熱仿真軟件是用來干什么的？

2017-01-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

最近,網上有一篇長文,說熱設計師已經變成了熱仿真師。結合國內熱仿真軟件的應用亂象,這句話可以說是徹底的罵街。所謂亂象,從各人眼中折射出來的表象是不同的。我的大學導師說:“仿真軟件的大量使用使得人人都認為自己就是熱設計專家。遇到過好幾次,外行得出的熱仿真結果錯得離譜。”錢領導經常問:“這是仿真結果還是PS結果?”電訊設計師喜歡說:“還是再仿仿吧。”仿真軟件的售后工程師說:“唉~還是不說了。”

low不low?low爆了!可是為什么?一個用于解釋物理世界的數學工具,在信息化和電子化落后的上世紀都能蓬勃發展,怎么到今天就淪為笑柄了?我想說,主要的問題源自用它的人。首先,很多人從思想上對它的定位就有問題。

要說怎么定位熱仿真軟件,仁者見仁,智者見智,我概括不了。但我還是愿意嘗試著提供一種可能被大多數人接受的觀點。利用熱仿真軟件,熱設計師應該為提供參數化的熱信息和這些信息對整體設計的影響,使得設計團隊的每個人都能夠根據熱仿真結果推斷出熱設計對其專業設計利益的定量影響,并據此討論出最大化產品價值的設計方案。如果做不到這一點,那么,Fluent、Icepak、FloTherm、FloEFD這些軟件的價值在很多場合下十分接近于Photoshop。請大家別誤會,我沒有貶低Photoshop的意思。我只是想說,如果仿真結果只是回答“行還是不行”的問題,而不參與“好還是不好”的討論,那么很多時候一張筆和一支筆也就夠下定論。這個時候,很不幸的,公式推演到設計報告的距離只是用圖片展示效果。

那么,要實現上面所說的功能,是不是只能靠熱仿真呢?依靠熱仿真軟件是不是就足夠了呢?第一個問題的答案顯然是否定的。第二個問題的答案,我認為:沒有它是不夠的,但是只有它是要壞事的。這里,就快要說到熱仿真軟件的價值區間了。但是,別急。我們先來解釋一下第一個問題的答案,因為它是回答第二個問題的前提條件之一。

在回答上一段的第一個問題之前,請容我先兜一個必要的圈子。在研發流程中,參數化設計的意義在于:在設計階段,工程師就能夠預測設計方案對產品指標的影響。比如說:一個熱設計師,正在為一個CPU設計/選型風冷翅片,他會用盡各種方法預測各種風冷翅片對CPU溫度的影響,然后從各種風冷翅片中選出性能足夠、且代價最小的那一個。

請注意,上一段話的關鍵詞是預測,預測設計方案的效能。和其它所有預測一樣,這種預測的結果可以為一個人或一群人未來的行動提供指引,其代價是來自四面八方的質疑。做這種預測,保持高的成功率很重要,否則是抵擋不住質疑的聲音的。預測的方法大概有四種,成功率各不相同,付出的時間和努力也大相徑庭。我來試著列個表,比較一下。

熱仿真軟件是用來干什么的？fluent仿真分析圖片1

這張打分表,我想,能夠引起的質疑聲肯定不會小。各位看官,請容我逐條解釋一下我想表達的意思,然后再拍。

關于主觀經驗判斷,其短板在于預測的準確度。我這樣說,完全沒有任何貶低工程經驗的意思。事實上,在做宏觀判斷和故障診斷的時候,經驗往往是最重要的。我之所以說它不準確,針對的是精確化、參數化的設計層面。這是因為很少有兩個案例的設計目標和約束條件是完全一致的,但經驗設計的前提就是過去和未來的一致性。這種矛盾,造成了經驗設計的局限性。在標準化和信息化尚未完全覆蓋的熱設計領域,這種局限性可能帶來的后果有三:無法挖掘優化空間、設計方案的彈性有限、設計人員的思維趨于僵化。因此,在精細化、輕量化、小型化和各種化的技術發展潮流中,我們應該為經驗找準定位,和其它方式配合使用,才不至于走向依賴經驗的極端。

實物測試數據庫,可以說是客觀經驗。相比主觀經驗,它的好處是可追溯、易流通、可持續。但它也和主觀經驗共享了同樣的弊端,就是在非標準化設計時的不可用性。對于非標產品,如果在產品定型之前用這種方法驗證,既貴且慢。另外,使用數據庫雖然容易,但數據積累需要大量的人力物力,必須通過非常長的時間積累才能獲得全面的數據庫。因此,這是一種很難獲得的資源。

半實物驗證,指的是設計、生產一個熱原理樣機,然后用熱原理樣機的測試結果說明設計效果。這個熱原理樣機可以是全尺寸的,也可以是區部的或者微縮的。使用這種方法有較高的人員要求。這是因為,設計這個熱原理樣機需要對產品的全貌有充分的了解,并能夠敏感地提煉出熱設計相關元素,將其融匯貫通到熱原理樣機的設計中。因此,人員的專業能力和溝通能力都不能差。相比實物驗證,這種方式耗費的人力、財力和時間更少,因此更適合作為設計定型前的驗證手段。

最后,說說熱仿真軟件的作用。它比實物驗證和半實物驗證來得快、花錢少、耗時短、靈活性強;與主觀經驗判斷比起來,它又具有可調整性、可比較性和可展示性,適用于設計改進和設計交流。因此,它雖然不是最準的,也不是最快的,但是在多輪次論證和優化設計的時候具有最高的性價比。在某些場合,當熱性能無法通過測量的手段快速展示給客戶的時候,熱仿真軟件還可以直觀地向別人演示散熱效果,這個特點是其它手段不具備的。

好了,把幾種主要的預測方式擺在一起,比較的初步結論是:熱仿真軟件的價格便宜量又足,設計師們應該本著一顆過日子的心,多用熱仿真軟件。

但是,細心地你可能已經發現了,我還留了個扣子沒說。這是因為,我覺得,在說一件事情的缺點之前,還是把優點說完比較好。借著這個扣子,我來說說為什么過度依賴熱仿真軟件成不了事,甚至還要壞事。

下面開始說熱仿真軟件帶來的問題。

為什么我在“熟練掌握技能的快速性”這一條上給熱仿真軟件的打分這么低?會不會有人認為這和現狀不符啊?事實上,像所有商業軟件一樣,熱仿真軟件正在一天天地變得更容易上手,更容易展示。借COMSOL中國區CTO的話來說,他們的目標是讓設計師一天就可以上手。從負面效果來看,這種趨勢讓設計師變得越來越懶。思想上的懶惰,是萬惡之源,可以讓設計人員的素質日益下降。有些人記不住N-S方程怎么寫,也不知道某些被他們忽略的幾何細節在傳熱通徑上的意義重大,更不清楚時間步長和空間步長的合理比例,但他們還是可以用熱仿真軟件得出一張溫度分布圖。這無所謂對錯,更不是批評,只是說明“貼心的”商業軟件會把人慣出毛病。老實說,我現在也用慣了商用軟件,要仔細想想才寫得出N-S方程,玻爾茲曼常數也得靠翻書才能知道。(程老師、陳老師、葉老師,對不起。但是,我真的不是故意的。)我要說的重點是,這樣的狀態,造成了一種可能的結果,就是一些仿真人員無力左右仿真過程的有效性,更無法判斷仿真結果的準確性。因此,他們也沒有能力根據仿真結果和設計團隊進行有效的交流。心里沒有底,嘴上就沒有聲音。沒有聲音,哪里來的發言?又哪里來的發言權?

要解決上面這個問題,可以去溫習傳熱學、流體力學、工程熱力學、數理方程和數值傳熱學。但是,補課就夠了嗎?不夠!因為,設計團隊里的其它成員也已經被我們慣得懶了,他們懶得從我們這里獲取幫助。上一篇說了怎么實現熱設計的價值,現在把它放在仿真的環節上說。要體現出熱仿真的價值,必須了解熱源的發熱機理和熱對其性能的影響,并且將其應用到熱仿真的實踐中來。要做到這一點,需要補充的知識很多,每個行業也都不一樣。我說不出來這樣的過程需要付出多少努力,只能借用兩位專業仿真人士的話描述其艱辛。海基負責FlowMaster仿真的專業組長說:“想掌握FlowMaster,要靜下心來,在各個案例中摸爬滾打至少三年。”ANSYS中國負責Fluent的頂尖客服說:“我干了十多年,還是覺得不能解決所有問題。”想必,這兩位會贊同我對熱仿真軟件應用難易度的評分的。

關于熱仿真軟件,我吹過了,也黑過了,該說說怎么定位它了。我覺得,它無非就是一種工具。利用這種工具,我們可以將我們的知識和靈感表象化,形成可供展示和交流的圖像,并以此為平臺,與設計團隊的思想進行碰撞,經過不斷地考證和揚棄,獲得全局優化,作為指導整體設計的參考。相比起貼一張圖,這難得多,要求熱仿真軟件應用者多學、多想、多問、多說,切莫因為軟件的易操作性,就忘記了學習、聆聽和表達的重要性。

說了這么多,純屬個人觀點,供各位一笑。我明白,以上種種說法都是有時代局限性的。等到人工智能在這個領域超越人類了,或者精通電、結構、熱、化學等等專業的設計仿真人員帶著大一統的協同仿真軟件上班了,上面這些話就都是廢話了。但我想,這很可能是我們退休以后的事情,或者至少是我們提前退休的原因,也就不是我們可操心了。

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