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痞子tai木蟲 (正式寫手)
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【分享博文】CFD并非只是軟件（轉(zhuǎn)自流沙）【已搜索無重復(fù)】 已有53人參與
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CFD到底是什么？這個(gè)問題對(duì)于初學(xué)者來說非常重要。因?yàn)槿羰遣荒苷_的理解，則有可能誤入歧途，更有甚者，將CFD錯(cuò)誤的應(yīng)用于工程上，導(dǎo)致不可彌補(bǔ)的災(zāi)難。 CFD是一個(gè)縮寫，全稱是Computational fluid dynamic，中文翻譯為“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)”。我們從語法角度進(jìn)行理解。中心詞是“動(dòng)力學(xué)”，由此可知CFD是一門學(xué)科，而且是運(yùn)動(dòng)力學(xué)。何謂“動(dòng)力學(xué)”？學(xué)過力學(xué)的人都知道，動(dòng)力學(xué)是關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力之間的關(guān)系�！皠�(dòng)力學(xué)”的前面有“流體”二字，表示CFD研究的是流體運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系。而最前面的“計(jì)算”一詞，則表示CFD是一門關(guān)于如何利用計(jì)算的手段來研究流體運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系的科學(xué)。 與“有限元”不同。“有限元”是一門技術(shù)，或者說是一門關(guān)于偏微分方程求解的技術(shù)。但是CFD卻不同，CFD的范圍遠(yuǎn)比有限元寬泛，CFD至少包含了一下四個(gè)部分：物理模型的簡(jiǎn)化抽象、計(jì)算方法、計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)以及工程應(yīng)用技術(shù)。因此我們?cè)趯W(xué)習(xí)CFD的過程中，不應(yīng)當(dāng)只是局限于計(jì)算求解上。CFD的應(yīng)用過程通常也是遵循以上四個(gè)過程，首先從現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象中抽象出數(shù)學(xué)模型（通常是二階非線性偏微分方程），這一步非常的重要，影響到算法的選擇以及結(jié)果評(píng)估。抽象出數(shù)學(xué)模型之后，需要尋求合適的計(jì)算方式以求解模型，求解方式可以是解析方式，也可以是數(shù)值方式。求解完模型后，通常需要輔以試驗(yàn)以對(duì)求解結(jié)果正確性進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。結(jié)果驗(yàn)證后，如何將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到工程上，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，則是CFD應(yīng)用的最根本目的。這四部分內(nèi)容，其中以第一部分最為重要，以最后一步最為困難。 CFD的核心是對(duì)NS方程的處理。然而，CFD計(jì)算軟件的出現(xiàn)，卻在一定程度上掩蓋了處理細(xì)節(jié)，它以一種看似簡(jiǎn)單的方式對(duì)NS方程加以處理。對(duì)于CFD初學(xué)者來說，計(jì)算流體理論的缺乏，使得他們對(duì)于軟件的一些使用感到無所適從，而且對(duì)于軟件的計(jì)算結(jié)果解讀也無能為力。就拿目前CFD行業(yè)使用最廣泛的軟件Fluent來舉例吧。如果對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的理解不夠深刻，則對(duì)于軟件的一些常見選項(xiàng)，比如穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，湍流還是層流，是否考慮能量方程，采用何種算法進(jìn)行離散等等問題，可能一知半解。他們此時(shí)的做法通常是找一些相類似的例子，按照例子中的設(shè)置方式進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于計(jì)算結(jié)果，有時(shí)候又缺乏現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)驗(yàn)證。因此，他們判斷計(jì)算結(jié)果的手段常常是依靠直覺，這樣進(jìn)行的CFD計(jì)算結(jié)果可靠性可想而知，更不要說應(yīng)用于實(shí)際工程中了。 在很多人的心目中，CFD意味著Fluent，意味著star-cd，意味著CFX等等，是這樣的么？雖然這些軟件功能強(qiáng)大，但是利用它們進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算就是CFD么？在我看來，這充其量只是未經(jīng)驗(yàn)證的CFD計(jì)算過程而已。軟件工程告訴我們：軟件的人機(jī)界面越友好，意味著軟件封裝得越好，也就意味著用戶能夠獲知軟件的工作細(xì)節(jié)的幾率越小。然而，我們也受制于這些軟件的功能限制，比如說現(xiàn)代軟件都對(duì)源代碼進(jìn)行了封裝，功能的擴(kuò)充和擴(kuò)展都必須遵循軟件開發(fā)者的規(guī)定，像Fluent中的UDF與UDS，像CFX與star-cd中的fortran語言。這些二次開發(fā)需要遵循軟件的規(guī)則，一般都是小范圍的擴(kuò)展，核心算法通常是沒辦法改動(dòng)的。當(dāng)然目前有一款稱為OpenFoam的軟件，它是開放源代碼的，有需要研究流體軟件開發(fā)流程及程序的，可以研究。 軟件是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后的產(chǎn)物，其實(shí)在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，CFD就已經(jīng)在工程上有了應(yīng)用。工程上最早應(yīng)用CFD是在天氣預(yù)報(bào)行業(yè)，當(dāng)時(shí)是利用了差分方法進(jìn)行求解。雖然模型是經(jīng)過了大量的簡(jiǎn)化，但是無可否認(rèn)的是采用了CFD方法。計(jì)算機(jī)相對(duì)于人類的計(jì)算能力來說的確具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，在硬件條件允許的情況下，利用計(jì)算機(jī)可以完成以前人類難以想象的問題。但是在CFD應(yīng)用過程中，只有計(jì)算的部分是由計(jì)算機(jī)完成的，其他的部分則和使用者的關(guān)系密切。 1、模型的抽象。雖然說NS方程的格式是幾乎固定的。然而，NS方程的基礎(chǔ)太過寬泛（利用三大守恒定律），因此，受計(jì)算機(jī)硬件條件限制，對(duì)于現(xiàn)實(shí)問題，我們往往需要進(jìn)行大量的假設(shè)。這進(jìn)行假設(shè)的能力是計(jì)算機(jī)無法提供的，因?yàn)楫?dāng)前的計(jì)算機(jī)還不具備識(shí)別現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象的能力。如何進(jìn)行合理假設(shè)，或者說如何假設(shè)才能將誤差降至最小，這是CFD對(duì)于使用者提出的第一大難題。解決這一難題，需要用戶具備深厚的流體力學(xué)功底，具有對(duì)物理現(xiàn)象的深刻認(rèn)識(shí)才行。 2、模型的求解計(jì)算。雖然說這一部分的工作是有軟件來完成，然而算法卻是由人給定的。對(duì)于一定的數(shù)學(xué)模型，采用何種計(jì)算方法，是用有限體積法，有限元法，有限差分法，還是用其他什么方法，這一切的選擇權(quán)都在于使用者。軟件是將用戶的選擇進(jìn)行解析，利用程序員規(guī)定的算法進(jìn)行迭代計(jì)算，并最終給出計(jì)算結(jié)果。然而，算法的選取，控制參數(shù)的設(shè)定，輸入?yún)?shù)的確定等等都是由用戶給定的，而這些參數(shù)的設(shè)置正確與否則與用戶的數(shù)值計(jì)算功底是有密切聯(lián)系的。計(jì)算機(jī)是不會(huì)識(shí)別用戶的數(shù)學(xué)模型而自動(dòng)選取算法的。 3、計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算。這一部分軟件基本上是無能為力的。通常這一部分需要配合現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。其實(shí)這之間存在一個(gè)問題。通常我們認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，利用試驗(yàn)來調(diào)整計(jì)算模型與算法，但是如果對(duì)模型和算法的掌握不是很深的話，是沒有辦法進(jìn)行正確的修正的。因?yàn)槿绻婚_始的模型就是錯(cuò)誤的話，就算對(duì)于某一算例調(diào)整正確了，但是對(duì)于修改了參數(shù)之后的模型是否還適用，那就有待商榷了。因此，驗(yàn)算部分并不是僅僅將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單對(duì)比就了事，而是需要利用試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算模型修正。 4、CFD的工程應(yīng)用。這一部分看似和使用者的理論關(guān)系不大，其實(shí)恰恰相反，這部分對(duì)使用者要求更高。因?yàn)槿绾螌⒂?jì)算結(jié)果應(yīng)用到設(shè)計(jì)上，要求使用者對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的流動(dòng)狀態(tài)有正確的預(yù)測(cè)。比如說要降低U型管中流動(dòng)對(duì)管壁的影響，如果用戶對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的了解不夠深刻的話，那么再好的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)都是毫無作用的。 總之，CFD絕不是一兩款軟件，軟件只是CFD中的一個(gè)工具罷了。要想真正的將CFD應(yīng)用于工程實(shí)際中，真正的利用CFD指導(dǎo)工程實(shí)際，其實(shí)對(duì)于使用者的理論功底要求是很高的。 |
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