我與CFD不得不說(shuō)的故事

2016-10-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在某一行當(dāng)呆的時(shí)間久了,自然會(huì)有一些個(gè)人的感想。以前很少去認(rèn)真的思考和總結(jié)。論語(yǔ)說(shuō)過(guò)“學(xué)而不思則罔,思而不學(xué)則殆",在學(xué)習(xí)之余,進(jìn)行深入的思考與總結(jié)必不可少。從2007年接觸CFD以來(lái),進(jìn)入這個(gè)行業(yè)也差不多5年了。在很多人看來(lái),這時(shí)間很短,是的,CFD涉及的領(lǐng)域何其廣泛,五年的時(shí)間用來(lái)入門(mén)只怕都不夠。然而我并非計(jì)算流體力學(xué)專業(yè),對(duì)于現(xiàn)在所從事的機(jī)械專業(yè)來(lái)說(shuō),應(yīng)用CFD更偏重于解決工程問(wèn)題,因此,五年的時(shí)間,用于CFD在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用入門(mén),似乎也差不多。

在接觸CFD之前,我對(duì)于這三個(gè)英文字母所代表的含義一無(wú)所知,而且在本科階段,我也未曾學(xué)習(xí)過(guò)流體力學(xué)相關(guān)的課程。因此,那次導(dǎo)師讓我利用CFD進(jìn)行氣體擴(kuò)散仿真時(shí),我是稀里糊涂的答應(yīng)下來(lái)的。現(xiàn)在回想起來(lái),當(dāng)時(shí)答應(yīng)他主要存在以下一些原因:(1)剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,想給老師留下個(gè)好的印象。總不能第一個(gè)任務(wù)就說(shuō)不會(huì)吧。(2)當(dāng)時(shí)是什么也不會(huì),初生牛犢不怕虎,而且當(dāng)時(shí)比較年輕,有一股學(xué)習(xí)的勁頭。(3)我比較好面子。總之,就這樣上了CFD賊船。

由于項(xiàng)目時(shí)間緊,因此在理論知識(shí)一片空白的情況下,我開(kāi)始了CFD之旅。我的CFD之旅是從一款叫CFX的軟件開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)使用的版本是5.6版本,至今我還保留著這個(gè)古老的版本,因?yàn)?.7版本之后的CFX去除了模型建立模塊,而且5.7及以后的版本都烙上了ANSYS的印記,所以5.6版本的CFX可以說(shuō)是一個(gè)較為特殊且經(jīng)典的版本,值得收藏。

CFD視覺(jué)繪圖軟件

當(dāng)時(shí)什么也不懂,不過(guò)還好,實(shí)驗(yàn)室有師兄師姐在用,而且隔壁寢室有兄弟也在使用,所以可以說(shuō)我擁有一個(gè)比較好的入門(mén)環(huán)境。雖然有好的學(xué)習(xí)環(huán)境,雖然說(shuō)師兄師姐們很熱情,但總不能什么問(wèn)題都去問(wèn)他們吧,這樣多不好意思,大家都很忙的。這時(shí)候一個(gè)師兄給我制定了個(gè)學(xué)習(xí)計(jì)劃:首先進(jìn)行實(shí)例練習(xí),其次進(jìn)行軟件文檔及理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。這種方法直到現(xiàn)在我還在使用。CFX擁有完善的軟件文檔,尤其是文檔中所帶的實(shí)例,都是step by step的教程,特別適合新手入門(mén)。在沒(méi)日沒(méi)夜的奮戰(zhàn)了兩周之后,對(duì)CFX有了一個(gè)比較感性的認(rèn)識(shí),對(duì)其進(jìn)行流體仿真的一般步驟有了初步的了解。所以現(xiàn)在碰到有人問(wèn)我怎樣入門(mén)CFD軟件,我總是建議他從實(shí)例入手,當(dāng)然這并不適合每一個(gè)人,可能對(duì)于零基礎(chǔ)的人比較有效。

軟件界面及一般操作過(guò)程基本熟悉之后,其實(shí)要進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用還是存在很大的問(wèn)題。我當(dāng)時(shí)就是那樣,比如說(shuō),模擬一個(gè)流動(dòng)問(wèn)題,要考慮的問(wèn)題很多:層流還是湍流?要不要考慮粘性?要不要考慮介質(zhì)的壓縮性?溫度變化要不要考慮?如果介質(zhì)數(shù)量不止一個(gè),那應(yīng)該如何去考慮?要考慮時(shí)間嗎?等等這些問(wèn)題,對(duì)于只會(huì)操作軟件的人來(lái)說(shuō)回答起來(lái)很是困難,怎么辦呢?沒(méi)有什么好的辦法,只能自己去補(bǔ)充理論方面的欠缺了。這時(shí)候可以參考軟件的理論文檔以及專業(yè)的流體力學(xué)及計(jì)算流體力學(xué)書(shū)籍。流體力學(xué)可以幫助選擇合適的模型及參數(shù),計(jì)算流體力學(xué)可以幫助調(diào)整求解器參數(shù),以更高的精度及更快的收斂速度完成計(jì)算。然而不幸的是,這兩門(mén)課程學(xué)習(xí)起來(lái)都不輕松,需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。但是項(xiàng)目時(shí)間很緊,不允許花費(fèi)如此之多的時(shí)間用于理論的學(xué)習(xí)上。這時(shí)候周圍的學(xué)習(xí)環(huán)境的作用就體現(xiàn)出來(lái)了,為了應(yīng)付項(xiàng)目需要,我?guī)缀跏抢昧怂械目臻e時(shí)間惡補(bǔ)基礎(chǔ)知識(shí),同時(shí)在茶余飯后,幾乎是逮到時(shí)間就咨詢師兄師姐以及周圍對(duì)CFD有一定了解的前輩,這段時(shí)間大約維持了半年。流體仿真項(xiàng)目結(jié)束了,我也很累了,再加上后續(xù)項(xiàng)目是一個(gè)做固體結(jié)構(gòu)的,所以暫時(shí)CFD被放到了一邊。

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再接觸CFD是在08年。與CFD的接觸源于一次協(xié)助。別的項(xiàng)目組由于趕工期,所以臨時(shí)將我抽調(diào)過(guò)去,那個(gè)小組主要進(jìn)行的是利用FLUENT進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)模擬。就這樣我結(jié)識(shí)了fluent與gambit。那時(shí)候使用的是fluent6.3版本。雖然我不怎么喜歡那個(gè)界面,但是沒(méi)有辦法,我不是負(fù)責(zé)人沒(méi)有權(quán)利更改工具。令我最難受的是gambit,那黑乎乎的界面居然還要搭配一個(gè)在桌面上怎么也去不掉圖標(biāo)的exceed(后來(lái)我知道怎么去掉了,哈哈)。不過(guò)gambit的建模方式與CFX-BUILD很類似,基本上都是采用自底向上的建模方式(當(dāng)然他們都可以使用自頂向下,不過(guò)不常用),再加上機(jī)械行業(yè)背景,所以GAMBIT的入門(mén)幾乎沒(méi)使用多少時(shí)間,大概就兩三天吧,不過(guò)這僅限入門(mén)而已,gambit還有很多高級(jí)功能至今我都不會(huì)使用。

gambit網(wǎng)球格

gambit是一款比較容易上手的軟件,建模思路很清晰,由點(diǎn)建面,由面成體,然后劃分網(wǎng)格,指定邊界類型,輸出網(wǎng)格。但是很杯具的是,gambit似乎對(duì)內(nèi)存及網(wǎng)格數(shù)做了限制(后來(lái)才知道是真的做了限制,需要特別進(jìn)行設(shè)置才行),應(yīng)付大型模型經(jīng)常力不從心的死機(jī),有時(shí)候常常是網(wǎng)格劃分到一半就卡機(jī)死機(jī),讓你悲痛欲絕。所以我有點(diǎn)想拋棄它了。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì),看到一個(gè)師兄在用一款不是gambit的軟件劃分網(wǎng)格,問(wèn)過(guò)才知道那款軟件叫ICEM CFD。雖然師兄利用ICEM CFD劃分的是四面體網(wǎng)格,但是網(wǎng)格顏色挺漂亮,花花綠綠的,我第一次見(jiàn)到網(wǎng)格還能顯示得如此漂亮,在那一刻,我愛(ài)上了ICEM CFD,從此與之結(jié)下了不解之緣。

ansys ICEM CFD

ICEM CFD是一款界面比較友好的軟件(這是針對(duì)11.0以上版本說(shuō)的,之前的版本界面并不好),對(duì)于劃分非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格來(lái)說(shuō),操作也挺簡(jiǎn)單的,只需要設(shè)置少量的參數(shù)就可以輸出網(wǎng)格(當(dāng)然,這時(shí)當(dāng)時(shí)的想法,現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn),劃分高質(zhì)量四面體網(wǎng)格其實(shí)比六面體要難),而且也不容易死機(jī),很能夠應(yīng)付大規(guī)模的模型,所以當(dāng)時(shí)直接拋棄了gambit,改投ICEM CFD的懷抱。現(xiàn)在看來(lái),這做法是對(duì)的,因?yàn)間ambit更新到2.4版本后幾年了也不見(jiàn)更新,而ICEM CFD至今還在更新。一款軟件一旦停止更新即意味著生命周期的結(jié)束,所以gambit已經(jīng)死了,而ICEM CFD依舊活著。(官方觀點(diǎn):GAMBIT的網(wǎng)格劃分算法已經(jīng)集成到meshing中去了)

fluent飛機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)外流場(chǎng)分析

FLUENT是一款比較精干的軟件,個(gè)頭很小。FLUENT6.3的安裝文件只有一百多兆,主要是因?yàn)槠鋬H僅只是一款求解器,不具有前處理功能。也就是說(shuō)它不能自己生成模型,需要從外部導(dǎo)入已經(jīng)生成的模型進(jìn)行計(jì)算。幸好這時(shí)候的ICEM CFD與FLUENT均屬于ANSYS公司,所以兼容性挺好。從ICEM CFD生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT中很少出錯(cuò)。FLUENT6.3的界面并不美觀,但是菜單安排還算合理,不會(huì)讓使用者滿世界的亂找(一個(gè)這方面的反例是ANSYS軟件)。而且我喜歡FLUENT的計(jì)算過(guò)程中結(jié)果動(dòng)畫(huà)輸出功能,CFX沒(méi)有這個(gè)功能。該功能可以方便直觀的定性判斷計(jì)算結(jié)果是否合理。當(dāng)然這個(gè)時(shí)候我對(duì)于FLUENT的使用還處于表面階段。

真正的進(jìn)行CFD的學(xué)習(xí)是在09年的暑假,那一個(gè)暑假共看了四本書(shū):李人憲《有限體積法基礎(chǔ)》第2版、陶文銓《數(shù)值傳熱學(xué)》第2版、(美)費(fèi)斯泰赫《計(jì)算流體力學(xué)導(dǎo)論:有限體積法》第2版、張建文《流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬及應(yīng)用》,我不去評(píng)價(jià)這幾本書(shū)的質(zhì)量,但是對(duì)于我的幫助的確很大。第一本書(shū)的很多內(nèi)容是翻譯自第三本書(shū),第四本書(shū)其實(shí)是翻譯自patanka的《Heat Transfer and Fluid Flow Numerical Calculation》。從這些書(shū)中,明白了湍流模型是怎么回事兒,迎風(fēng)算法是怎么回事兒,SIMPLE算法又是怎么回事,瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)的差別在什么地方,很多以前模糊的概念一下子就清晰了。

后來(lái)CFD模擬做多了,軟件操作問(wèn)題不大,但是對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度產(chǎn)生了懷疑,對(duì)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證方式產(chǎn)生了濃厚的興趣,直到今天,還在此方面苦苦糾結(jié)。

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