CFD，星星之火，可以燎原

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

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

CFD定義為通過使用計算機來模擬流體的流動狀態(tài)。

我們使用模擬(simulation)這個詞表示我們通過計算機,通過數(shù)值求解的方式求解控制流體流動規(guī)律的方程,重現(xiàn)現(xiàn)實世界的流動過程。這些流體可以在空間內(nèi),也可以在空間外?？臻g,我們也使用計算機生成的模型來表示。

因此,CFD求解的整個系統(tǒng)是虛擬(virtual)的,除了計算機,CFD調(diào)用的模型是虛擬的,產(chǎn)品也是虛擬的產(chǎn)品。CFD并不提供任何實物。這和實驗是完全相反的。在實驗中,我們使用真實的材料去檢測流體的流動,或許某些實驗還會生產(chǎn)出某些產(chǎn)品。

整個CFD研究的過程中,我們都需要使用可視化的技術(shù)來檢測整個系統(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。

CFD模擬的流體流動,也可以認為是一種虛擬現(xiàn)實的體現(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,計算機輔助工程。

CAE指的是依賴于計算機進行分析的成套的解決方案。在這一套工具中,工程師可以實現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計分析,來進行優(yōu)化或改進。

當(dāng)今社會的工業(yè)過程得益于整個產(chǎn)業(yè)鏈的計算機化大大加速了產(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)合形成了整個工業(yè)設(shè)計的虛擬樣機環(huán)境(virtual prototyping environment)。

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工業(yè)產(chǎn)品制造的過程

在CAD中,工程師對形狀進行定義,通俗來講就是定義工件的外形。CAD的進行需要依托CAD軟件,目前基本所有行業(yè)的原型設(shè)計均需要使用CAD軟件進行設(shè)計。CAD軟件對工件的定義也是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。

在進行CAE分析后,若分析結(jié)果令人滿意,那么則進入生產(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)計到生產(chǎn)需要6到8年。在2005年,則縮短到36個月。在最近,這個時間也被縮短到18至24個月。在航空工業(yè)中,類似的通過計算機加速產(chǎn)品設(shè)計到制造的過程也有目共睹。

在這里需要強調(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算機模擬工藝。

勢如破竹的工業(yè)應(yīng)用

回到CFD,通過CFD對工業(yè)升級進行推動是非常直觀的。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)模型對引擎進行優(yōu)化,將效率拉升了10點(注:非百分點)。

同時這個圖也表示了CFD求解方程的演變?？梢钥闯鲈?980年代中期,引入了3D無粘歐拉方程。在1990年代之后,全維度NS方程才進入工業(yè)設(shè)計研發(fā)中。

在計算機還沒出現(xiàn)之前,科學(xué)家們求解CFD只是為了獲得方程的解。在計算機問世之后,更多的CFD數(shù)值解被發(fā)現(xiàn)。早期,計算機上的CFD代碼只是為了求解某些特定的問題,隨著計算方程的增加以及本身存在的普適性,CFD代碼變得越來越普適性,進而適用于越來越多的工業(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,且算法改進的成本非常低,這種演變主要得益于計算機技術(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)計的攻堅力量。

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

CFD飛速發(fā)展的原因主要得益于:越來越多的工程師認識到CFD分析可以對機翼的設(shè)計提供重要參考作用,以及計算機計算能力N倍的提升。

波音公式目前已經(jīng)將CFD應(yīng)用于整機大量的構(gòu)件設(shè)計中,如機翼、吊艙、尾翼、客艙等。

"波音777是一個典型的案例。在波音777的生產(chǎn)過程中,高速翼型的設(shè)計得益于大量的CFD分析。一旦飛機的寬度固定后,客艙的外形也依賴于CFD分析。這樣就不需要進行風(fēng)洞測試。在未來,客艙完全不需要風(fēng)洞進行分析。依賴于CFD,所需要的翼型樣本的風(fēng)洞測試也大幅度降低。在過去的20年間,通過CFD對商業(yè)飛機進行設(shè)計,節(jié)約了波音公司百萬美元的成本。然而,CFD對我們公司的價值,可不僅僅是這百萬美元的價值。"

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

飛機制造的速度目前越來越快,這也得益于CFD的發(fā)展,否則飛機的更迭難以滿足人類的需求。時間對于市場來說是至關(guān)重要的。任何一個環(huán)節(jié)的效率降低將會對嚴重拖累整個生產(chǎn)周期。通過CFD,目前甚至可以同時進行各種流場、結(jié)構(gòu)的分析,相對于節(jié)約成本來講,這種時間上的節(jié)省是無法估量的。

伴隨CFD在工業(yè)過程中的廣泛應(yīng)用以及創(chuàng)造的無法估量的價值。另一方面是計算機性能的大幅度提升。從1955年到2005年,計算機的計算浮點數(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模型求解),宇航(無壓力氣體動力學(xué)模型求解)等。

CFD求解的另一個優(yōu)點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,實驗過程可能只會檢測某一點、某一局部區(qū)域的流場特性或者傳質(zhì)行為。但是CFD缺可以提供全場的信息。

難以逾越的鴻溝

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

輸入的條件進行了簡化;
計算機能力并不能夠進行高精度格式的計算;
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)以萬計的工程師在為了解決CFD的局限廢寢忘食。

其中一個最主要,最廣泛,最被重視問題就是湍流。

“Whither Turbulence?”

--John Lumley

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

目前的計算機能力還打不到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)測結(jié)果不盡人意。

另一個更加富有挑戰(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對復(fù)雜的工業(yè)過程預(yù)測能力有限。

好在,CFD的精度也依賴于模型:

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

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驗的CFD分析算例。

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PHOENICS預(yù)測的浮力傳熱數(shù)據(jù)和實驗對比

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PHOENICS預(yù)測的鼓泡床數(shù)據(jù)和實驗對比

CFD,未來的承諾

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)成為一個廣泛使用的工具。通過CFD對工業(yè)產(chǎn)品進行設(shè)計可以節(jié)約大量的時間成本和資本。

工業(yè)界中,CFD分析主要依托非常專業(yè)性的CFD工程師來進行。學(xué)術(shù)界中,越來越多的學(xué)者參與了CFD模型以及算法的優(yōu)化設(shè)計。在不遠的未來,通過CFD進行產(chǎn)品設(shè)計和分析,或許會對人類產(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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