千万不要想一次把事做好-CFD仿真算例调试方法

1、悲催的CFD仿真

当今的CFD的算例头上长角，身上长刺，肚子里都是弯弯道。就是虚拟的自然界，速度跨越了从人体的血液流动到火箭的高超音速，温度跨越了从气体冻得结冰直到气体热得电离成离子，介质跨越了从火山的熔岩到浮在空气中的灰尘，流动现象有激波、有转捩、有火焰、有海水、有一切。拿个机翼只计算阻力、升力的时代上哪去了？凭什么今天要我一次搞定这么多事情。

如果想一次把算例做好，用庞大的网格描述细密的几何形状，加密壁面网格，加密流动重要区域。然后用最多的网格、最高阶的格式、最高级的模型、最小的时间步、最多的迭代步数开始计算。后面的场景很熟悉：计算机累的呜呜作响，残差曲线玩登月，屏幕一直喊救命，“****，error，over，finished”。我们勤劳勇敢的CFD人不睡觉不吃饭也要搞定它，所有能改的都改，所有可以试的都试，无穷的因素产生的错误形式层出不穷，错误的原因却永远是个谜，好比你在南美洲扇蝴蝶翅膀，却要分析如何影响北美洲的风暴。对这种倒霉事，去请各路大仙帮忙，他们只会给你更多的选择，而不是更多的道路。

2、先做减法、后做加法

为什么我们使用成熟的CFD软件，已经拥有了仿真复杂算例的工具，还总是算死或算错，而且永远不知道谁使坏。我们太想一次把事情做对，给自己背上了无法承受的包袱。事情所以难是因为太复杂，影响结果的因素太多，看每一个模型都像罪魁祸首，看每个边界条件都是嫌疑人，但是每个计算错误都是他们共同产生的结果，无法找到铁证将始作俑者抓到。

其实解决方法很简单，做减法。你怀疑谁就叫谁出去，如果从此天下太平说明刚才赶出去的就是嫌疑犯，如果还出问题，说明算例里还有嫌疑犯。比如你怀疑湍流模型可能不对，那么取消湍流，计算一个层流甚至无粘的算例，如果结果还是错的，你就要怀疑其他模型了。运气好的减少几个复杂度，就取得合理的结果。见过运气最不好的，一直将算例简单为管道里面的均匀气流，才可以正常运转。

做完减法后的事情很简单，将你需要的各种设置一一叫回来，什么时候发现加上它出问题了，就是嫌疑犯回来的时刻。这就是一次面对100个问题和逐一面对各个问题的差异。

3、先做成本低的、影响大的

加密网格和减小时间步，都是消耗成本换成果的事情，一定能拖多后就多后，等大多数问题都解决了，再解决这些老大难。否则你网格很密，时间步很小，算一次费无数时间，最后发现问题还与它无关，你说冤不冤。

比如湍流模型，不管与它是否与结果有重要关系，大家都玩命尝试各种湍流模型。终于摸透了湍流模型，又发现其实湍流不影响结果。建议先评判影响程度，如果有困难，可以用极限状态判断对结果影响的量级，对比湍流和层流两个状态，如果这两个状态之间没有多大差别，你觉得使用哪个湍流模型的问题还值得揪心吗？

基于我不准确的理解将CFD算例重点调试的先后排序推荐如下：

• a.全计算域的外边界条件

• b.全计算域的流动参数

• c.局部边界条件

• d.重要模型

• e.局部复杂几何形状

• f.网格加密、时间步减小

4、知道可以不做什么

调试一个算例要做什么，我们太知道了，要做的工作数不清，网格和所有的设置、模型都要一一验证他们对结果的影响，确保使用最正确合理的方法。但是我们无法同时面对这么多问题，因此我们真正要知道的是可以不做什么！将自己从复杂的蜘蛛网中解脱。

可以做的事情——好做的事情：成本低、速度快、影响大。

可以不做的事情——不好做的事情：成本高、速度慢、影响小。

我是个见困难就躲的人，咱能力弱，只捡软柿子捏，用最小的成本换来最大的胜利，不到万不得已从来不和任何问题死拼。很有些CFD勇士，上来就错误地认为已经具备打阵地战的能力，遇到第一个问题不管已有的能力是否足够就全力以赴，往往牺牲在起步阶段。其实不要怕解决不了难题，伴随简单问题的解决，最初不好做的事情逐步变得好做，然后按照更高的标准去评判什么要做不要做。通过逐步迭代，最后还是可以达到全面胜利。

5、为解决问题简化算例

在调试期间如果算例很复杂，每次计算时间过长，根本无法快速取得经验。要想快速积累经验，明确各个设置的特点，只有简化算例，以最简单的模型、最少的网格和最快的速度消灭问题。

比如要确定仿真飞机飞行的计算外边界是否够远，你可以用一个铅笔头取代复杂的不得了的飞机，因为对于外边界位置这个问题，中间是一架飞机还是一个铅笔头都没有多大差别，只要尺寸、速度、高度是一样的都可以等同，但是计算量可以差几个量级，用简化算例可以达到一天完成几十、几百个调试。如果你说建一个简化算例太麻烦，宁愿带着最复杂的飞机去调试边界条件，每次计算还用5天，好吧，你有保持复杂的权利。建议，不要背着房子去探路，背上蜗牛壳虽然很完整，但是走不动。既然是探路就要放下一切包袱，可以不要的都不要，用最简单的模式先看看这个道路是否正确，回头将所需要的各种细节加上，以完美的姿态沿正确的方向前进。

分解、简化复杂问题，将不可能的事情变成很多个可能的事情。你努力可以跳上一米高台，再努力不能跳上三米的房顶，但是有了梯子小孩都可以上房顶。所以有空不是去练跳高，而是去制造梯子，好像浪费了时间，其实最省力。 

上周出差，我坐在火车里写文稿，火车外栋栋高楼划过，也许某栋楼里就有人正在期待我这篇文稿，那个人是你吗？我等待着你关注我，等待着你去和你的朋友分享。

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