搜索周華老師談CFD技術(shù)的可信度問(wèn)題
2017-02-21 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
文章引用地址:http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=59043&extra=page%3D1
CFD技術(shù)是數(shù)值仿真技術(shù)中的重要分支,是計(jì)算機(jī)技術(shù)與流體力學(xué)理論相結(jié)合形成的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。CFD技術(shù)最早的實(shí)踐活動(dòng)可以追溯到Richardson早期利用數(shù)值方法進(jìn)行的氣象預(yù)報(bào)活動(dòng),其后雖然陸續(xù)有人開(kāi)展過(guò)一些研究活動(dòng),但CFD技術(shù)獲得大的發(fā)展是從1960年代計(jì)算機(jī)技術(shù)大發(fā)展之后才實(shí)現(xiàn)的。
CFD技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是在將其運(yùn)用到工程研發(fā)中時(shí),可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點(diǎn)則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個(gè)虛假的結(jié)果。因此,關(guān)于CFD模擬技術(shù)是否可信的爭(zhēng)論實(shí)際上是一直存在的。解決這個(gè)爭(zhēng)論的辦法一方面可以來(lái)自數(shù)學(xué)上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過(guò)建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準(zhǔn)確性。由于流體力學(xué)控制方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜,從數(shù)學(xué)上證明解的正確性和準(zhǔn)確性在大多數(shù)情況下是無(wú)法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準(zhǔn)確性實(shí)際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學(xué)研究過(guò)程實(shí)際上也不新鮮,我們雖然沒(méi)有這樣明確提過(guò),但在實(shí)際工作中或仿照國(guó)外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過(guò)。比如將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應(yīng)用。CFD軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對(duì)不能成功的。
在實(shí)際工作過(guò)程中也經(jīng)常遇到使用單位對(duì)模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點(diǎn)往往就是上面所說(shuō)的虛假解的問(wèn)題,還有就是數(shù)值精度問(wèn)題。回答這種問(wèn)題的答案也只能是用工程管理辦法,通過(guò)流程設(shè)計(jì)和控制,在體系上給予保證。美國(guó)和歐洲國(guó)家就是這么做的,我們當(dāng)然也可以這么做。客觀地說(shuō),國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)與歐美國(guó)家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動(dòng)中,特別是一些大型研發(fā)項(xiàng)目中,這種現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開(kāi)放式專題研究活動(dòng)”主要目的是考查各種算法在飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無(wú)網(wǎng)格等)對(duì)數(shù)值模擬的影響,以及國(guó)內(nèi)CFD仿真的實(shí)際水平。之所以采用開(kāi)放的研究方式,在網(wǎng)上公開(kāi)召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際力量給予正確評(píng)估。比如有些網(wǎng)友平時(shí)可能不在航空領(lǐng)域工作,但是CFD研究水平和應(yīng)用水平很高,完全有能力參與航空領(lǐng)域的仿真工作,這次活動(dòng)就給這些網(wǎng)友提供一個(gè)展示機(jī)會(huì)。我們平時(shí)在網(wǎng)上也會(huì)遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機(jī)會(huì)證明自己的能力。另外剛剛進(jìn)入飛機(jī)流場(chǎng)數(shù)值分析領(lǐng)域的網(wǎng)友,也可以通過(guò)這次實(shí)戰(zhàn)活動(dòng)得到真實(shí)的鍛煉,獲得大量資料,得到實(shí)質(zhì)提高。
這次活動(dòng)醞釀時(shí)間很長(zhǎng),將來(lái)類似的活動(dòng)還會(huì)不斷推出,活動(dòng)的最后會(huì)以workshop的形式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交流。這次活動(dòng)在形式上是個(gè)創(chuàng)新,對(duì)國(guó)內(nèi)氣動(dòng)計(jì)算水平的提高也必然有很大的促進(jìn)作用,令領(lǐng)域內(nèi)的各方都能清醒認(rèn)識(shí)到國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)的實(shí)際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動(dòng),也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動(dòng)中來(lái)。
CFD技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是在將其運(yùn)用到工程研發(fā)中時(shí),可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點(diǎn)則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個(gè)虛假的結(jié)果。因此,關(guān)于CFD模擬技術(shù)是否可信的爭(zhēng)論實(shí)際上是一直存在的。解決這個(gè)爭(zhēng)論的辦法一方面可以來(lái)自數(shù)學(xué)上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過(guò)建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準(zhǔn)確性。由于流體力學(xué)控制方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜,從數(shù)學(xué)上證明解的正確性和準(zhǔn)確性在大多數(shù)情況下是無(wú)法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準(zhǔn)確性實(shí)際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學(xué)研究過(guò)程實(shí)際上也不新鮮,我們雖然沒(méi)有這樣明確提過(guò),但在實(shí)際工作中或仿照國(guó)外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過(guò)。比如將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應(yīng)用。CFD軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對(duì)不能成功的。
在實(shí)際工作過(guò)程中也經(jīng)常遇到使用單位對(duì)模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點(diǎn)往往就是上面所說(shuō)的虛假解的問(wèn)題,還有就是數(shù)值精度問(wèn)題。回答這種問(wèn)題的答案也只能是用工程管理辦法,通過(guò)流程設(shè)計(jì)和控制,在體系上給予保證。美國(guó)和歐洲國(guó)家就是這么做的,我們當(dāng)然也可以這么做。客觀地說(shuō),國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)與歐美國(guó)家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動(dòng)中,特別是一些大型研發(fā)項(xiàng)目中,這種現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開(kāi)放式專題研究活動(dòng)”主要目的是考查各種算法在飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無(wú)網(wǎng)格等)對(duì)數(shù)值模擬的影響,以及國(guó)內(nèi)CFD仿真的實(shí)際水平。之所以采用開(kāi)放的研究方式,在網(wǎng)上公開(kāi)召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際力量給予正確評(píng)估。比如有些網(wǎng)友平時(shí)可能不在航空領(lǐng)域工作,但是CFD研究水平和應(yīng)用水平很高,完全有能力參與航空領(lǐng)域的仿真工作,這次活動(dòng)就給這些網(wǎng)友提供一個(gè)展示機(jī)會(huì)。我們平時(shí)在網(wǎng)上也會(huì)遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機(jī)會(huì)證明自己的能力。另外剛剛進(jìn)入飛機(jī)流場(chǎng)數(shù)值分析領(lǐng)域的網(wǎng)友,也可以通過(guò)這次實(shí)戰(zhàn)活動(dòng)得到真實(shí)的鍛煉,獲得大量資料,得到實(shí)質(zhì)提高。
這次活動(dòng)醞釀時(shí)間很長(zhǎng),將來(lái)類似的活動(dòng)還會(huì)不斷推出,活動(dòng)的最后會(huì)以workshop的形式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交流。這次活動(dòng)在形式上是個(gè)創(chuàng)新,對(duì)國(guó)內(nèi)氣動(dòng)計(jì)算水平的提高也必然有很大的促進(jìn)作用,令領(lǐng)域內(nèi)的各方都能清醒認(rèn)識(shí)到國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)的實(shí)際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動(dòng),也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動(dòng)中來(lái)。
發(fā)現(xiàn)很多人對(duì)可信度問(wèn)題還不是很了解,我再多羅嗦幾句算作拋磚引玉。CFD的可信度問(wèn)題可以說(shuō)是CFD與生俱來(lái)的問(wèn)題,因?yàn)镃FD工作是在計(jì)算機(jī)中完成的,建立的是虛擬流場(chǎng),所以就有一個(gè)計(jì)算結(jié)果是否可信的問(wèn)題。從工程角度看,CFD的結(jié)果如果可信,就可以直接應(yīng)用到工程實(shí)際中,這樣將導(dǎo)致研發(fā)成本的大大下降,研制周期的大幅縮短等好處,但是由于CFD本身與流體力學(xué)的復(fù)雜現(xiàn)象、數(shù)理模型的準(zhǔn)確度、數(shù)值模型的準(zhǔn)確度、網(wǎng)格的影響等因素都有關(guān)系,因此建立可信度并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事。1998年AIAA曾經(jīng)推出過(guò)一個(gè)CFD校核與驗(yàn)證方面的指南,他們的最終目標(biāo)是建立指南、實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)三樣?xùn)|西,但是到現(xiàn)在為止,我還沒(méi)發(fā)現(xiàn)他們拿出實(shí)踐(practice)和標(biāo)準(zhǔn)(standard)這兩樣?xùn)|西,說(shuō)明這方面的流程和標(biāo)準(zhǔn)還是很難統(tǒng)一的。歐美國(guó)家的工業(yè)化程度高,工程觀念很普及,因此他們很早就開(kāi)展可信度方面的工作,在這方面的積累也比我們多得多,對(duì)研發(fā)工作的推動(dòng)作用就更明顯,可以說(shuō)大大推動(dòng)了飛機(jī)的研制工作。比如統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明,在以風(fēng)洞為主要?dú)鈩?dòng)工具的時(shí)候,研制一架飛機(jī)大約要制作幾十個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?現(xiàn)在則僅需幾個(gè)模型,再考慮到飛機(jī)周期的縮短、風(fēng)洞試驗(yàn)小時(shí)的縮短帶來(lái)的種種效益,CFD工作可以毫不夸張地說(shuō)已經(jīng)成為氣動(dòng)設(shè)計(jì)的主要工具。但是即便如此,CFD在歐美國(guó)家也沒(méi)有完全取代風(fēng)洞試驗(yàn),比如在飛機(jī)結(jié)冰計(jì)算領(lǐng)域,CFD仿真結(jié)果仍然不能作為適航驗(yàn)證工具參與驗(yàn)證工作。
CFD的可信度問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問(wèn)題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗(yàn)證(validation)工作。這兩項(xiàng)工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設(shè)計(jì)大綱,驗(yàn)證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說(shuō),CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設(shè)計(jì)大綱正確地寫入了數(shù)學(xué)模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗(yàn)證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設(shè)計(jì)工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問(wèn)題顯然是一個(gè)工程性很強(qiáng)的問(wèn)題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過(guò)去一直仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智,但是顯然都沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗(yàn)。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過(guò)內(nèi)部測(cè)試過(guò)程,是一個(gè)在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個(gè)具體問(wèn)題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時(shí)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的商用軟件都是國(guó)外產(chǎn)品,難免由于國(guó)外對(duì)中國(guó)的市場(chǎng)禁運(yùn)等因素影響,在功能和精度上會(huì)差于國(guó)外同類軟件。因此對(duì)于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō),其實(shí)所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過(guò)這樣的考驗(yàn)后,設(shè)計(jì)單位對(duì)CFD的實(shí)際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個(gè)地方,用到哪種程度了。
CFD的可信度問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問(wèn)題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗(yàn)證(validation)工作。這兩項(xiàng)工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設(shè)計(jì)大綱,驗(yàn)證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說(shuō),CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設(shè)計(jì)大綱正確地寫入了數(shù)學(xué)模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗(yàn)證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設(shè)計(jì)工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問(wèn)題顯然是一個(gè)工程性很強(qiáng)的問(wèn)題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過(guò)去一直仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智,但是顯然都沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗(yàn)。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過(guò)內(nèi)部測(cè)試過(guò)程,是一個(gè)在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個(gè)具體問(wèn)題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時(shí)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的商用軟件都是國(guó)外產(chǎn)品,難免由于國(guó)外對(duì)中國(guó)的市場(chǎng)禁運(yùn)等因素影響,在功能和精度上會(huì)差于國(guó)外同類軟件。因此對(duì)于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō),其實(shí)所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過(guò)這樣的考驗(yàn)后,設(shè)計(jì)單位對(duì)CFD的實(shí)際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個(gè)地方,用到哪種程度了。
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