OpAEOLUS-6.计算机仿真

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OperationAEOLUS-初次尝试计算机仿真

使用Ansys Fluent 2023R1软件进行计算流体力学(CFD)仿真，进一步探究纸飞机飞行时表面气体流动情况，在上一篇的基础上具体分析纸飞机各组件的作用。

1. 计算流体力学

计算流体力学，简称CFD (Computational Fluid Dynamics)，是通过计算机求解复杂流体力学问题的学科，本质上是利用数值方法求解Navier-Stokes等方程。此方法可以大大降低研究成本，且较为方便。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，各类通用CFD软件纷纷出现，这一方法也成为了流体力学研究中的常用方法。
计算流体力学的流程一般有三步：

  1. 前处理：包括几何建模、网格划分、边界条件定义等。
  2. 计算：基于模型的数值计算，由计算机自动完成不需要人为干预。
  3. 后处理：数据整理及可视化，根据结果进一步分析。

本次使用基于有限元法的有限体积法进行求解，此方法保证了有限体积法的守恒特性，又吸收了有限元法的精度优点。采用$k-\omega$ SST湍流模型，该模型结合了$k-\omega$和$k-\epsilon$模型，较为通用，结果较精确且计算成本小。
接下来简述仿真设置运行过程。

2. 仿真过程

首先使用三维建模软件创建纸飞机模型。创建两种模型：普通纸飞机和有腹间隙的纸飞机，主要探究腹间隙的影响。注意要将三个模型的机翼调整到水平面上，方便后续控制迎角相同(迎角为机翼平面与水平面的夹角)。

纸飞机模型的参考参数如下：机身直角三角形一条直角边长为50mm，斜边长为200mm，机翼两直角边长分别为200mm和80mm，厚度为0.5mm；两机翼与对称面夹角80°；腹间隙夹角为20°。
模型文件可至 https://github.com/shengyangzhang/OpAEOLUS/tree/main/first%20simulation/models 下载。

接下来正式开始设置算例。
几何准备：

  1. 打开Ansys Workbench，创建”流体流动(Fluent)”独立系统，双击”几何结构”打开DesignModeler。
  2. 导入创建的几何模型，点击”生成”。在水平面画一条水平线草图，点击”创建-几何体转换-旋转”，根据草图直线将几何体旋转一个合适的角度。(注意改单位)
  3. 点击”工具-外壳”创建计算域，把缓冲值调大一些。
  4. 点击”创建-Boolean”进行布尔运算，操作选择”提取”，目标几何体选择计算域，工具几何图选择纸飞机模型。
  5. 保存项目，关闭DesignModeler。

网格划分：

  1. 双击”网格”设置网格划分。
  2. 右键点击项目树中的”网格”，选择”插入-尺寸调整”，然后选择边结构，”类型”选择分区数量，输入边划分数量。此处需要尽可能输大一些的数，网格不够密容易导致计算不收敛。设置好后点击”生成”。
  3. 选择纸飞机机头前方的面，右键，点击”创建命名选择”，命名为”inlet”(入口)，同样地，命名后方的面为”outlet”，长方体另外四个面为”walls”。最后隐藏这六个面，框选纸飞机，随便命个名就行。
  4. 保存项目，关闭。在Workbench中右键网格，点击”更新”。

设置并求解：

  1. 双击”设置”，在Laucher中勾选”Double Precision“，启动Fluent。
  2. “通用-求解器”中选择类型为压力基，速度格式为绝对，时间为稳态(一般为默认设置)。”模型”中选择”粘性-$k-\omega$-SST“。
  3. 到”边界条件”页面，点击”inlet”，确保类型为”velocity-inlet“，双击，速度大小设为5m/s(应该差不多吧)。点击”outlet”，确保类型为”pressure-outlet“。
  4. 点击”计算监控-报告文件”，添加升力和阻力的计算监控。
  5. 到”初始化”页面点击”初始化”，可能会出现”未达到收敛公差”的警告，可以增加迭代次数重新尝试。如果仍不行建议修改网格，局部加密，不修改也可能可以出结果，但不知是否准确。
  6. 到”运行计算”设置迭代数目为2000，开始计算。观测残差图，图中每一变量都达到$1\times10^{-3}$以下或者达到迭代数时会结束运算。

后处理：

  1. 一些概念：
    云图(Contour)：用颜色表示面上每点数值大小的图，可直观展现数值分布。
    流线图(Streamline)：流场中流体点的运动轨迹线，在流场中采集部分点作出。
  2. 作出云图、流线图等。(注意将云图色带的上下范围调成一致，方便比较)

3. 结果分析

结果图如下：
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图中A为普通纸飞机，B为有腹间隙的纸飞机，1是机身及对称平面压强分布云图，2是流线图(流线根据速度大小着色)及机身压强云图的上视图，3为2的后视图。

观察纸飞机机身压强分布，可见A下方压强较小，上方负压也较小，B下方压强较大，上方负压也较大，显然B的气动性能更好。观察纸飞机附近的流场，可清晰地看见机翼边缘的涡流，且A涡流比B涡流略大，可能此处涡流泄压作用较强，对升力产生负面影响。
计算得A纸飞机升力约为0.215N，阻力约为0.085N；B纸飞机升力约为0.237N，阻力约为0.099N。显然，普通纸飞机虽阻力略小，但升力也较小，而有腹间隙的纸飞机阻力略大，升力也更大，与Chang M, et al.[1]的研究相符。
普通纸飞机重力大约为0.05N，这里得到的升力显然是偏大的，原因可能是几何建模的偏差，理性流体的误差，纸飞机形变的忽略，计算流速设置太大等。而升阻比的计算应该较为准确，较高的升阻比数值切实地说明了纸飞机是气动性质优良的物理模型。

4. 参考

[1]Chang M, Feng X, Zhang Y, Zhang X, Bai J. Flow analysis on the ventral gap of a paper airplane. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2020;0(0). doi:10.1177/0954406220946076
[2]项目记录——ANSYS Fluent入门翼型风洞模型计算. https://blog.csdn.net/gre_paul/article/details/117031375
[3]How to do Aeroplane CFD Analysis in 10 mins. https://www.youtube.com/watch?v=8jzv0_X0_iE