部空气动力学：稳态 RANS 法
以下几节介绍用于为可压缩流估计外部气动载荷的准则，其中自由流马赫数介于 0.5 和 2.5 之间。
如果如涡流脱落等非稳态现象并不重要，并且攻角未达到极限，则此类型的分析可接受稳态 RANS 求解。
推荐的域设置
- 使用球形远场边界，其中域范围距离体大约为 8–10 个体长度或翼展（以较大者为准）。 此边界上的网格尺寸可能较大，它通常为体长度的阶次。
- 在复制风洞测试时，如果堵塞效应很重要，则可以对风洞壁面建模。 在这种情况下，通常在风洞壁面处定义滑移壁面，并且不会构建棱柱层。
- 在远场处使用自由流边界条件类型。
- 对于无侧滑的情况，使用具有对称平面的半体。 注意将对称平面网格增长与体网格增长进行匹配。
- 可选：通常通过更改远场边界条件的流向（而不是更改体的方向）来定义攻角/侧滑。
推荐的物理设置
要使用稳态 RANS 法设置跨音速/超音速外部空气动力学模型，按顺序选择以下物理模型：
| 组合框 | 模型 |
|---|---|
| 空间 | 三维 |
| 时间 | 稳态 |
| 材料 | 气体 |
| 流体 | 耦合流体 |
| 状态方程 | 理想气体 |
| 可选物理模型 | 耦合能量（自动选择） |
| 粘滞态 | 湍流 |
| 湍流 | 雷诺平均纳维-斯托克斯（自动选择） |
| SST K-Omega 或 Spalart-Allmaras |
要选择特定的湍流模型，根据以下内容进行选择：
- 首选 SST K-Omega 模型。 此模型很可靠，在壁面附近表现良好，并且在再循环区域中效果也很好。
低 y+ 或全 y+ 边界处理可与此模型一起使用，具体取决于网格。 在超音速下、存在复杂几何突起并且出现钝体分离时，此模型可发挥最佳效果。
- Spalart-Allmaras 湍流模型可用于无较大底部分离区域的简化几何情况。 在亚音速下，对于关联边界层或轻微分离流（即，在失速或低于失速时经过机翼的流体），此模型可发挥最佳效果。
推荐的网格设置
对于此类问题，实践证明多面体网格和切割体网格十分有效。 在任一情况下，均需遵循良好网格化实践的典型规则，这一点十分重要。 网格应提供正确的几何求解和流场特征，以及良好的网格单元质量。
例如，加密网格时：
- 需围绕升力面、控制表面和其他突起的前缘和尾缘进行。
- 在升力面和控制表面的尖端上加密，以捕捉在这些位置脱离的涡流。
- 在体/升力面接点处加密。
- 存在冲击的位置。
- 可对钝体尾流进行求解。
- 在翼型前缘上进行加密。 如有可能，在这些区域上使用定位面网格。
- 如果可行，使用至少两个网格单元来对薄钝体前缘或其他薄的阶梯状突起进行求解。
| 注 | 外部空气动力学模拟可能对表面几何表示的质量敏感。 使用包面时必须格外小心，接点/相交必须能够生成平滑且定义明确的边。 只要可能，首选方法均应从干净的 CAD 几何和旁路包面开始。 |
多面体网格
- 多面体具有远离体平滑增长的优势。
- 由于平滑增长行为，当空气动力系数至关重要时，多面体通常为首选项。
- 由于面的伪随机方向，当在流向（例如攻角或侧滑）上使用大型扫掠时，多面体通常会比切割体网格的效果更佳。
- 典型多面体网格包含 200 万到 2000 万个网格单元，具体取决于几何和流场的复杂程度以及近壁处理。
- 使用体积增长率，并将增长率设置在 1.05 和 1.15 之间。
| 注 | 将体积控制和多面体网格一起使用时应注意：如果在表面上和体积控制中指定的尺寸差异明显，则网格单元尺寸可能发生突然变化。 |
切割体网格
- 如果正在对单一流向或仅对细微流体变化进行建模，则具有与流体对齐的网格线的切割体网格通常提供最有效的方法来获取合理结果。
- 典型切割体网格包含 400 万到 4000 万个网格单元，具体取决于几何和流场的复杂程度和流场以及近壁处理。
- 为了正确捕捉近场，将体积增长率设为或。
棱柱层
- 正确的边界层求解十分重要。 选择棱柱层的厚度，以将整个边界层包含在其中。
- 对于 SST K-Omega 湍流模型，可以使用壁面函数而不对壁面积分，具体取决于几个因素，其中包括
- 所需精度
- 表面摩擦阻力的相对重要性
- 转换的重要性
- 平滑边界上的分离/重新连接的存在/重要性
- 为了整合到壁面，通常使用 20–30 个棱柱层，其中近壁 y+ 为 1 个。
- 对于壁面函数，通常使用 5–8 个棱柱层，其中近壁 y+ 为 50–150 个。
使用 Spalart-Allmaras 湍流模型时，整合到壁面（不要使用壁面函数）。
求解步骤
要改进收敛（尤其当马赫数增加时），使用定向重新排序按照流体的一般方向对网格单元排序。
- 初始化
-
- 对于此类问题，使用默认值的网格排序法初始化通常效果很好，并且建议用于最多大约为马赫数 2 的情况。
- 可以根据与远场边界匹配的统一条件初始化流场 — 建议用于马赫数大于 2 的情况。 但是，初始化（使用场函数）中可能需要任意线性边界层分布。
- 求解
-
- 使用默认值的专家驱动程序效果很好。
- 适当的 CFL 值取决于网格质量和马赫数。
对于高质量网格，此流态的一般经验法则为 。 例如，对于马赫数 0.5，，对于马赫数 2，。
如果使用专家驱动程序，仅当存在低质量网格单元或者流场尤其复杂时，才需要使用 CFL 跃升。
- 对于此类问题（尤其当使用网格排序法初始化时），残差可能仅降低 2–3 个数量级（因为网格排序法初始化可提供更有效的流场初始估计）。
- 监视对象上的力与力矩，以确定收敛。