CFD可信度问题概述二：可信度问题由来

2017-02-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

提到数值模拟就会让人想到虚拟世界,脑海中也会浮现出电影《黑客帝国》中的场景。虚拟世界是人在计算机帮助下建立的世界,因此建立虚拟世界的人就是这个小世界的神。从这一点出发逆向去思维,也有人说我们现实的世界也很有可能是由更高级生物建立的虚拟世界。这当然是有可能的,但区别就是我们建立的小世界中有一种叫做误差的幽灵,时不时会溜出来捣乱。现实的宇宙则从来没有这种穿帮的现象,所以我还是倾向于认为现实的宇宙是实在的,我相信这也是绝大多数人的看法。正因为计算流体力学中的流场是虚拟的流场,所以很多人都对数值模拟的结果保持一种怀疑的态度,特别是在与实验结果相对比时,很多人都直觉地更倾向于相信实验结果。换句话说,大家都直觉地认为虚拟的东西是假的、不可信的,现实的东西是真的、是可信的。正因为如此,所以流体力学界有一个说法,叫“计算结果是自己相信别人不信,实验结果是别人相信自己不信”。

既然虚拟的东西这么让人不放心,那为什么还要花大力气去发展和研究呢?原因就在于数值模拟有诸多优点。在这些优点中最常被提起的就是“成本低、周期短”,在工程应用上这显然是非常重要的优点。在计算机中建立一个模型的时间显然比实际制作一个实验模型要短,数值模拟的周期显然也比在风洞中进行实验要短。成本上就更是这样,与风洞试验动辄上百万的花费相比,数值模拟的成本显然要低廉的多。同时由于研制周期缩短导致的成本间接下降也非常可观,因此数值模拟技术(包括CFD)自诞生之日起就获得了蓬勃发展。除了上述两个优点外,CFD还能模拟一些用地面实验技术无法模拟的流场,比如CFD可以模拟马赫数为20的流场,而这样的流场由于能量水平的限制实际上无法在地面进行模拟。同时需要注意的是实验中如果要完全重现真实流场往往需要满足诸多相似准则,但实际的实验常常只能满足1-2个相似准则,而很难完全满足所有的相似准则,同时实验中使用的传感器也有误差,并且存在支架干扰、洞壁干扰等干扰因素,保证其数据的精准度是实验流体力学的主要研究内容,所以数值模拟与实验之间相互依存、相互印证就成为流体力学研究中一种常用方法。

除上述众所周知的优点外,数值模拟还有另外一些优点不常被提及。比如数值模拟可以给出更丰富的流场细节,模拟参数更易于修改、调整,错误的结果一般不至于导致严重的后果等等。事实上CFD软件和程序可以被当作便携式风洞来使用,随时可以对自己感兴趣的问题做个计算,看看跟自己的直觉是否吻合。

虽然数值模拟技术有上述诸多优点,但仍然存在诸多误差来源,这也是大家不敢轻易相信CFD的结果的原因。在真实流场与CFD结果之间存在数学模型、数值模型这样两个抽象层,而每次抽象都是一次理想化过程,在数值模型中更是在离散过程中引入数值耗散和色散项,并且存在由于计算机数位限制导致的舍入误差。同时流体运动是典型的非线性系统,一些高阶小量在奇点附近可能并不是可忽略不计的,由此也会带来误差。在这种情况下,如何提高CFD计算结果的可信度显然成为CFD能否在工程应用中得到广泛应用的一个先决条件。如果能有一套流程可以增加CFD结果的可信度,则显然会增强人们对CFD结果的信心,否则,还是会让人在使用CFD时存在诸多疑惑。

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