搜索周華老師談CFD技術的可信度問題
2017-02-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
文章引用地址:http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=59043&extra=page%3D1
CFD技術是數(shù)值仿真技術中的重要分支,是計算機技術與流體力學理論相結(jié)合形成的一個技術領域。CFD技術最早的實踐活動可以追溯到Richardson早期利用數(shù)值方法進行的氣象預報活動,其后雖然陸續(xù)有人開展過一些研究活動,但CFD技術獲得大的發(fā)展是從1960年代計算機技術大發(fā)展之后才實現(xiàn)的。
CFD技術的最大優(yōu)點是在將其運用到工程研發(fā)中時,可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個虛假的結(jié)果。因此,關于CFD模擬技術是否可信的爭論實際上是一直存在的。解決這個爭論的辦法一方面可以來自數(shù)學上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準確性。由于流體力學控制方程的數(shù)學性質(zhì)比較復雜,從數(shù)學上證明解的正確性和準確性在大多數(shù)情況下是無法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準確性實際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學研究過程實際上也不新鮮,我們雖然沒有這樣明確提過,但在實際工作中或仿照國外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過。比如將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無關性驗證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應用。CFD軟件開發(fā)過程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對不能成功的。
在實際工作過程中也經(jīng)常遇到使用單位對模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點往往就是上面所說的虛假解的問題,還有就是數(shù)值精度問題?；卮疬@種問題的答案也只能是用工程管理辦法,通過流程設計和控制,在體系上給予保證。美國和歐洲國家就是這么做的,我們當然也可以這么做?？陀^地說,國內(nèi)CFD技術與歐美國家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動中,特別是一些大型研發(fā)項目中,這種現(xiàn)象會表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開放式專題研究活動”主要目的是考查各種算法在飛機氣動設計上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無網(wǎng)格等)對數(shù)值模擬的影響,以及國內(nèi)CFD仿真的實際水平。之所以采用開放的研究方式,在網(wǎng)上公開召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對這個領域的實際力量給予正確評估。比如有些網(wǎng)友平時可能不在航空領域工作,但是CFD研究水平和應用水平很高,完全有能力參與航空領域的仿真工作,這次活動就給這些網(wǎng)友提供一個展示機會。我們平時在網(wǎng)上也會遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機會證明自己的能力。另外剛剛進入飛機流場數(shù)值分析領域的網(wǎng)友,也可以通過這次實戰(zhàn)活動得到真實的鍛煉,獲得大量資料,得到實質(zhì)提高。
這次活動醞釀時間很長,將來類似的活動還會不斷推出,活動的最后會以workshop的形式進行現(xiàn)場交流。這次活動在形式上是個創(chuàng)新,對國內(nèi)氣動計算水平的提高也必然有很大的促進作用,令領域內(nèi)的各方都能清醒認識到國內(nèi)CFD技術的實際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動,也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動中來。
CFD技術的最大優(yōu)點是在將其運用到工程研發(fā)中時,可以大大降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,其最大缺點則是CFD模擬得到的結(jié)果有可能是一個虛假的結(jié)果。因此,關于CFD模擬技術是否可信的爭論實際上是一直存在的。解決這個爭論的辦法一方面可以來自數(shù)學上的求證,比如證明解的存在性、唯一性、穩(wěn)定性等等,另一方面則可以通過建立一定的工作流程保證數(shù)值解的正確性和準確性。由于流體力學控制方程的數(shù)學性質(zhì)比較復雜,從數(shù)學上證明解的正確性和準確性在大多數(shù)情況下是無法做到的,因而用工程管理的理念保證數(shù)值解的正確性和準確性實際上是唯一的選擇。
工程管理辦法介入科學研究過程實際上也不新鮮,我們雖然沒有這樣明確提過,但在實際工作中或仿照國外模式,或根據(jù)別人論文中展現(xiàn)的慣例,都多多少少地在工作中使用過。比如將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比,以證明結(jié)果的正確,比如網(wǎng)格無關性驗證等等,都是工程理念在數(shù)值分析工作中的應用。CFD軟件開發(fā)過程中更要大量引入流程管理等理念,否則是絕對不能成功的。
在實際工作過程中也經(jīng)常遇到使用單位對模擬結(jié)果的質(zhì)疑,其質(zhì)疑點往往就是上面所說的虛假解的問題,還有就是數(shù)值精度問題?；卮疬@種問題的答案也只能是用工程管理辦法,通過流程設計和控制,在體系上給予保證。美國和歐洲國家就是這么做的,我們當然也可以這么做?？陀^地說,國內(nèi)CFD技術與歐美國家的差距,表面上是數(shù)值理論研究的差距、CFD專業(yè)軟件數(shù)量的差距,背后還有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果,背后的差距則是不易看到的因。在研究活動中,特別是一些大型研發(fā)項目中,這種現(xiàn)象會表現(xiàn)的更加明顯。
這次“航空CFD可信度開放式專題研究活動”主要目的是考查各種算法在飛機氣動設計上的有效性和精度,各種網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格、無網(wǎng)格等)對數(shù)值模擬的影響,以及國內(nèi)CFD仿真的實際水平。之所以采用開放的研究方式,在網(wǎng)上公開召集大家參與研究,主要是希望能最大限度地對這個領域的實際力量給予正確評估。比如有些網(wǎng)友平時可能不在航空領域工作,但是CFD研究水平和應用水平很高,完全有能力參與航空領域的仿真工作,這次活動就給這些網(wǎng)友提供一個展示機會。我們平時在網(wǎng)上也會遇到一些深藏不露的高手,這次也希望這些高手能利用這次機會證明自己的能力。另外剛剛進入飛機流場數(shù)值分析領域的網(wǎng)友,也可以通過這次實戰(zhàn)活動得到真實的鍛煉,獲得大量資料,得到實質(zhì)提高。
這次活動醞釀時間很長,將來類似的活動還會不斷推出,活動的最后會以workshop的形式進行現(xiàn)場交流。這次活動在形式上是個創(chuàng)新,對國內(nèi)氣動計算水平的提高也必然有很大的促進作用,令領域內(nèi)的各方都能清醒認識到國內(nèi)CFD技術的實際發(fā)展水平,因此我們流體中文網(wǎng)將積極參與這次活動,也希望我們的網(wǎng)友投身到這次活動中來。
發(fā)現(xiàn)很多人對可信度問題還不是很了解,我再多羅嗦幾句算作拋磚引玉。CFD的可信度問題可以說是CFD與生俱來的問題,因為CFD工作是在計算機中完成的,建立的是虛擬流場,所以就有一個計算結(jié)果是否可信的問題。從工程角度看,CFD的結(jié)果如果可信,就可以直接應用到工程實際中,這樣將導致研發(fā)成本的大大下降,研制周期的大幅縮短等好處,但是由于CFD本身與流體力學的復雜現(xiàn)象、數(shù)理模型的準確度、數(shù)值模型的準確度、網(wǎng)格的影響等因素都有關系,因此建立可信度并不是一個簡單的事。1998年AIAA曾經(jīng)推出過一個CFD校核與驗證方面的指南,他們的最終目標是建立指南、實踐和標準三樣東西,但是到現(xiàn)在為止,我還沒發(fā)現(xiàn)他們拿出實踐(practice)和標準(standard)這兩樣東西,說明這方面的流程和標準還是很難統(tǒng)一的。歐美國家的工業(yè)化程度高,工程觀念很普及,因此他們很早就開展可信度方面的工作,在這方面的積累也比我們多得多,對研發(fā)工作的推動作用就更明顯,可以說大大推動了飛機的研制工作。比如統(tǒng)計數(shù)字表明,在以風洞為主要氣動工具的時候,研制一架飛機大約要制作幾十個風洞試驗模型,現(xiàn)在則僅需幾個模型,再考慮到飛機周期的縮短、風洞試驗小時的縮短帶來的種種效益,CFD工作可以毫不夸張地說已經(jīng)成為氣動設計的主要工具。但是即便如此,CFD在歐美國家也沒有完全取代風洞試驗,比如在飛機結(jié)冰計算領域,CFD仿真結(jié)果仍然不能作為適航驗證工具參與驗證工作。
CFD的可信度問題本質(zhì)上是一個質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗證(validation)工作。這兩項工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設計大綱,驗證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說,CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設計大綱正確地寫入了數(shù)學模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設計工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問題顯然是一個工程性很強的問題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過去一直仁者見仁智者見智,但是顯然都沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過內(nèi)部測試過程,是一個在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個具體問題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時目前國內(nèi)市場上的商用軟件都是國外產(chǎn)品,難免由于國外對中國的市場禁運等因素影響,在功能和精度上會差于國外同類軟件。因此對于國內(nèi)設計單位來說,其實所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過這樣的考驗后,設計單位對CFD的實際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個地方,用到哪種程度了。
CFD的可信度問題本質(zhì)上是一個質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問題,其核心內(nèi)容就是校核(verification)與驗證(validation)工作。這兩項工作都是工程單位的質(zhì)量工程師的主要工作內(nèi)容,校核就是保證產(chǎn)品(在CFD中就是程序和軟件)功能滿足設計大綱,驗證就是保證產(chǎn)品滿足功能需要(在CFD中就是滿足精度要求)。具體地說,CFD的校核工作就是要檢查程序和軟件中是否按設計大綱正確地寫入了數(shù)學模型(包括基本方程、湍流和其它物理模型),數(shù)值格式是否正確加入代碼等等。驗證工作就是看這些程序和代碼的精度如何,確定大致的誤差帶,以便在設計工作中使用這些數(shù)值結(jié)果。
可信度問題顯然是一個工程性很強的問題,目前流行的商業(yè)軟件和自編程序很多,究竟各種軟件的精度如何過去一直仁者見仁智者見智,但是顯然都沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)工程方法的校核與檢驗。目前多數(shù)人的看法是:商業(yè)軟件大多經(jīng)過內(nèi)部測試過程,是一個在軟件工程管理下形成的產(chǎn)品,因此質(zhì)量更有保證;自編程序則由于專注于某個具體問題的模擬,可能其模擬精度高于普通商用軟件。同時目前國內(nèi)市場上的商用軟件都是國外產(chǎn)品,難免由于國外對中國的市場禁運等因素影響,在功能和精度上會差于國外同類軟件。因此對于國內(nèi)設計單位來說,其實所有軟件和程序都需要建立可信度。經(jīng)過這樣的考驗后,設計單位對CFD的實際效果就能做到心中有數(shù),也就能確定CFD用在哪個地方,用到哪種程度了。
開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術文章,助你自學成才
相關標簽搜索：周華老師談CFD技術的可信度問題 CFD培訓 CFD流體分析培訓 cfd視頻 fluent cfx pumplinx軟件培訓 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓
編輯
