CFD-FASTRAN中文培训算例文档

FASTRAN 在设置问题类型时，第一项是必须要选的，也就是说流场是必须要求解的。 当前问题情况仅仅涉及流场求解，因此可以保持缺省设置，只选中可压缩流动选项即可。 选中控制面板的模型选项栏（MO） ，在这里可以设置全局和流动参数。
在 Global-Title(此为标题)栏输入：Turbulent flow past a NACA-0012 Airfoil。此处输入用 于描述问题类型，对求解没有影响。在 Polar 选项下选择：非轴对称。针对二维问题，此处 可以选择是否是轴对称问题， 在模型和流场均为轴对称的情况下， 选择轴对称问题类型可以 大大简化求解设置，减少求解时间。需要说明的是，FASTRAN 求解轴对称问题时，对称轴 必须是 X 轴。 选择 Flow 分栏设置流动参数： 其中，选择理想气体模型并选择湍流模型（求解 N-S 方程） ，理想气体特性参数保持默 认 （分子量和比热比 Gamma） ， 粘性系数计算选择 Sutherland 公式， 普朗特数保持默认不变， 选择带壁面修正的 K-Epsilon 湍流模式。 （具体设置如下） 分子量和比热比默认为空气，从音速计算公式可知，如果更改这两个参数将会影响当 地音速。粘性系数可以设置为常数或者通过 Sutherland 公式计算求得，Sutherland 公式是根 据当地温度来求解粘性系数的，在温度不是很高的情况下可以选择 Sutherland 公式，从而更 精确的计算粘性系数。普朗特数是粘性系数和导热系数的比值，此处保持默认即可。 FASTRAN 软件中所使用的 Sutherland 公式：
绕naca0012翼型的湍流流动模拟结构求解器此算例包含以下方面读入dtf数据文件建立fastran模型选择求解问题类型设置流体参数例如分子量等选择合适的湍流模型设置合适的边界条件设置流场的初始值设置解的迭代选择一个合适的空间和时间格式设置cfl数设置气动力输出后处理结果显示问题描述绕naca0012翼型的湍流流动来流的马赫数约为055攻角为834基于翼型弦长为特征长度的来流雷诺数为9e06启动cfdfastran的图形用户界面选择fileopen打开nacadtf文件点击确认出现下图
rate） 、固定入口总温总压（fixed Total P and T） 、固定入口流入质量（fixed mass (normal) ） 。对于固定入口质量流率，当入口为亚音速时，密度和速度在入口处
保持常数其它参数从流场内节点外推求得，当入口为超音速时，所有入口处参 数均为常数不变。对于固定入口总温总压，入口处总温总压保持常数，其它变 量由内部条件和等熵条件求得。对于固定入口流入质量，仅仅可以用于亚声速 入口情况，直接指定入口的质量流率。 6． Outlet 边界条件： 出口边界条件， 亚声速出口需要指定出口压力， 超声速出口外推。 7． Interface 边界条件：zone 和 zone 之间的交界面，无法更改边界类型，用于数据传 递。 8． Time Profile 边界条件：时间相关的边界条件，在级间分离算例中用于模拟火箭发 动机喷管效应，届时将会着重介绍。 选中控制面板的 IC 栏设置初始条件： 在求解定常问题时，初始条件的给定是比较随意的，通常有多种给法。一般计算表明， 只要给出的初始值符合一定要求，那么它对以后计算结果的影响并不显著。然而，质量很差 的初始流场也可能导致整个计算不稳定。 一般情况下可以将初始流场取为自由来流条件确定 的均匀场。 对于非定常流动的计算， 一般取具有相应流动条件的定常计算结果作为非定常流动的初 始条件。 在第一个下拉菜单选择“For All V olume” ，第二个下拉菜单选择“Constant” ，这里表示 的意思是初始流场远场为常数，而不是一个给定的流场文件。具体的参数设置如下:
式中： U -来流速度
-来流密度
la m -来流的动力粘性系数
而选择 S-A 模型增加的参数输入可以设置为来流的运动粘性系数 。 至于选择哪种湍流模型，以下给出几点建议： 湍流一般分为三类：自由剪切湍流、附着边界层湍流、分离湍流。 1.B-L 模型可以很好的模拟附着边界层湍流，但是不适合大分离湍流流动和自由剪切湍 流。往往用于高速无大分离流动计算。 2．S-A 模型对附着边界层模拟效果同零方程模型相似，另外对自由剪切湍流计算精度 较好。往往应用于传热计算。 3． k 湍流模型历史悠久，有很多种衍生模式。 k 湍流模型对自由剪切湍流、附 着边界层湍流和适度的分离湍流都有着较高的计算精度。 4．目前不存在普遍适用的湍流模式，复杂的湍流流动仍然是一个值得探讨的问题。 另外需要指出的是，有一个无量纲的参数 y+，每一种湍流模型都有针对壁面处 y+的一 个限制。y+的计算公式如下：
启动 CFD-FASTRAN 的图形用户界面：
选择 File-Open，打开 naca.DTF 文件，点击确认出现下图。
上图中有一些模型相关的信息，例如网格的块数、网格数、以及 DTF 数据版本和流场 界限等等。点击 OK，计算模型的轮廓出现在可视化图形窗口中。
选中控制面板的问题类型栏（PT ，如图示） ：
关于 FASTRAN 软件中边界条件类，介绍如下： 1． Inflow/Outflow 边界条件：入流/出流边界条件，也称之为远场边界条件，当无法确 定流场外边界各点处流动是流入或流出时可以采用此类边界条件。常常用于外 流场计算，可以将外围所有边界设置为 Inflow/Outflow 边界条件。 2． Wall 边界条件：物面边界条件。分为四种类型：绝热壁、等温壁、指定热通量壁
T 0
面边界、辐射壁。绝热壁面温度条件为 n
，等温壁指定壁面温度，指定热 T k T 4 通量壁面边界需给定壁面热流大小，辐射壁满足关系式： n ， 为
Stefan-Boltzmann 常数。常数 为表面材料的发射率（ 0 1 ， 0 时退化 为绝热壁， 1 为黑体辐射） 。另外，速度类型一般满足：粘性满足无滑移边 界条件，无粘满足无渗透边界条件。 3． Overset 边界条件：嵌套边界条件，我们将会在嵌套算例中详细介绍此类边界类型。 4． Symmetry 边界条件：对称边界条件，满足对称面两侧速度分量符号相反，其它参 数如压力、温度相等。 5． Inlet 边界条件：入口边界条件，有三种类型：固定入口质量流率（ fixed mass flow
1. 绕 NACA-0012 翼型的湍流流动模拟（结构求解器）
此算例包含以下方面： 读入 DTF 数据文件，建立 FASTRAN 模型 选择求解问题类型 设置流体参数例如分子量等 选择合适的湍流模型 设置合适的边界条件 设置流场的初始值 设置解的迭代 选择一个合适的空间和时间格式 设置 CFL 数 设置气动力输出 后处理结果显示 问题描述： 绕 NACA0012 翼型的湍流流动 来流的马赫数约为 0.55，攻角为 8.34 基于翼型弦长为特征长度的来流雷诺数为 9E+06
目录
1. 绕 NACA-0012 翼型的湍流流动模拟（结构求解器） .................................................... 2 1.1 FASTRAN 软件湍流模型简介 .............................................................................. 4 1.2 FASTRAN 软件边界条件简介 ............................................................................... 7 1.3 FASTRAN 软件空间格式、限制器和时间格式简介 ............................................... 9 1.4 FASTRAN 软件气动力的输出 ..............................................................................11 2. 化学反应-热化学非平衡算例 ...................................................................................... 15 2.1 FASTRAN 软件化学反应类型(化学反应速率计算方式) ....................................... 19 3. 使用 Chimera 网格模拟绕三维圆柱的湍流流动 ........................................................... 26 3.1 关于嵌套设置时的 Buffer Layer 和 Fringe Layer .................................................. 30 3.2 避免嵌套出错的一点提示.................................................................................. 36 4. 翼型俯仰的非定常模拟-指定运动算例 ........................................................................ 37 5. 油箱投掷的非定常模拟-六自由度算例一..................................................................... 48 6．导弹级间分离的非定常模拟-六自由度算例二............................................................. 63 6.1 如何确定推力模型施加边界编号以及如何输入推力模型文件 ............................. 78 7. AGARD 445.6 机翼静气弹分析.................................................................................... 81 7.1 并行计算设置步骤 ............................................................................................ 91
CFD-FASTRAN 工程师周欣欣：QQ：178079641
Байду номын сангаасE-MAIL：xinxin.zhou@es
CFD-ACE+工程师熊熠：QQ：47879136 E-MAIL：yi.xiong@ CFD-ACE+工程师朱祥德：QQ：153579745 E-MAIL：xiangde.zhu@
AT 3/ 2 T B
1.1 FASTRAN 软件湍流模型简介
目前 FASTRAN 中有 7 种湍流模型，包括三个两方程模型、三个一方程模型、一个代数 即零方程模型。其中 DES 和 DDES 模型分别为脱体涡模拟和延迟脱体涡模拟，这两种湍流 模型在近物面区采用雷诺平均方法， 在其它区域采用大涡模拟方法， 兼具前者计算量小和后 者能模拟大分离湍流流动的优势。 此模型可以精确计算近场的压力脉动， 从而可以耦合其它 软件用于求解气动噪声等问题。剩下五种湍流模型常常应用于工程计算。 计算情况）和 k 湍流模型所需要输入的参数比耗散率 计算公式如下： 其中，带壁面函数的 k 湍流模型所增加的两个参数即湍动能 k 和耗散率 （外流场
选择控制面板的 BC 栏设置边界条件：
在左下方的窗口按住 CTRL 选中,zone1 和 zone2 的两条交界线（patch1 和 patch2） ：
这两条线在网格生成时已经默认为 Interface，故在此不做修改（事实上 Interface 在网格 划分正确的情况下是不能修改的） 。 按住 CTRL 选中 zone1 的 patch4 以及 zone2 的 patch3 和 patch4，如下图所示：
将其类型设置为：Inflow-Outflow ，具体的参数设置如下图所示：
设置完成后点 Apply。 继续设置边界条件：选中 zone2 的 patch2，如图示（也可以在图形窗口选择） ：
将此边界设置为：Outlet。并在子类型中将此边界设置为固定压力，静压值设置如图示：
1.2 FASTRAN 软件边界条件简介
y
yu
其中： u 为剪切速度 y 为网格尺寸
当选择 k 湍流模型时，此模型用于高湍流雷诺数情况，因此采用了壁面函数用于模 拟壁面附近的粘性底层和过渡层。此模型对 y+的要求是 40~200。除了 k 湍流模型以外， 其它湍流模型均要求 y+<5，建议 y+在 1 之内。 因此，从 y+计算公式可知，当壁面处的 y+不能满足要求时，唯一的方法就是将网格在 壁面的法线方向加密。如何观察壁面处的 y+，我们将在算例结束计算之后的后处理显示中 做出详细说明。 选择控制面板的 VC 栏设置体条件（在求解基本流动问题时可以保持默认） ，在左下方 的窗口选中所有的体，并在控制面板（Properties ）将其设置为： Fluid