【原】Fluent验证案例18：超音速流动中的激波反射模拟

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本案例模拟超燃冲压发动机喷嘴内的超声速流动。

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案例描述

计算域模型如下图所示，喷嘴射流被一个与其中心线平行的后部壁面所限制，喷嘴出口传播的激波被后部壁面反射。案例验证后部壁面（after body）的压力分布及换热率。

案例采用稳态计算，采用密度基求解器。计算中将比热定义为温度的线性函数，计算域入口马赫数为1.66。

材料属性：

• Density: Ideal Gas

• Molecular Weight: 113.2

• Viscosity: 1.7894E-5 kg/m-s

• Thermal Conductivity: 0.0242 w/m-K

• Specific Heat: Temperature Dependent

边界条件：

• Inlet Total Pressure (gauge) = 551600 Pa

• Inlet Static Pressure (gauge) = 127100 Pa

• Inlet Total Temperature = 477.8 K

• Inlet Turbulent Intensity = 2 %

• Wall temperature = 328 K

• Outlet Pressure (gauge) = 2780 Pa

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Fluent设置

• 以2D、Double Precision启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Case...打开文件VMFL018_scram.cas.gz

本案例计算网格如图所示。

2.1 General设置

• 双击模型树节点General

• 右侧面板激活选项Density-Based启动密度基求解器

注意：密度基求解器特别适合于求解高速可压缩流动

2.2 Models设置

• 如下图所示激活Energy能量方程

• 如下图所示激活Realizable k-omega湍流模型及Enhance Wall Treatment壁面模型

注：Realizable k-epsilon湍流模型非常适合模拟射流，而Enhanced Wall Treatment也是文档中推荐使用的壁面处理方式。

2.3 Materials设置

• 双击模型树节点Materials > fluid > air弹出材料设置对话框

• 设置Name为sub-gas，设置Density为ideal-gas，其他参数如下图所示进行设置

• 设置Cp为Piecewise-linear，点击Cp后的Edit…按钮，弹出对话框中设置Points为3

点击下方的Point后方按钮，按下表所示输入温度及对应的比热。

2.4 Cell Zone Conditions

• 双击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid，弹出对话框中确保选择材料为sub-gas

2.5 Boundary Conditions

1、inlet

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet弹出设置对话框，Momentum标签页如下图所示进行设置

• 切换至Thermal标签页，设置Total Temperature为477.8 k

2、outlet

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > outlet弹出设置对话框，Momentum标签页如下图所示进行设置

• 切换至Thermal标签页，设置Backflow Total Temperature为328 k

3、afterbody

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > afterbody弹出设置对话框，Thermal标签页中选择选项Temperature，并设置Temperature为328 k

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions，点击右侧面板按钮Copy…，如下图所示，将边界afterbody数据拷贝给边界cowl及wall

2.6 Methods设置

• 双击模型树节点Solution > Methods，右侧面板按下图所示进行设置

2.7 Controls设置

• 双击模型树节点Controls，右侧面板设置Turbulent Viscousity的亚松弛因子为0.4

2.8 Monitor

• 双击模型树节点Monitor >Residual，弹出设置对话框，如下图所示进行设置

2.9 Initialization

• 右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化

2.10 Run Calculation

• 双击模型树节点Run Calculations，右侧面板设置Number of Iterations为500，点击按钮Calculate开始计算

看下图所示的残差曲线，情况很不妙的样子。

这里来处理一下。

2.11 FMG初始化

密度基求解器常常采用FMG初始化，有助于提高计算收敛性。FMG初始化需要采用TUI命令激活。

• 在TUI窗口中输入命令solve/initialize/fmg-initialization，如下图所示

初始化完毕后继续开始计算。

很漂亮的残差曲线，完全不知道该说什么。

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计算结果

3.1 云图分布

• 温度

• 马赫数

• 压力

3.2 验证

• 右键选择模型树节点Custom Field Functions，点击菜单项New…

• 如下图所示，创建变量p-pe为p/127100

• 创建变量p-pe在afterbody边界上分布曲线，并与实验值进行比较

• 比较结果如下图所示

• 比较变量Total Surface Heat Flux在afterbody边界上分布曲线，并与实验值进行比较

• 比较结果如下图所示

可以看出，计算结果与实验值较为吻合。

本文实验数据来自于文献：

H.B. Hopkins, W. Konopka, J. Leng, “Validation of scramjet exhaust simulation technique at Mach 6”, NASA Contractor Report 3003, 1979.

文件链接:

https://pan.baidu.com/s/1A1SAVxq3t4dRbuIPQY8U3Q 

密码: gf1c

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