3.2 机翼亚音速流动
3.2.1 案例介绍
图3-74所示机翼的来流马赫数为0.6，现用ANSYS Fluent分析机翼外流场情况。
图3-74 案例问题
3.2.2 启动Workbench并建立分析项目
参考算例3.1，启动Workbench并建立流体分析项目，如图3-75所示。
图3-75 创建Fluid Flow（Fluent）分析项目
3.2.3 创建几何体
1）双击项目A中的A2栏Geometry，进入DesignModeler界面。
2）单击主菜单中的Concept→3D Curve按钮，弹出图3-76所示的Details of Curve（创建3D曲线）面板。Definition选择From Coordinates File，Coordinates File选择文件naca4412DM.txt，单击工具栏中的
（生成）按钮，创建曲线，如图3-77所示。
图3-76 Details of Curve面板
图3-77 显示曲线
3）单击主菜单中的Concept→Lines From Points按钮，弹出图3-78所示的Details of Line（创建直线）面板。选择机翼曲线尾部将曲线封闭，单击工具栏中的
（生成）按钮，创建直线，如图3-79所示。
图3-78 Details of Line面板
图3-79 显示直线
4）单击主菜单中的Concept→Surface From Edges按钮，弹出图3-80所示的Details of Surf（创建平面）面板。Edges选择步骤2）和3）创建的曲线和直线，单击工具栏中的
（生成）按钮，创建平面，如图3-81所示。
图3-80 Details of Surf面板
图3-81 生成平面1
5）单击主菜单中的Create→Body Transformation→Scale按钮，弹出图3-82所示的Details of Scale（缩放）面板。Bodies选择步骤4）创建的平面，FD1 Global Scaling Factor设置为0.01，单击工具栏中的
（生成）按钮，进行缩放。
图3-82 Details of Scale面板
6）在图3-83所示的模型树中单击XYPlane，单击工具栏中的
（草图）按钮，在平面XYPlane下生成草图Sketch1，如图3-84所示。
图3-83 模型树
图3-84 生成草图Sketch1
7）在模型树中单击Sketch1，进入图3-85所示的Sketching选项卡，单击Circle按钮，在XY平面中绘制圆形，如图3-86所示。
图3-85 Sketching选项卡
图3-86 绘制圆形
8）如图3-87所示，单击Dimensions中的General按钮，选择步骤7）中绘制的图形进行尺寸设定，如图3-88所示。
图3-87 General按钮
图3-88 设定尺寸1
9）在模型树中单击XYPlane，单击工具栏中的
（草图）按钮，在平面XYPlane下生成草图Sketch2，如图3-89所示。
图3-89 生成草图Sketch2
10）在模型树中单击Sketch2，进入Sketching选项卡，分别单击Arc by Center和Line按钮，在XY平面中绘制图形，如图3-90所示。
11）单击Dimensions中的General按钮，选择步骤10）中绘制的图形进行尺寸设定，如图3-91所示。
图3-90 绘制圆弧和线段
图3-91 设定尺寸2
12）单击主菜单中的Concept→Surface From Sketches按钮，弹出图3-92所示的Details of SurfaceSk（创建平面）面板。Base Objects选择草图1，Operation选择Add Frozen，单击工具栏中的
（生成）按钮，创建平面，如图3-93所示。
图3-92 Details of SurfaceSk面板
图3-93 生成平面2
13）同步骤12），单击主菜单中的Concept→Surface From Sketches按钮，弹出创建平面面板。Base Objects选择草图2，Operation选择Add Frozen，单击工具栏中的
（生成）按钮，创建平面，如图3-94所示。
图3-94 生成平面3
14）单击主菜单中的Create→Boolean按钮，弹出图3-95所示的Details of Boolean（布尔计算）面板。Target Bodies选择步骤13）创建的平面，Tool Bodies选择步骤2）创建的平面，Preserve Tool Bodies选择Yes，单击工具栏中的
（生成）按钮，进行布尔运算，如图3-96所示。
图3-95 Details of Boolean面板1
图3-96 生成平面4
15）同步骤14），单击主菜单中Create→Boolean按钮，弹出图3-97所示的Details of Boolean面板。Target Bodies选择步骤2）创建的平面，Tool Bodies选择步骤4）创建的平面，Preserve Tool Bodies选择No，单击工具栏中
（生成）按钮，进行布尔运算，如图3-98所示。
图3-97 Details of Boolean面板2
图3-98 生成平面5
16）执行主菜单File→Close DesignModeler命令，退出DesignModeler，返回Workbench主界面。
3.2.4 划分网格
1）双击A3栏Mesh项，进入Meshing界面，Meshing界面下的模型如图3-99所示，在该界面下进行模型的网格划分。
图3-99 网格划分界面模型
2）右击几何外部边界，在弹出的图3-100所示的快捷菜单中选择Create Named Selection，弹出图3-101所示的Selection Name对话框，输入名称farfield，单击OK按钮确认。
图3-100 快捷菜单
图3-101 Selection Name对话框
3）同步骤2），创建机翼壁面，命名为airfoil，如图3-102所示。
4）同步骤2），创建几何外部区域与内部区域的交界面，属于外部区域的交界面边界命名为interface1，属于内部区域的交界面边界命名为interface2，如图3-103和图3-104所示。
图3-102 创建airfoil
图3-103 创建interface1
图3-104 创建interface2
5）如图3-105所示，右击几何内部区域，在弹出的快捷菜单中选择Create Named Selection，在弹出的Selection Name对话框输入名称rotate，单击OK按钮确认。
图3-105 创建rotate
注意：在选取几何的面或体时，要先在工具栏中选取对应的选取几何类型，ANSYS Meshing提供了点、线、面、体四种选项。另外，在选取多个几何体时，可以使用Single Select模式+〈Shift〉键进行单击选择或者用Box Select模式进行框选，如图3-106所示。
图3-106 选取几何类型模式
6）同步骤5），如图3-107所示，右击外部几何区域，命名为fluid，单击OK按钮确认。
图3-107 创建fluid
7）如图3-108所示，右击模型树中的Mesh选项，依次选择Insert→Inflation，弹出图3-109所示的Inflation（边界层设置）面板。Geometry选择内部计算域，Boundary选择图3-110所示的机翼壁面，在Maximum Layers中输入5。
图3-108 设置网格边界层
图3-109 Inflation面板
图3-110 边界层选择
8）如图3-111所示，右击模型树中的Mesh选项，依次选择Insert→Sizing，弹出图3-112所示的Sizing面板。在Geometry中选择内部计算域，如图3-113所示，在Element Size中输入10mm，Behavior选择Hard。
图3-111 设置网格尺寸
图3-112 Sizing面板1
图3-113 网格加密区域1
9）同步骤8），右击模型树中的Mesh选项，依次选择Insert→Sizing，弹出图3-114所示的Sizing面板。在Geometry中选择属于外部计算域的交界面，如图3-115所示，在Element Size中输入10mm，Behavior选择Hard。
图3-114 Sizing面板2
图3-115 网格加密区域2
10）同步骤8），右击模型树中的Mesh选项，依次选择Insert→Sizing，弹出图3-116所示的Sizing面板。在Geometry中选择机翼壁面，如图3-117所示，在Element Size中输入5mm，Behavior选择Hard。
11）单击模型树中的Mesh选项，弹出图3-118所示的Mesh（网格属性设置）面板。在Element Size中设置网格尺寸为50mm，在Quality中，Smoothing选择High。
12）如图3-119所示，右击模型树中的Mesh选项，选择快捷菜单中的Generate Mesh选项，开始生成网格。
图3-116 Sizing面板3
图3-117 网格加密区域3
图3-118 网格属性设置1
图3-119 网格生成
13）网格划分完成以后，单击模型树中的Mesh项可以在图形窗口中显示图3-120所示的网格。
14）单击模型树中的Mesh项，在图3-121所示的Mesh（网格属性设置）面板中展开Quality（质量）项，在Mesh Metric中选择Skewness（扭曲度），这样能够统计出最小值、最大值、平均值以及标准方差，同时显示网格质量的直方图，如图3-122所示。
图3-120 计算域网格
图3-121 网格属性设置2
图3-122 网格划分情况统计
15）执行主菜单File→Close Meshing命令，退出网格划分界面，返回Workbench主界面。
16）右击Workbench界面中的A3 Mesh项，选择快捷菜单中的Update，完成网格数据向Fluent分析模块中的传递。
3.2.5 定义模型
1）双击A4栏Setup项，打开图3-123所示的Fluent Launcher 2020 R1（Setting Edit Only）对话框，单击OK按钮进入Fluent界面。
2）在Ribbon选项卡中单击Physics→General按钮，弹出图3-124所示的General面板。保持默认值，Time选择Transient。
图3-123 Fluent Launcher 2020 R1（Setting Edit Only）对话框
图3-124 General面板
3）在Ribbon选项卡中单击Physics→Models→Viscous按钮，弹出图3-125所示的Viscous Model（湍流模型）对话框。在Model中选择k-omega（2 eqn），在k-omega Model中选择SST，在Options中选择Production Limiter，单击OK按钮确认。
图3-125 Viscous Model对话框
3.2.6 设置材料
单击Ribbon选项卡中的Physics→Materials→Create/Edit按钮，弹出图3-126所示的Create/Edit Materials（设置材料）对话框。Density设置为idea-gas，单击Change/Create按钮并关闭Fluent Database Materials对话框。
图3-126 Create/Edit Materials对话框
3.2.7 设置交界面
1）如图3-127所示，单击Ribbon选项卡中的Domain→Interfaces→Mesh，弹出图3-128所示的Mesh Interfaces（交界面）对话框。
图3-127 Interfaces按钮
图3-128 Mesh Interfaces对话框
2）在Mesh Interfaces对话框中单击Manual Create按钮，弹出图3-129所示的Create/Edit Mesh Interfaces（设置交界面）对话框，在Mesh Interface中输入inter，Interface Zones Slide 1选择interface1，Interface Zones Slide 2选择interface2，单击Create/Edit按钮确认。
图3-129 Create/Edit Mesh Interfaces对话框
3.2.8 设置操作条件
如图3-130所示，单击Ribbon选项卡中的Physics→Solver→Operating Conditions按钮，弹出图3-131所示的Operating Conditions对话框。在Operating Pressure中输入0，单击OK按钮并关闭对话框。
图3-130 Operating Conditions按钮
图3-131 Operating Conditions对话框
3.2.9 设置计算域
1）单击Ribbon选项卡中的Physics→Zone→Cell Zones按钮，启动图3-132所示的Cell Zone Conditions面板。
2）在Cell Zone Conditions面板中，双击rotate，弹出图3-133所示的Fluid（计算域设置）对话框，勾选Mesh Motion，在Rotation-Axis Origin中X设置为0.5，Y为0，在Speed中输入-0.5，单击OK按钮并关闭对话框。
图3-132 Cell Zone Conditions面板
图3-133 Fluid对话框
3.2.10 边界条件
1）单击Ribbon选项卡中的Physics→Zone→Boundary Conditions按钮，启动图3-134所示的Boundary Conditions（边界条件）面板。
2）在Boundary Conditions面板中，选择farfield，Type选择pressure-far-field，弹出图3-135所示的Pressure Far-Field对话框。Gauge Pressure中输入101300，Mach Number中输入0.6，X-Component of Flow Direction中输入1，Y-Component of Flow Direction中输入0，单击OK按钮确认退出。
图3-134 Boundary Conditions面板
图3-135 Pressure Far-Field对话框
3.2.11 求解控制
1）单击Ribbon选项卡中的Solve→Methods按钮，弹出图3-136所示的Solution Methods（求解方法设置）面板。保持默认设置不变。
2）单击Ribbon选项卡中的Solve→Controls按钮，弹出图3-137所示的Solution Controls（求解过程控制）面板。保持默认设置不变。
图3-136 Solution Methods面板
图3-137 Solution Controls面板
3.2.12 初始条件
单击Ribbon选项卡中的Solution→Initialization按钮，弹出图3-138所示的Solution Initialization（初始化设置）面板。Initialization Methods选择Standard Initialization，Compute from选择farfield，单击Initialize按钮进行初始化。
3.2.13 求解过程监视
单击Ribbon选项卡中的Solution→Reports→Residuals按钮，弹出图3-139所示的Residual Monitors（残差监视）对话框。保持默认设置不变，单击OK按钮确认。
图3-138 Solution Initialization面板
图3-139 Residual Monitors对话框
3.2.14 数据保存
单击Ribbon选项卡中的Solution→Activities→Create→Solution Data Export按钮，弹出图3-140所示的Automatic Export对话框。
图3-140 Automatic Export对话框
在File Type中选择CDAT for CFD-Post & EnSight，在Export Data Every中输入5，在Quantities中选择Static Pressure和Velocity Magnitude，单击OK按钮关闭对话框。
3.2.15 计算求解
1）单击Ribbon选项卡中的Solution→Run Calculation按钮，弹出图3-141所示的Run Calculation（运行计算）面板。在Time Step Size中输入0.005，在Number of Time Steps中输入400，单击Calculate开始计算。
2）计算收敛完成后，单击主菜单中的File→Close Fluent按钮退出Fluent界面。
3.2.16 结果后处理
1）在Workbench主界面Toolbox（工具箱）中的Component systems→Results选项上按住鼠标左键拖动到项目管理区中，如图3-142所示。
图3-141 Run Calculation面板
图3-142 创建Results（结果）分析项目
2）双击B2栏Results项，进入CFD-Post界面。
3）单击主菜单File→Load Results按钮，弹出图3-143所示的Load Results Files对话框，选择不同时间点的计算结果文件。
4）单击工具栏中的
（云图）按钮，弹出图3-144所示的Insert Contour（创建云图）对话框。输入云图名称为press，单击OK按钮进入图3-145所示的Details of press面板。
5）在Geometry（几何）选项卡中，Locations选择fluid symmetry 1和rotate symmetry 1，Variable选择Pressure，单击Apply按钮创建压力云图，如图3-146所示。
注：在Locations选择多个几何面时，可通过单击Locations旁边的
按钮弹出图3-147所示的Location Selector对话框，按住〈Ctrl〉键+单击选择多个几何面。
6）同步骤4），创建云图vec。
图3-143 Load Results Files对话框
图3-144 Insert Contour对话框
图3-145 Details of press面板
图3-146 压力云图
7）在图3-148所示Details of vec面板的Geometry（几何）选项卡中，Locations选择fluid symmetry 1和rotate symmetry 1，Variable选择Velocity，单击Apply按钮创建速度云图，如图3-149所示。
图3-147 Location Selector对话框
图3-148 Details of vec面板
图3-149 速度云图
8）同步骤4），创建云图density。
9）在图3-150所示Details of density面板的Geometry（几何）选项卡中，Locations选择fluid symmetry 1和rotate symmetry 1，Variable选择Density，单击Apply按钮创建密度云图，如图3-151所示。
图3-150 Details of density面板
图3-151 密度云图
10）单击工具栏中的
（矢量图）按钮，弹出Insert Vector（创建矢量图）对话框。输入云图名称为Vector 1，在Factor中输入10，单击OK按钮进入图3-152所示的Details of Vector 1（矢量图设定）面板。
11）在Geometry（几何）选项卡中，Locations选择fluid symmetry 1和rotate symmetry 1，单击Apply按钮创建速度矢量图，如图3-153所示。
3.2.17 保存与退出
1）执行主菜单File→Close CFD-Post命令，退出CFD-Post模块返回Workbench主界面。此时主界面中的项目管理区显示的分析项目均已完成，如图3-154所示。
图3-152 Details of Vector 1面板
图3-153 速度矢量图
图3-154 项目管理区中的分析项目
2）在Workbench主界面中单击常用工具栏中的“保存”按钮，保存包含分析结果的文件。
3）执行主菜单File→Exit命令，退出ANSYS Workbench主界面。