Ansys学习之飞行器气动加热（1）

高速飞行器鼻锥 /天线罩面临着强烈的气动生热环境，需要一种抗氧化 /烧蚀的耐高温材料制备部件。碳化硅、硼化锆以及硅硼碳氮（非透波体系）和氮化硅、氮化硼（透波体系）等先进陶瓷材料可作为其备选材料。除了需要考虑外边缘选材外，对部件的热控制也是需要考虑的重要因素，因此需要对部件的热 -力状态进行分析。计算流体力学 (CFD)是用于计算飞行器气动加热的重要工具，本文将初步介绍飞行器气动加热计算过程，后续可能将学习 /介绍流体 -固体耦合作用，为可能的工程设计提供参考。

本文首先简 单介绍他国学者发表在《美陶》上的一篇文章，该文章是通过 CFD 计算了超高温陶瓷 ZrB2-SiC 热防护系统的热 - 力设计。本文作为初步的学习尝试，并不会直接完全复现其结果，主要是介绍思路。

本文所采用的计算软件为 Ansys workbench，在 workbench中已经集成了流体力学软件 Fluent。接下来让我们一起来学习一下基本操作。以下是我建立的一个三维模型，但是由于个人笔记本电脑算力不足，作为学习，我采用简化的二维模型进行了计算，计算结果如下图所示。

（1）首先是建立模型，拖拽geometry模块进入操作界面即可建模，模型建立可以通过软件自带的Design model模块，或者其他建模软件，如solidworks等。主要原则是建立一个为大流场所包围的固体模型，这里不详细介绍。一般认为所建立的流场尺寸大于固体模型尺寸的20倍，由于计算量的关系，本文所采用的模型较小。

（2）在建立模型后，将模型与Fluent模块连接，即将模型导入fluent计算模块，接下来点击mesh，对模型进行网格划分，需要注意的地方是在流体-固体壁面需要设置层流边界层，具体设置和划分结果如下图所示。网格划分完毕后，即可进行计算。

（3）点击set up进行计算设置，采用双精度计算，点击OK即可进入设置界面。

（4）进入模块后点击general-check检查网格。

（5）进行气动加热计算需要打开能量energy选项，viscous采用S-A模型。

（6）接下来对Materials模块中流体部分的气体air设置为ideal-gas模型，实际计算中气体压强与飞行器所处高度有关，本文不区分。因为暂未进行流固耦合计算，固体部分不需要改动。

（7）边界条件设置简单地可将流体外边界全部设置压力远场边界，一般也可在前端边界设置为压力远场，后端设置为压力出口边界。本文计算采用2马赫，迎角为0度。

（8）求解设置如下。

（9）点击initial初始化。

（10）最后是设置迭代步数，即可开始计算。

（11）收敛曲线如下：

在上文中，我们已经学习了飞行器气动生热的内容，但是只考虑了流体部分的性质，实际上我们更为关注的是飞行器部分的性质。飞行器表面温度升高，热量不断向结构内部传导，此时需要进行流体-固体耦合分析。在得到部件温度后还可进行温度荷载下的热应力分析。

很多工程场景是相通的，背后涉及的物理过程是一致的，例如芯片等电子元器件的散热分析，电池系统的热控制，均与本文的分析过程相似。对于基本问题的学习，有利于我们在各种工程问题上应付裕如。接下来我们一起来学习流固耦合。主要步骤如下：

（1）首先在建模时需要考虑的是各个部分应该处于连接的状态，一种方式是共节点，另外一种方式是设置接触面，本文采用共节点的方式，如下图所示，选中各个部分右击Form New Part即完成共节点设置。

（2）在设置共节点后进行网格划分，可以看到各部分连接处是共用节点单元的。

（3）在瞬态计算前先进行稳态计算，稳态计算与上文中的设置相同。对于瞬态计算，由于有时间变量，因此需要设置时间步长，理论上时间步长越短计算越稳定，但过短的时间步长会导致计算较慢。本文采用pressure-based压力求解器，在Solution Controls界面会出现Flow Courant number（库朗数），默认值是200，如果难于收敛应适当减小，其与时间步长存在物理关系，具体参考文献/网址[1]。在本文的计算中进行了多次测试才实现了收敛，主要是减小时间步长与库朗数。

（4）稳态和瞬态计算结果如下图所示。

参考文献

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

文章来源：开元模拟学习