CFD軟件應(yīng)用的一點(diǎn)忠告

2017-03-30 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在前文《不要被CFD軟件玩弄了》中,建議各位親們不要將時(shí)間大量的集中在軟件的使用方法學(xué)習(xí)上,而應(yīng)該將更多的精力放到現(xiàn)象背后的數(shù)學(xué)物理原理理解上。換句話說(shuō),對(duì)于利用CFD軟件的人來(lái)講,學(xué)好流體力學(xué)要比學(xué)好計(jì)算流體力學(xué)更加重要。

注意前提:分清自己是CFD軟件使用者還是CFD軟件開(kāi)發(fā)者。本文的作用對(duì)象是CFD軟件使用者。

三個(gè)階段

可以將CFD軟件的使用分成三個(gè)階段:

第一階段:不熟悉軟件的工作流程,不熟悉軟件的基本操作。對(duì)于這一階段,迫切需要進(jìn)行大量案例練習(xí),尤其需要大量的標(biāo)準(zhǔn)操作案例的練習(xí),養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣。這里的標(biāo)準(zhǔn)案例,指的是包括問(wèn)題分析、幾何建模、網(wǎng)格生成、模型設(shè)置、計(jì)算后處理以及計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證等CFD仿真全過(guò)程的案例,這類案例實(shí)際上并不好找。
第二階段:已熟悉軟件的操作流程及基本操作,但遇到新的問(wèn)題仍然不知如何下手。這類人群其實(shí)最需要的是補(bǔ)充流體力學(xué)理論以及所仿真問(wèn)題背景物理理論。比如說(shuō)仿真熱流問(wèn)題,則需要補(bǔ)充熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論;仿真多相流問(wèn)題,則需要補(bǔ)充多相流理論等等。在此階段中,需要對(duì)計(jì)算過(guò)程中,軟件操作的每一個(gè)設(shè)置選項(xiàng),每一個(gè)操作按鈕背后所涉及的物理原理有深刻的認(rèn)識(shí),能夠知曉每一步操作及每一個(gè)設(shè)置的參數(shù)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響。
第三階段:達(dá)到第二階段的人其實(shí)已經(jīng)可以利用軟件解決絕大多數(shù)的工程問(wèn)題了,然而若還需要提高,則可以嘗試著了解軟件背后的運(yùn)作機(jī)理,比如說(shuō)學(xué)一點(diǎn)計(jì)算流體力學(xué)理論,自己動(dòng)手寫(xiě)寫(xiě)程序。當(dāng)此階段達(dá)到圓滿時(shí),可謂大師也。

我們絕大多數(shù)人都處于第一階段。

跨不過(guò)第二階段,無(wú)法稱之為CFD仿真高手。

第一階段是招式練習(xí),犀利的招式當(dāng)然也可以解決不少的問(wèn)題,然而遇到復(fù)雜的工程問(wèn)題,深厚的理論內(nèi)功是非常必要的,徒有犀利的招式并不能解決問(wèn)題。

流體理論在CFD中的體現(xiàn)

理論這東西很低調(diào),往往隱藏在應(yīng)用的背后,非明眼認(rèn)識(shí)無(wú)法識(shí)別。就好比你看到蘋(píng)果從樹(shù)上掉到地面,卻不會(huì)感知到牛頓第二定律一樣。

在利用CFD的過(guò)程中,流體理論同樣貫穿整個(gè)仿真流程的始終。

在仿真的規(guī)劃階段,流體理論指導(dǎo)我們對(duì)復(fù)雜的物理問(wèn)題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,在抽絲剝繭中保留物理問(wèn)題的本質(zhì)不被忽略。
在仿真建模階段,流體理論指導(dǎo)我們忽略不必要的幾何和物理特征,以盡量的簡(jiǎn)化計(jì)算開(kāi)銷
在后處理階段,流體理論指導(dǎo)我們分析計(jì)算結(jié)果,獲取有效的分析結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)階段,流體理論指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段,流體理論指導(dǎo)我們?nèi)绾稳ジ倪M(jìn)結(jié)構(gòu),提高性能

這些方方面面,都需要我們牢固的掌握流體方面的相關(guān)理論。

真正要想用好CFD,擁有深厚的流體理論基礎(chǔ)很重要。

注意:這里所提的流體理論并不單單只的是流體力學(xué),其指的是在流體仿真過(guò)程中物理現(xiàn)象所涉及到的力學(xué)理論。

計(jì)算流體力學(xué)

計(jì)算流體力學(xué)描述的是CFD軟件的運(yùn)作機(jī)理,如果你從事CFD軟件開(kāi)發(fā),那么精通計(jì)算流體力學(xué)是非常有必要的。

但是對(duì)于使用CFD軟件的人群來(lái)講,計(jì)算流體力學(xué)能起到多大的作用呢?

想象你新買(mǎi)了一輛汽車,你打算從甲地開(kāi)車去乙地。這個(gè)車就相當(dāng)于CFD軟件,路線的選擇所依賴的經(jīng)驗(yàn)則相當(dāng)于流體理論,而汽車工作原理則相當(dāng)于計(jì)算流體力學(xué)。你覺(jué)得你開(kāi)車從甲地去往乙地,汽車工作原理能夠給予你多大的幫助?在我看來(lái),最大的幫助可能是在半途汽車拋錨的時(shí)候,有助于你修理汽車;或者在開(kāi)車過(guò)程中駕駛更加順暢和省油,僅此而已。

計(jì)算流體力學(xué)理論對(duì)于使用CFD軟件的人來(lái)講也是如此,其作用更多的體現(xiàn)在軟件計(jì)算效率控制以及計(jì)算收斂控制上,對(duì)于其他的諸如計(jì)算問(wèn)題簡(jiǎn)化、計(jì)算結(jié)果利用上,沒(méi)有太大的幫助。

那計(jì)算流體力學(xué)要不要學(xué)呢?其實(shí)計(jì)算流體力學(xué)實(shí)際上是為CFD開(kāi)發(fā)人群準(zhǔn)備的。這是個(gè)錦上添花的東西,如果你時(shí)間充足,學(xué)一點(diǎn)計(jì)算流體力學(xué)還是有點(diǎn)好處的,這些理論可以幫助你提高計(jì)算效率和計(jì)算精度,同時(shí)還有助于在軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)排除故障。

關(guān)于案例

總有網(wǎng)友問(wèn)我“CFD軟件到底如何入門(mén)”,我通常都會(huì)回答“多做案例”。在小白階段多做案例是快速進(jìn)入第二階段的不二法門(mén)。不過(guò)最近我發(fā)現(xiàn)我的答案里頭少了兩個(gè)字,如果想要快速掌握CFD軟件的操作,不是“多做案例”,而是“多做標(biāo)準(zhǔn)案例”。

何為“標(biāo)準(zhǔn)案例”?

CFD軟件解決工程問(wèn)題大體可分為以下幾個(gè)步驟:

問(wèn)題分析及簡(jiǎn)化。此為CFD分析的開(kāi)始階段。真實(shí)世界中的物理問(wèn)題都過(guò)于復(fù)雜,在利用CFD求解之前,往往需要利用一些流體理論對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。這一步的最大目的是降低計(jì)算開(kāi)銷。但是這一步通常也是最難的,對(duì)于人員素質(zhì)的要求非常高,因?yàn)槿绻碚摴Φ撞簧詈?在簡(jiǎn)化的過(guò)程中,很可能會(huì)丟失重要的物理細(xì)節(jié)。其實(shí)這一步也是高手和低手的分水嶺。低手往往對(duì)于物理問(wèn)題不加任何的簡(jiǎn)化,結(jié)果造成的后果是計(jì)算量巨大而且計(jì)算精度還不高。
計(jì)算模型構(gòu)建。包括物理模型和計(jì)算幾何模型。在第一步操作完成之后,實(shí)際上計(jì)算模型已經(jīng)能夠確定下來(lái)了。計(jì)算要考慮哪些物理模型(層流還是湍流,要不要考慮傳熱,多相還是單相,考不考慮壓縮性等等等等),幾何模型如何考慮(3D還是2D,能否利用對(duì)稱性和周期性等),邊界條件如何考慮(邊界位置在哪里,采用何種邊界類型,邊界上的物理量如何確定等),有時(shí)候還要根據(jù)后處理需要來(lái)調(diào)整模型。
計(jì)算網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格過(guò)程中,常常需要借助第一步的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格分布控制。
計(jì)算參數(shù)的設(shè)置。在設(shè)置計(jì)算參數(shù)的過(guò)程中,有時(shí)需要借助計(jì)算流體力學(xué)理論以提高計(jì)算效率及精度。如選擇合適的離散格式,選擇合適的收斂控制方法等。
計(jì)算。軟件自動(dòng)進(jìn)行,并沒(méi)有什么可以控制的手段。
計(jì)算后處理。這包括各種數(shù)據(jù)的提取以及數(shù)據(jù)的解讀。這一步做得好與壞通常與流體理論掌握的好與壞密切相關(guān),也直接影響到后續(xù)的CFD應(yīng)用。
計(jì)算驗(yàn)證。這里的驗(yàn)證既包含了計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證,也包含計(jì)算模型參數(shù)的校核。這是保證后續(xù)步驟的前提,沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果是無(wú)效的。
數(shù)據(jù)的應(yīng)用。后處理得到的各種數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的解讀要能夠反饋到工程實(shí)際中,這一步除了要求使用者有良好的流體理論背景之外,還要求有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),這一步也是CFD使用最為關(guān)鍵,最為重要的一部。