简单谈谈CFD技术的可信度问题

周华

CFD技术是数值仿真技术中的重要分支，是计算机技术与流体力学理论相结合形成的一个技术领域。CFD技术最早的实践活动可以追溯到Richardson早期利用数值方法进行的气象预报活动，其后虽然陆续有人开展过一些研究活动，但CFD技术获得大的发展是从1960年代计算机技术大发展之后才实现的。

CFD技术的最大优点是在将其运用到工程研发中时，可以大大降低研发成本，缩短研发周期，其最大缺点则是CFD模拟得到的结果有可能是一个虚假的结果。因此，关于CFD模拟技术是否可信的争论实际上是一直存在的。解决这个争论的办法一方面可以来自数学上的求证，比如证明解的存在性、唯一性、稳定性等等，另一方面则可以通过建立一定的工作流程保证数值解的正确性和准确性。由于流体力学控制方程的数学性质比较复杂，从数学上证明解的正确性和准确性在大多数情况下是无法做到的，因而用工程管理的理念保证数值解的正确性和准确性实际上是唯一的选择。

工程管理办法介入科学研究过程实际上也不新鲜，我们虽然没有这样明确提过，但在实际工作中或仿照国外模式，或根据别人论文中展现的惯例，都多多少少地在工作中使用过。比如将计算结果与试验数据相对比，以证明结果的正确，比如网格无关性验证等等，都是工程理念在数值分析工作中的应用。CFD软件开发过程中更要大量引入流程管理等理念，否则是绝对不能成功的。

在实际工作过程中也经常遇到使用单位对模拟结果的质疑，其质疑点往往就是上面所说的虚假解的问题，还有就是数值精度问题。回答这种问题的答案也只能是用工程管理办法，通过流程设计和控制，在体系上给予保证。美国和欧洲国家就是这么做的，我们当然也可以这么做。客观地说，国内CFD技术与欧美国家的差距，表面上是数值理论研究的差距、CFD专业软件数量的差距，背后还有就是工程管理水平的差距。表面上的差距是容易看到的果，背后的差距则是不易看到的因。在研究活动中，特别是一些大型研发项目中，这种现象会表现的更加明显。

这次“航空CFD可信度开放式专题研究活动”主要目的是考查各种算法在飞机气动设计上的有效性和精度，各种网格（结构、非结构、混合网格、无网格等）对数值模拟的影响，以及国内CFD仿真的实际水平。之所以采用开放的研究方式，在网上公开召集大家参与研究，主要是希望能最大限度地对这个领域的实际力量给予正确评估。比如有些网友平时可能不在航空领域工作，但是CFD研究水平和应用水平很高，完全有能力参与航空领域的仿真工作，这次活动就给这些网友提供一个展示机会。我们平时在网上也会遇到一些深藏不露的高手，这次也希望这些高手能利用这次机会证明自己的能力。另外刚刚进入飞机流场数值分析领域的网友，也可以通过这次实战活动得到真实的锻炼，获得大量资料，得到实质提高。

这次活动酝酿时间很长，将来类似的活动还会不断推出，活动的最后会以workshop的形式进行现场交流。这次活动在形式上是个创新，对国内气动计算水平的提高也必然有很大的促进作用，令领域内的各方都能清醒认识到国内CFD技术的实际发展水平，因此我们流体中文网将积极参与这次活动，也希望我们的网友投身到这次活动中来。

周华

发现很多人对可信度问题还不是很了解，我再多罗嗦几句算作抛砖引玉。CFD的可信度问题可以说是CFD与生俱来的问题，因为CFD工作是在计算机中完成的，建立的是虚拟流场，所以就有一个计算结果是否可信的问题。从工程角度看，CFD的结果如果可信，就可以直接应用到工程实际中，这样将导致研发成本的大大下降，研制周期的大幅缩短等好处，但是由于CFD本身与流体力学的复杂现象、数理模型的准确度、数值模型的准确度、网格的影响等因素都有关系，因此建立可信度并不是一个简单的事。1998年AIAA曾经推出过一个CFD校核与验证方面的指南，他们的最终目标是建立指南、实践和标准三样东西，但是到现在为止，我还没发现他们拿出实践（practice）和标准（standard）这两样东西，说明这方面的流程和标准还是很难统一的。欧美国家的工业化程度高，工程观念很普及，因此他们很早就开展可信度方面的工作，在这方面的积累也比我们多得多，对研发工作的推动作用就更明显，可以说大大推动了飞机的研制工作。比如统计数字表明，在以风洞为主要气动工具的时候，研制一架飞机大约要制作几十个风洞试验模型，现在则仅需几个模型，再考虑到飞机周期的缩短、风洞试验小时的缩短带来的种种效益，CFD工作可以毫不夸张地说已经成为气动设计的主要工具。但是即便如此，CFD在欧美国家也没有完全取代风洞试验，比如在飞机结冰计算领域，CFD仿真结果仍然不能作为适航验证工具参与验证工作。

CFD的可信度问题本质上是一个质量保证和质量控制问题，其核心内容就是验证（verification）与确认（validation）工作。这两项工作都是工程单位的质量工程师的主要工作内容，校核就是保证产品（在CFD中就是程序和软件）功能满足设计大纲，验证就是保证产品满足功能需要（在CFD中就是满足精度要求）。具体地说，CFD的校核工作就是要检查程序和软件中是否按设计大纲正确地写入了数学模型（包括基本方程、湍流和其它物理模型），数值格式是否正确加入代码等等。验证工作就是看这些程序和代码的精度如何，确定大致的误差带，以便在设计工作中使用这些数值结果。

可信度问题显然是一个工程性很强的问题，目前流行的商业软件和自编程序很多，究竟各种软件的精度如何过去一直仁者见仁智者见智，但是显然都没有经历过系统工程方法的校核与检验。目前多数人的看法是：商业软件大多经过内部测试过程，是一个在软件工程管理下形成的产品，因此质量更有保证；自编程序则由于专注于某个具体问题的模拟，可能其模拟精度高于普通商用软件。同时目前国内市场上的商用软件都是国外产品，难免由于国外对中国的市场禁运等因素影响，在功能和精度上会差于国外同类软件。因此对于国内设计单位来说，其实所有软件和程序都需要建立可信度。经过这样的考验后，设计单位对CFD的实际效果就能做到心中有数，也就能确定CFD用在哪个地方，用到哪种程度了。

wySulnwang

cfd的发展，其核心支撑就是验证和确认。
国内高校对数值模拟有个自圆其说的说法，其实缪之极也！
cfd如果没有validation和verification就等于是凭空说话，要不就得和理论或者实验结果对比，否则文章的价值不大。

luna125

是呀，CFD模拟必须的有试验的对比，不然没人会相信的.

keith

是啊，搞CFD分析，计算结果是否可信真的是个很大问题。有时候自己算完的东西可能也不知道到底正确与否。

wangye03219

恩 CFD可信度的问题确实是很重要的，但是在我们讲求实验验证的同时，也不要主观上绝对质疑，毕竟有些问题未必就能够有可信的实验及其结果来提供验证，因此，个人认为：CFD的可信度的验证应该包括物理合理性分析求证、近似实验模拟验证和实际条件实验验证。毕竟CFD的强大生命力和应用前景是得到大家一致认可的
近来，在一些项目中某些专家人士一方面质疑CFD的可信度，一方面仅仅以CFD作为华丽装饰来标志所研究项目的先进性，这种现象并不少见，实在让人感到可叹可悲
科研，科研，大家都说在做科研，但是究竟该怎样定义科研，以什么样的态度来对待科研，以什么样的态度来对待以CFD为典型代表的理论研究....

stay212

FD的可信度问题可以说是CFD与生俱来的问题，因为CFD工作是在计算机中完成的，建立的是虚拟流场，所以就有一个计算结果是否可信的问题。从工程角度看，CFD的结果如果可信，就可以直接应用到工程实际中，这样将导致研发成本的大大下降，研制周期的大幅缩短等好处，但是由于CFD本身与流体力学的复杂现象、数理模型的准确度、数值模型的准确度、网格的影响等因素都有关系，因此建立可信度并不是一个简单的事。
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讲的不错!也正是这个原因,现在一般单位对这里的重视程度很不足够!
国外的很多管理无法仿照,比如外国的山寨就很少....

haluo2008

CFD可信度的问题是很重要。做了这么多年，觉得多方案对比很有用，要准确可信那就太难了。以前的旧方案有试验数据的可借鉴，分析结果可以逼近凑准，对新方案分析就非常有用了，心中也有数了。

haluo2008

首次回复，没搞清楚，就给多试了几次，麻烦把多余的给删掉，谢谢了

shwwind

CFD的可信，一些简单的都是建立在经验性的基础之上，我们进行一个新领域的开发时，确实需要试验来对比之。

白文

原帖由 周华 于 2009-8-1 15:24 发表

                               
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。。。
CFD的可信度问题本质上是一个质量保证和质量控制问题，其核心内容就是校核（verification）与验证（validation）工作。 ...

建议将Verification译作验证，将Validation译作确认。

周华

原帖由 白文 于 2009-11-27 16:13 发表

                               
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建议将Verification译作验证，将Validation译作确认。

通流

到目前为止，CFD的可信度还是基于实验与经验的。换句话说，如果过去CFD只能算到攻角15°，那么15°以上，算出来的对错就不知道了。也就是说，CFD只能用于过去的设计经验的范围里。要搞点新的东西，还是需要实验。那么最终谁来判别计算结果是否可信？还是需要人，需要对流体力学有深刻理解的工程师们。其实，这才是我国真正缺乏的东西。

美国现在也有类似问题。也就是不久以前，美国的普惠，就因为CFD的瞎用，造成了整台发动机的研制失败。教训是，CFD的可靠性是不能光靠管理来实现的。靠的还是工程师们。

周华

楼上说的没错，对流体力学有深刻理解的工程师确实很重要，这样的工程师不仅我国缺乏，全世界也没有几个，除了普朗特和惠特科姆等几个牛人外，还有谁能凭经验和直觉拿出真东西？正是由于大多数人对流体力学的理解不那么深刻，于是乎才需要用管理工具，从统计的角度考验各种算法，给它加上可信度这样的指标，这样用起来才放心一些。普惠的失败我还不清楚是怎么回事，楼上了解详情的话，不妨给大家讲一讲，相信网友们都有兴趣听一听。

通流

也就是PW6000的事。好几年前的事情了。PW6000名义上没有失败，但因为CFD，延误了时间，可能也就卖了10台左右吧。
前一阵听说，PW想把PW6000弄到上海来合资生产。这不是想欺负我们吗？