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制定最优工作流程，保证复杂模拟项目如期完成

作者 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：

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。
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。
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。
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。
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。

“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。

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。

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：