飞行模拟器怎样才能安全飞行（Fluent飞行器外流场模拟攻略）

原创 楠胖 飞翔螺旋桨 仿真秀

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作者 | 楠胖 飞翔的螺旋桨 仿真秀专栏作者

导读：航空航天作为高端制造业的代表，其产品研制过程是一个复杂的系统工程，具有周期长，费用高的特点。而对于一名专业的航空航天仿真工程师来说，学习结构强度、刚度、稳定性、结构动力学、噪声、转子动力学、复合材料、疲劳寿命、损伤容限、气动设计、燃烧、热及温度场、多场耦合、设计优化、制造工艺等专业技能是必备的技能。

仿真秀专栏作者楠胖老师带你认识FLUENT航天飞机外流场模拟全过程，以及飞翔的螺旋桨老师为你总结的《Fluent计算发散的9点解决办法—以飞机外流场计算为例》，希望对学习航空航天仿真计算的学习型工程师有所帮助。

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一、FLUENT航天飞机外流场模拟

1、启动FLUENT并导入网格

第一步、在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 2020→Fluid Dynamics→Fluent 2020命令，启动Fluent 2020。

第二步、单击主菜单中File→Read→Mesh命令，导入.msh网格文件。

2、定义模型

单击命令结构树中General按钮，弹出General（总体模型设定）面板，Solver中Time选择Steady。

3、设置材料

单击主菜单中Setting Up Physics→Materials→Create/Edit，弹出Create/Edit Materials（材料）对话框。将空气的Density修改为ideal-gas，Viscosity选择为sutherland。

4、设置湍流模型

在模型设定面板Models中双击Viscous按钮，弹出Viscous Models对话框，勾选SST k-omega模型，勾选Viscous Heating和Curvature Correction。

5、设置边界条件

第一步：单击主菜单中Physics→Zones→Boundaries按钮启动的边界条件面板。

第二步：在边界条件面板中，设置far-field的边界类型为Pressure Far-Field，参数如下图所示。

6、初始条件

第一步：单击主菜单中Solution→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。

第二步：Initialization Methods中选择Hyper Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。

7、计算求解

第一步：单击主菜单中Solving→Run Calculation按钮，弹出Run Calculation（运行计算）面板。

第二步：在Number of Iterations填入1000，单击Calculate开始计算。

8、结果后处理

进入CFD-Post界面，显示速度场云图。

二、Fluent计算发散的9点解决办法

其实，我们在使用FLuent软件做流体计算的时候，最害怕的就是发散，最想要的结果就是收敛。据笔者的经验来看，发散的形式也是各种各样，温度发散，压力发散，计算几十步发散等等。最惨的是眼看着就收敛了，竟然也发散，心情和股市从高点到跌停一样悲伤。

因此，为了顺利计算出结果，必须掌握一定的方法去解决发散问题。为了方便学习型仿真工程师提升，笔者将以下方法分享给大家（方法源于个人总结和大神指导等），亲测有效，希望对你也有所用！也欢迎大家关注我在仿真秀专栏 发布精品课《飞机设计和仿真分析入门进阶20讲》（文末有介绍）

首先，要确保相应设置合理正确，我们再开始进行抢救。至于如何设置合理，这里不赘述，太多了，太难了，可以根据自己的任务去找资料等。

笔者以飞机外流场计算为例，当然，很多方法是通用的，个别方法是专门针对这个案例的，大家做好区分。以下方法只针对fluent计算，不包括网格部分，很多时候发散网格也有原因，但其实很多时候如果不想修改网格，网格也没错误或者质量没有low到爆炸的程度，都是可以在fluent里抢救一下的。

方法1：网格光顺

在导入msh文件后，可以先检查网格质量，同时进行光顺优化处理。如果直接check的时候就报错，注意是错误，不是警告，提示等，那就根据提示重新画网格吧。

方法2：能量方程

对于不关注温度变化，马赫数比较低的情况下，可以关闭能量方程，进行计算，这样就可以少算一个方程，绝对不会出现温度发散。

方法3：湍流模型

在SA、K-E和K-W等湍流模型之间进行选择尝试，通常飞机外流场计算也都是用的这三种湍流模型。

方法4：气体密度

气体密度一般我们用的是理想气体，可以修改为常数，也就是认为密度不变，然后根据计算工况，设置空气密度。

方法5：边界条件

通常在计算飞机外流场时，我们会用压力远场的边界条件，同时搭配理想气体去计算，如果发散，可以尝试，速度入口，压力出口边界，这个就需要在划分边界名称的时候就设置好。比如icem软件里的part划分。

方法6：迎风格式

正常我们计算都是用二阶迎风格式，我们这里将迎风格式改为一阶，如果精度要求不高可以直接计算完毕，如果要去比较高，可以用一阶迎风格式计算收敛，然后再转到二阶迎风格式，继续计算，直到收敛。这个方法很多时候都管用，墙裂推荐。

方法7：松弛因子

如果采用的是压力基就降低松弛因子，我一般是用默认值的一半，所有选项的都降低，或者更低，降到默认值得四分之一。当然，松弛因子降低，计算时间会增加，这个可以在计算一定步数后，看着没有发散的可能性的时候，再调高松弛因子，增加计算速度。如果是密度基就降低库朗数。

方法8：初始化

标准初始化和混合初始化都做尝试，同时标准初始化的compute from也进行不同的选择，all-zones，入口，压力远场等等都去尝试。

方法9：大招——重启电脑

没错，重启电脑，然后其他都不用变，重新计算，或者换一台电脑，有些时候问题莫名其妙的就消失了，就是这么神奇。

以上9种方法，大家根据自己的计算工况进行合理选择和尝试，如果都试了还是发散，那可以考虑重新画网格或者放弃治疗了，哈哈，当然，还有很多更好的解决方法可以尝试，祝收敛！！

三、讲师介绍

飞翔的螺旋桨，仿真秀专栏作者，5年高校及飞机设计仿真分析从业经验，飞行器设计与工程专业。先后任职于成都某高校和深圳某研究院，历任教师和工程师岗位。个人案例：飞机三维建模、飞机螺旋桨气动噪声仿真、飞机操稳分析。

作者：南流坊 飞翔的螺旋桨 仿真秀专栏作者

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