高速飛行器鼻錐 /天線罩面臨著強烈的氣動生熱環境，需要一種抗氧化 /燒蝕的耐高溫材料制備部件。碳化硅、硼化鋯以及硅硼碳氮（非透波體系）和氮化硅、氮化硼（透波體系）等先進陶瓷材料可作為其備選材料。除了需要考慮外邊緣選材外，對部件的熱控制也是需要考慮的重要因素，因此需要對部件的熱 -力狀態進行分析。計算流體力學 (CFD)是用于計算飛行器氣動加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動加熱計算過程，后續可能將學習 /介紹流體 -固體耦合作用，為可能的工程設計提供參考。

本文首先簡 單介紹他國學者發表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過 CFD 計算了超高溫陶瓷 ZrB2-SiC 熱防護系統的熱 - 力設計。本文作為初步的學習嘗試，并不會直接完全復現其結果，主要是介紹思路。

本文所采用的計算軟件為 Ansys workbench，在 workbench中已經集成了流體力學軟件 Fluent。接下來讓我們一起來學習一下基本操作。以下是我建立的一個三維模型，但是由于個人筆記本電腦算力不足，作為學習，我采用簡化的二維模型進行了計算，計算結果如下圖所示。

（1）首先是建立模型，拖拽geometry模塊進入操作界面即可建模，模型建立可以通過軟件自帶的Design model模塊，或者其他建模軟件，如solidworks等。主要原則是建立一個為大流場所包圍的固體模型，這里不詳細介紹。一般認為所建立的流場尺寸大于固體模型尺寸的20倍，由于計算量的關系，本文所采用的模型較小。

（2）在建立模型后，將模型與Fluent模塊連接，即將模型導入fluent計算模塊，接下來點擊mesh，對模型進行網格劃分，需要注意的地方是在流體-固體壁面需要設置層流邊界層，具體設置和劃分結果如下圖所示。網格劃分完畢后，即可進行計算。

（3）點擊set up進行計算設置，采用雙精度計算，點擊OK即可進入設置界面。

（4）進入模塊后點擊general-check檢查網格。

（5）進行氣動加熱計算需要打開能量energy選項，viscous采用S-A模型。

（6）接下來對Materials模塊中流體部分的氣體air設置為ideal-gas模型，實際計算中氣體壓強與飛行器所處高度有關，本文不區分。因為暫未進行流固耦合計算，固體部分不需要改動。

（7）邊界條件設置簡單地可將流體外邊界全部設置壓力遠場邊界，一般也可在前端邊界設置為壓力遠場，后端設置為壓力出口邊界。本文計算采用2馬赫，迎角為0度。

（8）求解設置如下。

（9）點擊initial初始化。

（10）最后是設置迭代步數，即可開始計算。

（11）收斂曲線如下：

在上文中，我們已經學習了飛行器氣動生熱的內容，但是只考慮了流體部分的性質，實際上我們更為關注的是飛行器部分的性質。飛行器表面溫度升高，熱量不斷向結構內部傳導，此時需要進行流體-固體耦合分析。在得到部件溫度后還可進行溫度荷載下的熱應力分析。

很多工程場景是相通的，背后涉及的物理過程是一致的，例如芯片等電子元器件的散熱分析，電池系統的熱控制，均與本文的分析過程相似。對于基本問題的學習，有利于我們在各種工程問題上應付裕如。接下來我們一起來學習流固耦合。主要步驟如下：

（1）首先在建模時需要考慮的是各個部分應該處于連接的狀態，一種方式是共節點，另外一種方式是設置接觸面，本文采用共節點的方式，如下圖所示，選中各個部分右擊Form New Part即完成共節點設置。

（2）在設置共節點后進行網格劃分，可以看到各部分連接處是共用節點單元的。

（3）在瞬態計算前先進行穩態計算，穩態計算與上文中的設置相同。對于瞬態計算，由于有時間變量，因此需要設置時間步長，理論上時間步長越短計算越穩定，但過短的時間步長會導致計算較慢。本文采用pressure-based壓力求解器，在Solution Controls界面會出現Flow Courant number（庫朗數），默認值是200，如果難于收斂應適當減小，其與時間步長存在物理關系，具體參考文獻/網址[1]。在本文的計算中進行了多次測試才實現了收斂，主要是減小時間步長與庫朗數。

（4）穩態和瞬態計算結果如下圖所示。

參考文獻

[1] https://www.bilibili.com/read/cv19007688

文章來源：開元模擬學習