【干货】在不远的未来，仿真将成为探索未知世界的标杆

汽车外流场分布

仿真作为一种前瞻性的技术，将越来越被重视。何为仿真？即在不做任何验证性测试前，通过计算机软件得出我们需要的结果，如发动机的排气温度，锅炉内部压力和反应器各组分的质量分数等等。

目前，仿真已渗透到各行各业，如：汽车（碰撞、外流场和内燃机燃烧），电子（电磁耦合和芯片散热），化工（反应器和搅拌混合），环保（污染物的扩散），医疗（心血管血液流动）等等，只要能想到的，都可以仿真。

准确性将得到保证

面对这么强大的功能，我们欣喜万分。脑子里面想出了无限种可以用来仿真的事物。但是，对于精度，我们不得不质疑。准吗？如何保证准确性？

对于线性的结构计算，准确性可以很好的保证。因为算法十分成熟，有限元方法得到很好的应用。而对于非线性的结构计算，存在较大随机性。目前，还是很难准确预测，需要与实验对标。

对于流体计算，较结构复杂很多。流动中存在的复杂程度远远超出我们的想象。特别是对湍流流动的预测，无规律性和随机性始终是难点。目前较为主流算法k-e和LES等，以及最新的玻尔兹曼都可以预测流动，但至于选择的模型需要与实验对标。

毕竟，算法还是基于当下很多经验公式和实测数据而来。可以看出，仿真与测试，相辅相成，缺一不可。

仿真工作基本流程

传统流程：几何模型—网格划分—设置边界条件—计算监测—结果分析

新型流程：几何模型—设置边界条件—计算监测—结果分析

几何模型

对于几何模型的处理，最重要的是避免各个零件的干涉。一般处理方法，要么共面，要么留1mm 的间隙。通过合理的简化，降低模型的复杂度，有利于提高收敛。简化原则，简化那些对结果影响较小的结构。

例如，一些产品上的LOGO，对热分析没有影响的加强筋等等。

网格划分

网格是将几何模型高度离散的过程，试想下，乐高积木，成千上万个六面体组成了一个精美的艺术品，其中，每一个乐高积木，就是一个网格。

目前，主流网格分别：四面体（网格数目多，自适应性好，难收敛），六面体（网格数目少，需要人工划分，易收敛），多面体（网格数量较少，易收敛）。

网格生成占仿真周期的70%，存在巨大的时间消耗。随着，计算机技术的快速发展，就这几年的发展趋势而言，网格需求正在逐步降低，网格消失初现端倪。意味着，质量较差或无网格，也可以得到较为可信的结果。

设置边界条件

对于结构计算，设置结构属性，施加载荷和约束。对于流体计算，设置流体属性，定义进出口边界，壁面等等。这个过程，就是将实际情况映射到计算机软件中。但是，由于实际情况较为复杂，很多需要假设。

例如，一个混合器，一端温度为50度的水以1m/s的速度均匀进入，另一端温度为0度的水以0.5m/s的速度均匀进入，壁面换热系数为 5W/m^2 K，出口为环境压力，求出口水的温度和速度。

此例中，存在两处假设：

1）水流过截面，其速度分布呈抛物线，而并非均匀分布，但需要实际测量数据。因此，做出简化。2）混合器各个部分的换热系数有所不同，换句话说，坐标与换热系数存在函数关系，很难确定每点的数值。因此，以定值代替。

计算监测

最基本的要求保证收敛，速度/温度等不随步长/时间变化而变化，即稳定至某一残差范围。残差越小越精确。

结果分析

通过切截面现实内部的压力/速度/温度分布。这是试验，无法办到的。具有较强的可视化功能。

以上是最基本的工作流程。

定制自己的仿真工作流程

下面将介绍我的仿真工作流程，相比基本流程复杂很多。

1. 查看客户所提供的输入信息是否正确合理，如材料牌号对应的材料温度极限、是否有实验数据、输入热源功率等等。基于经验预判仿真可行性。

2. 查看几何模型是否正确，是否存在丢件可能性，哪些件对结果无影响可以删除，及时反馈客户，得到客户认可，直到模型冻结。与之前模型对比，查看模型变化，预判，这些改动对结果存在什么影响。

3. 设置相应材料的属性，以及软件内部模型的参数。一般边界条件多为环境温度、温度和速度，热源功率，出口压力等等。具体设置基于各个案例而不同。

4. 网格软件自动生成，其中，需要控制网格数量（50w-100w之间），以免增加计算成本。关注监控点，如果，发现计算结果异常及时停止，寻找原因。

例如，2W热源，温度高的离谱（1000度+）并且迭代曲线震荡。热源与接触面可能存在间隙/干涉，需要进一步排查。

5.分析结果，寻找风险点，提改进意见，修改模型，验证想法，重新回到步骤 3。这是仿真中，最为核心的步骤。任何改进意见，都需要再次定义，确保行之有效。

例如，在做气流均质性研究中，入口扩张管的结构对气流的引导作用十分敏感。采用大角度的扩张口内部容易形成涡流，降低均质性。而小角度更能很好引导气流，减小漩涡。

6.完成仿真报告。结果需要一份好的报告去呈现。简明扼要地表述结果和提出改进意见，将变的十分必要。这将引导设计往哪个方向走。

7.基于反馈，修改报告。这或许，是最考验人耐性的时候。每个领导看完报告，都有自己独特的修改意见反馈给你。有时，意见会发生改变，推翻上次意见。这时候，我们需要思考改的原因，而不是按部就班的改。

以上就是我的工作流程，这也不是会一成不变。随着，工作的深入和思考迭代次数的增加，更高效的流程将会出现，让我们拭目以待。

对仿真感兴趣的你，是否已经蠢蠢欲动，想要去尝试探索生活中的物理或化学现象呢？

在不远的将来，让我们一起用仿真去探索未知的世界。

开着小车去探索未来