CFD的一些體會（1）

2017-02-21 by:CAE仿真在線來源:互聯網

學習CFD差不多四年了,所謂學而不思則罔,我覺得很有必要停下腳步,仔細思量下一步該如何走。

總感覺CFD像是算命,CFDer就像是算命先生。用少量的信息去推知未知信息。不知道什么時候聽到的一句關于數學用途的話,“數學的作用是預測”,當時是嗤之以鼻的,但是現在想想,還真是那么一回事兒。我們不管是研究什么,最終的目的都是預測,以已知預測未知。理論研究也好,試驗研究也罷,都沒辦法跳脫這個圈子。我們究竟該以一種什么樣的態度去對待CFD?CFD在我們的科研工作中應當處于一個什么樣的地位?

CFD是將數值計算技術與流體動力學相結合的一門交叉學科。我個人認為,流體力學應當處于一個主要未知,數值計算是其輔助作用的。換一個角度,流體力學是目的,數值計算是手段。我們最終要解決的是關于流體力學方面的問題。因此,在我們的學習過程中,應當將流體力學當做主要的內容,各種流體現象的物理解釋、數學描述都應當了然于胸,這樣在計算過程中才不至于迷失方向。而數值計算作為一個工具,一個解決流體力學問題的手段,更多的反應到了我們所使用的軟件中。不管是商用軟件也好,自己編程實現也罷,最終目的無非是求解我們所定義的物理過程的數學方程。

現在的大部分碩士生,都處于利用軟件階段。我碰到很多人問我到底CFD該如何學習,很多時候我都不會跟他們就這個問題進行深談,一方面,我自己對于CFD的理解還不深,我怕誤人子弟。另一方面,其實我自己都是在走彎路,甚至現在都還在走。由于目前的商用CFD軟件通常都是英文的,對于英語基礎不太好的人來講,學好這么一款英文的軟件的確是一件很費心的事情。我學軟件的方式與大多數人可能不同,我喜歡從軟件幫助的tutorial開始,通過大量的例子練習達到熟悉軟件的目的,在對軟件熟悉了之后,再從軟件幫助開始,進而學習軟件的工作原理。這種學習方式的一個最大優點在于入門快,通常一個星期就能使用軟件,然而一個卻存在一個極大的缺陷,基礎部牢靠。遇到問題喜歡依葫蘆畫瓢,卻不知其所以然。而且在很多情況下,本末倒置。從實際來說,軟件作為一個工具,我們不應當在工具的使用上浪費太多的時間,我們應當將更多的時間用在關注的問題上。

談CFD是不能離開試驗的。試驗數據作為驗證手段是利用CFD進行科學研究的必要工具,然而現在國內的流體研究的條件相對于國外來說,并不算先進。除了一些重點大學外,很多學校流體學生根本就接觸不到試驗,但是,沒有試驗我們就不能進行CFD計算么?其實,作為學生,我們更應當注意的是,我們關鍵是要學到解決問題的方法,而不是問題本身。那么,在沒有試驗數據做參考的情況下,我們應當如何開展CFD的學習呢?我覺得有必要關注一下幾點:

(1) CFD基本知識的學習。這主要包括一些數值算法,如有限體積法的原理、數值穩定性分析等等。這一類知識是通用的,只有學好了這些,才有可能用好CFD軟件。

(2) 流體力學一定要深入的學習。這個是最本質的東西,我們要在脫離了CFD軟件之后還能夠對流動現象進行定性分析。講到這里,大家不妨想象一下,如果脫離了電腦,我們對于流體方面的知識還剩下多少?這個才是你的真實水平。

(3) 軟件的使用。這個其實是為工作準備的。人活在這個世界上始終是要吃飯的,我們也必須掌握一技之長。沒有了實驗數據,但是我們必須明白軟件計算的缺陷在哪里,在什么地方可以提高精度,以及計算結果的定性分析。

(4) 我們平時可以找一些通用的驗證實例,使用軟件進行計算,然后利用案例提供的結果進行比較,找出問題所在,努力提高自己的CFD應用水平。

我想在這里簡單談談自己四年來對于CFD軟件使用的體會。

首先是建模軟件。在剛開始接觸CFD的時候,我最先接觸的CFD軟件是CFX5.6,那個版本稍微有點老。CFX5.6帶有自己的前處理器CFX-build,是一個PATRAN核心的前處理器,包含幾何建模、劃分網格等功能,還算比較可以,現在估計用的人不多了。這個前處理器采用的建模方式和patran一樣,可以通過點線面體的順序建立幾何,也可以直接建立三維幾何體。劃分網格的方式有很多,我對這個軟件的使用并不是很熟悉,只會創建四面體網格,呵呵。CFX的操作界面還是比較好的,全部都是視窗操作,很適合新手入門。而且CFX的思想也很順,從計算域、材料、邊界條件、初始條件、求解控制依次進行設置,很符合CFD定義的習慣。

其實很多時候我們的模型都很復雜,若采用CAE軟件提供的建模工具可能很難滿足建模的要求。這時候,我們可以采用三維軟件進行模型的建立。對于機械專業的學生來說,可能這個是先天優勢,他們自本科就開始3D軟件的使用。三維軟件有很多,最常使用的有CATIA,UG,PROE,SOLIDWORKS等,當然還遠不止這些,用戶在選用這些軟件進行CAE模型創建時,首先要確認你所使用的軟件創建的模型能夠被CAE前處理軟件識別。有很多種中間格式如igs,stp,x_t等都能被這些軟件輸出,在這些格式中,一些格式可能兼容性比較差,容易丟失幾何信息,如igs格式。我個人的經驗:使用x_t格式兼容性比較好,通常只要不是非常復雜的曲面,幾何信息都不會丟失。

談完了幾何,現在可以談前處理軟件了。在此之前要先談一下前處理的概念及范疇。前處理的英文單詞也可以翻譯成預處理。這就有意思了,為誰預處理?其實是為求解器預處理。大家可能見過飯館中的廚房工作,一般大廚燒菜的原材料都是經過預處理的,他進行烹調的時候只需要將材料放入鍋中,至于洗菜、切肉等工作都是由別人做的。CAE前處理器的功能就在這里。我們的求解器并不能理解現實世界,因此需要使用者將信息提供給它。另外,目前的CAE軟件計算都是采用以大化小的方式,將一個完整的模型切割成小的塊,然后求解在小塊中進行,其實體現了一個微元的思想。因此,前處理器還必須包含了將大的計算區域切割分解成小區域的能力。其次,還必須具備模型定義、邊界定義、求解控制定義等功能。

前處理軟件很多,大家的心目中首先顯現的肯定是各種網格劃分軟件。不錯,網格劃分軟件就是一種典型的前處理器。網格劃分軟件真的如天上繁星,數都數不清。不過我們只要使用幾個有代表性的就可以了。通常流體計算中最著名的前處理器包括:ICEM CFD,gridgen, TureGrid,gridPro等,固體計算中常用的前處理器有:Hypermesh,ANSA,patran,femap等。當然這些軟件存在交叉,比如icem CFD,hypermesh既可以劃分固體網格也可以劃分流體網格。我用得最多的還是ICEM CFD。雖然這款軟件的bug很多,但是它有一些特性很吸引我,比如,我喜歡像一個雕刻師一樣的將一個整體塊切割成符合幾何形狀的塊,我也喜歡它的多種輸出接口,它支持超過200種求解器;另外這款軟件的界面要相對其他軟件更符合人們的習慣。對于hypermesh,我其實還是比較贊賞的,但是可能是我用不熟練的原因,我始終覺得它的那個用戶界面很難受。

說完了前處理器,也該談一談求解器了。CFD求解器數量要遠多于前處理器及后處理器。但是我們通常聽到或見到的只是一些通用求解器,例如CFX, FLUENT, STAR-CD, phonecis等等。這些通用求解器的應用范圍很廣,而且應用于工業上精度還行。它們各自有各自的優點。比如star-cd做燃燒很強,目前廣泛應用于內燃機燃燒模擬,FLUENT在各方面表現比較均衡,在不可壓縮領域處于絕對領先地位,而且其動網格技術也別具特色。CFX的用戶界面我認為最符合使用者的習慣,而且自從被ansys公司收購后,目前被整合在workbench中,與ansys進行雙向流固耦合計算,比較方便。當然,fluent也被ansys收購,遺憾的是,目前尚不能與ansys進行雙向流固耦合,只能進行單向耦合計算。除了這些最著名的通用計算軟件外,還有比如flow-3d適合自由界面捕捉,在VOF方面有獨特造詣,適合于鑄造、水利等行業。Numeca是專為葉輪機械設計的,在葉輪機械建模、分網、計算方面獨領風騷。Pumlinx 是一款專門針對泵進行計算的軟件,在泵設計中有自己的特色。Star-ccm+號稱是新一代流體計算軟件,沿襲了star-cd的特色,界面上更加友好。Esi-cfd是cfdrc軟件被ESI公司收購后換的新名字,其中的fastran在超高音速計算方面特別有優勢。當然,流體計算軟件遠不止上面列舉的這些,我們可以根據實際工作需要,選取最適合的軟件。

在CFD后處理方面,目前應用最多的可能是tecpolt。我想原因大概有以下一些:(1)tecplot體積小巧,功能比較強大,一般CFD需要的后處理功能它都具備(2)tecplot比較容易學習,不像一些高端后處理軟件如ensigh,難以入門。(3)tecplot擁有的數據接口很多,可以讀入非常多的CFD計算數據。其實,CFX的后處理軟件CFX-POST也是一款非常好的后處理工具,現在新版本的ANSYS中已經將其改名為CFD-POST。利用CFD-POST我們可以制作出非常專業的后處理圖形、曲線、數據、視頻等。