我从“校园小白”到仿真“职场小达人”的CFD学习史

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了作者在学习CFD过程中所遇到的困难和教训，以及如何避免这些问题。作者认为CFD属于CAE技术中比较难的一款软件，主要原因是流体的特点决定了，因为相比于固体，流体太容易变形了，分子之间的距离比较大。所以，导致了一系列的问题。常常的结果是，忙了半天或者很长，根本得不到结果，所以在CFD的学习中，更加强调方法的学习。作者建议在学习CFD的过程中，要注重实践操作，多上机操作，多向有经验的人请教，同时要注重理论知识的学习。此外，作者还介绍了自己在本科和硕士阶段学习CFD的经历，以及如何解决CFD计算中的问题。

CFD属于CAE技术中比较难的一款软件，主要原因就是流体的特点决定了，因为相比于固体，流体太容易变形了，分子之间的距离比较大。所以，导致了一系列的问题。常常的结果是，忙了半天或者很长，根本得不到结果，所以在CFD的学习中，更加强调方法的学习。

本文将结合我自己的亲身经历，从一个CFD的小白，到今天有一定CFD使用经验的“职场小达人”。重点介绍自己在学习CFD过程中，走了那些弯路。毕竟，教训比经验更深刻！希望您在学习CFD的过程中，少走一些弯路，少花一些时间。

毋庸置疑，未来试验鉴定活动将极大依靠建模和仿真工具，特别是在航天航空和深海工程等领域。

惠老师提供的案例图一

一、本科阶段-我初识CFD

我第一次接触CFD源于大三的传热学，因为当时有一章是“导热问题的数值解法”，当时也没有什么感觉，只是觉得这一块需要采用数学，而且有编程类的课程大作业。由于当时恰好学习了matlab，fortran，并自学通过了C语言二级考试，因此出于学习编程语言的目的，就顺手练习了传热计算的相关算例，“一举两得”。通过这些学习，其实对于CFD软件中的一些离散方法和计算方法有了初步的认识，例如迭代计算，向前向后差分等。毕竟，做任何事情，理解都是第一位的，死记硬背的东西长久来看，并不实用。

等到大四做毕业设计(2010年)，鬼使神差的我选了制冷所一位大牛的《透平膨胀机数值模拟的课题》，便第一次正式接触了CFD，接触了fluent等软件。

当时在做膨胀机叶片时，选择的作图工具是Inventor，软件划分工具用的gambit，CFD软件用的fluent 6.3.26.这几款软件估计部分人接触的不多。说实在，用起来的确很费力。有点后悔的是，当初选修课为什么没有多学一些作图类软件(大学还是要多学点东西，尤其是工具类的东西)。

当时java刚刚在高校中作为选修课刚刚开始，大数据，云计算还都没有进入大家的视野，人工智能也没有那么热。所以，现在想起来，在大学多学几门课程还是不错的。结果证明，很多学机械，甚至学热动的都去了BAT，现在薪水那叫一个高呀。

当时记忆中，采用二维的gambit和fluent做了流道截面的模拟。涉及到的流道相变问题，也没有解决，还好老师没有为难自己，这样就匆匆结束了自己的本科生涯。

但总的感觉，还是gambit作图还可以，可以通过选择几个点实现画曲线曲面的功能(有些时候比一些专业的建模软件都好用),界面有些丑陋。至于workbench上所具有的数据更新，参数化等功能，那几乎是没有的。gambit目前已经被ansys公司淘汰掉，也基本不会推出新版本以及进行技术培训等活动。

二维fluent计算也没有那么难收敛。但是很难理解如何选择simple还是simpler，对于松弛因子的选择也比较难把握。毕竟是一个初学者，首先能获得一个差不多的结果，而不是发散结果是第一位的。

不过在这阶段，也得到的师兄的一些指导，虽然很有限也不是很系统，但总比一个人摸索要强。

现在想起来，CFD对经验的要求还是挺高的，遇到问题，找师兄师姐准没有错。

因为这里面即涉及软件操作，也设计专业知识的理解。同样的一个CFD文档说明，可能有经验的人看了知道是什么原因，但是初学者来说很难理解。

从另外一个角度讲，一个好的CFD培训一定是即有老师理论和上机实践操作，也有学员要上机操作，否则培训效果比较差，试想想，上电脑课哪能不带电脑呀！

惠老师提供的案例图二

二、硕士阶段-我学习的CFD

由于某些原因吧，大四毕业我就去了导师那里进行科研，那时候就基本确定了硕士2年半时间的研究课题是CFD仿真计算。

我们课题组分为三个方向，一个是流体CFD组，主要采用的就是fluent和cfx，当时貌似还没有用workbench，大家普遍用的就是单独版的fluent和cfx。一个是流体测量组，主要做一些速度场测量，压力场测量，风洞水洞等，以实现CFD和测量的对比吧。事实证明，仿真和实验相互对比验证，在研究流体中扮演着重要的角色。另外一个组是做强度的，主要是疲劳，裂纹，用的是abaqus。所以硕士期间也遇到了一些流固耦合的项目和问题。

刚去导师那里，导师便给了我一个课题，需要研究一个潜水艇喷水中冷热水混合问题。整个问题如果不考虑VOF问题，只是考虑喷水问题，这个课题不是很难，纯粹的一个进出口流动问题。我当时继续了自己在本科期间的gambit和fluent，结果证明，这么简单的一个计算，最终我用了几乎3个月的时间也没有搞定。等到下一年我导师让一个师弟做的时候，几乎用了很短时间便解决了。

究其原因，首先是缺乏引路人。自己当时拿到课题，也就是一根筋地开始做几何，做网格，计算，而没有分析CFD的策略问题，看看师兄们如何进行CFD计算，看看论坛上，QQ群里大家怎么进行CFD计算，毕竟这是自己的硕士课题。

其次，还是CFD的方法和技巧掌握的不够。对于初学者而言，"复杂问题简单化"永远都是一个永恒的话题，比如上文提到的潜水艇，那对于初学者来说，完全可以建立一个简化的潜水艇，或者干脆用一个圆柱代替潜水艇。要研究冷热水的混合，那完全可以先不考虑温度场，而只计算流场，继而在速度场准确的基础上，获得温度场。

另外，对于一个初学者来说，一定要从二维计算出发，即使原始模型是三维，也都要从简单的入手，这和我们高考答题的顺序是一致的——先易后难嘛。试想想，对于一个初学者而言，采用fluent三维计算，如果很难画结构网格，不说得到准确结果了，能否得到计算结果都是个巨大挑战。 

还有一个很重要的问题，就是关于初场的问题。fluent很多情况下的发散，都是因为给的初场不合适。一个好的初场不仅可以加快收敛速度，甚至可以解决难收敛，不收敛问题。目前的初场给定方法，fluent中有恒定初场给定法和混合初始化，而CFX的初始化，则可以通过表达式及其他方式，实现fluent中patch的功能，即相当于UDF初始化的功能。

等到研一时，上了计算流体力学的课程，每次上课都是在晚上，听课效率不高，老师水平呢，也只能说一般，听得迷迷糊糊，只是对一些基本理论有了些了解，对实际操作帮助也不是很大。看来，只上一个CFD的理论课程真的是远远不够的,最起码也要上机操作下。

事实证明，只有在实践中才能对相关理论进行理解，否则学了那些理论几乎等同于没有上。因为对一个初学者来说那些概念很难理解。CFD的理论本身就很难理解，加上没有软件支持，可以说更是难上加难。所以，目前在CFD/CAE领域内，有一个很重要的方向就是做二次开发，即作出一款“傻瓜式”的软件来，让更多业界人士收益，使他们能够放手去做产品与设计相关一些事情来。所以，不得不说，CAE真的是一个专业人士做的事情，而不是像CAD或者UG一样大众都能够很好接受的。

研究生期间，很长时间都是做湍流和绕流的研究。对于湍流模型还做过一个专业的小组报告。不过这段时间，导师几乎每周都会做seminar(汇报)。很好锻炼了自己做ppt和演讲的能力。不过现在看起来，那些湍流模型似乎在企业工作中用处并不大。湍流理论中的Y+,边界层等都是在该阶段学到的。

绕流问题，经常遇到的就是圆柱绕流，方柱绕流。首先第一点需要确定的是，计算区域的长宽高，一般以特征长度(D)的倍数来表示这些参数，当时不知道是交流问题还是什么原因，导师直接给说了个9倍D，结果算完了，导师忘记了，说自己没有说，哎！想想一个没有任何经验的硕士，导师说什么就是什么，但是导师也是人，也有错的时候，所以最根本的还是要自己查阅文献。

当时，我采用fluent对某方柱绕流进行了仿真计算。由于当时用的是破解版的fluent，所以，非稳态计算过程中由于停电等原因终止过几次，而且残差偶尔也有跳动的比较高的时候，所以，最终算下来的方柱绕流的结果参数误差比较大。所以，这里的建议是，在进行非稳态计算时，最好不要停下来。而且对于偶然的残差跳动千万不可以小视，否则计算得到的结果可能相差比较大。

可见，对整个问题，当时的认识还不是很深入，现在想起来，这是计算区域的确定呀，这也是计算中的第一步，也是计算中最重要的一步。另外，对于绕流问题，进口湍流度也十分重要。尤其是本身含有非稳态因素的一些计算，如卡门涡街问题。

硕士阶段，作图软件已经转为为NX UG8.5，网格划分转为icem，计算采用fluent。总的感受是，NX作为专业的制图软件比gambit还是要强大，但是记得又一次在做风洞扩张段曲线时，有还是采用了后者。但问题是 NX UG不属于ansys内部几何建模软件，因此在几何模型更新这一块，存在问题。也就是说，没修改一些几何模型，可能都要重新划分一次网格，重新进行一次设置。这在参数化和优化设计中，将是十分不利的。关于参数化和优化问题，后面我将做较为详细的说明。

icem的网格划分质量更好，在结构网格(比非结构网格在计算收敛性和计算速度等方面具有很大的优势)方面更有优势，实际操作比gambit更方便，功能也更多。但问题是学习icem比较麻烦，包括对软件思想的理解和实际的操作，做结构网格时“拓扑”的理解的确比较难；破解版软件的12.0还是13.0貌似本身软件有一些bug。我当初用了2-3个月才基本学会的。如果没有师兄师姐的帮助，或者专业的培训，还是很难学习的。

惠老师提供的案例图三

现阶段我对icem一般用的比较少，主要也是因为操作这方面，还有一点就是，它作为workbench一部分时，具有的自动更新能力比较差，当然，我是和meshing，cfx相比。之所以还在用它，就是因为他在结构网格，边界层等方面的优势。

关于软件自动更新能力，简单讲，就是将软件中的变量参数化，变为parameter set中的参数后，通过在parameter set中修改变量值，具体模块中的参数能够自动修改。自我使用的经验是，icem比较差，但比maxwell好一些。例如DM-ICEM-CFX-POST组成workbench计算，为了研究DM中参数变化对计算结果的影响，在parameter set中修改参数之后，DM中参数实现了变化，但是由于icem是基于几何体做的网格不会随着改变，所以，最终很有可能导致几何与网格不对应，从而导致求解出现问题。

meshing是一款基于workbench平台的网格划分工具。其在划分网格时，具有很强的适应性。会根据几何形状选择最大的网格划分方法和尺寸。一般情况下都会给一个差不多的网格来，但质量无法保证。比如是正规的六面体，它会生成六面体结构网格，如果是有一点形状上的“瑕疵”，则生产的将不是六面体，而是在局部用四面体来适应。

当时仿真计算主要用的还是fluent，但从来没有问过自己为什么要用fluent而不是其他软件。而且当时用的也是单独版的fluent而不是workbench平台的。这里需要讲讲workbench平台，其中主要用于通用流体仿真计算的，就是fluent和cfx了，这里的通用表现在专业上，也就是航空航天，交通运输，电力电子等都在用的，而workbench中的其他软件，像polyflow，专业性更强一些，也就是仅仅适用于某一个领域，这也就是为什么这两款软件为什么这么火的原因，因为通用性强，资料多，学习人员也比较多；但同时也带来了一个问题，那就是太通用了，大家针对自己的专业领域进行CFD时，需要将自己专业内的术语，变量等编入fluent和CFX中。所以，这里的建议是，先选择本行业是否有专业软件，如果没有，那就采用通用的CFD软件，即fluent/CFX。而且即使有了专用软件还是要对fluent/cfx有一定的了解和应用，因为这两款软件的开发更新，模型等都十分强大，以及专业的培训，资料都是其他专业软件所不可匹敌的。

fluent之所以比cfx市场更大，这在我的另外一篇文章中也曾经提到过。简单总结一下，就是市场原因和模型原因。但这里不得不提出的是，在计算的收敛性方面，fluent还是要和CFX相差比较远的，所以这就决定了，对于初学者来说，cfx比fluent更易上手。

在这段时间，我还做过后处理的一些工作，比如提取一个等温线的内切圆，瞬态数据点的提取。当时采用的方法，就是最粗糙的方法：手动。现在想起来，真实愚蠢呀。对于后处理这一块，一般比较普遍的是采用tecplot软件，或者matlab，origin等软件。这些都属于ansys的外部软件。现在让我去做的话，我用选择cfd-post后处理的方法。采用cfd-post的优势的优势，还是在于workbench的自动更新能力；而且，CCL,CEL以及脚本的使用，大大增强了CFD-post的后处理能力。

在硕士毕业论文阶段，我是做的一个管道中蝶阀气流场计算的计算及其实验测量的工作。其中感受比较深刻的几点包括：

1)几何模型处理，实际工业中蝶阀存在很多细节，但是进行CFD计算的模型一定要经过简化，否则无论对网格还是计算准确度的影响都是十分大的。

２)混合网格以及interface 交界面的问题。实际产品一定是十分复杂的，对其进行结构网格的划分，不能说一定不能实现，但是肯定是不经济，也是没有必要的，非结构网格虽然划分比较简单，但是问题在于划分质量不会很高，在fluent中收敛性不太好，网格数量也比较大，当时采用icem进行网格划分流体区域以及边界层网格，感觉icem无论是划分结构还是非结构网格的边界层都是不错的，操作也比较简单。interface交界面两侧的网格尽可能一致，否则通过交界面两侧计算误差就可能比较大，甚至计算发散。

3）CFD-post也可以进行气动噪音频率的提取，实施也比较方便.4)对于对称的模型,一般不要采用对称,取一半的方法进行计算,因为流体中几何对称流场不对称的线性太多了。

做完这些工作后，本人的硕士阶段就结束了，本阶段虽然对流体软件有了一定的掌握，分析软件也从fluent到了CFX，从而让我的流体计算变得比较简单，最重要的一点吧，就是计算容易收敛了，这也是对初学者的一个福音吧。

三、工作阶段-我成为了一名专职的仿真工程师

硕士毕业到现在之后到现在的几年间，我承接了不少的企业，高校等项目。作为一名企业的专职仿真计算工程师。深刻认识到了仿真计算的发展以及存在的问题。仿真计算涉及的行业包括林牧业，养殖业，电力,发电, 高校等行业。

不得不说，在我接触企业中，仿真计算还有一段很长的路要走，无论是技术积累还是大家对仿真计算的态度。从本质上讲，"CAE技术的提高"和"大家对CAE的态度"是一个一损俱损，一荣俱荣的过程。只有CAE技术不断提高，解决越来越多的工程问题，才能越来越得到大家的认可。反过来，在得到大家的不断认可后，企业才愿意投入更多的人力和物力来进行CAE的技术研究和技术的积累。对CAE工程师来说，需要耐得住寂寞和物质的诱惑，去在本企业本行业做出东西来；对于企业来讲，也要有足够的耐心，长远的眼光去支持CAE工作，从而让CAE最大可能发挥自己的能效来。

对于企业来讲，除了少数行业或者企业，CAE技术还更多的作为定性判断依据，也就是看看趋势，要达到准确的预测实际参数，则需要CAE工程师和试验工程师共同的配合和努力，短期内很难做到，这是一个不断探索的过程。

企业追求“短平快”无可厚非，因为企业要养活“一大家子人”。因此，对于CAE工程师来说，必须找到一种快速，简单，易操作的软件仿真方法。不要说，因为什么原因计算没有收敛，因为什么原因无法进行计算。让CAE从技术的皇冠中走下来，被普通大众接受。另外，对于企业而言，一定要注意CAE团队的培养和技术的积累，而不是让某个人去单打独斗（技术不应该都是这样嘛？）然而，现状是CAE工程师不得不面对企业CAE研发制度不完全，不科学，绩效考核制度各种弊端，研发人员缺乏等问题。总之，企业中CAE需要面临很多问题，尤其是CAE技术比较薄弱的行业和企业。

总之，CAE是个好东西，如何用好它是个关键。

四、系列课直播预告

为了帮助CFD的初学者，少走一些弯路，少花一些时间，受仿真秀平台邀请，自2019年1月5日起，每周六19时-20时（春节期间除外），我将结合自己的工作经验和工程案例，在仿真秀直播平台分享《从职场小白到CFX技术达人，流体工程师进阶的8期必修课》。本系列课共8次直播，每期直播时长60-90分钟，每期提供直播答疑15-20分钟。时间跨度3个月完成（第一期免费试看，见下图），希望感兴趣的朋友报名。

1、讲师介绍 

惠老师，上海交通大学机动学院职业生涯导师，国家部委ansys 高/低频电磁创新工程师认证项目考试用书编撰主笔人，仿真秀科普作者。

某国内电力设备央企首批“高精尖”人才库成员，上海交通大学动力工程与工程热物理硕士，西安交通大学热能工程系本科，管理学工学双学士。硕士导师为国内流体测量和计算方向的“国家杰出青年科学基金”获得者。对工业及电力设备气流场计算有较为深刻的认识。

主要从事动网格，流固耦合计算，软件二次开发及企业CAE应用推广工作。发表学术论文10篇，拥有软件注册权3篇。编著《流体力学》教材一本。多次参加ansys用户技术大会和相关技术培训工作。拥有9年气流场仿真计算经验和4年电磁场仿真经验，对湍流，激波，多孔介质，两相流，耦合传热等问题有较为深刻的认识。

2、系列课直播主题 

3、您将获得 

① 掌握CFX软件在工程应用案例的工作流程和必备技能：CFX软件基本操作和方法、CFX相关基础模型、CFX相关编程技巧和算法和基于workbench平台的CFX操作，基础开发语言和方法等；

② 解决学员在CFX软件应用过程中遇到的难点和痛点；

③ 获得10+个CFX 工程应用案例模型和资料，以及加入VIP学习群与讲师持续交流。

4、如何收看

① 凭学生相关证明，包括学生卡、学生证等可免费收看，详情联系小助手。

② 非学生用户，单次门票20元，系列课门票160元，5人限时砍价60元，有效期到1月12日，活动结束后统一售价99元。

③ 本直播支持手机和电脑同时观看， 由于直播对宽带要求较高，建议学习型工程师们在电脑上观看，请复 制您所要收看的直播间链接，在浏览器下打开即可。欢迎直播间结束48小时后可以在仿真秀官方网站/app反复学习（点击阅读原文进入官网）

作者：惠老师，仿真秀科普作者，上海交通大学机动学院职业生涯导师，国家部委ansys 高/低频电磁创新工程师认证项目考试用书编撰主笔人。

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