CFD軟件應(yīng)用的一點忠告

2017-03-30 by:CAE仿真在線來源: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,對于利用CFD軟件的人來講,學(xué)好流體力學(xué)要比學(xué)好計算流體力學(xué)更加重要。

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

三個階段

可以將CFD軟件的使用分成三個階段:

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,指的是包括問題分析、幾何建模、網(wǎng)格生成、模型設(shè)置、計算后處理以及計算結(jié)果驗證等CFD仿真全過程的案例,這類案例實際上并不好找。
第二階段:已熟悉軟件的操作流程及基本操作,但遇到新的問題仍然不知如何下手。這類人群其實最需要的是補(bǔ)充流體力學(xué)理論以及所仿真問題背景物理理論。比如說仿真熱流問題,則需要補(bǔ)充熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論;仿真多相流問題,則需要補(bǔ)充多相流理論等等。在此階段中,需要對計算過程中,軟件操作的每一個設(shè)置選項,每一個操作按鈕背后所涉及的物理原理有深刻的認(rèn)識,能夠知曉每一步操作及每一個設(shè)置的參數(shù)對于計算結(jié)果的影響。
第三階段:達(dá)到第二階段的人其實已經(jīng)可以利用軟件解決絕大多數(shù)的工程問題了,然而若還需要提高,則可以嘗試著了解軟件背后的運作機(jī)理,比如說學(xué)一點計算流體力學(xué)理論,自己動手寫寫程序。當(dāng)此階段達(dá)到圓滿時,可謂大師也。

我們絕大多數(shù)人都處于第一階段。

跨不過第二階段,無法稱之為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題,然而遇到復(fù)雜的工程問題,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)識無法識別。就好比你看到蘋果從樹上掉到地面,卻不會感知到牛頓第二定律一樣。

在利用CFD的過程中,流體理論同樣貫穿整個仿真流程的始終。

在仿真的規(guī)劃階段,流體理論指導(dǎo)我們對復(fù)雜的物理問題進(jìn)行合理簡化,在抽絲剝繭中保留物理問題的本質(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,以盡量的簡化計算開銷
在后處理階段,流體理論指導(dǎo)我們分析計算結(jié)果,獲取有效的分析結(jié)果
在實驗階段,流體理論指導(dǎo)我們設(shè)計實驗,分析實驗數(shù)據(jù)
在優(yōu)化設(shè)計階段,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程中物理現(xiàn)象所涉及到的力學(xué)理論。

計算流體力學(xué)

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

但是對于使用CFD軟件的人群來講,計算流體力學(xué)能起到多大的作用呢?

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

計算流體力學(xué)理論對于使用CFD軟件的人來講也是如此,其作用更多的體現(xiàn)在軟件計算效率控制以及計算收斂控制上,對于其他的諸如計算問題簡化、計算結(jié)果利用上,沒有太大的幫助。

那計算流體力學(xué)要不要學(xué)呢?其實計算流體力學(xué)實際上是為CFD開發(fā)人群準(zhǔn)備的。這是個錦上添花的東西,如果你時間充足,學(xué)一點計算流體力學(xué)還是有點好處的,這些理論可以幫助你提高計算效率和計算精度,同時還有助于在軟件出現(xiàn)問題時排除故障。

關(guān)于案例

總有網(wǎng)友問我“CFD軟件到底如何入門”,我通常都會回答“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。不過最近我發(fā)現(xiàn)我的答案里頭少了兩個字,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軟件解決工程問題大體可分為以下幾個步驟:

問題分析及簡化。此為CFD分析的開始階段。真實世界中的物理問題都過于復(fù)雜,在利用CFD求解之前,往往需要利用一些流體理論對問題進(jìn)行簡化。這一步的最大目的是降低計算開銷。但是這一步通常也是最難的,對于人員素質(zhì)的要求非常高,因為如果理論功底不深厚,在簡化的過程中,很可能會丟失重要的物理細(xì)節(jié)。其實這一步也是高手和低手的分水嶺。低手往往對于物理問題不加任何的簡化,結(jié)果造成的后果是計算量巨大而且計算精度還不高。
計算模型構(gòu)建。包括物理模型和計算幾何模型。在第一步操作完成之后,實際上計算模型已經(jīng)能夠確定下來了。計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),有時候還要根據(jù)后處理需要來調(diào)整模型。
計算網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格過程中,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。
計算參數(shù)的設(shè)置。在設(shè)置計算參數(shù)的過程中,有時需要借助計算流體力學(xué)理論以提高計算效率及精度。如選擇合適的離散格式,選擇合適的收斂控制方法等。
計算。軟件自動進(jìn)行,并沒有什么可以控制的手段。
計算后處理。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。
計算驗證。這里的驗證既包含了計算結(jié)果驗證,也包含計算模型參數(shù)的校核。這是保證后續(xù)步驟的前提,沒有經(jīng)過驗證的計算結(jié)果是無效的。
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)計經(jīng)驗,這一步也是CFD使用最為關(guān)鍵,最為重要的一部。