[案例分析]基于SU2的DLR-F6翼身组合体流场计算

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1.模型介绍

[案例分析]基于SU2的DLR-F6翼身组合体流场计算的图1

DLR-F6翼身组合体是DLR开发的一款现代运输机典型巡航构型。该模型是第二届和第三届AIAA阻力预测研讨会所采用的标准算例之一。DLR-F6外形由机身、机翼和发动机短舱构成。该飞机的设计马赫数为0.75，升力系数0.50。针对带短舱和不带短舱的两种构型，研究人员分别开展了风洞试验，获得了包括升阻力特性曲线、表面压力分布和油流图谱等试验结果。本文以DLR-F6构型为测试算例，检验SU2对于复杂外形流场的模拟能力。

DLR-F6翼身组合体（带短舱）风洞试验模型尺寸为展长 1.1713 m 平均气动弦长0.1412 m 参考面积 0.1453 m2 展弦比 9.5。

2.网格生成

2.1 计算网格

本次计算所采用的网格是第二届AIAA阻力预测研讨会提供的的多块对接结构网格（ftp://cmb24.larc.nasa.gov/outgoing）。稀网格的单元数约为337万，密网格的单元数约为572万。

2.2 SU2网格生成

官方提供的网格为ICEM CFD源文件，需要将其转换为SU2求解器能够读取的网格存储格式。我们采用Pointwise V18.1 R1软件进行格式转换。具体步骤如下：

（1）打开ICEM CFD源文件，输出plot3d格式文件。

（2）打开Pointwise V18.1 R1软件，导入plot3d格式网格;

（3）删除机翼、机身内部固体域的网格块；

（4）运行Plot3dMerge.glf脚本，建立块之间的对接关系；

（5）将求解器设置为SU2，并设置边界条件；

（6）对网格进行旋转、缩放等操作。

（7）导出su2格式文件。

3.SU2求解器设置

3.1 流场求解cfg文件设置

下面以马赫数为0.75、攻角为0.49°、湍流模型为SA的计算工况为例，介绍DLR-F6算例的参数设置。

（1）问题定义

% ------------- DIRECT, ADJOINT, AND LINEARIZED PROBLEM DEFINITION ------------%
%
% Physical governing equations (EULER, NAVIER_STOKES,
%                               WAVE_EQUATION, HEAT_EQUATION, FEM_ELASTICITY,
%                               POISSON_EQUATION) 
PHYSICAL_PROBLEM= NAVIER_STOKES          %不考虑粘性选EULER，考虑粘性选NAVIER_STOKES
%
% Specify turbulence model (NONE, SA, SA_NEG, SST)
KIND_TURB_MODEL= SA    %一般选一方程模型SA或两方程模型SST
%
% Mathematical problem (DIRECT, CONTINUOUS_ADJOINT)
MATH_PROBLEM= DIRECT    %不做优化选DIRECT
%
% Restart solution (NO, YES)
RESTART_SOL= NO  %重启动计算选YES，同时需要在后面设置重启动文件% Restart flow input file   SOLUTION_FLOW_FILENAME
% Regime type (COMPRESSIBLE, INCOMPRESSIBLE)
REGIME_TYPE= COMPRESSIBLE     %马赫数为0.75，对应高速可压缩流场
%
% System of measurements (SI, US)
% International system of units (SI): ( meters, kilograms, Kelvins,
%                                       Newtons = kg m/s^2, Pascals = N/m^2, 
%                                       Density = kg/m^3, Speed = m/s,
%                                       Equiv. Area = m^2 )
% United States customary units (US): ( inches, slug, Rankines, lbf = slug ft/s^2, 
%                                       psf = lbf/ft^2, Density = slug/ft^3, 
%                                       Speed = ft/s, Equiv. Area = ft^2 )
SYSTEM_MEASUREMENTS= SI    %采用标准单位
（2）自由来流参数设置
% -------------------- COMPRESSIBLE FREE-STREAM DEFINITION --------------------%
%
% Mach number (non-dimensional, based on the free-stream values)
MACH_NUMBER= 0.75   %自由来流马赫数
%
% Angle of attack (degrees, only for compressible flows)
AOA= 0.49   %来流攻角,注意SU2定义X+为流向（机头指向机尾方向），Y+为侧向（翼展方向），Z+为法向（垂直于翼面的方向）。
 %
% Side-slip angle (degrees, only for compressible flows)
SIDESLIP_ANGLE= 0.0  %侧滑角，在本次算例中，SIDESLIP_ANGLE值实际为攻角
%
% Init option to choose between Reynolds (default) or thermodynamics quantities
% for initializing the solution (REYNOLDS, TD_CONDITIONS)
INIT_OPTION= REYNOLDS   % REYNOLDS，根据雷诺数计算自由来流参数；TD_CONDITIONS，根据温度和密度参数计算自由来流参数
%
% Free-stream option to choose between density and temperature (default) for
% initializing the solution (TEMPERATURE_FS, DENSITY_FS)
FREESTREAM_OPTION= TEMPERATURE_FS  %给定自由来流静温还是静密度
%
% Free-stream temperature (288.15 K by default)
FREESTREAM_TEMPERATURE= 300  %自由来流静温值
%
% Reynolds number (non-dimensional, based on the free-stream values)
REYNOLDS_NUMBER= 3.0E6  %参考长度为REYNOLDS_LENGTH（单位米）的自由来流雷诺数（无量纲）
%
% Reynolds length (1 m by default)
REYNOLDS_LENGTH= 0.1412   %平均气动弦长，单位：米

（3）气体常数（一般不作修改）

% ---- IDEAL GAS, POLYTROPIC, VAN DER WAALS AND PENG ROBINSON CONSTANTS -------%
%
% Different gas model (STANDARD_AIR, IDEAL_GAS, VW_GAS, PR_GAS)
FLUID_MODEL= STANDARD_AIR
%
% Ratio of specific heats (1.4 default and the value is hardcoded
%                          for the model STANDARD_AIR)
GAMMA_VALUE= 1.4
%
% Specific gas constant (287.058 J/kg*K default and this value is hardcoded 
%                        for the model STANDARD_AIR)
GAS_CONSTANT= 287.058

（4）粘性常数（一般不作修改）

% --------------------------- VISCOSITY MODEL ---------------------------------%
%
% Viscosity model (SUTHERLAND, CONSTANT_VISCOSITY).
VISCOSITY_MODEL= SUTHERLAND
%
% Sutherland Viscosity Ref (1.716E-5 default value for AIR SI)
MU_REF= 1.716E-5
%
% Sutherland Temperature Ref (273.15 K default value for AIR SI)
MU_T_REF= 273.15
%
% Sutherland constant (110.4 default value for AIR SI)
SUTHERLAND_CONSTANT= 110.4

（5）热传导常数（一般不作修改）

% --------------------------- THERMAL CONDUCTIVITY MODEL ----------------------%
%
% Conductivity model (CONSTANT_CONDUCTIVITY, CONSTANT_PRANDTL).
CONDUCTIVITY_MODEL= CONSTANT_PRANDTL
%
% Laminar Prandtl number (0.72 (air), only for CONSTANT_PRANDTL)
PRANDTL_LAM= 0.72
%
% Turbulent Prandtl number (0.9 (air), only for CONSTANT_PRANDTL)
PRANDTL_TURB= 0.90

（6）参考值设置

% ---------------------- REFERENCE VALUE DEFINITION ---------------------------%
%
% Reference origin for moment computation 力矩参考点
REF_ORIGIN_MOMENT_X = 0.00
REF_ORIGIN_MOMENT_Y = 0.00
REF_ORIGIN_MOMENT_Z = 0.00
%
% Reference length for pitching, rolling, and yawing non-dimensional moment用于力矩系数计算的参考长度
REF_LENGTH= 1.0
%
% Reference area for force coefficients (0 implies automatic calculation) 用于升阻力系数计算的参考面积
REF_AREA= 0.0727   %采用半模计算，REF_AREA为全模飞机的一半参考面积

% Compressible flow non-dimensionalization (DIMENSIONAL, FREESTREAM_PRESS_EQ_ONE,
%                              FREESTREAM_VEL_EQ_MACH, FREESTREAM_VEL_EQ_ONE)
%流场计算结果的无量纲方式
REF_DIMENSIONALIZATION= FREESTREAM_VEL_EQ_ONE

（7）边界条件设置

% -------------------- BOUNDARY CONDITION DEFINITION --------------------------%
%
% Navier-Stokes wall boundary marker(s) (NONE = no marker)
%物面边界
MARKER_HEATFLUX= (body, 0.0, wing, 0.0 )
%远场边界
% Far-field boundary marker(s) (NONE = no marker)
MARKER_FAR= ( inlet, outlet, up, down, right )
%对称边界
% Symmetry boundary marker(s) (NONE = no marker)
MARKER_SYM= ( left )
%
% Marker(s) of the surface to be plotted or designed
%标记用于后处理或设计的边界
MARKER_PLOTTING= (body,  wing )
%
% Marker(s) of the surface where the functional (Cd, Cl, etc.) will be evaluated
%标记用于升阻力系数监测的边界

MARKER_MONITORING= (body, wing )

（8）数值求解通用参数

% ------------- COMMON PARAMETERS DEFINING THE NUMERICAL METHOD ---------------%
%
% Numerical method for spatial gradients (GREEN_GAUSS, WEIGHTED_LEAST_SQUARES)
%梯度计算方法
NUM_METHOD_GRAD= GREEN_GAUSS
%
% Courant-Friedrichs-Lewy condition of the finest grid
%最密层网格上的CFL数
CFL_NUMBER= 1.0
%
% Adaptive CFL number (NO, YES)
%是否采用自适应CFL
CFL_ADAPT= YES
%
% Parameters of the adaptive CFL number (factor down, factor up, CFL min value,
%                                        CFL max value )
CFL_ADAPT_PARAM= ( 1.5, 0.5, 1.0, 100.0 )
%
% Number of total iterations
%最大迭代步数
EXT_ITER= 50000

（9）限制器设置

% ----------------------- SLOPE LIMITER DEFINITION ----------------------------%
%
% Coefficient for the limiter
VENKAT_LIMITER_COEFF= 0.05
%
% Coefficient for the sharp edges limiter
ADJ_SHARP_LIMITER_COEFF= 3.0
%
% Reference coefficient (sensitivity) for detecting sharp edges.
REF_SHARP_EDGES= 3.0
%
% Remove sharp edges from the sensitivity evaluation (NO, YES)
SENS_REMOVE_SHARP= NO

（10）迭代参数

% ------------------------ LINEAR SOLVER DEFINITION ---------------------------%
%
% Linear solver for implicit formulations (BCGSTAB, FGMRES)
LINEAR_SOLVER= FGMRES
%
% Preconditioner of the Krylov linear solver (JACOBI, LINELET, LU_SGS)
LINEAR_SOLVER_PREC= ILU
%
% Linaer solver ILU preconditioner fill-in level (0 by default)
LINEAR_SOLVER_ILU_FILL_IN= 0
%
% Minimum error of the linear solver for implicit formulations
LINEAR_SOLVER_ERROR= 1E-10
%
% Max number of iterations of the linear solver for the implicit formulation
LINEAR_SOLVER_ITER= 5

（11）多重网格参数

% -------------------------- MULTIGRID PARAMETERS -----------------------------%
%
% Multi-Grid Levels (0 = no multi-grid)
%采用几重网格
MGLEVEL= 0
%
% Multi-grid cycle (V_CYCLE, W_CYCLE, FULLMG_CYCLE)
MGCYCLE= V_CYCLE
%
% Multi-grid pre-smoothing level
MG_PRE_SMOOTH= ( 1, 2, 3, 3 )
%
% Multi-grid post-smoothing level
MG_POST_SMOOTH= ( 0, 0, 0, 0 )
%
% Jacobi implicit smoothing of the correction
MG_CORRECTION_SMOOTH= ( 0, 0, 0, 0 )
%
% Damping factor for the residual restriction
MG_DAMP_RESTRICTION= 0.75
%
% Damping factor for the correction prolongation
MG_DAMP_PROLONGATION= 0.75

（12）流场计算数值格式

% -------------------- FLOW NUMERICAL METHOD DEFINITION -----------------------%
%
% Convective numerical method (JST, LAX-FRIEDRICH, CUSP, ROE, AUSM, HLLC,
%                              TURKEL_PREC, MSW)
%对流项格式
CONV_NUM_METHOD_FLOW= ROE
%
% Spatial numerical order integration (1ST_ORDER, 2ND_ORDER, 2ND_ORDER_LIMITER)
%重构格式
MUSCL_FLOW= YES
%
% Slope limiter (NONE, VENKATAKRISHNAN, VENKATAKRISHNAN_WANG,
%                BARTH_JESPERSEN, VAN_ALBADA_EDGE)
%限制器
SLOPE_LIMITER_FLOW= VENKATAKRISHNAN
% Time discretization (RUNGE-KUTTA_EXPLICIT, EULER_IMPLICIT, EULER_EXPLICIT)
%时间推进格式
TIME_DISCRE_FLOW= EULER_IMPLICIT
%
% Relaxation coefficient
RELAXATION_FACTOR_FLOW= 0.9

（13）湍流计算数值格式

% -------------------- TURBULENT NUMERICAL METHOD DEFINITION ------------------%
%
% Convective numerical method (SCALAR_UPWIND)
%湍流对流项格式
CONV_NUM_METHOD_TURB= SCALAR_UPWIND
%
% Monotonic Upwind Scheme for Conservation Laws (TVD) in the turbulence equations.
%           Required for 2nd order upwind schemes (NO, YES)
%湍流重构格式
MUSCL_TURB= NO
%
% Slope limiter (VENKATAKRISHNAN, MINMOD)
%限制器
SLOPE_LIMITER_TURB= VENKATAKRISHNAN
%
% Time discretization (EULER_IMPLICIT)
%湍流项推进格式
TIME_DISCRE_TURB= EULER_IMPLICIT
%
% Relaxation coefficient
RELAXATION_FACTOR_TURB= 0.9

（14）收敛准则

% --------------------------- CONVERGENCE PARAMETERS --------------------------%
%
% Convergence criteria (CAUCHY, RESIDUAL)
CONV_CRITERIA= RESIDUAL
%
% Residual reduction (order of magnitude with respect to the initial value)
RESIDUAL_REDUCTION= 6
%
% Min value of the residual (log10 of the residual)
RESIDUAL_MINVAL= -12
%
% Start convergence criteria at iteration number
STARTCONV_ITER= 10
%
% Number of elements to apply the criteria
CAUCHY_ELEMS= 100
%
% Epsilon to control the series convergence
CAUCHY_EPS= 1E-10
%
% Direct function to apply the convergence criteria (LIFT, DRAG, NEARFIELD_PRESS)
CAUCHY_FUNC_FLOW= DRAG
%
% Adjoint function to apply the convergence criteria (SENS_GEOMETRY, SENS_MACH)
CAUCHY_FUNC_ADJFLOW= SENS_GEOMETRY

（15）输入输出设置

% ------------------------- INPUT/OUTPUT INFORMATION --------------------------%
%
% Mesh input file
%网格输入文件
MESH_FILENAME= wb_coarse.su2
%
% Mesh input file format (SU2, CGNS, NETCDF_ASCII)
%网格格式
MESH_FORMAT= SU2
%
% Mesh output file
%网格输出文件
MESH_OUT_FILENAME= mesh_out.su2
%
% Restart flow input file
%重启动输入文件
SOLUTION_FLOW_FILENAME= restart_flow.dat
%
% Restart adjoint input file
%重启动伴随输入文件
SOLUTION_ADJ_FILENAME= solution_adj.dat
%
% Output file format (PARAVIEW, TECPLOT, STL)
%输出文件格式
OUTPUT_FORMAT= TECPLOT_BINARY
%
% Output file convergence history (w/o extension) 
%输出的残差历史文件
CONV_FILENAME= history
%
% Output file restart flow
%输出的重启动文件
RESTART_FLOW_FILENAME= restart_flow.dat
%
% Output file restart adjoint
%输出的重启动伴随文件
RESTART_ADJ_FILENAME= restart_adj.dat
%
% Output file flow (w/o extension) variables
%流场体数据输出文件名
VOLUME_FLOW_FILENAME= flow
%
% Output file adjoint (w/o extension) variables
VOLUME_ADJ_FILENAME= adjoint
%
% Output objective function gradient (using continuous adjoint)
GRAD_OBJFUNC_FILENAME= of_grad.dat
%
% Output file surface flow coefficient (w/o extension)
%边界数据输出文件
SURFACE_FLOW_FILENAME= surface_flow
%
% Output file surface adjoint coefficient (w/o extension)
SURFACE_ADJ_FILENAME= surface_adjoint
%文件输出频率
% Writing solution file frequency
WRT_SOL_FREQ= 500
%残差信息输出频率
% Writing convergence history frequency
WRT_CON_FREQ= 1
%

3.2 并行运算脚本sh文件设置

在算例cfg文件所在目录，创建如下内容的sh文件，采用sbatch命令提交即可。

#!/bin/bash
#SBATCH -N 7                               #并行节点数
#SBATCH -n 168                            #并行cpu数，=24*节点数
#SBATCH --job-name=DLR-F6     #job的名称
#SBATCH --ntasks-per-node=24    #每个节点用到的cpu数，无需修改
#SBATCH --output=%j.out             #算例运行过程中在屏幕上显示的信息
#SBATCH --error=%j.err                #报错信息
mpirun  SU2_CFD coarseAoA0.490.cfg         #流场求解
mpirun  SU2_SOL coarseAoA0.490.cfg         #输出tecplot结果文件