对CFD软件的10个争议（上）原力蒋光南工业软件行业观察

原力蒋光南工业软件行业观察
原力
“工业软件行业观察”公众号特约专家，上海索辰信息科技股份有限公司副总裁，天津职业技术师范大学客座教授，从事软件研发相关工作25年。
原文由Ivo Weinhold, John parry发表，原力、蒋光南编译。
迄今为止，物理学家发现自然界中至少存在四种基本相互作用的力，强核力、弱核力、电磁力和引力，这四种力解释了客观世界微观到宏观的各种现象。对于数学表达宏观物体性质的数值仿真来说，也有四个基本场，即结构（固体）、流体、电磁和温度场，能够求解这四个场的数值方法，以及它们间的组合（多物理场和多学科联合）作为工程仿真的主要方法，能够在一定时空范围内，在特定的边界下对物体的性能给出解决方案。
众所周知，结构（固体）力学在四个基本场中相对易于理解，它主要解决一个结构在受到外力后发生变形，从而导致位移，应力，应变的现象。在工程仿真中是最先获得重视和突破的，也是工程中最普遍、应用最广泛的学科；紧接着的是热力学，单纯的温度场在工程中意义不大，通常我们说热，是泛指了温度场和热应力，在工程中我们更关心热传导和热应力问题，典型的如热传导、固热耦合或热弹性问题；电磁场计算在现在及未来应用将会非常广泛，是随着信息时代不可避免地兴起的，但目前来看，在高频中，复杂的电大尺寸在工程上还存在一定瓶颈；最后是流体力学，简单来说，空间的每个点都有压力和速度，压力形成了一个数值空间，速度也形成了一个数值空间，前者是压力场，后者是速度场，二者合在一起，就是流场，那么流体力学就是在求解空间中速度和压力以及时间坐标函数，流体力学是近10年发展和应用最迅速的学科，只要是在与介质存在相对运动的物体，不可避免的都存在流体问题的影响。
之所以在前面用一点篇幅来描述与工程仿真相关的几个基本概念，我们会发现，其中流体力学解决的不仅仅是工程问题的终点，它很多情况下是问题的起点，也是问题的过程，例如流场决定了物体的外形，这是工程的终点，求解气动弹性和气动强度时气动力是结构强度的条件，这是工程的起点，而热流场描述了热对流的过程，这则是工程的过程。
相比其它专业，并不能说计算流体力学（CFD）对于工程就更重要，更广泛，它的成长期也仅仅30年，高速发展还是这10年间的事情。但长期以来工程师们形成的认识都认为CFD仿真操作过于困难、计算效率低和代价昂贵，流体仿真还无法成为主流设计过程的必需部分来执行。这一观点是基于10年前普遍对流体仿真的现实情况所形成的共识，而且长期以来这些观点都相当根深蒂固，虽然这10年来， CFD工具有了巨大的变化和改进。现如今，使用CFD仿真工具已经变得更容易，快捷和廉价。但是对它初始的映像却没有随之发生改变，很大程度上， CFD工具存在的缺点现在仍然存在，因此始终存在着一些争议，它们阻碍了在机械设计的早期阶段更多地使用CFD方法。从另一方面看，这些争议也很好解释了为什么全世界有超过数百万的机械设计工程师，而其中能够熟练使用CFD方法来对内外流场进行仿真模拟的工程师也许不超过百分之一。
一
目的与范围
如今， CFD仿真软件种类繁多，解决的问题也在向更复杂的场景发展，如不可压流场、湍流、转捩、旋转机械、多相流等等。本文根据engineering网站的《The 10 Myths of ComputationalFluid Dynamics》白皮书，并整理了一些相关材料，结合一些国内外在CFD方法及软件最新进展来探讨对CFD软件使用中的一些争议，希望一定程度上帮助工程师改变固有看法，或打破思想樊篱，能充分使用的CFD工具来用于改善产品性能，从而缩短设计周期并降低工程成本。
此在讨论这些争议之前，应该先阐明一下本文的范围。本文讨论涉及CFD市场的最广泛部分，即基于Navier-Stokes方程的商业通用CFD软件。也会讨论一些基于玻尔兹曼（BM），如使用Lattice-Boltzmann无网格方法的CFD软件。不过本文对一些特定应用领域的CFD软件，例如注塑工具，电子冷却，数据中心冷却模拟等有意排除，因为这些量身定制的功能为客户带来了的价值是与通用的CFD软件不同的。
在本文整理过程中，发现原文对某些技术和方法描述语言不详，对CFD软件功能能够产生的效果没能给出可信的技术说明，这导致原文中的某些观点有些似是而非，夸大了实际效果，在这一问题上，存在原文受到赞助商资助的影响，文章有一定商业推广的倾向。不过，其主要观点本身并没有问题，提出的见解也是CFD软件开发商努力实现和期许的愿景。