对CFD软件的10个争议（上）( 二 ) 原力蒋光南工业软件行业观察

另外，原文题目为《The 10 Myths ofComputational Fluid Dynamics》，使用了Myth一词，可以翻译为迷思、误区、误解，不过从内容上看，解释为“争议”更贴近事实，因为文章的某些观点，从问题出发，本人认可，但从其结论和证据上看，还远远站不住脚。
本文在努力把一些能够检索到或掌握的相关知识补充进去，以使文中的某些结论更能立住脚，使本文的观点更有价值。
二
争议1：CFD过于深奥以至于无法在设计过程中使用
在最近国外对机械设计工程师的调查中，有58.1％的人表示，大多数工程师没有使用CFD软件所需的专业知识和经验。原因很可能是迄今为止的许多CFD软件要求用户能够深入了解流体力学计算方法才能获得相对准确的结果。例如，用户需要知道如何将CAD模型转换为可供CFD求解的对象，这之后需要对CAD进行“逆向”建模，即对不包含实体模型的流动空间进行建模，在这个过程中，通过创建正确属性的空间网格，以确定边界条件，还需选择正确的环境物理模型，并不断调整求解器设置以确保计算的收敛等等。这一过程繁琐和专业，对于不具备相应专业知识及操作经验的工程师来说，正确的求解CFD几乎是无法完成的任务。
文章插图
图1 用于西门子NX软件的嵌入式CFD功能包
过去几代的CFD软件在操作时还需要对模型进行大量的调整和修正，例如手动修改单元以改善网格质量，并调整求解器设置（例如松弛因子），以使其能够收敛。这些专业操作都需要CFD专家技能来完成，也也是导致CFD不能在设计过程中广泛被使用的另一个原因。
“与流体或气体相互作用的每个对象以及涉及流体或气体的每种产生过程都是流体力学分析的基本内容。 ”
不过在最近几年中，新一代CFD软件引入了新技术来解决过去导致CFD软件不能广泛应用的主要问题。例如新一代CFD软件可以采用实体 CAD模型，以对流体空间进行自动网格划分，并将流体参数作为基于对象的方式进行管理，还有诸如基于格子-玻尔兹曼方法（LBM）、气体动理统一算法（GKUA）、光顺粒子-有限体积法（SPH-FV）它们采用无网格方法(笛卡尔网格，商业产品中能够实现计算过程中的网格加密推进) 。这些新方法的引入使工程师无需了解CFD的计算部分，只需要他们专注于了解和掌握的与开发的产品间密切有关的流体动力学基本知识和技能。
最新一代的CFD软件还包括完善的自动控制功能，以确保几乎所有流体问题都能在软件中收敛，且无需过多的手动调整，实现这一能力的最重要功能是能够自动控制网格质量，以避免计算中的发散，实际上，基于NS方程的CFD软件从理论上来看，无法收敛的唯一情况是非定常流问题，通常可以通过切换到瞬态分析来解决此类问题。而对于使用基于玻尔兹曼方法或气体动理学这样的显示算法的CFD软件，在理论基础上就保证了计算收敛几乎不会成为什么问题，当然为获得更好的精度，承受巨大的计算量则在所难免。
我们可以看到，现在使用CFD软件所需的技能仅需要CAD建模和了解分析对象环境物理原理，这两者是绝大多数设计工程师已经具备的。因此，工程师可以将自己的时间和精力集中在优化产品的性能上，而不是操作CFD软件。
三
争议2：设计过程中使用CFD会导致工作量大增
文章插图
图2高效的电子机箱的热仿真
CFD分析长期以来一直作为产品设计过程基本完成之后开展性能验证的一种手段。局限于这种用途的主要原因是，在过去很长时间里，使用CFD软件进行分析需要耗费很长时间。如果要在产品设计过程中对设计迭代进行分析，其所花费的周期往往滞后于设计迭代的速度，也就是说，在获得CFD结果之前，可能该迭代已经被其他迭代所取代。这种耗时主要花费在两个阶段，前处理阶段的网格划分过程和求解阶段的计算过程。其中如果分析对象复杂，网格划分又是占用最多时间的工作，在过去，这一工作主要由耗时的手工操作来完成。前处理过程的工作内容包括将CAD的几何模型转换为可供CFD求解的CAE模型。从CFD计算模型的要求来看，首先需要完成的是从CAD模型中提取或重新创新一个空腔，这一工作随着CAD模型的复杂程度，其工作的繁琐程度也呈指数式上升。另一个占用巨大工作量的是网格划分，尤其是在处理边界网格以得到良好的可供求解的网格模型时，工作量更是巨大。虽然CFD的自动网格划分工具早已有之，但仍需大量的人工干预，以通过消除缝隙和重叠并保持所需的偏斜度、纵横比、翘曲和修正单元体积来保持良好网格质量。显而易见，对于每次的设计更改，如果都必须重复此手工过程，把CFD作为产品设计过程的一部分显然既不现实也不经济。