CFD可信度問題概述二：可信度問題由來

2017-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

提到數(shù)值模擬就會讓人想到虛擬世界,腦海中也會浮現(xiàn)出電影《黑客帝國》中的場景。虛擬世界是人在計算機幫助下建立的世界,因此建立虛擬世界的人就是這個小世界的神。從這一點出發(fā)逆向去思維,也有人說我們現(xiàn)實的世界也很有可能是由更高級生物建立的虛擬世界。這當(dāng)然是有可能的,但區(qū)別就是我們建立的小世界中有一種叫做誤差的幽靈,時不時會溜出來搗亂?，F(xiàn)實的宇宙則從來沒有這種穿幫的現(xiàn)象,所以我還是傾向于認為現(xiàn)實的宇宙是實在的,我相信這也是絕大多數(shù)人的看法。正因為計算流體力學(xué)中的流場是虛擬的流場,所以很多人都對數(shù)值模擬的結(jié)果保持一種懷疑的態(tài)度,特別是在與實驗結(jié)果相對比時,很多人都直覺地更傾向于相信實驗結(jié)果。換句話說,大家都直覺地認為虛擬的東西是假的、不可信的,現(xiàn)實的東西是真的、是可信的。正因為如此,所以流體力學(xué)界有一個說法,叫“計算結(jié)果是自己相信別人不信,實驗結(jié)果是別人相信自己不信”。

既然虛擬的東西這么讓人不放心,那為什么還要花大力氣去發(fā)展和研究呢?原因就在于數(shù)值模擬有諸多優(yōu)點。在這些優(yōu)點中最常被提起的就是“成本低、周期短”,在工程應(yīng)用上這顯然是非常重要的優(yōu)點。在計算機中建立一個模型的時間顯然比實際制作一個實驗?zāi)Ｐ鸵?數(shù)值模擬的周期顯然也比在風(fēng)洞中進行實驗要短。成本上就更是這樣,與風(fēng)洞試驗動輒上百萬的花費相比,數(shù)值模擬的成本顯然要低廉的多。同時由于研制周期縮短導(dǎo)致的成本間接下降也非?？捎^,因此數(shù)值模擬技術(shù)(包括CFD)自誕生之日起就獲得了蓬勃發(fā)展。除了上述兩個優(yōu)點外,CFD還能模擬一些用地面實驗技術(shù)無法模擬的流場,比如CFD可以模擬馬赫數(shù)為20的流場,而這樣的流場由于能量水平的限制實際上無法在地面進行模擬。同時需要注意的是實驗中如果要完全重現(xiàn)真實流場往往需要滿足諸多相似準則,但實際的實驗常常只能滿足1-2個相似準則,而很難完全滿足所有的相似準則,同時實驗中使用的傳感器也有誤差,并且存在支架干擾、洞壁干擾等干擾因素,保證其數(shù)據(jù)的精準度是實驗流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容,所以數(shù)值模擬與實驗之間相互依存、相互印證就成為流體力學(xué)研究中一種常用方法。

除上述眾所周知的優(yōu)點外,數(shù)值模擬還有另外一些優(yōu)點不常被提及。比如數(shù)值模擬可以給出更豐富的流場細節(jié),模擬參數(shù)更易于修改、調(diào)整,錯誤的結(jié)果一般不至于導(dǎo)致嚴重的后果等等。事實上CFD軟件和程序可以被當(dāng)作便攜式風(fēng)洞來使用,隨時可以對自己感興趣的問題做個計算,看看跟自己的直覺是否吻合。

雖然數(shù)值模擬技術(shù)有上述諸多優(yōu)點,但仍然存在諸多誤差來源,這也是大家不敢輕易相信CFD的結(jié)果的原因。在真實流場與CFD結(jié)果之間存在數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模型這樣兩個抽象層,而每次抽象都是一次理想化過程,在數(shù)值模型中更是在離散過程中引入數(shù)值耗散和色散項,并且存在由于計算機數(shù)位限制導(dǎo)致的舍入誤差。同時流體運動是典型的非線性系統(tǒng),一些高階小量在奇點附近可能并不是可忽略不計的,由此也會帶來誤差。在這種情況下,如何提高CFD計算結(jié)果的可信度顯然成為CFD能否在工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用的一個先決條件。如果能有一套流程可以增加CFD結(jié)果的可信度,則顯然會增強人們對CFD結(jié)果的信心,否則,還是會讓人在使用CFD時存在諸多疑惑。

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