Trends and Challenges in CFD

这是一个关于CFD(计算流体动力学)最新趋势和挑战的简单思考。

相信阅读此文的大多数人都很清楚什么是CFD,然而CFD仍然是一个相当年轻的学科。CFD帮助工程师门设计及测试他们的产品,以使其更高效、更耐用以及更便宜。目前CFD已经在汽车、旋转机械、航空航天或土木工程领域中得到广泛的应用,当然这些行业也在影响这CFD技术的发展。

目前CFD市场是一个全球化的业务,与其他许多工程领域类似,CFD也在发生着巨大的变革。CFD用户的需求也在发生变化。以下是CFD技术中最重要的趋势和挑战。

1 大众化

第一个是大众化。 越来越多的人参与到CFD中。 在以前,CFD是科学家、软件开发者们的专业工具。 然而在过去的几十年里,CFD已逐渐成为一种被广泛使用的工具,而使用这一工具的人,可能是工程师、设计师之类的非CFD专家,他们使用CFD的目的仅仅只是利用CFD帮助他们实现产品增值,而并非处理边界层或湍流模型。因此,未来对于CFD程序在易用性、健壮性以及准确性上提出了更高的要求。

2 流程自动化

另一个大趋势为自动化。CFD工作流变化非常迅速。十年前,CFD工作流程还基本上是个人工作,一些人必须去清理CAD模型,一些人创建计算网格,一些人设置计算参数并进行模拟计算,一些人进行结果数据评估。而在未来,这些标准CFD流程都将完全实现自动化。对于标准CFD工作,CFD将会被看做一个计算器。工程师们将数据输入进去,之后等待计算结果输出。自动化流程能够带来生产力的巨大提升,同时还能减少人为错误的风险。

3 程序整合

程序整合。 众所周知,CFD是CAE(计算机辅助工程)的一部分,再大的领域为虚拟原型(Virtual Prototyping)或PLM(产品生命周期管理)。 CAE也面临着大众化和自动化的效果。 模拟不仅仅是CFD,CAE还包括结构模拟和其他物理场模拟。 因此,将来的CFD程序不得不与其他CAE程序进行通信。 用户需要对程序进行整合。 程序应该有强大的输入和输出接口, 一个程序可以运行另一个程序,或者被另一个程序运行。或许一些程序将被收购和合并。

4 优化

优化改变了CFD的使用方式。 在过去,CFD通常提供给我们某个问题的答案。 例如,一位工程师问:“这车的车身阻力系数是多少?”CFD回答:“0.5”工程师再次问到:“我改变了车身结构,现在车身阻力系数是多少?”CFD回答:“0.4”工程师再次问,CFD再次回答……等等。但是,当优化被用于CFD工作流程(没有人说这是一件容易的事情)时,工程师一次性问:“这个车身的最佳阻力系数是多少?”CFD回答: “0.345”你看到区别了吗? 优化使CFD的使用方式发生了重大转变。

5 专用程序 vs. 通用程序

在过去,大多数CFD程序(如果不是全部的话)都是通用代码 - 一切都是单一的CFD代码。 他们可以被用于任何CFD工作场合。 与通用程序相反的是一个专用程序 - 专门用于特定CFD作业的程序。 未来,专用程序会在与通用程序的竞争中胜出。CFD程序的用户工程师们将不会在未来非常忠诚。 他们只是想完成他们的工作。 不管什么代码。 他们只会选择最有有帮助的。 顺便说一句:你有没有遇到一个想要模拟一切的工程师? 不,不是我。 当然,通用代码不会消亡,他们必须专注并为特定的CFD工作创建出色的模板 - 这并不容易。

6 云计算

从拥有资源到按使用付费是多么大的转变过程。 所有人都相信云计算是未来, 唯一的问题是在何时。 我觉得奇怪的是,大家都同意,但是没有什么实际发生。 到目前为止,转型比预期要慢得多。 有人说这是出于IP安全的原因。 我认为用户和他们的老板是保守的。 云计算带来了非常巨大的变化。 大多数的组织还处在思考及规划中,似乎还没有准备好。

7 时间&成本,可扩展性

在CFD中,时间至关重要。 CFD程序存在非常大的压力 - 要快速且经济高效。一个典型的问题: 如果我支付双倍的资金或者使用双倍的资源,我的结果是否快两倍? 我们可以期待收敛速度,成本和可扩展性方面的压力。

8 GPU

GPU使得CFD更加复杂。 CFD方法原本是CPU所设计的。 由于硬件架构不同,在GPU上,还有额外的工作要做(很多工作),因此投资回报率是有问题的。

9 CAD嵌入

将CFD代码作为模块嵌入到CAD平台中,这听起来是一个非常好的主意。

10 移动设备

当然不是用于模拟,但是用户喜欢更方便。移动设备可能作为访问CFD程序的入口。

11 人工智能

人工智能在世界各地都是一个巨大的趋势,在CFD中也是如此。 现在处于一个非常早期的阶段,但是进步非常迅速并且前途光明。 对于标准的CFD作业,许多结果可以预先计算并存储在大型数据库中。 AI可以和他们一起学习。

12 开源软件

过去,CFD主要是商业程序领域(许可软件)。在过去的十年中,与其他软件领域一样,CFD也出现了开源代码,作为已有的商业代码的替代品。乍看之下,开源代码最大的好处就是免费。然而并不是这样,该账单还是需要支付,要么花时间,要么通过与专业人士的咨询。开放源码的真正好处是可以扩展。 CFD开放源代码最显着的代表是OpenFOAM。

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