千萬不要想一次把事做好-CFD算例調試方法

2017-10-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1、悲催的CFD仿真

當今的CFD的算例頭上長角,身上長刺,肚子里都是彎彎道。就是虛擬的自然界,速度跨越了從人體的血液流動到火箭的高超音速,溫度跨越了從氣體凍得結冰直到氣體熱得電離成離子,介質跨越了從火山的熔巖到浮在空氣中的灰塵,流動現象有激波、有轉捩、有火焰、有海水、有一切。拿個機翼只計算阻力、升力的時代上哪去了?憑什么今天要我一次搞定這么多事情。

如果想一次把算例做好,用龐大的網格描述細密的幾何形狀,加密壁面網格,加密流動重要區(qū)域。然后用最多的網格、最高階的格式、最高級的模型、最小的時間步、最多的迭代步數開始計算。后面的場景很熟悉:計算機累的嗚嗚作響,殘差曲線玩登月,屏幕一直喊救命,“****,error,over,finished”。我們勤勞勇敢的CFD人不睡覺不吃飯也要搞定它,所有能改的都改,所有可以試的都試,無窮的因素產生的錯誤形式層出不窮,錯誤的原因卻永遠是個謎,好比你在南美洲扇蝴蝶翅膀,卻要分析如何影響北美洲的風暴。對這種倒霉事,去請各路大仙幫忙,他們只會給你更多的選擇,而不是更多的道路。

2、先做減法、后做加法

為什么我們使用成熟的CFD軟件,已經擁有了仿真復雜算例的工具,還總是算死或算錯,而且永遠不知道誰使壞。我們太想一次把事情做對,給自己背上了無法承受的包袱。事情所以難是因為太復雜,影響結果的因素太多,看每一個模型都像罪魁禍首,看每個邊界條件都是嫌疑人,但是每個計算錯誤都是他們共同產生的結果,無法找到鐵證將始作俑者抓到。

其實解決方法很簡單,做減法。你懷疑誰就叫誰出去,如果從此天下太平說明剛才趕出去的就是嫌疑犯,如果還出問題,說明算例里還有嫌疑犯。比如你懷疑湍流模型可能不對,那么取消湍流,計算一個層流甚至無粘的算例,如果結果還是錯的,你就要懷疑其他模型了。運氣好的減少幾個復雜度,就取得合理的結果。見過運氣最不好的,一直將算例簡單為管道里面的均勻氣流,才可以正常運轉。

做完減法后的事情很簡單,將你需要的各種設置一一叫回來,什么時候發(fā)現加上它出問題了,就是嫌疑犯回來的時刻。這就是一次面對100個問題和逐一面對各個問題的差異。

3、先做成本低的、影響大的

加密網格和減小時間步,都是消耗成本換成果的事情,一定能拖多后就多后,等大多數問題都解決了,再解決這些老大難。否則你網格很密,時間步很小,算一次費無數時間,最后發(fā)現問題還與它無關,你說冤不冤。

比如湍流模型,不管與它是否與結果有重要關系,大家都玩命嘗試各種湍流模型。終于摸透了湍流模型,又發(fā)現其實湍流不影響結果。建議先評判影響程度,如果有困難,可以用極限狀態(tài)判斷對結果影響的量級,對比湍流和層流兩個狀態(tài),如果這兩個狀態(tài)之間沒有多大差別,你覺得使用哪個湍流模型的問題還值得揪心嗎?

基于我不準確的理解將CFD算例重點調試的先后排序推薦如下:

a.全計算域的外邊界條件

b.全計算域的流動參數

c.局部邊界條件

d.重要模型

e.局部復雜幾何形狀

f.網格加密、時間步減小

4、知道可以不做什么

調試一個算例要做什么,我們太知道了,要做的工作數不清,網格和所有的設置、模型都要一一驗證他們對結果的影響,確保使用最正確合理的方法。但是我們無法同時面對這么多問題,因此我們真正要知道的是可以不做什么!將自己從復雜的蜘蛛網中解脫。

可以做的事情——好做的事情:成本低、速度快、影響大。

可以不做的事情——不好做的事情:成本高、速度慢、影響小。

我是個見困難就躲的人,咱能力弱,只撿軟柿子捏,用最小的成本換來最大的勝利,不到萬不得已從來不和任何問題死拼。很有些CFD勇士,上來就錯誤地認為已經具備打陣地戰(zhàn)的能力,遇到第一個問題不管已有的能力是否足夠就全力以赴,往往犧牲在起步階段。其實不要怕解決不了難題,伴隨簡單問題的解決,最初不好做的事情逐步變得好做,然后按照更高的標準去評判什么要做不要做。通過逐步迭代,最后還是可以達到全面勝利。

5、為解決問題簡化算例

在調試期間如果算例很復雜,每次計算時間過長,根本無法快速取得經驗。要想快速積累經驗,明確各個設置的特點,只有簡化算例,以最簡單的模型、最少的網格和最快的速度消滅問題。

比如要確定仿真飛機飛行的計算外邊界是否夠遠,你可以用一個鉛筆頭取代復雜的不得了的飛機,因為對于外邊界位置這個問題,中間是一架飛機還是一個鉛筆頭都沒有多大差別,只要尺寸、速度、高度是一樣的都可以等同,但是計算量可以差幾個量級,用簡化算例可以達到一天完成幾十、幾百個調試。如果你說建一個簡化算例太麻煩,寧愿帶著最復雜的飛機去調試邊界條件,每次計算還用5天,好吧,你有保持復雜的權利。建議,不要背著房子去探路,背上蝸牛殼雖然很完整,但是走不動。既然是探路就要放下一切包袱,可以不要的都不要,用最簡單的模式先看看這個道路是否正確,回頭將所需要的各種細節(jié)加上,以完美的姿態(tài)沿正確的方向前進。

分解、簡化復雜問題,將不可能的事情變成很多個可能的事情。你努力可以跳上一米高臺,再努力不能跳上三米的房頂,但是有了梯子小孩都可以上房頂。所以有空不是去練跳高,而是去制造梯子,好像浪費了時間,其實最省力。

來源:陸姐說

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