我與CFD不得不說的故事

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

在某一行當(dāng)呆的時間久了,自然會有一些個人的感想。以前很少去認(rèn)真的思考和總結(jié)。論語說過“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,進(jìn)入這個行業(yè)也差不多5年了。在很多人看來,這時間很短,是的,CFD涉及的領(lǐng)域何其廣泛,五年的時間用來入門只怕都不夠。然而我并非計算流體力學(xué)專業(yè),對于現(xiàn)在所從事的機械專業(yè)來說,應(yīng)用CFD更偏重于解決工程問題,因此,五年的時間,用于CFD在機械行業(yè)的應(yīng)用入門,似乎也差不多。

在接觸CFD之前,我對于這三個英文字母所代表的含義一無所知,而且在本科階段,我也未曾學(xué)習(xí)過流體力學(xué)相關(guān)的課程。因此,那次導(dǎo)師讓我利用CFD進(jìn)行氣體擴散仿真時,我是稀里糊涂的答應(yīng)下來的?，F(xiàn)在回想起來,當(dāng)時答應(yīng)他主要存在以下一些原因:(1)剛進(jìn)實驗室,想給老師留下個好的印象?？偛荒艿谝粋€任務(wù)就說不會吧。(2)當(dāng)時是什么也不會,初生牛犢不怕虎,而且當(dāng)時比較年輕,有一股學(xué)習(xí)的勁頭。(3)我比較好面子?？傊?就這樣上了CFD賊船。

由于項目時間緊,因此在理論知識一片空白的情況下,我開始了CFD之旅。我的CFD之旅是從一款叫CFX的軟件開始的。當(dāng)時使用的版本是5.6版本,至今我還保留著這個古老的版本,因為5.7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可以說是一個較為特殊且經(jīng)典的版本,值得收藏。

CFD視覺繪圖軟件

當(dāng)時什么也不懂,不過還好,實驗室有師兄師姐在用,而且隔壁寢室有兄弟也在使用,所以可以說我擁有一個比較好的入門環(huán)境。雖然有好的學(xué)習(xí)環(huán)境,雖然說師兄師姐們很熱情,但總不能什么問題都去問他們吧,這樣多不好意思,大家都很忙的。這時候一個師兄給我制定了個學(xué)習(xí)計劃:首先進(jìn)行實例練習(xí),其次進(jìn)行軟件文檔及理論知識的學(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例,都是step by step的教程,特別適合新手入門。在沒日沒夜的奮戰(zhàn)了兩周之后,對CFX有了一個比較感性的認(rèn)識,對其進(jìn)行流體仿真的一般步驟有了初步的了解。所以現(xiàn)在碰到有人問我怎樣入門CFD軟件,我總是建議他從實例入手,當(dāng)然這并不適合每一個人,可能對于零基礎(chǔ)的人比較有效。

軟件界面及一般操作過程基本熟悉之后,其實要進(jìn)行實際問題的應(yīng)用還是存在很大的問題。我當(dāng)時就是那樣,比如說,模擬一個流動問題,要考慮的問題很多: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,那應(yīng)該如何去考慮?要考慮時間嗎?等等這些問題,對于只會操作軟件的人來說回答起來很是困難,怎么辦呢?沒有什么好的辦法,只能自己去補充理論方面的欠缺了。這時候可以參考軟件的理論文檔以及專業(yè)的流體力學(xué)及計算流體力學(xué)書籍。流體力學(xué)可以幫助選擇合適的模型及參數(shù),計算流體力學(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算。然而不幸的是,這兩門課程學(xué)習(xí)起來都不輕松,需要花費大量的時間和精力。但是項目時間很緊,不允許花費如此之多的時間用于理論的學(xué)習(xí)上。這時候周圍的學(xué)習(xí)環(huán)境的作用就體現(xiàn)出來了,為了應(yīng)付項目需要,我?guī)缀跏抢昧怂械目臻e時間惡補基礎(chǔ)知識,同時在茶余飯后,幾乎是逮到時間就咨詢師兄師姐以及周圍對CFD有一定了解的前輩,這段時間大約維持了半年。流體仿真項目結(jié)束了,我也很累了,再加上后續(xù)項目是一個做固體結(jié)構(gòu)的,所以暫時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。別的項目組由于趕工期,所以臨時將我抽調(diào)過去,那個小組主要進(jìn)行的是利用FLUENT進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)模擬。就這樣我結(jié)識了fluent與gambit。那時候使用的是fluent6.3版本。雖然我不怎么喜歡那個界面,但是沒有辦法,我不是負(fù)責(zé)人沒有權(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在桌面上怎么也去不掉圖標(biāo)的exceed(后來我知道怎么去掉了,哈哈)。不過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,不過不常用),再加上機械行業(yè)背景,所以GAMBIT的入門幾乎沒使用多少時間,大概就兩三天吧,不過這僅限入門而已,gambit還有很多高級功能至今我都不會使用。

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似乎對內(nèi)存及網(wǎng)格數(shù)做了限制(后來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,有時候常常是網(wǎng)格劃分到一半就卡機死機,讓你悲痛欲絕。所以我有點想拋棄它了。一個偶然的機會,看到一個師兄在用一款不是gambit的軟件劃分網(wǎng)格,問過才知道那款軟件叫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,我第一次見到網(wǎng)格還能顯示得如此漂亮,在那一刻,我愛上了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11.0以上版本說的,之前的版本界面并不好),對于劃分非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格來說,操作也挺簡單的,只需要設(shè)置少量的參數(shù)就可以輸出網(wǎng)格(當(dāng)然,這時當(dāng)時的想法,現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn),劃分高質(zhì)量四面體網(wǎng)格其實比六面體要難),而且也不容易死機,很能夠應(yīng)付大規(guī)模的模型,所以當(dāng)時直接拋棄了gambit,改投ICEM CFD的懷抱。現(xiàn)在看來,這做法是對的,因為gambit更新到2.4版本后幾年了也不見更新,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:GAMBIT的網(wǎng)格劃分算法已經(jīng)集成到meshing中去了)

fluent飛機戰(zhàn)斗機外流場分析

FLUENT是一款比較精干的軟件,個頭很小。FLUENT6.3的安裝文件只有一百多兆,主要是因為其僅僅只是一款求解器,不具有前處理功能。也就是說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)行計算。幸好這時候的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。FLUENT6.3的界面并不美觀,但是菜單安排還算合理,不會讓使用者滿世界的亂找(一個這方面的反例是ANSYS軟件)。而且我喜歡FLUENT的計算過程中結(jié)果動畫輸出功能,CFX沒有這個功能。該功能可以方便直觀的定性判斷計算結(jié)果是否合理。當(dāng)然這個時候我對于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,那一個暑假共看了四本書: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)費斯泰赫《計算流體力學(xué)導(dǎo)論:有限體積法》第2版、張建文《流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬及應(yīng)用》,我不去評價這幾本書的質(zhì)量,但是對于我的幫助的確很大。第一本書的很多內(nèi)容是翻譯自第三本書,第四本書其實是翻譯自patanka的《Heat Transfer and Fluid Flow Numerical Calculation》。從這些書中,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CFD模擬做多了,軟件操作問題不大,但是對計算結(jié)果的精度產(chǎn)生了懷疑,對計算結(jié)果的驗證方式產(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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