CFD可信度問題概述二：可信度問題由來(lái)

2017-02-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

提到數(shù)值模擬就會(huì)讓人想到虛擬世界,腦海中也會(huì)浮現(xiàn)出電影《黑客帝國(guó)》中的場(chǎng)景。虛擬世界是人在計(jì)算機(jī)幫助下建立的世界,因此建立虛擬世界的人就是這個(gè)小世界的神。從這一點(diǎn)出發(fā)逆向去思維,也有人說(shuō)我們現(xiàn)實(shí)的世界也很有可能是由更高級(jí)生物建立的虛擬世界。這當(dāng)然是有可能的,但區(qū)別就是我們建立的小世界中有一種叫做誤差的幽靈,時(shí)不時(shí)會(huì)溜出來(lái)?yè)v亂?，F(xiàn)實(shí)的宇宙則從來(lái)沒有這種穿幫的現(xiàn)象,所以我還是傾向于認(rèn)為現(xiàn)實(shí)的宇宙是實(shí)在的,我相信這也是絕大多數(shù)人的看法。正因?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)中的流場(chǎng)是虛擬的流場(chǎng),所以很多人都對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果保持一種懷疑的態(tài)度,特別是在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比時(shí),很多人都直覺地更傾向于相信實(shí)驗(yàn)結(jié)果。換句話說(shuō),大家都直覺地認(rèn)為虛擬的東西是假的、不可信的,現(xiàn)實(shí)的東西是真的、是可信的。正因?yàn)槿绱?所以流體力學(xué)界有一個(gè)說(shuō)法,叫“計(jì)算結(jié)果是自己相信別人不信,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是別人相信自己不信”。

既然虛擬的東西這么讓人不放心,那為什么還要花大力氣去發(fā)展和研究呢?原因就在于數(shù)值模擬有諸多優(yōu)點(diǎn)。在這些優(yōu)點(diǎn)中最常被提起的就是“成本低、周期短”,在工程應(yīng)用上這顯然是非常重要的優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)模型的時(shí)間顯然比實(shí)際制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?數(shù)值模擬的周期顯然也比在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)要短。成本上就更是這樣,與風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)輒上百萬(wàn)的花費(fèi)相比,數(shù)值模擬的成本顯然要低廉的多。同時(shí)由于研制周期縮短導(dǎo)致的成本間接下降也非常可觀,因此數(shù)值模擬技術(shù)(包括CFD)自誕生之日起就獲得了蓬勃發(fā)展。除了上述兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)外,CFD還能模擬一些用地面實(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)法模擬的流場(chǎng),比如CFD可以模擬馬赫數(shù)為20的流場(chǎng),而這樣的流場(chǎng)由于能量水平的限制實(shí)際上無(wú)法在地面進(jìn)行模擬。同時(shí)需要注意的是實(shí)驗(yàn)中如果要完全重現(xiàn)真實(shí)流場(chǎng)往往需要滿足諸多相似準(zhǔn)則,但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)常常只能滿足1-2個(gè)相似準(zhǔn)則,而很難完全滿足所有的相似準(zhǔn)則,同時(shí)實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器也有誤差,并且存在支架干擾、洞壁干擾等干擾因素,保證其數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,所以數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)之間相互依存、相互印證就成為流體力學(xué)研究中一種常用方法。

除上述眾所周知的優(yōu)點(diǎn)外,數(shù)值模擬還有另外一些優(yōu)點(diǎn)不常被提及。比如數(shù)值模擬可以給出更豐富的流場(chǎng)細(xì)節(jié),模擬參數(shù)更易于修改、調(diào)整,錯(cuò)誤的結(jié)果一般不至于導(dǎo)致嚴(yán)重的后果等等。事實(shí)上CFD軟件和程序可以被當(dāng)作便攜式風(fēng)洞來(lái)使用,隨時(shí)可以對(duì)自己感興趣的問題做個(gè)計(jì)算,看看跟自己的直覺是否吻合。

雖然數(shù)值模擬技術(shù)有上述諸多優(yōu)點(diǎn),但仍然存在諸多誤差來(lái)源,這也是大家不敢輕易相信CFD的結(jié)果的原因。在真實(shí)流場(chǎng)與CFD結(jié)果之間存在數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模型這樣兩個(gè)抽象層,而每次抽象都是一次理想化過(guò)程,在數(shù)值模型中更是在離散過(guò)程中引入數(shù)值耗散和色散項(xiàng),并且存在由于計(jì)算機(jī)數(shù)位限制導(dǎo)致的舍入誤差。同時(shí)流體運(yùn)動(dòng)是典型的非線性系統(tǒng),一些高階小量在奇點(diǎn)附近可能并不是可忽略不計(jì)的,由此也會(huì)帶來(lái)誤差。在這種情況下,如何提高CFD計(jì)算結(jié)果的可信度顯然成為CFD能否在工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)先決條件。如果能有一套流程可以增加CFD結(jié)果的可信度,則顯然會(huì)增強(qiáng)人們對(duì)CFD結(jié)果的信心,否則,還是會(huì)讓人在使用CFD時(shí)存在諸多疑惑。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才