CFD軟件應用的一點忠告

2017-03-30 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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習上,而應該將更多的精力放到現象背后的數學物理原理理解上。換句話說,對于利用CFD軟件的人來講,學好流體力學要比學好計算流體力學更加重要。

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,迫切需要進行大量案例練習,尤其需要大量的標準操作案例的練習,養成良好的操作習慣。這里的標準案例,指的是包括問題分析、幾何建模、網格生成、模型設置、計算后處理以及計算結果驗證等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充流體力學理論以及所仿真問題背景物理理論。比如說仿真熱流問題,則需要補充熱力學和傳熱學理論;仿真多相流問題,則需要補充多相流理論等等。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識,能夠知曉每一步操作及每一個設置的參數對于計算結果的影響。
第三階段:達到第二階段的人其實已經可以利用軟件解決絕大多數的工程問題了,然而若還需要提高,則可以嘗試著了解軟件背后的運作機理,比如說學一點計算流體力學理論,自己動手寫寫程序。當此階段達到圓滿時,可謂大師也。

我們絕大多數人都處于第一階段。

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,犀利的招式當然也可以解決不少的問題,然而遇到復雜的工程問題,深厚的理論內功是非常必要的,徒有犀利的招式并不能解決問題。

流體理論在CFD中的體現

理論這東西很低調,往往隱藏在應用的背后,非明眼認識無法識別。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。

在仿真的規劃階段,流體理論指導我們對復雜的物理問題進行合理簡化,在抽絲剝繭中保留物理問題的本質不被忽略。
在仿真建模階段,流體理論指導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,流體理論指導我們分析計算結果,獲取有效的分析結果
在實驗階段,流體理論指導我們設計實驗,分析實驗數據
在優化設計階段,流體理論指導我們如何去改進結構,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理論。

真正要想用好CFD,擁有深厚的流體理論基礎很重要。

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

計算流體力學

計算流體力學描述的是CFD軟件的運作機理,如果你從事CFD軟件開發,那么精通計算流體力學是非常有必要的。

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。這個車就相當于CFD軟件,路線的選擇所依賴的經驗則相當于流體理論,而汽車工作原理則相當于計算流體力學。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、計算結果利用上,沒有太大的幫助。

那計算流體力學要不要學呢?其實計算流體力學實際上是為CFD開發人群準備的。這是個錦上添花的東西,如果你時間充足,學一點計算流體力學還是有點好處的,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問題時排除故障。

關于案例

總有網友問我“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入第二階段的不二法門。不過最近我發現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“多做標準案例”。

何為“標準案例”?

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節。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),有時候還要根據后處理需要來調整模型。
計算網格劃分。在劃分網格過程中,常常需要借助第一步的規劃結果進行網格分布控制。
計算參數的設置。在設置計算參數的過程中,有時需要借助計算流體力學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。軟件自動進行,并沒有什么可以控制的手段。
計算后處理。這包括各種數據的提取以及數據的解讀。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,也直接影響到后續的CFD應用。
計算驗證。這里的驗證既包含了計算結果驗證,也包含計算模型參數的校核。這是保證后續步驟的前提,沒有經過驗證的計算結果是無效的。
數據的應用。后處理得到的各種數據以及數據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計經驗,這一步也是CFD使用最為關鍵,最為重要的一部。