【原创】CFD软件的那点事儿

总是有人在问CFD是否有前途的问题。其实要回答这个问题，还得从CFD的用途及发展说起。我们先来关注以下几个问题：（1）什么是CFD技术？CFD技术与CFD软件有何区别？（2）为什么使用CFD？（3）怎样使用CFD？ Q1：什么是CFD技术？CFD技术与CFD软件有何区别？众所周知，CFD是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的英文简称。是一门采用数值计算方法研究流体流动和传热的学科。其结合了计算机技术、数学、流体力学理论，涵盖的范围非常广泛。简单的说，CFD是一门学科，同时也是一门技术。再来看CFD软件。既然CFD技术中需要使用到数值计算方法，因此，利用计算机进行计算就成了一件理所当然的事情。通过编制CFD数值计算程序或软件，人们可以很方便的使用CFD技术进行流动问题求解。从这个角度来说，CFD软件是在CFD技术与工程技术人员之间提供了一个接口。如下图所示。图1

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CFD技术的主要功能大致可包括两方面的内容：（1）揭示流体流动现象本质；（2）预测流体动力行为。工程技术人员利用CFD技术的最终目的是将其应用于工程设计中，最根本的方式是利用CFD技术预测流体动力行为。因此，如果将CFD理论及其工程应用称之为CFD技术的话，那么CFD软件只是其中的工程应用实现环节，并不能等同于CFD技术本身。这里将CFD技术进行一个简单的归类，如下图所示简要的介绍了CFD技术的不同研究方向，如CFD理论方面的研究，包括数值计算模型开发（如湍流模型、燃烧计算模型等）以及数值算法的开发（如各类离散格式等）。对于CFD软件方面的研究，则主要包括软件架构设计及大规模并行算法开发等。而对于CFD工程应用则较为广泛，基本上可归为三类：现象调查、数值预报及数值优化等。图2

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Q2：为何使用CFD？研究流体流动问题通常可采用三种方式：理论解析法、实验法及CFD方法。其中CFD技术出现较晚，属于比较新的方法。而理论解析法与实验法的历史则较为悠久。解析法主要是利用力学基本理论、量纲分析、相似理论等方法，利用数学工具从理论上研究流体流动规律。解析法的最大好处是通用性强，只要输入相应的参数，即可获得想要的结果。然而，由于现实世界的复杂性，在利用解析方法研究流体流动问题时，不得不对物理现象进行简化处理，这会造成模型精度上的损失。解析法只能处理简单的理想的物理现象。对于复杂的物理现象，往往很难利用解析法抽象出模型。实验法是使用较多的研究方法。在流体问题研究中，实验法也是用得最多的方式。采用实验的方式可以获取物理量的真实值。然而，实验法也有其局限性，首先，实验成本很高。构建实验环境及实验设备购买均需要投入较多的资金。其次，实验条件的调整比较困难。要想构建与现实条件完全相同的实验环境几乎是不可能的。同时，若要通过实验方法研究理想条件下的物理现象也几乎是不可能的事情。另外，采用实验的方式进行流体流动研究时间成本也很高。往往需要进行很多组实验并对实验数据进行处理，才可能得到结果。CFD方法可以看作是利用计算机进行虚拟实验。CFD除了具备现场试验的一些特征外，其还具有边界参数调整方便、实验环境理想化、实验周期短等优点。然而，CFD方法也具有其局限性。首先，CFD计算的可靠性问题还有待验证。在将现实世界抽象为数学物理模型时，可能会引入误差，同时在将数学物理模型离散成数值计算模型时，同样也可能引入误差。随着计算机技术的发展，物理模型的保真度越来越高，CFD技术的应用将会越来越广泛。这三种方法各有利弊，其实是相互依存的，在进行流体问题研究过程中，常常要将他们结合起来一起进行研究。比如说，在利用CFD技术过程中，常常需要利用解析方法分析物理现象进行模型简化处理，在CFD计算结束之后，常常需要利用实验方法获取的实验结果对计算数据进行验证和修正。由于CFD技术具备较多的技术优势，且随着计算机技术的发展，CFD技术的应用将会越来越广泛。当然会有人质疑"为何CFD技术在国内得不到应有的重视？"。这里简要的分析一下原因。总结起来，CFD得不到应有的重视，其原因大致可分为以下几种：（1）国内实验条件跟不上，数据积累不够。在CFD应用的早期阶段离不开大量的实验数据。盲目的使用软件会导致CFD技术被误解，甚至可能造成灾难性的结果。由于实验投入太大，一般的企业不愿意进行此方面的投资，转而仅仅利用CFD软件进行分析，在缺乏实验数据校正的前提下，可能造成计算分析结果与实际偏离较远（由于CFD使用与操作人员素质紧密相关）。（2）由于CFD发展较晚，在国内更晚。因此很多设计人员不相信CFD计算结果。他们宁愿使用设计规范和经验公式进行计算，哪怕是得出保守的结果。CFD的发展离不开实验数据的积累，相信随着技术的发展和数据的积累，CFD技术在工程设计过程中会占有一席之地。 Q3：应该如何使用CFD软件？前面其实已经提到了CFD使用过程中的一些基本规则，这里再详细的阐述一下。我们都有这样的生活经验：在利用度量衡工具进行测量的时候，往往都需要进行校准。CFD软件在使用过程中同样需要进行校准。虽然说CFD软件在开发过程中已经进行了严格的系统测试，但是在利用CFD软件的时候，还必须进行校准测试。这里提到的校准测试主要指的是模型校准。针对不同的物理现象和特定的工况情况下，一些敏感输入参数必须通过实验数据进行校准。然而很不幸的是，没有经过模型校准就直接利用CFD软件进行计算的例子比比皆是。试想一下，你能指望能用一把不精确的尺子测出精确的距离来么？因此，CFD软件使用的第一步是进行模型校准。CFD软件使用的第二步是设置正确的计算参数。计算机界有一句名言"Garbage In Garbage Out"，翻译成中文就是"垃圾进垃圾出"，意思是对于计算机程序来说，如果输入参数不能保证其正确性的话，那么输出数据也就无法保证其正确性。很不幸的是，CFD软件有着众多的输入参数，很多输入参数的输入必须通过实验手段才能取得（如边界参数），如果不能保证这些输入参数的正确性，那么输出结果就存在极大的不确定性。CFD软件读取用户准备的数值计算模型进行计算，用户可以通过一些专业的后处理软件以图形图表的方式显示这些数据，但是仅仅拥有数据还不足以支持我们进行产品设计。要如何更好的利用这些数据呢？这里不得不提一下数值优化问题。我们从软件的输入输出来考虑。通常我们输入一组参数，利用CFD软件可以获得一个计算结果。通过合理安排试验参数，进行多组数值实验，就可以获得多组实验数据。通过数学手段研究这些输入与输出之间的关系，可以建立起数值优化控制模型，从而得到在何种输入参数组合下获取最优输出结果。如下图所示为CFD软件的一般使用过程，红色线条表示正向流程，蓝色线条表示反馈。图3

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图中的输入参数不仅包括边界参数，同时还包括网格数据、计算控制参数等。图中计算结果指的是利用CFD软件计算获得的直接结果。推荐另外两篇关于CFD：http://www.yanfabu.com/News_index_viewPage_id_641http://www.yanfabu.com/News_index_viewPage_id_642

分析的很详细啊

总结的不错，顶一个~

国内CFD产业还在不断的壮大，希望中国的创新能力能越来越强，而不是一味的抄袭

目前我国制造业企业CAE仿真创新技术应用深度和成熟度依然较低，仍然处于仿真应用的初级阶段，停留在“规定动作”使用阶段，即设计验证（验证设计）的仿真应用阶段，尚未进入“创新动作”的深化应用范畴，即多学科系统优化、可靠性分析和数据及流程管理阶段。CFD在国内的应用氛围还远远落后于国外的应用水平。尤其是在化工领域，还是处于实验室的“保守阶段”，做实验的不相信做CFD的结果，做CFD的嫌弃做实验的。但长远来看，CFD作为仿真计算领域的大户，必将在工程研发过程中起着举足轻重的作用，为“仿真驱动创新”提供强大的源动力。

楼主好强大