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:互聯網

提到數值模擬就會讓人想到虛擬世界,腦海中也會浮現出電影《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。從這一點出發逆向去思維,也有人說我們現實的世界也很有可能是由更高級生物建立的虛擬世界。這當然是有可能的,但區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。現實的宇宙則從來沒有這種穿幫的現象,所以我還是傾向于認為現實的宇宙是實在的,我相信這也是絕大多數人的看法。正因為計算流體力學中的流場是虛擬的流場,所以很多人都對數值模擬的結果保持一種懷疑的態度,特別是在與實驗結果相對比時,很多人都直覺地更傾向于相信實驗結果。換句話說,大家都直覺地認為虛擬的東西是假的、不可信的,現實的東西是真的、是可信的。正因為如此,所以流體力學界有一個說法,叫“計算結果是自己相信別人不信,實驗結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展和研究呢?原因就在于數值模擬有諸多優點。在這些優點中最常被提起的就是“成本低、周期短”,在工程應用上這顯然是非常重要的優點。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模型要短,數值模擬的周期顯然也比在風洞中進行實驗要短。成本上就更是這樣,與風洞試驗動輒上百萬的花費相比,數值模擬的成本顯然要低廉的多。同時由于研制周期縮短導致的成本間接下降也非常可觀,因此數值模擬技術(包括CFD)自誕生之日起就獲得了蓬勃發展。除了上述兩個優點外,CFD還能模擬一些用地面實驗技術無法模擬的流場,比如CFD可以模擬馬赫數為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,保證其數據的精準度是實驗流體力學的主要研究內容,所以數值模擬與實驗之間相互依存、相互印證就成為流體力學研究中一種常用方法。

除上述眾所周知的優點外,數值模擬還有另外一些優點不常被提及。比如數值模擬可以給出更豐富的流場細節,模擬參數更易于修改、調整,錯誤的結果一般不至于導致嚴重的后果等等。事實上CFD軟件和程序可以被當作便攜式風洞來使用,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。

雖然數值模擬技術有上述諸多優點,但仍然存在諸多誤差來源,這也是大家不敢輕易相信CFD的結果的原因。在真實流場與CFD結果之間存在數學模型、數值模型這樣兩個抽象層,而每次抽象都是一次理想化過程,在數值模型中更是在離散過程中引入數值耗散和色散項,并且存在由于計算機數位限制導致的舍入誤差。同時流體運動是典型的非線性系統,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計算結果的可信度顯然成為CFD能否在工程應用中得到廣泛應用的一個先決條件。如果能有一套流程可以增加CFD結果的可信度,則顯然會增強人們對CFD結果的信心,否則,還是會讓人在使用CFD時存在諸多疑惑。

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