CFD，星星之火，可以燎原

2017-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

CFD,Computational Fluid Dynamic,計(jì)算流體力學(xué)。

CFD定義為通過使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬流體的流動(dòng)狀態(tài)。

我們使用模擬(simulation)這個(gè)詞表示我們通過計(jì)算機(jī),通過數(shù)值求解的方式求解控制流體流動(dòng)規(guī)律的方程,重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的流動(dòng)過程。這些流體可以在空間內(nèi),也可以在空間外。空間,我們也使用計(jì)算機(jī)生成的模型來(lái)表示。

因此,CFD求解的整個(gè)系統(tǒng)是虛擬(virtual)的,除了計(jì)算機(jī),CFD調(diào)用的模型是虛擬的,產(chǎn)品也是虛擬的產(chǎn)品。CFD并不提供任何實(shí)物。這和實(shí)驗(yàn)是完全相反的。在實(shí)驗(yàn)中,我們使用真實(shí)的材料去檢測(cè)流體的流動(dòng),或許某些實(shí)驗(yàn)還會(huì)生產(chǎn)出某些產(chǎn)品。

整個(gè)CFD研究的過程中,我們都需要使用可視化的技術(shù)來(lái)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的行為。你肯定玩過電腦游戲,目前在3D電腦游戲中,已經(jīng)可以非常逼真的顯示虛擬現(xiàn)實(shí)。

CFD模擬的流體流動(dòng),也可以認(rèn)為是一種虛擬現(xiàn)實(shí)的體現(xiàn)。

在討論CFD之前,或許我們可以站的更廣一些,我們聊一下當(dāng)今世界最為流行的工程技術(shù):CAE。

CAE,Computer-Assisted Engineering,計(jì)算機(jī)輔助工程。

CAE指的是依賴于計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的成套的解決方案。在這一套工具中,工程師可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析,來(lái)進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)。

當(dāng)今社會(huì)的工業(yè)過程得益于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的計(jì)算機(jī)化大大加速了產(chǎn)業(yè)變革。

在工業(yè)化飛速發(fā)展的過程中,背后最重要的三個(gè)推手分別是:CAD(Computer-Assisted Design),CAE,以及CAM(Computer-Assisted Manufacturing)。

三者的結(jié)合形成了整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)環(huán)境(virtual prototyping environment)。

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工業(yè)產(chǎn)品制造的過程

在CAD中,工程師對(duì)形狀進(jìn)行定義,通俗來(lái)講就是定義工件的外形。CAD的進(jìn)行需要依托CAD軟件,目前基本所有行業(yè)的原型設(shè)計(jì)均需要使用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。CAD軟件對(duì)工件的定義也是CFD模擬工作前期不可或缺的部分。

在定義完外形后,就進(jìn)入了模擬分析階段。也即CAE。CAE目前主要分為CSM(Computational Solid Mechanics),CFD,以及其他的一些如CAA(Computational Aero-Acoustics),CEM(Computational Electromagnetics)等。

在進(jìn)行CAE分析后,若分析結(jié)果令人滿意,那么則進(jìn)入生產(chǎn)階段。這一階段需要依托CAM軟件。很多CAM軟件都可以處理如成模,鑄造等工藝。

整個(gè)產(chǎn)品制造最關(guān)鍵的部分在于CAE,也正是CAE技術(shù)的高速發(fā)展,大大縮短工業(yè)產(chǎn)品的迭代周期。

以汽車工業(yè)舉例,在1970年代,一輛新車的設(shè)計(jì)到生產(chǎn)需要6到8年。在2005年,則縮短到36個(gè)月。在最近,這個(gè)時(shí)間也被縮短到18至24個(gè)月。在航空工業(yè)中,類似的通過計(jì)算機(jī)加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的過程也有目共睹。

在這里需要強(qiáng)調(diào)的是,在工業(yè)產(chǎn)品加速迭代的過程中,幕后真正的推手是廣泛使用的計(jì)算機(jī)模擬工藝。

勢(shì)如破竹的工業(yè)應(yīng)用

回到CFD,通過CFD對(duì)工業(yè)升級(jí)進(jìn)行推動(dòng)是非常直觀的。例如在過去的20年間,通過CFD分析,工程師已經(jīng)將引擎的效率提升到了驚人的地步。

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在上圖中的30年間隔中,SNECMA公司通過調(diào)用不同的CFD數(shù)學(xué)模型對(duì)引擎進(jìn)行優(yōu)化,將效率拉升了10點(diǎn)(注:非百分點(diǎn))。

同時(shí)這個(gè)圖也表示了CFD求解方程的演變。可以看出在1980年代中期,引入了3D無(wú)粘歐拉方程。在1990年代之后,全維度NS方程才進(jìn)入工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)中。

在計(jì)算機(jī)還沒出現(xiàn)之前,科學(xué)家們求解CFD只是為了獲得方程的解。在計(jì)算機(jī)問世之后,更多的CFD數(shù)值解被發(fā)現(xiàn)。早期,計(jì)算機(jī)上的CFD代碼只是為了求解某些特定的問題,隨著計(jì)算方程的增加以及本身存在的普適性,CFD代碼變得越來(lái)越普適性,進(jìn)而適用于越來(lái)越多的工業(yè)問題。這也是商業(yè)軟件license的本源。

目前CFD代碼發(fā)展到今天已經(jīng)非常成熟,且算法改進(jìn)的成本非常低,這種演變主要得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,以及成熟的CFD算法。

在波音公司,CFD已經(jīng)成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的攻堅(jiān)力量。

早在1973年,一個(gè)汽車的算例需要100-200個(gè)計(jì)算機(jī)才能完成。2002年的西雅圖,已經(jīng)完成了約20000個(gè)CFD算例。并且,算例的物理以及幾何越來(lái)越復(fù)雜。

CFD飛速發(fā)展的原因主要得益于:越來(lái)越多的工程師認(rèn)識(shí)到CFD分析可以對(duì)機(jī)翼的設(shè)計(jì)提供重要參考作用,以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力N倍的提升。

波音公式目前已經(jīng)將CFD應(yīng)用于整機(jī)大量的構(gòu)件設(shè)計(jì)中,如機(jī)翼、吊艙、尾翼、客艙等。

"波音777是一個(gè)典型的案例。在波音777的生產(chǎn)過程中,高速翼型的設(shè)計(jì)得益于大量的CFD分析。一旦飛機(jī)的寬度固定后,客艙的外形也依賴于CFD分析。這樣就不需要進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。在未來(lái),客艙完全不需要風(fēng)洞進(jìn)行分析。依賴于CFD,所需要的翼型樣本的風(fēng)洞測(cè)試也大幅度降低。在過去的20年間,通過CFD對(duì)商業(yè)飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),節(jié)約了波音公司百萬(wàn)美元的成本。然而,CFD對(duì)我們公司的價(jià)值,可不僅僅是這百萬(wàn)美元的價(jià)值。"

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除了生成成本的降低,CFD對(duì)生產(chǎn)的重要影響在于他縮短產(chǎn)品所用的時(shí)間。

飛機(jī)制造的速度目前越來(lái)越快,這也得益于CFD的發(fā)展,否則飛機(jī)的更迭難以滿足人類的需求。時(shí)間對(duì)于市場(chǎng)來(lái)說是至關(guān)重要的。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的效率降低將會(huì)對(duì)嚴(yán)重拖累整個(gè)生產(chǎn)周期。通過CFD,目前甚至可以同時(shí)進(jìn)行各種流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)的分析,相對(duì)于節(jié)約成本來(lái)講,這種時(shí)間上的節(jié)省是無(wú)法估量的。

伴隨CFD在工業(yè)過程中的廣泛應(yīng)用以及創(chuàng)造的無(wú)法估量的價(jià)值。另一方面是計(jì)算機(jī)性能的大幅度提升。從1955年到2005年,計(jì)算機(jī)的計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)從10e-5GF/s上升到10e6GF/s

除了在汽車以及航空工業(yè)的應(yīng)用,CFD還廣泛應(yīng)用于能源(燃燒模型求解),石油化工(多相模型求解),醫(yī)學(xué)(非牛頓流體以及顆粒輸運(yùn)模型求解),宇航(無(wú)壓力氣體動(dòng)力學(xué)模型求解)等。

CFD求解的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是他可以提供求解域內(nèi)全部得信息。例如在化工的攪拌反應(yīng)器中,實(shí)驗(yàn)過程可能只會(huì)檢測(cè)某一點(diǎn)、某一局部區(qū)域的流場(chǎng)特性或者傳質(zhì)行為。但是CFD缺可以提供全場(chǎng)的信息。

難以逾越的鴻溝

CFD也存在局限,CFD結(jié)果絕對(duì)不是100%可信的。主要原因在于:

輸入的條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化;
計(jì)算機(jī)能力并不能夠進(jìn)行高精度格式的計(jì)算;
模型本身的理解可能存在缺陷;

目前學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界依然有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的工程師在為了解決CFD的局限廢寢忘食。

其中一個(gè)最主要,最廣泛,最被重視問題就是湍流。

“Whither Turbulence?”

--John Lumley

從數(shù)學(xué)來(lái)講,湍流其實(shí)是可以直接求解的,也即直接模擬(DNS)。但是DNS需要依托大量的網(wǎng)格單元來(lái)捕獲湍流中最小的渦尺度,也需要調(diào)用非常小的時(shí)間步長(zhǎng)解析渦的演變。

目前的計(jì)算機(jī)能力還打不到DNS在工業(yè)應(yīng)用的要求。

目前在工業(yè)應(yīng)用中主要使用RANS模型或者LES模型,兩種模型在計(jì)算資源的需求上大大降低了需求,但是由于模型引入的各種假定,也使得在某些情況下的預(yù)測(cè)結(jié)果不盡人意。

另一個(gè)更加富有挑戰(zhàn)性的為多相流。工業(yè)過程中往往是湍流和多相過程的疊加。在現(xiàn)存的多相流中,存在了大量的模型上的假定。如顆粒是圓形的,顆粒不能破碎等。這些假定也導(dǎo)致CFD對(duì)復(fù)雜的工業(yè)過程預(yù)測(cè)能力有限。

好在,CFD的精度也依賴于模型:

層流要比湍流更準(zhǔn);
單相要比湍流更準(zhǔn);
冷態(tài)要比熱態(tài)更準(zhǔn);
單組分要比多組分更準(zhǔn);
簡(jiǎn)單幾何要比復(fù)雜幾何更準(zhǔn);

如果工程師要模擬煤燃燒以及氣化,當(dāng)然CFD提供的結(jié)果存在一定的不確定性。但這并不表明CFD結(jié)果是不可信的。相反,已經(jīng)存在大量的可代替實(shí)驗(yàn)的CFD分析算例。

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PHOENICS預(yù)測(cè)的浮力傳熱數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

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PHOENICS預(yù)測(cè)的鼓泡床數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

CFD,未來(lái)的承諾

雖然CFD依然存在一些難以解決的數(shù)學(xué)問題,不可置否的是CFD目前已經(jīng)成為一個(gè)廣泛使用的工具。通過CFD對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)可以節(jié)約大量的時(shí)間成本和資本。

工業(yè)界中,CFD分析主要依托非常專業(yè)性的CFD工程師來(lái)進(jìn)行。學(xué)術(shù)界中,越來(lái)越多的學(xué)者參與了CFD模型以及算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在不遠(yuǎn)的未來(lái),通過CFD進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析,或許會(huì)對(duì)人類產(chǎn)品的生產(chǎn)制造產(chǎn)生一次根本上的變革。

CFD,星星之火,可以燎原。

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