学生姓名：贾小宇

班学生级：能动2017-01班

指导教师：卢耀辉

毕设题目：基于CFD的高超声速喷管外流场喷射效果仿真分析

一、概况

1.选题意义

高超声速流动是指流动速度远大于声速的流动方式，与低速流动存在许多不同的特征。高超声速流动的研究已经得到广泛的发展与应用，喷管作为实现高超声速流体的零件，其在工作时喷射的角度与喷射距离等参数对作业目标的影响至关重要，所以对喷射角度与喷射距离对喷射效果的影响的研究就至关重要。通过Fluent软件对拉瓦尔喷管的相关多相流场进行仿真分析,研究不同喷射角度与喷射距离下流场内流体马赫数、压力和温度分布，并对其形成原因和对工作效果的影响进行讨论。通过对仿真结果的分析,为喷管的设计提供理论指导。

  在研究外流场的同时，对多相流模型的研究也是本次毕业设计的一个重要研究部分，除了喷管外流场的基本参数外，液滴的接触角、大小、温度以及液滴的数目是否会对喷管的喷射效果带来影响，液滴破碎混合之后是否仍然具有较高速度被吹出等都是影响喷管喷射效果的关键因素。

2. 任务分解

（1）查阅和归纳整理有关高超声速流体方面的文献，查阅喷射角度和距离对喷射效果的影响及多相流的相关文献，了解和学习高超声速流生成原理及喷射角度和距离下喷射效果的研究现状；

（2）翻译两篇关于高超声速流体射流角度和距离和多相流相关外文文献；

（3）学习并掌握ICEM和FLUENT等有限元分析软件的使用，能够使用其进行建模、网格划分及CFD仿真计算；

（4）通过对不同喷射角度和距离下射流流场和其他参数的仿真得到多相流场数据，并对其进行分析得到相关结论；

（5）撰写论文。

二、已完成工作

1.毕业论文的国内外研究现状部分以及理论部分的撰写。（图片仅为部分片段）

2.英文文献的学习和翻译。

3.学习了毕业论文采用的软件，和同组同学对高超声速喷管内流场进行了仿真分析研究。

4.利用内流场的出口条件，对已设计的外流场进行了仿真计算，并且设计了将温度作为变量的对比分析，研究了在开启能量方程，考虑凝固和融化模型时的喷射效果，并对动态仿真结果进行了对比分析，得出在低温条件下，液滴的吹除效果较好并且不易破碎的结论。

三、下一步工作计划

1.研究不同喷射角度、喷射距离对喷管喷射效果的影响。

2.对以上所有的仿真结果进行后处理和结果分析，总结出以上所有参数对喷射效果的影响。

3.完成毕业设计论文的撰写。

问题一：在进行仿真计算时，发现有一小部分水滴流出加密网格之外，这是否会对仿真结果有影响？

回生答：加密网格之外的网格会让水滴速度和状态精度较低，但结果依然正确，对仿真结果的影响较小。

问题二：本次毕业设计仿真计算中你采用的什么多相流模型？

回生答：采用VOF多相流模型。

问题三：本次毕业设计你的最终目的是什么？

回生答：通过研究不同参数对喷管喷射效果的影响，得出在某一参数条件下，水滴的去除效果最好，即在相同的距离下被吹出的时间最短。

问题四：你的去除效果是如何定义的？

回生答：我对去除效果的定义是：在相同大小的外流场内，水滴被完全吹出的时间，时间越短证明吹出效果越好。

本次毕业设计中，在卢耀辉老师的指导和同组同学的帮助下，我的流体力学专业知识和专业技能得到了很大的提升，特别是对于仿真计算软件ANSYS/Fluent的使用。Fluent软件的学习和使用是我毕业设计中的重要一环，在理解原理的基础上如何设置方程模型，如何加入边界条件等都是我需要研究和学习的内容。在完成前处理后，仿真结果的后处理也是十分重要的，我学会了使用CFD-Post查看和分析速度、温度等参数的云图，并且学会了外流场动画的制作，这对我以后的学习工作有很大的帮助，也坚定了我以后的学习和研究方向。

在学习和研究中，我也遇到了许许多多的困难，在双精度条件下，对外流场的网格质量有着很高的要求，质量较低的网格会导致仿真计算的浮点数溢出，因此我对液滴流动的路径和外流场的入口部分进行了局部网格加密，有效提高了仿真计算的效率，即使如此，每一次完整的仿真计算也要耗费最少三天时间，而计算报错时却要完全推倒重来。除此之外，多相流模型的选用也是非常重要，在查阅了大量文献后，我发现VOF模型在预测、射流破碎、流体中大泡的运动、决堤后水流动和气液界面的稳态和瞬态处理有很准确的结果，因此我最终采用VOF模型。

在本次毕业设计中，特别感谢我的指导老师卢耀辉老师，感谢卢老师将九里实验室的超级计算机借给我们使用，并且对我仿真中出现的错误进行指导和修正，让我在仿真计算中少走了许多弯路，还给予我后续进行优化的方向，并且指导我们如何进行答辩并且对我的答辩PPT进行了批改。毕业设计走的每一步都离不开卢老师的指点，在这里对卢老师表示诚挚的感谢。