时间：2013年2月24日
研究人员：还哲
职务：ASR 项目组长，总设计师，核心设计组成员
研究内容：关于火箭箭体和头锥的CFD气动模拟
组别：核心设计组
结果评估：头锥模拟成功，箭体迭代时发生发散，失败
主要工具：Fluent 6.3 ，GAMBIT 2.4 , AutoCAD 2013

概要
本研究旨在借助计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）软件完成对探空火箭的二维流场进行局部和整体的数值模拟，对其气动特性进行基础研究。由于ASR的全尺寸箭体尚在研制过程中，我选用了广局的YT-4探空火箭进行模拟。由于写帖子时间有限，我便不对CFD进行过多介绍和操作指导，以后有时间专门发帖详细介绍。

几何模型的建立
由于电脑配置问题，我先选用了2D流场计算。
几何模型根据广局 110-75 火箭总装设计图的侧视图进行简化得到
主要数据如下：
箭体外径：124mm
全箭长：2766mm
头锥部长：367mm
圆柱部长：2194mm
喷管最大直径：97
如图：
正视图：


三维图：



计算模型的建立
计算区域是一个掏空了箭体部分的长方形（6500MM X 3100MM），其中在这个长方形中又嵌套一个小长方形（3800MM X 1116MM）以便进行较密的网格划分，而小长方形之外，大长方形以内的区域则网格划得较稀疏，这样既保证了计算准确性，又有效提高了计算效率。密部网格数量为436054个，疏部网格数量为490627个。

计算模型示意图：


网格图：
   

三维网格模型（虽然因为电脑性能限制，我没有进行3D流场计算，但我依照2D的数据还是建了3D的网格模型



数学模型的建立
对于基本方程而言，没什么说的，在连续性介质假设下肯定选用Navier-Stokes方程进行描述，而湍流模型有2个常用型，一个是Spalart-Allmaras单方程模型，另一个是 K-ε双方程模型。相比而言，S-A模型更为简单，对于有逆压梯度的边界层而言，计算精度高； 而K-ε双方程模型是一个经验模型，更为完全，通过解2个输运方程得到速度尺度、长度尺度等解，且标准形式仅仅对完全湍流比较有效。
某篇导弹Fluent实验采用了K-ε双方程模型，并给出了数据：（摘自该实验的论文）


而经过权衡，我们在首次试验中，先采用较为简单，计算量小的N-S方程做头锥的模拟。V导的输运方程为：
  

GV是黏性，Yv为黏性影响区湍流粘性耗散项，v表示黏性
事实上，从来就没有普适的湍流模型，在选择时也是要综合多种因素考虑的。


为了检验整个步骤，我们首先进行头锥部分的CFD模拟，
将在GAMBIT中创建的网格文件导入Fluent，并在Fluent中执行检查，看看有无负体积网格：


然后可以通过display菜单中的show grid显示网格，这步没什么意义，就是看看而已：


接下来就是切换成局部的头锥模型，然后是一大堆各种参数的设置，包括选择求解器，启动能量方程，设置流体材料属性，设置工作压强、求解器参数 等，这些略过，以后详细介绍。速度取1.2M，值得注意的是求解器参数的设置，我这里取的是0.9的松弛因子，比较适中，这样及控制了发散，又提升了计算速度，在下面的Discretization中2个选项均选成 Second Order Upwind，因为对于边界层问题二阶差分法会带来明显的精度提升。


然后要打开残差监视器并对求解器进行初始化，残差监视器可以通过图像告诉你各项参数是否发生收敛，只有发生收敛，数据才是有效的，也说明模拟是成功的。这里的失败率相当高，ASR平均做5次气动模拟有4次都是在50次迭代之内就发散了，使数据收敛成功率提高需要长期的建模经验和参数设置经验。

接下来就是最后的迭代，首次先迭代500次，查看数据收敛情况（这个截图可能是以前的，似乎数字不太对）：


开始迭代，残差监视器开始工作。迭代结束，各项数据如图所示：
阻力变化曲线：


升力变化曲线：


力矩变化曲线：


可以看到，3项数据随着迭代次数增加，波动逐渐减小，可初步认为收敛（收敛的精确判定十分复杂，需多种方法联合判别，这里不做详细探讨）
接下来是在原有计算结果上追加1000次迭代并输出结果
阻力：


升力：


力矩：
    

由于电脑配置问题，我没有继续迭代下去，此时数据已基本稳定，可以进行估读。
利用CFD强大的功能，还可以将头锥部分进行数据绘图，这样可使结果更加直观、明晰。

注：由于这是头锥的模拟图，所以画面右侧头锥尾部形成负压区和膨胀波在本实验中不具有任何参考价值，但对于炮弹、子弹等物体的气动模拟至关重要。
攻角平面压强分布：


绝对温度分布，这是能量方程计算的结果：


弹体头部的细节温度分布，可以看到在常温15度，速度1.2M的情况下，头锥前端表面温度达到了96摄氏度：
  

马赫数分布：


箭体头部速度矢量分布：


Fluent当然还可以计算出多达七十几个不同方面的数据，这里只取几个我们需要的数据，为今后的设计和优化头锥外形提供新的研究手段和理论依据。

结论
通过Fluent的数值仿真，得到了YT-4火箭头锥部分在马赫数Ma=1.2，攻角为0度时的气动特性，迭代收敛正常，建模完整，诸多数据符合基本流体力学定律，实验成功，数据有效。


（全箭以及3D模拟将在以后的续集中发出）

最后放一张ASR项目预研期（2012年9月-2013年1月）项目全体成员与指导老师的合影
现在项目已进入正式第一期，人员有增加。