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新手秘籍 | 零基礎入門 Fluent CFD 方法論
時間:2022年09月16日
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學習目標與路徑

仿真要基于工作中碰到的問題學習,保證多數學習的內容可以短期內用得上,而不是學完了就忘了。對于學習目標,應該是通過XX軟件分析XX問題,而不是簡單的學會XX軟件。例如學會通過Fluent分析飛機的升力和阻力, 而不僅僅是學會Fluent。

Fluent軟件廣泛應用于汽車、航空、化工、建筑、電子等諸多領域,可處理包括湍流、傳熱、燃燒、相變、氣動噪聲等諸多問題,完全學會各種可涉及的仿真既不現實也沒必要。初期入門應該著重于在一個基礎問題上深挖,做精做好,然后再逐步在相近領域上擴展。

仿真不可能通過看幾本入門書,讀幾篇文章,做幾個練習案例,或者找幾個大牛指點下立刻精通。這中間需要探索與嘗試,循序漸進,從能夠做出看起來合理的結果,逐步成長到做出精確的結果。

1 理論基礎學習

1.1 學習路徑

雖然Fluent軟件通過流程化的工作界面以及大量內置的各種參數與默認設置,已經極大的弱化了理論知識的要求,但是了解理論很多時候還是必要的。完全不懂理論知識,仿真能力就只能始終停留于低層次,不可能進一步提升。

理論知識學習,最重要的是了解自己要處理的問題所涉及的物理機理相關內容。如果之前缺乏背景知識,至少對于重要的概念、方程、物理模型等有必要掌握物理含義,了解不同概念之間的聯系。

不少文章、言論等說做仿真需要懂這個會那個,而且各個方面都是要求到專家到博士的層次,從而引發學習者的焦慮和自我懷疑。這個實屬沒有必要。人腦有極限,實際的時間和精力也是有限的,不可能記得住更不可能搞得懂那么多。

入門CFD,如果確實之前沒有學習過流體力學,需要對以下流體力學的基礎知識點進行定性的了解,知道一些概念:

流體力學的研究對象、流體的屬性

l幾個重要方程(連續性、動量、能量、RANS)的基本物理背景

l湍流的基本知識、流場的結構、湍流數值模擬方法

 

對于數值計算,建議了解以下概念:

l網格的概念、單元類型與質量

l幾種常用的邊界條件及其搭配方式(入口、出口、壁面等)

l時間步長、迭代次數、計算收斂判定依據

例如做建筑物風載荷仿真,至少幾種常用的湍流模擬方法(LES、RANS、DES)的優缺點和適用場景能夠定性描述,空氣粘度,邊界層等概念有所了解并清楚含義,并能夠在仿真中判斷計算是否收斂。

1.2 理論學習資料

基礎知識學習最常用也最系統的方式就是各類基礎課本,主要是流體力學基礎教材和傳熱學基礎教材。后續可根據個人情況再適度補充數值計算相關的基礎概念,以及實際工作所涉及的多相流、燃燒、聲學等相關的知識點。

公司有內部自己精煉過的系統化理論知識資料,有需要的客戶可聯系我們。

優秀的理論入門資料,應該能夠通俗易懂的解釋各類概念,又能講清楚各個概念之間的聯系、區別,學習后可形成系統化知識體系

課本學習的重點應該是了解物理過程和數學思想,練習題可忽略。也不建議專門花很多時間對教材后部的內容進行深入詳細的學習。部分教材的高級內容還是利用數學技巧求某些特定問題的解析解,根本不適合于現代數值計算的思路,更不建議進行學習。

 

2 軟件操作學習

2.1 學習目標

        軟件操作學習,核心在于貴精不貴多,不是各種操作掌握得越多就越優秀。初期入門要專注于自己常用的具體幾個功能,實際工作中能夠獨立操作解決問題,忌諱貪多求大。不建議入門階段花時間詳細了解算法和程序實現,以及UDF(user-defined function)等需要復雜二次開發的內容。

        部分功能對于提升工作效率、防錯等方面非常又幫助,可以進行學習和掌握。Fluent中典型如通過參數化和表達式定義邊界條件。

例如學習通過Fluent仿真風扇的氣動噪聲,合理的學習路徑為:

l湍流仿真流程走通,得到湍流仿真結果

l基于湍流仿真的基礎,能夠實現氣動聲學的仿真

l總結仿真流程,固化和參數化輸入和輸出數據

        軟件版本選擇要跟上時代,用最新或者較新的版本,不要迷信所謂“版本經典”、“老版本穩定成熟”等說辭。版本更新所帶來的新功能、界面優化、問題修復等,也是開發商對用戶在使用老版本過程中提出的各類需求、問題的響應。

對比最新版(目前是2022R2)和多年前的老版本(例如15.0),會發現軟件在計算效率、界面設計、功能擴展等方面均實現了加強。

2.2 軟件學習資料

         現在的環境中,學習資料非常多。核心點在于不要碎片化學習,更不應該做資料收藏家。仿真的學習需要理論結合實際,系統化的由淺入深。

        軟件相關的資料不僅有開發商自己的軟件幫助文檔、培訓教材等第一手資料,各類網站、微信公眾號、書本、培訓課等渠道的第三方資料同樣一大把。

        軟件學習資料主要分為以下幾類:

l介紹性資料:宣傳介紹在XX行業的成功客戶、應用案例等

l純操作教程:講解某個簡單案例的相關操作步驟

l系統化培訓資料:系統化講述某類問題的仿真過程、注意事項等

公司內部有系統化的Fluent入門培訓材料,有需要的客戶可聯系我們。

ANSYS官方也有相當多的各種資料可供學習研究:

lANSYS Help(幫助文檔),既有軟件操作相關內容,也有理論知識講解,無論初期入門還是后期深入,都是必備資料

lTutorial(教程案例),可在ANSYS官網自行下載,了解某一類問題的特定做法,并熟悉軟件基礎操作

lANSYS Learning Hub(ANSYS學習中心,需付費),包含系統詳盡的各類課程,以及學習提升路徑指引,可深化對仿真的理解

不建議使用年代太久遠的資料,因為不少曾經的常用做法,隨著硬件能力提升、軟件功能更新等因素,變得不再適合現階段的仿真。

典型如結構化網格,過去會因為節約硬件資源且結果準確性夠用,而被廣泛應用。如今因為硬件能力提升、軟件代碼優化后可容忍更低質量單元,以及對網格劃分人工效率要求的提高,在多數領域已被非結構網格(多面體網格等)取代。

 

3 入門提升

3.1 行業知識

行業知識,可分為應用場景和行業標準兩類。

應用場景的主要關注點,決定了仿真的需求。對于行業中仿真涉及較多的重要場景一定要深入了解其物理過程,理解仿真設置背后的原因。同時也要比較不同仿真設置下的結果誤差。

        通常,應用場景層面的了解,可利用5W分析法進行分析:

lWHAT:發生了什么問題?

lWHO:這個問題涉及到哪些人?

lWHEN:這個問題發生在什么時候?

lWHERE:這個問題發生在什么地方?

lWHY:為什么要處理這個問題?

不少行業針對特定應用場景,有行業標準對設計性能指標、實驗方法等進行詳細規定,更需要深入學習,做到仿真的設置有理有據。

        例如AMCA 210標準為事實上的風扇性能評估的國際標準,詳細描述了風扇的性能指標計算公式、測試方法等,對于風扇類仿真的學習,需要進行詳細了解。

3.2 學術資料

        高水平論文是一種非常推薦的資料,特別是年代較近的論文更應該仔細閱讀,詳細了解背景、步驟、結果及其評判等。

        論文包括期刊雜志論文(小論文)和碩博畢業論文(大論文)兩類。優先推薦大論文,因為包含的細節、注意事項等更多更細,了解軟件操作后,基本上照著大論文中的步驟能夠做出來類似的結果。高水平期刊的新論文可以經常性訂閱和關注,以了解行業動態和先進做法。

對于總結(review)和展望(prospect),可以多閱讀以了解問題的來龍去脈,了解前人的研究成果,明晰未來發展方向。

 

4資源支持

4.1硬件條件

硬件配套水平直接決定了仿真的水平。優越的硬件條件可以支持更復雜的仿真,也能夠節約時間用于結果評估等工作,而不是把時間都耽誤在模型過度簡化、漫長的計算等待等無價值事務上。

4.2同行交流

閉門造車式的獨自學習是低效的。很多細節問題可能在學習資料上沒涉及,從而遲遲難以解決。但是經過其他人的幾句話提示,就能受到啟發,甚至于不少問題就是被他人解決過的相同問題。

加入專業交流社群、擇優參加一些研討會等市場活動,可以加強和其他同行的交流探討,了解行業動向、發展趨勢等信息。ANSYS原廠會不定期發布各類市場研討會信息,可以通過微信公眾號等渠道加以關注。

 

5 后記

仿真屬于高門檻高上限的工作。入門和提高沒有捷徑,多學習、多實踐、多思考總結是必不可少的。

        行業的專業英語詞匯一定要認真背誦掌握,非常有助于看各種資料。畢竟,英語還是如今的世界通用語言,也是各類專業技術領域第一語言。