制定最优工作流程,保证复杂模拟项目如期完成

Ruud Börger 2017年 8月 22日

您是否曾因为模型的实际求解时间比预计要长,而担心错过项目的最后期限?在本文中,我们将讨论导致项目无法如期完成的常见原因以及预防措施。让我们从一个实例开始,探讨如何在截止期限前完成复杂模拟项目。

真实案例:分析工业反应器中的气泡流

请思考下面的案例故事。大型工业反应器的气泡流室内出现了故障。由于停工会造成严重的经济损失,再加上很难获得准确的测量结果,于是工程部选择了使用 CFD 模型来分析问题。由于气泡会影响水压和湍流,水会影响气体的产生和传递,所以创建模型的工程师必须执行双向耦合。由于上述几个因素,模型会表现出显著的非线性。

工程师首先使用了气泡流 接口来分析反应器设备的三维 CAD模型。当定义了所有相关的边界条件、材料属性和网格后,工程师却遇到了收敛问题。这个模型拥有多处入口、出口、狭窄区域、气体生成点等。瞬态研究花费了约七个小时用于计算,可见找出造成麻烦的根源是一项艰巨的任务。更为窘迫的是,截止日期也越来越近了。

这种情况下,您会怎么做?

 

汽车油箱内的晃动。此示例模型需要同时计算气体和液体的速度和压力。此类三维 CFD 计算非常有意义,但计算时间也相当长。

优化模拟工作流程

在继续讲述之前,我们先简要讨论一下可能发生的状况,毕竟我们在这方面曾有过前车之鉴。在很多情况下,人们都需要建立描述复杂物理场的三维模型。一种常见的做法是添加所有的预期“成分”,并将它们组合到一起,最终达到目标。但是如果发生了意外问题呢?如果模型不收敛怎么办?下列的每一个因素都有可能使你面临棘手的状况:

  • 任意边界条件都可以在第一、第二、第三个物理场接口中
  • 任意物理场之间的耦合
  • 材料特性
  • 各个因素对网格的要求
  • 意外或未知的现象

全三维模型的运行时间从几分钟到数小时不等。这样看来,复杂模型中的每个错误都需要耗费更长时间才能发现。况且,您还无法确定是哪些原因造成了问题。一个更加可靠的检验途径如下:

  1. 在 COMSOL Multiphysics® 软件的文件 菜单中打开“案例库”,或者访问官网的“案例下载”,即可访问数百个示例模型和分步说明。选择一个与您的情况相似的案例,让自己熟悉边界条件和网格要求等。
  2. 从二维或二维轴对称几何入手创建自己的模型。如果二维模型不能充分满足您的需求,也没有关系。近似求解便足够了。
  3. 在单物理场环境中测试模型的主要物理原理,让自己对数字、规定的网格尺寸和所需的时间等有一个大致的感觉。
  4. 每成功一步,就增加一层复杂性,比如多物理场效应和非线性材料。
  5. 开始基于二维模型构建三维 CAD 模型,并循序渐进地运行模型。当测试了基本原理后,在需要的地方添加参数化和公式。

这个工作流程的效率非常高,因为当您遇到麻烦时,可以精确地查明原因并快速修复问题。

A screenshot of the File menu in COMSOL Multiphysics 中的‘文件’菜单截图。
“案例库”可在 COMSOL Multiphysics 中的 文件菜单中打开。

‘案例库’截图显示了搜索结果。
“案例库,截图显示了在搜索框中输入“turbulent”后的部分结果。“案例库”中的每个案例模型和 App 都带有文档和分步指导说明。

简化的工业反应器模型的仿真结果

现在回到工业反应器模型。COMSOL 技术支持团队建议制作一个简化的二维模型。这个模型的运行时间只有五分钟,所以工程师很快找出了问题所在:在 CAD 模型中,一个出口管道被切断了。出口变短导致产生了一个强烈的旋涡区域,这与边界条件相冲突,因为边界条件在恒压下是固定不变的。短尺寸出口通常不算是一个问题,然而在此例中,三维湍流气泡流和不够理想的网格放大了出口处漩涡的影响,进而造成了设备故障。当使用拉伸 几何操作延长了出口之后,模型就能平稳地运行了。

下方简化的二维模型演示了相关的物理现象。

工业反应器模型的速度流线图。
工业反应器模型延长出口后的速度分布结果图。

左:初始情况。速度流线图表明出口切断了流动中的涡流。右:延长出口后的速度分布。

初始时被截断的出口的速度分布图。
反应器出口延长后的速度分布结果图。

出口区域的速度分布特写图。左:初始状态下被切断的出口。右:延长后的出口。为了方便比较,图片中隐藏了延长的区段。

利用 COMSOL Multiphysics® 有计划地开展项目

如今,电脑的运行速度不断加快,所以当您拥有了简单易用的多物理场软件后,很容易会想一次性将所有细节全部添加在模型中。毕竟,细节越多意味着准确度越高。然而,准确度的提高会大幅增加计算时间。因此在模拟项目开始之前,您应当对精度和时间进行衡量与评估。但这个重要的步骤却常常被遗忘或低估。现在,请思考下列情况中对准确度需求的差异:

  • 针对研究新一代技术进行基础研究的研究人员
  • 正在开发产品的机械工程师,研发周期为八个月
  • 按小时收费的项目顾问
  • 需要在六个月之内完成论文的硕士研究生,其中两个月的时间要用于模拟

如果您从一个不切实际的目标出发来制定项目完成时间——或者更糟的是,根本没有明确的目标——那么您可能会在项目进行过程中遇到麻烦。

在很多情况下,仿真项目对准确度的要求确实很高。在模拟实际问题时,往往必须考虑到各类多物理场现象,而且通常使用三维 CAD 几何。COMSOL Multiphysics 可满足各方面的计算需求,无论是简单还是复杂的问题。一旦确定了目标,您就可以制定出达成目标的策略。

支架的静态载荷分析的仿真结果图像。
齿轮箱的声-力学耦合分析图像。

左图:支架的静态载荷分析。右图:齿轮箱的声学-力学耦合分析。COMSOL Multiphysics 支持在同一个接口和工作流中执行上述两种分析。

复杂模拟项目的最优工作流程结语

通过使用本文列出的方法,您将对在截止日期之前完成模拟目标充满信心。不过要注意一点:这种方法的特点是简单、直接,但是当遇到复杂问题时,用户很容易过于纠结细节而忽略主要问题。即使是经验丰富的仿真工程师也会遇到这种情况。最重要的模拟技巧是能够找到问题所在,并在必要时放弃所有的非核心问题。

想评估 COMSOL® 软件是否能满足您的需求吗?请点击上方的按钮联系我们。

更多资源

阅读更多关于使用 COMSOL Multiphysics 求解模型的博客文章:


博客分类

博客标签

技术资料

评论

  1. 洋 杨 January 17, 2018   5:55 am

    Very nice!

  2. Amy 张 March 12, 2018   1:20 am

    Fantastic!

加载评论……

博客分类


博客标签