1. 可壓縮流動概念

對于部分易于壓縮的流體，如果計算域內(nèi)各處壓力變化很大則密度變化也很大。如Ma大于0.3，則密度變化不可忽略，屬可壓縮流動。

可壓縮流動按馬赫數(shù)大小可分為亞聲速流動（Ma=0.3～0.8左右）、跨聲速流動（Ma=0.8～1.2左右）、超聲速流動(Ma=1.2～5.0左右)和高超聲速流動（Ma>5.0）。

一般Ma大于0.3就認為流體屬于可壓縮流動，Ma小于0.3屬于不可壓縮流動。

2. 模型描述

模型為二維planar的噴嘴，噴嘴輪廓為正弦形狀，噴嘴入口高度0.2m，壓力為0.9atm；噴嘴出口壓力0.7369atm。空氣在壓力的作用下進入噴嘴，當(dāng)截面積變小，流速會變高，使得Ma大于0.3

3. 基本設(shè)置

3.1 導(dǎo)入網(wǎng)格：

使用Fluent軟件打開Chapter52.msh網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。

導(dǎo)入mesh文件后，只顯示模型的一半。

在View-Views勾選symmetry，點擊apply，即可完整顯示

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸不需要修改，打開Scale mesh查看模型尺寸是否正確

3.3 求解器設(shè)置

基于密度求解器，穩(wěn)態(tài)設(shè)置，不勾選重力，2D Space勾選planar，可參考文章十四.FLUENT中2D Space設(shè)置

注：

1. 對于可壓縮流動，基于密度的隱式求解器是首選；對于沖擊射流，可選擇基于密度的顯示求解器；對于不可壓縮流動，需要選擇基于壓力的求解器。
2. 此處穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果將作為后面瞬態(tài)計算結(jié)果的初始值，這樣計算可加快瞬態(tài)計算的收斂性。

3.4 單位設(shè)置

Fluent壓力的默認單位為Pa，為方便起見，設(shè)置壓力單位為atm。

4. 設(shè)置計算模型

4.1 能量方程

能量方程打開

4.2 湍流模型設(shè)置

選擇SST k-omega模型

4.3 設(shè)置air材料屬性

雙擊air，打開材料設(shè)置界面。

將density設(shè)置為理想氣體 ideal-gas，其他屬性保持默認，單擊Change/Create

5. 操作條件設(shè)置

設(shè)置操作壓力為0，對于高馬赫數(shù)可壓縮流動，將操作壓力設(shè)置為0，這樣做是可避免截斷誤差的產(chǎn)生。

由于此處將操作壓力設(shè)置為0，因此在后面的邊界條件設(shè)置中，必須輸入絕對壓力

6. 邊界條件設(shè)置

6.1 inlet邊界設(shè)置

設(shè)置為壓力入口邊界條件

Gauge Total Pressure：0.9 atm，此值即噴嘴入口的絕對總壓

Supersonic/Initial Gauge Pressure：0.7369 atm

Turbulent Intensity：1.5%

Turbulent Viscosity Ratio：10

上述兩參數(shù)的設(shè)置可參考文章三十三、Fluent邊界條件湍流參數(shù)設(shè)置詳解

注：Supersonic/Initial Gauge Pressure有兩個作用

1. 當(dāng)邊界進口流動為超音速時，需要指定其靜壓力，對于可壓縮氣體可按等熵流動計算靜壓

2. 此值為入口靜壓估計值，是噴嘴出口處的平均壓力。這個值將在初始化階段用于估計噴嘴速度。也就是這個值可用于初始化噴嘴入口速度。

6.2 outlet設(shè)置

設(shè)置為壓力出口邊界條件

Gauge Pressure：0.7369 atm

Backflow Turbulent Intensity：1.5%

Backflow Turbulent Viscosity Ratio：10

7. 求解方法（穩(wěn)態(tài)）

7.1 求解方法

Solution-Solution Methods

Formulation為隱式 Implicit，求解控制中會出現(xiàn)庫朗數(shù)，參考文章三十九、Fluent時間步長的估算與庫朗數(shù)

7.2 求解控制

Solution-Solution Controls

庫朗數(shù)設(shè)置為50，其他保持默認即可

注：庫朗數(shù)越高，收斂速度越快，同時收斂性越差。默認的庫朗數(shù)為5。在計算初始階段可設(shè)置低庫朗數(shù)，當(dāng)收斂情況比較好時，再調(diào)高庫朗數(shù)。

7.3 收斂殘差設(shè)置

Solution → Reports → Residuals...

勾選Show Advanced Options， 同時Convergence Criterion下拉框選擇 none。

上述設(shè)置使得Fluent不以殘差作為收斂的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對計算的物理量進行監(jiān)測，以其來判斷是否收斂。

7.4 監(jiān)測物理量

監(jiān)測噴嘴出口的質(zhì)量流量，以此來判斷收斂性。

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass Flow Rate...

雙擊Reports Definitions，彈出下圖窗口

依次點擊New，Surface Report，Mass Flow Rate可彈出下圖窗口。

上面的設(shè)置就是選擇監(jiān)測物理量的處理方式，比如Surface Report表示以面的方式對物理量進行處理，可以面積分、面平均等等

Name：輸入物理量的名稱，自定義，什么都可以

Create：Report File表示輸出記錄該物理量的文件， Report Plot 表示在fluent界面輸出物理量曲線，Print to Console表示在控制臺界面輸出物理量的值

Frequency表示輸出的頻率

Surface：選擇outlet

完成上述設(shè)置后，會在Monitors樹下自動生成mass_flowrate_out-rplot 和 mass_flowrate_out-rfile

8. 初始化

混合初始化

 為了使計算更加精確，收斂性更好，可進行網(wǎng)格自適應(yīng)。內(nèi)容太多，此處不展示，后面會單獨出一篇文章介紹。

9. 計算設(shè)置

Number of Iterations設(shè)置為500，單擊 Calculate

10. 后處理

10.1 出口質(zhì)量流量曲線

10.2 靜壓云圖

10.3 速度矢量圖

11. 瞬態(tài)計算設(shè)置

11.1 瞬態(tài)設(shè)置

以穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初始條件。

General界面更改為瞬態(tài)

設(shè)置出口壓力隨時間而改變

其中，w為瞬態(tài)壓力的頻率(rad/s)，為2200；Pexit為出口的平均壓力，為0.7369atm

此公式單位為atm，使用fluent自帶的Expression功能進行設(shè)置，由于表達式必須為國際單位制，因此設(shè)置時需乘以101325轉(zhuǎn)化為Pa為單位。

11.2 outlet邊界壓力表達式設(shè)置

點擊邊界條件Gauge Pressure下拉框，選擇expression

點擊f(x)圖標(biāo)，在Expression Editor中輸入

(0.12*sin(2200[Hz]*t)+0.7369)*101325.0[Pa]

單擊apply即可，出口壓力將按照上述公式進行變化。

注：fluent自帶的表達式功能在一定的程度上能夠完成UDF的部分功能。其設(shè)置過程最需要注意的就是量綱問題。

11.3 瞬態(tài)計算設(shè)置

設(shè)置時間步長為2.85596 x 10-5，600個時間步

11.4 瞬態(tài)結(jié)果后處理

1. 質(zhì)量流量曲線圖

2. 靜壓動畫

3. 速度動畫

為了方便大家學(xué)習(xí)交流，我創(chuàng)建了QQ群：群一人數(shù)已滿員，可加二群：876525686，大家可以在其中討論相關(guān)的問題，同時我會將所有文章的源文件都放到QQ群中，還會放一些其它的學(xué)習(xí)文件。歡迎大家加入。

百度網(wǎng)盤鏈接：https://pan.baidu.com/s/1qc0NGHhDnmXHmpSzzyIW1Q

提取碼：i60q