CFD仿真与实验的误差

误差是永远不可能被消除的，只能尽可能减少，这个是前提条件。仿真和实验都有自己的误差，为了提高结果精度，减少误差，实验和仿真都有很多办法，但是总归都会提升成本。对此，需要合理平衡所需要的误差范围和可承受的成本，因为各类减少误差的措施都存在边际收益递减而边界成本递增。

对于仿真工作，首先要了解自己所分析的问题，以及实验的做法。某些时候仿真和实验的数据差异较大，并不是因为仿真做错了，而是因为两者的物理场景不一样。

严格来说，仿真和实验必须针对严格一致的物理场景，才能够说明仿真相对于实验的误差。实际上，这个要求很难满足，特别是仿真中的某些理想化条件，在实验过程中难以满足。对此，需要了解实验的做法，以及实验数据的某些处理方法。对于很多常见实验，会存在相关行业标准对实验操作和数据处理方法进行规范化说明，需要以此为参考。

例如获取风扇的P-Q曲线，虽然要求为恒定转速，但实验过程中不可能和设定的目标转速一点不差。对此，需要将实验的数据进行换算，将实验的P-Q曲线数据换算到目标转速上（具体方法参考AMCA210-16标准7.9节），然后再和仿真的数据进行对比，说明结果的误差。

风洞测试示意图（图源：www.c-sgroup.com）

很多人存在一个认识：一定要用最高级工具，一定要上最复杂操作，结果才准。就个人理解，这并不是软件用得越高端，操作设置越复杂，结果就一定越准确。通常，仿真需要的是在可接受时间内，利用现有硬件资源，给出精度可接受的结果。当然，用最高级的软件，做最复杂的操作一定不会错，但是很多问题并不需要如此大的代价来完成。

如果是理论完善，参考资料较多的常见工程问题，从实际应用角度考虑，采用主流的商业软件足够。除非是需要研究算法或者某些特殊原因，不推荐采用开源程序。相对而言，工具运用层面更重要的是，针对问题选择合适的工具，清楚XX问题是否适合采用XX软件分析。

例如车轮过水坑导致水花飞溅的问题，使用基于粒子法的软件比使用基于有限体积法的软件更适合。

赛车高速过水坑时飞溅的水花（图源：www.hyundainews.com）

CFD仿真是数值计算，对计算域空间离散是仿真必做的工作，也直接决定了结果的精度。

当前CFD主流算法是有限体积法，空间离散方式为网格。网格划分对于仿真结果的影响怎么强调都不为过。单元数量太多则计算量太大，对硬件要求太高，但是计算误差并不会因为单元数量的增加而无限制的缩小。为此，需要在单元数量和精度之间取得平衡。

格子玻尔兹曼法、粒子法等其他CFD的算法虽然空间离散方式不同，但也存在类似情况，需要平衡空间离散带来的计算量和结果精度。

瞬态计算，需要考虑时间步长，即时间离散。同样的，计算误差并不会因为时间步长缩短而无限制的缩小。

网格数量和结果误差的关系示意

误差虽然无法完全消除，但可以尽可能减少。实际工作中，提升仿真的精度不可能一蹴而就，需要一定时间的经验积累。

如果从零开始做仿真，提高仿真精度会经历以下阶段：

提升仿真精度是个迭代优化的过程，实验方法与设备改进、硬件算力加强、软件功能更新，必然之前积累的仿真标准和经验需要更新换代，从而跟上时代和行业发展的步伐。