CFD软件在动力工程中的应用和反思

计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 是以数值方法求解流动问题的一种计算技术, 它作为流体力学的一个分支诞生于20世纪60、70年代, 该学科经历了计算理论研究, 算法程序化和计算程序的商业软件化等诸多发展阶段。作为该学科研究成果的直接体现, 各种CFD软件已经成为分析航空航天、交通等动力领域中流动、传热和燃烧现象的有力工具。随着计算机软硬件技术的飞速发展, CFD软件不仅具有了更为广泛的使用群体, 而且其解决问题的层次、规模还在不断扩大。

1 使用现状

我国在CFD理论研究方面与国外先进国家相比基本同时起步, 国内张涵信、周力行等的研究也很具特色。但在CFD技术发展过程的软件化、集成化和商业化等方面差距非常大。国内至今没有出现一个完全自主的CFD商业软件。国外CFD商业软件引进到国内动力工程领域始于20世纪90年代, 这些软件一开始就以便捷的前处理工具、稳健的核心求解算法和丰富的可视化后处理功能而得到广大的使用者认可, 也使得国内自主品牌的CFD软件丧失了立足和发展的可能。经过进二十年应用, 国外CFD商业软件几乎渗透到了国内动力工程领域研发、分析、评估的各个方向[1~3]并具有了如下的特点。

(1) 起点高。

CFD商业软件避免了重复编程, 让使用者从一些十分繁琐的共性基础工作中解脱出来, 将更多的精力投入到所研究的核心问题上。同时前、后处理工作的软件化也使动力领域诸如叶轮机械分析、燃烧过程模拟等问题有了便捷的平台, 提高了研究的效率。

(2) 软件的种类多。

目前动力领域使用的CFD商业软件主要包括通用型的FLUENT、CFX、PHO EN ICS、STAR-CD等;专用的主要包括针对旋转叶轮机械的NUMECA、内燃机械的KIVA等。通用软件中FLUENT以C++为基础编写核心代码, 目前在动力领域使用最广;CFX以FORTRAN为基础编写, 稳健性很好, 也有较广的使用群体。

(3) 软硬件平台兼容性好, 扩展灵活。

为了解决动力领域流场分析数据量和计算量大的问题, 各种CFD商业软件在运行平台方面也提供了许多解决方案。为适应动力领域CFD分析对大内存的需要, 各个CFD软件都推出了适用于64位操作系统的64位软件版本;为解决计算量大的问题, 各个软件均支持目前较为流行的SMP (多对称并行处理) 和MPP (分布式并行处理) 。

(4) 应用方向的发展。

动力领域引进CFD商业软件之初其使用基本局限于动力装置部件的流场分析, 比如:对叶轮压气机[1]、涡轮流场的分析、火箭发动机喷管流动过程分析等。近年来随计算能力和软件功能的提升, CFD软件在部件优化、发动机整机全工作过程仿真[2]、流场与结构的耦合分析等方面有较多新的应用[3]。同时为使数值分析有更好的针对性, 国内动力领域在使用软件的过程中也越来越多地利用到二次开发的功能。

2 存在的不足与改进建议

不可否认CFD商业软件在的使用过程对我国动力领域的技术发展起到了相当大的推动作用, 但近年来也呈现出相当多影响CFD软件使用效果和动力技术发展的不利因素。

(1) CFD计算结果的可信度受到了质疑。

由于涉及动力领域的各种流场实验研究难度和耗费均比较大, 而CFD软件带来的便捷造成部分使用者对计算过程和计算结果的深度分析和考核严重不足, 一些计算结果在未经过仔细验证的前提下就予以发表;甚至出现个别使用者为了早出成果随意修正计算结果的事件。以上现象的出现严重影响了CFD行业的可信度, CFD软件及其计算工作在设计、分析中的指导作用受到质疑。

(2) 二次开发和深层次的应用明显不足。

客观上讲, CFD商业软件的核心算法和代码的保密使得对软件的二次开发具有一定的难度, 但是由软件便捷性带来的使用者主观的惰性以及CFD理论和实践深度的不足也是造成国内对CFD软件二次开发和深层次的应用明显不足的主要原因。这无论对CFD这门学科还是动力领域流场分析工作都及其不利。

笔者作为多年从事CFD算法教学、研究和软件应用的人员认为应在CFD软件使用过程中注重如下几个方面。

(1) 使用者切忌急于事功。

不能起点高而产生急于出成果的心态。尤其对于初学者而言, 很多基础性、概念性的算法和理论先进行自己编程实现并加以体会仍是必要的。使用CFD软件进行研究的过程中, 无论是前期的规划、问题的分解、试算还是最后实际问题的建模、网格划分、求解器选择、结果的分析都应具有足够的耐心和细致。出现不理想的结果时切记找出原因并加以纠正。

(2) 事实求实的态度, 有效的验证手段。

利用CFD软件进行动力领域流场分析研究切记要有事实求实的态度。受模型、算法的限制, 计算结果相对实验结果有误差是正常的, 要有事实求实的态度和通过改进建模、分析手段提高精度的耐心。此外, 无论是对比经典算例、文献中的实验结果还是自己进行实验验证, CFD工作必须辅助以有效的验证手段和误差分析, 这一点在国内仍是需要长期建设、积累和改进的过程。

(3) 稳定的队伍。

一个CFD软件使用者从理论学习、编程、软件学习到成为能进行CFD分析可能仅仅需要2~3年的时间, 但是如果要从建模细致程度、求解设置的合理性、对问题的分析和排除故障、对结果的验证以及对算法原理的深刻理解等方面达到合格需要大量时间的累计、工作经验的累计和个人的努力, 因此国内各单位应特别注意培养稳定的CFD应用和分析人员队伍, 并以定期的理论学习和不间断的实践工作提高CFD队伍的业务素质。

摘要：分析了计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 软件在国内动力领域的使用现状, 指出了软件使用过程中存在的不足, 对如何改进软件的使用提出了建议。

关键词：计算流体力学,软件,数值模拟

参考文献

[1] 丁凌云, 冯进, 刘孝光.CFX-BladeGen在涡轮叶片造型中的应用[J].工程设计学报, 2005, 12 (2) :109～112.

[2] 于胜春, 赵汝岩, 许涛.固体火箭发动机快速升压过程的流固耦合分析[J].固体火箭技术, 2008, 31 (3) :232～235.

[3] 田四朋, 等.固体火箭发动机喷管结构完整性分析[J].固体火箭技术, 2005, 28 (3) :180～183.