搜索周華老師談CFD技術(shù)的可信度問題
2017-02-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
文章引用地址:http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=59043&extra=page%3D1
CFD技術(shù)是數(shù)值仿真技術(shù)中的重要分支,是計算機技術(shù)與流體力學(xué)理論相結(jié)合形成的一個技術(shù)領(lǐng)域。CFD技術(shù)最早的實踐活動可以追溯到Richardson早期利用數(shù)值方法進行的氣象預(yù)報活動,其后雖然陸續(xù)有人開展過一些研究活動,但CFD技術(shù)獲得大的發(fā)展是從1960年代計算機技術(shù)大發(fā)展之后才實現(xiàn)的。
CFD技術(shù)的最大優(yōu)點是在將其運用到工程研發(fā)中時,可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個虛假的結(jié)果。因此,關(guān)于CFD模擬技術(shù)是否可信的爭論實際上是一直存在的。解決這個爭論的辦法一方面可以來自數(shù)學(xué)上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準確性。由于流體力學(xué)控制方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜,從數(shù)學(xué)上證明解的正確性和準確性在大多數(shù)情況下是無法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準確性實際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學(xué)研究過程實際上也不新鮮,我們雖然沒有這樣明確提過,但在實際工作中或仿照國外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過。比如將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無關(guān)性驗證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應(yīng)用。CFD軟件開發(fā)過程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對不能成功的。
在實際工作過程中也經(jīng)常遇到使用單位對模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點往往就是上面所說的虛假解的問題,還有就是數(shù)值精度問題。回答這種問題的答案也只能是用工程管理辦法,通過流程設(shè)計和控制,在體系上給予保證。美國和歐洲國家就是這么做的,我們當然也可以這么做。客觀地說,國內(nèi)CFD技術(shù)與歐美國家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動中,特別是一些大型研發(fā)項目中,這種現(xiàn)象會表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開放式專題研究活動”主要目的是考查各種算法在飛機氣動設(shè)計上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無網(wǎng)格等)對數(shù)值模擬的影響,以及國內(nèi)CFD仿真的實際水平。之所以采用開放的研究方式,在網(wǎng)上公開召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對這個領(lǐng)域的實際力量給予正確評估。比如有些網(wǎng)友平時可能不在航空領(lǐng)域工作,但是CFD研究水平和應(yīng)用水平很高,完全有能力參與航空領(lǐng)域的仿真工作,這次活動就給這些網(wǎng)友提供一個展示機會。我們平時在網(wǎng)上也會遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機會證明自己的能力。另外剛剛進入飛機流場數(shù)值分析領(lǐng)域的網(wǎng)友,也可以通過這次實戰(zhàn)活動得到真實的鍛煉,獲得大量資料,得到實質(zhì)提高。
這次活動醞釀時間很長,將來類似的活動還會不斷推出,活動的最后會以workshop的形式進行現(xiàn)場交流。這次活動在形式上是個創(chuàng)新,對國內(nèi)氣動計算水平的提高也必然有很大的促進作用,令領(lǐng)域內(nèi)的各方都能清醒認識到國內(nèi)CFD技術(shù)的實際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動,也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動中來。
CFD技術(shù)的最大優(yōu)點是在將其運用到工程研發(fā)中時,可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個虛假的結(jié)果。因此,關(guān)于CFD模擬技術(shù)是否可信的爭論實際上是一直存在的。解決這個爭論的辦法一方面可以來自數(shù)學(xué)上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準確性。由于流體力學(xué)控制方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜,從數(shù)學(xué)上證明解的正確性和準確性在大多數(shù)情況下是無法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準確性實際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學(xué)研究過程實際上也不新鮮,我們雖然沒有這樣明確提過,但在實際工作中或仿照國外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過。比如將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無關(guān)性驗證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應(yīng)用。CFD軟件開發(fā)過程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對不能成功的。
在實際工作過程中也經(jīng)常遇到使用單位對模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點往往就是上面所說的虛假解的問題,還有就是數(shù)值精度問題。回答這種問題的答案也只能是用工程管理辦法,通過流程設(shè)計和控制,在體系上給予保證。美國和歐洲國家就是這么做的,我們當然也可以這么做。客觀地說,國內(nèi)CFD技術(shù)與歐美國家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動中,特別是一些大型研發(fā)項目中,這種現(xiàn)象會表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開放式專題研究活動”主要目的是考查各種算法在飛機氣動設(shè)計上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無網(wǎng)格等)對數(shù)值模擬的影響,以及國內(nèi)CFD仿真的實際水平。之所以采用開放的研究方式,在網(wǎng)上公開召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對這個領(lǐng)域的實際力量給予正確評估。比如有些網(wǎng)友平時可能不在航空領(lǐng)域工作,但是CFD研究水平和應(yīng)用水平很高,完全有能力參與航空領(lǐng)域的仿真工作,這次活動就給這些網(wǎng)友提供一個展示機會。我們平時在網(wǎng)上也會遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機會證明自己的能力。另外剛剛進入飛機流場數(shù)值分析領(lǐng)域的網(wǎng)友,也可以通過這次實戰(zhàn)活動得到真實的鍛煉,獲得大量資料,得到實質(zhì)提高。
這次活動醞釀時間很長,將來類似的活動還會不斷推出,活動的最后會以workshop的形式進行現(xiàn)場交流。這次活動在形式上是個創(chuàng)新,對國內(nèi)氣動計算水平的提高也必然有很大的促進作用,令領(lǐng)域內(nèi)的各方都能清醒認識到國內(nèi)CFD技術(shù)的實際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動,也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動中來。
發(fā)現(xiàn)很多人對可信度問題還不是很了解,我再多羅嗦幾句算作拋磚引玉。CFD的可信度問題可以說是CFD與生俱來的問題,因為CFD工作是在計算機中完成的,建立的是虛擬流場,所以就有一個計算結(jié)果是否可信的問題。從工程角度看,CFD的結(jié)果如果可信,就可以直接應(yīng)用到工程實際中,這樣將導(dǎo)致研發(fā)成本的大大下降,研制周期的大幅縮短等好處,但是由于CFD本身與流體力學(xué)的復(fù)雜現(xiàn)象、數(shù)理模型的準確度、數(shù)值模型的準確度、網(wǎng)格的影響等因素都有關(guān)系,因此建立可信度并不是一個簡單的事。1998年AIAA曾經(jīng)推出過一個CFD校核與驗證方面的指南,他們的最終目標是建立指南、實踐和標準三樣?xùn)|西,但是到現(xiàn)在為止,我還沒發(fā)現(xiàn)他們拿出實踐(practice)和標準(standard)這兩樣?xùn)|西,說明這方面的流程和標準還是很難統(tǒng)一的。歐美國家的工業(yè)化程度高,工程觀念很普及,因此他們很早就開展可信度方面的工作,在這方面的積累也比我們多得多,對研發(fā)工作的推動作用就更明顯,可以說大大推動了飛機的研制工作。比如統(tǒng)計數(shù)字表明,在以風(fēng)洞為主要氣動工具的時候,研制一架飛機大約要制作幾十個風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?現(xiàn)在則僅需幾個模型,再考慮到飛機周期的縮短、風(fēng)洞試驗小時的縮短帶來的種種效益,CFD工作可以毫不夸張地說已經(jīng)成為氣動設(shè)計的主要工具。但是即便如此,CFD在歐美國家也沒有完全取代風(fēng)洞試驗,比如在飛機結(jié)冰計算領(lǐng)域,CFD仿真結(jié)果仍然不能作為適航驗證工具參與驗證工作。
CFD的可信度問題本質(zhì)上是一個質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗證(validation)工作。這兩項工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設(shè)計大綱,驗證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說,CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設(shè)計大綱正確地寫入了數(shù)學(xué)模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設(shè)計工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問題顯然是一個工程性很強的問題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過去一直仁者見仁智者見智,但是顯然都沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過內(nèi)部測試過程,是一個在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個具體問題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時目前國內(nèi)市場上的商用軟件都是國外產(chǎn)品,難免由于國外對中國的市場禁運等因素影響,在功能和精度上會差于國外同類軟件。因此對于國內(nèi)設(shè)計單位來說,其實所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過這樣的考驗后,設(shè)計單位對CFD的實際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個地方,用到哪種程度了。
CFD的可信度問題本質(zhì)上是一個質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗證(validation)工作。這兩項工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設(shè)計大綱,驗證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說,CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設(shè)計大綱正確地寫入了數(shù)學(xué)模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設(shè)計工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問題顯然是一個工程性很強的問題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過去一直仁者見仁智者見智,但是顯然都沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過內(nèi)部測試過程,是一個在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個具體問題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時目前國內(nèi)市場上的商用軟件都是國外產(chǎn)品,難免由于國外對中國的市場禁運等因素影響,在功能和精度上會差于國外同類軟件。因此對于國內(nèi)設(shè)計單位來說,其實所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過這樣的考驗后,設(shè)計單位對CFD的實際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個地方,用到哪種程度了。
開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才
相關(guān)標簽搜索：周華老師談CFD技術(shù)的可信度問題 CFD培訓(xùn) CFD流體分析培訓(xùn) cfd視頻 fluent cfx pumplinx軟件培訓(xùn) Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn) Autoform培訓(xùn) 有限元培訓(xùn)
編輯
