对CFD软件的10个争议（上）( 三 ) 原力蒋光南工业软件行业观察

【对CFD软件的10个争议（上）】新一代CFD软件通过实现模型转换、修复和网格划分的自动化，来大大减少工程师使用CFD分析问题所需的大量时间。在新的方法和功能中，软件努力实现原始CAD数据不需要抽取表面形成空腔就可直接用于流体流动的模拟，且无需对模型进行转换和处理。这些功能典型的技术包括通过包面（Wrapping Surface）方法对CAD模型，尤其是装配模型自动处理，形成封闭的表面几何；另外可以采用贴体网格算法自动生成网格，并使用调节因子对网格质量进行控制；其它是使用非机构化网格来生成界面网格。
另外，流体仿真所需的条件数据（例如材料属性和边界条件）可以关联到CAD模型也是提升效率的重要方法，如通过“标签”类似的技术在CAD模型和流体计算模型间形成可继承和复用的属性对象，使之在CAD设计更改时可一起携带并继承到自动划分网格的计算模型中从而实现自动迭代。通过上面的技术相当于做到了自动识别CAD模型并进行处理，包括识别计算模型的流体区域和实体区域，而无需用户交互和干预，同时在自动处理几何时，通过表面包覆的方法，对缝、小孔、重叠等几何错误进行修复。而自动网格划分器创建网格时，将偏斜度，长宽比，翘曲和单元体积等控制以调控因子的方式来适配，从而可根据给定求解问题的性质来调控网格生成，使网格保持在计算收敛的质量水平。通过提高上面提到的以及更多新的功能和方法，能够很大程度上消除手动干预的工作。这些特性，能够使新一代CFD软件在新设计更改后，短期内自动完成网格划分，从而大大减少了分析所需的准备时间。
而采用无网格方法的流体计算软件，则在此类占用大量工作量和时间的CAD模型转换和网格划分工作中优势明显，因为它们可以采用笛卡尔或可变形空间体积单元来填充流体空间区域，这种处理过程在一定层面上简化了对几何模型处理的工作强度，而且填充流场空间可在求解时动态完成，这显然节省了大量处理时间。
四
争议3：成本昂贵阻碍了CFD软件在机械设计师中使用
在过去很多年里，限制CFD软件使用的另一个主要因素是其高昂的成本。例如过去大多数传统CFD软件的租赁费用约为每年25,000美元，而以永久许可购买成套软件的成本则非常昂贵。不仅如此，对于大多数CFD用户而言，更大的成本是人力成本，即需要雇用专业的CFD分析专家来运行软件和求解问题，这样的CFD专家无论在哪里都是凤毛麟角。
文章插图
图3 高成本效益的CFD应用 - 汽车涡轮增压器的仿真模拟
过去，所有CFD软件都需要专业的分析专家来操作，就算到现在为止，大多数的CFD软件仍然只适合于专家，因为传统CFD软件要求用户对计算流体力学的数学方面要有深入的了解，以及在流体计算方面有深厚的经验技能。这导致使用CFD软件的工程师需要花费大量时间进行培训，以及在大量工程中进行实践操作，这样才能跟上CFD软件技术升级的速度。近年来，很多CFD软件还需要特殊硬件来适配，例如高性能计算机或超级计算机，以便在使用CFD求解问题时可以在相对合理的时间内获得结果。
相对的，随着CFD技术和方法的发展，新一代CFD软件的主要市场竞争目标放在两个方向上：降低成本和专业门槛，以使CFD软件作为生产力工具在主流设计过程中广泛使用。其中首先是尽可能地降低CFD软件的综合使用成本，包括购买租赁成本，以及降低使用的人力成本。例如现在有些CFD软件永久许可的成本已降至约25,000美元左右，持续的成本支出大约是每年18％左右的维护费。其二是新一代软件的大量功能是为了降低专业门槛，目的是能够使机械设计工程师只需进行很少的培训即可使用CFD 。机械设计工程师可以在熟悉的CAD环境中运行CFD仿真，而用户无需了解CFD涉及的数学专业。例如BMW把CFD仿真引入到工业设计工作中的案例，在汽车外形工业设计中，就引入CFD分析来帮助设计师校核外形的可行性，在美观与实用两者间寻找最优设计。再有一点，对CFD使用的成本降低也起到了很大作用，计算机算力成本的极大降低，为CFD广泛使用带来了机会，如现在的工作站算力就相当于早先的超级计算机，而相对廉价的云计算也能大大降低CFD的计算成本。
五
争议4：无法直接使用CAD模型进行CFD分析