千萬不要想一次把事做好-CFD算例調(diào)試方法

2017-10-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、悲催的CFD仿真

當(dāng)今的CFD的算例頭上長(zhǎng)角,身上長(zhǎng)刺,肚子里都是彎彎道。就是虛擬的自然界,速度跨越了從人體的血液流動(dòng)到火箭的高超音速,溫度跨越了從氣體凍得結(jié)冰直到氣體熱得電離成離子,介質(zhì)跨越了從火山的熔巖到浮在空氣中的灰塵,流動(dòng)現(xiàn)象有激波、有轉(zhuǎn)捩、有火焰、有海水、有一切。拿個(gè)機(jī)翼只計(jì)算阻力、升力的時(shí)代上哪去了?憑什么今天要我一次搞定這么多事情。

如果想一次把算例做好,用龐大的網(wǎng)格描述細(xì)密的幾何形狀,加密壁面網(wǎng)格,加密流動(dòng)重要區(qū)域。然后用最多的網(wǎng)格、最高階的格式、最高級(jí)的模型、最小的時(shí)間步、最多的迭代步數(shù)開始計(jì)算。后面的場(chǎng)景很熟悉:計(jì)算機(jī)累的嗚嗚作響,殘差曲線玩登月,屏幕一直喊救命,“****,error,over,finished”。我們勤勞勇敢的CFD人不睡覺不吃飯也要搞定它,所有能改的都改,所有可以試的都試,無窮的因素產(chǎn)生的錯(cuò)誤形式層出不窮,錯(cuò)誤的原因卻永遠(yuǎn)是個(gè)謎,好比你在南美洲扇蝴蝶翅膀,卻要分析如何影響北美洲的風(fēng)暴。對(duì)這種倒霉事,去請(qǐng)各路大仙幫忙,他們只會(huì)給你更多的選擇,而不是更多的道路。

2、先做減法、后做加法

為什么我們使用成熟的CFD軟件,已經(jīng)擁有了仿真復(fù)雜算例的工具,還總是算死或算錯(cuò),而且永遠(yuǎn)不知道誰使壞。我們太想一次把事情做對(duì),給自己背上了無法承受的包袱。事情所以難是因?yàn)樘珡?fù)雜,影響結(jié)果的因素太多,看每一個(gè)模型都像罪魁禍?zhǔn)?看每個(gè)邊界條件都是嫌疑人,但是每個(gè)計(jì)算錯(cuò)誤都是他們共同產(chǎn)生的結(jié)果,無法找到鐵證將始作俑者抓到。

其實(shí)解決方法很簡(jiǎn)單,做減法。你懷疑誰就叫誰出去,如果從此天下太平說明剛才趕出去的就是嫌疑犯,如果還出問題,說明算例里還有嫌疑犯。比如你懷疑湍流模型可能不對(duì),那么取消湍流,計(jì)算一個(gè)層流甚至無粘的算例,如果結(jié)果還是錯(cuò)的,你就要懷疑其他模型了。運(yùn)氣好的減少幾個(gè)復(fù)雜度,就取得合理的結(jié)果。見過運(yùn)氣最不好的,一直將算例簡(jiǎn)單為管道里面的均勻氣流,才可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

做完減法后的事情很簡(jiǎn)單,將你需要的各種設(shè)置一一叫回來,什么時(shí)候發(fā)現(xiàn)加上它出問題了,就是嫌疑犯回來的時(shí)刻。這就是一次面對(duì)100個(gè)問題和逐一面對(duì)各個(gè)問題的差異。

3、先做成本低的、影響大的

加密網(wǎng)格和減小時(shí)間步,都是消耗成本換成果的事情,一定能拖多后就多后,等大多數(shù)問題都解決了,再解決這些老大難。否則你網(wǎng)格很密,時(shí)間步很小,算一次費(fèi)無數(shù)時(shí)間,最后發(fā)現(xiàn)問題還與它無關(guān),你說冤不冤。

比如湍流模型,不管與它是否與結(jié)果有重要關(guān)系,大家都玩命嘗試各種湍流模型。終于摸透了湍流模型,又發(fā)現(xiàn)其實(shí)湍流不影響結(jié)果。建議先評(píng)判影響程度,如果有困難,可以用極限狀態(tài)判斷對(duì)結(jié)果影響的量級(jí),對(duì)比湍流和層流兩個(gè)狀態(tài),如果這兩個(gè)狀態(tài)之間沒有多大差別,你覺得使用哪個(gè)湍流模型的問題還值得揪心嗎?

基于我不準(zhǔn)確的理解將CFD算例重點(diǎn)調(diào)試的先后排序推薦如下:

a.全計(jì)算域的外邊界條件

b.全計(jì)算域的流動(dòng)參數(shù)

c.局部邊界條件

d.重要模型

e.局部復(fù)雜幾何形狀

f.網(wǎng)格加密、時(shí)間步減小

4、知道可以不做什么

調(diào)試一個(gè)算例要做什么,我們太知道了,要做的工作數(shù)不清,網(wǎng)格和所有的設(shè)置、模型都要一一驗(yàn)證他們對(duì)結(jié)果的影響,確保使用最正確合理的方法。但是我們無法同時(shí)面對(duì)這么多問題,因此我們真正要知道的是可以不做什么!將自己從復(fù)雜的蜘蛛網(wǎng)中解脫。

可以做的事情——好做的事情:成本低、速度快、影響大。

可以不做的事情——不好做的事情:成本高、速度慢、影響小。

我是個(gè)見困難就躲的人,咱能力弱,只撿軟柿子捏,用最小的成本換來最大的勝利,不到萬不得已從來不和任何問題死拼。很有些CFD勇士,上來就錯(cuò)誤地認(rèn)為已經(jīng)具備打陣地戰(zhàn)的能力,遇到第一個(gè)問題不管已有的能力是否足夠就全力以赴,往往犧牲在起步階段。其實(shí)不要怕解決不了難題,伴隨簡(jiǎn)單問題的解決,最初不好做的事情逐步變得好做,然后按照更高的標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)判什么要做不要做。通過逐步迭代,最后還是可以達(dá)到全面勝利。

5、為解決問題簡(jiǎn)化算例

在調(diào)試期間如果算例很復(fù)雜,每次計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng),根本無法快速取得經(jīng)驗(yàn)。要想快速積累經(jīng)驗(yàn),明確各個(gè)設(shè)置的特點(diǎn),只有簡(jiǎn)化算例,以最簡(jiǎn)單的模型、最少的網(wǎng)格和最快的速度消滅問題。

比如要確定仿真飛機(jī)飛行的計(jì)算外邊界是否夠遠(yuǎn),你可以用一個(gè)鉛筆頭取代復(fù)雜的不得了的飛機(jī),因?yàn)閷?duì)于外邊界位置這個(gè)問題,中間是一架飛機(jī)還是一個(gè)鉛筆頭都沒有多大差別,只要尺寸、速度、高度是一樣的都可以等同,但是計(jì)算量可以差幾個(gè)量級(jí),用簡(jiǎn)化算例可以達(dá)到一天完成幾十、幾百個(gè)調(diào)試。如果你說建一個(gè)簡(jiǎn)化算例太麻煩,寧愿帶著最復(fù)雜的飛機(jī)去調(diào)試邊界條件,每次計(jì)算還用5天,好吧,你有保持復(fù)雜的權(quán)利。建議,不要背著房子去探路,背上蝸牛殼雖然很完整,但是走不動(dòng)。既然是探路就要放下一切包袱,可以不要的都不要,用最簡(jiǎn)單的模式先看看這個(gè)道路是否正確,回頭將所需要的各種細(xì)節(jié)加上,以完美的姿態(tài)沿正確的方向前進(jìn)。

分解、簡(jiǎn)化復(fù)雜問題,將不可能的事情變成很多個(gè)可能的事情。你努力可以跳上一米高臺(tái),再努力不能跳上三米的房頂,但是有了梯子小孩都可以上房頂。所以有空不是去練跳高,而是去制造梯子,好像浪費(fèi)了時(shí)間,其實(shí)最省力。

來源:陸姐說

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