為什么 CFD 民主化如此艱難？

首先，也可能也是最重要的一點，我們認識到，CFD 嘗試進行的流體流動及傳熱與傳質(zhì)仿真看似是一個簡單的常規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域，但實際絕非如此。

以化工行業(yè)常見的簡單管殼式換熱器為例，有人可能認為，在開始仿真之前，此“黑盒”內(nèi)的物理場相對簡單和“獨立”。但遺憾的是，在此容器可能的操作范圍內(nèi)，也許會發(fā)生極其復(fù)雜的物理現(xiàn)象。根據(jù)所采用的流體和容器內(nèi)的工作條件，在事先不知道答案的“真實世界”中，許多復(fù)雜的傳輸現(xiàn)象可能在容器的正常（或異常）操作期間全部或部分地進行，而人們在沒有相關(guān)應(yīng)用的任何先驗知識的情況下，根本無法輕松了解將會出現(xiàn)的事件及其出現(xiàn)時間。這些現(xiàn)象可能包括整個容器內(nèi)的：

i) 冷凝
ii) 化學反應(yīng)
iii) 蒸發(fā)
iv) 升華
v) 空化
vi) 壓力波
vii) 流固耦合
viii) 粒子流（分散元和離散元）
ix) 液滴流動
x) 侵蝕
xi) 沉積
xii) 表面反應(yīng)
xiii) 霧化和霧濺
xiv) 凝聚
xv) 聲學效應(yīng)和振動
xvi) 跨音速流
xvii) 燒結(jié)
xviii) 生物反應(yīng)和過程，以及
xix) 多相共存和運動?

對于以上各種物理現(xiàn)象，通常會進行為期數(shù)年的大量科學和工程研究，而人們往往會發(fā)現(xiàn)，可用于求解的通用方程式寥寥無幾，因而可通過 CFD 代碼進行仿真的同樣如此。故而表面看似“簡單”的 CFD 仿真對于希望為其工廠優(yōu)化容器設(shè)計的化工工程師而言，可能是一場噩夢。

另一項佐證是，憑借“摩爾定律的推動力”（另一個 Keith Mientjes 用詞），CFD 求解器的速度已經(jīng)超過了新物理模型以及與 CFD 代碼相關(guān)的數(shù)值增強功能的開發(fā)速度。

我們現(xiàn)在擁有非常強大的計算機，可利用相對簡單（甚至過時）的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠矸抡鎻?fù)雜的物理學、化學和生物學問題。20 世紀 80 年代到 90 年代，CFD 行業(yè)供應(yīng)商疏于甚至停止了在基礎(chǔ)學術(shù)研究方面的投資，以至無法提供與我們當前擁有的強大計算機相匹配的更有效的 CFD 求解器數(shù)值和經(jīng)驗。事實上，我們將前所未有的強大硬件應(yīng)用于 CFD 工具，然而這些工具尚未獲得算法來精確處理應(yīng)用所需的一些物理場。

因此，人們不僅能夠通過 CFD 輕松獲得正確的答案，也很容易獲得錯誤的答案。商用 CFD 的先驅(qū)者之一，F(xiàn)luent Inc. 的前總裁 Ferit Boysan 博士在 2004 年便明確指出，如今“更多的人也能以前所未有的速度獲得錯誤的答案！”

于是我們面臨了一個悖論，由于任何給定的 CFD 應(yīng)用對于嘗試解決問題的 CFD 用戶而言，最初都是一個“黑盒”（即他們事先不知道關(guān)鍵參數(shù)），因此他們需要獲得相關(guān)流體和固體的所有進口、出口的有效邊界條件，以及幾何邊界和材料屬性，并且還要能夠正確地識別應(yīng)用中涉及的關(guān)鍵物理場，以便啟用正確的 CFD 求解器；另外，還需要一個準確可靠且具有足夠的網(wǎng)格分辨率水平的幾何圖形，從而針對當前狀況獲得合理“正確”的 CFD 預(yù)測。即便如此，還是可以證明，只要運用得當，CFD 軟件在眾多行業(yè)中仍不失為一種有用的工具。

為什么當今的 CFD 未能實現(xiàn)民主化？

商用 CFD 市場于 2013 年（Hanna，2015 年）跨越了 10 億美元／年的規(guī)模，但無可爭議的是，該市場依然過度集中于 CFD“金字塔”頂端的分析師，而在較低端的眾多設(shè)計師、兼職工程師和 CFD 用戶群體中尚未得到充分利用。我們估計，全世界 80% 的 CFD 用戶仍舊是分析師；余下的才是設(shè)計師。因此，CFD 遠遠談不上民主化。CFD 仿真作為一項高度可用的支持服務(wù)，面向基于數(shù)字原型的產(chǎn)品制造和過程開發(fā)，為了讓其能夠充分發(fā)揮概念優(yōu)勢，我們認為必須大幅改進基礎(chǔ)技術(shù)。

當前已有的許多軟件工具采用不易使用的“低技術(shù)含量”的 CFD 技術(shù)，“民主化”CFD 軟件工具絕非它們的簡化版本；它必須采用真正尖端的“高技術(shù)”CFD 方法，從而能夠?qū)?CFD 專家從 CFD 工具的操作中解放出來，代之以更合適的“自然”CFD 操作者 — 創(chuàng)造價值的產(chǎn)品開發(fā)工程師
此外，我們還需要考慮當今兩大 CFD 選民所謂的“用戶角色”。

CFD分析師

大多數(shù) CFD 分析師是具有博士或工程碩士學位的“專家”，而且相當擅長解決 CFD 的物理學（和化學）及數(shù)值挑戰(zhàn)。他們堪稱職業(yè)“傳道士”。事實上，CFD 分析師的需求缺口很大，他們可能稀疏地分布在整個組織內(nèi)，以響應(yīng)模式開展工作，并且通常不要求其參與產(chǎn)品設(shè)計的早期階段。

在 CFD 代碼中（配合湍流模型）解算二階非線性耦合微分方程組（納維-斯托克斯方程）幾乎與工程仿真一樣難而且無疑比大多數(shù)CAD 或 FEA 數(shù)值分析更難。分析師以全職身份使用 CFD 軟件，并擁有多年的操作經(jīng)驗 —— 畢竟這是他們的職業(yè)。

有時，“分析師”這個名頭會讓人以為，由于 CFD 技術(shù)的“技術(shù)含量很高”，因此 CFD 專家必不可少。但實際情況可能恰恰相反。CFD 專家之所以在我們的行業(yè)內(nèi)不可或缺，恰恰是因為基礎(chǔ)技術(shù)的運用極不到位。

CFD 設(shè)計工程師
設(shè)計工程師通常具有工程學士或工程碩士學位，使用 CAD 設(shè)計產(chǎn)品，執(zhí)行物理測試，并且非常熟悉CAE（從大學開始，很多人甚至用過一些以 CAD 為中心FEA）。設(shè)計工程師通常需要快速獲得結(jié)果，尋找趨勢（保真度反在其次），他們能夠使用應(yīng)力分析工具，但 CFD 對他們而言仍然相對陌生。

對于一些中小規(guī)模的公司，在進行CFD 仿真和后續(xù)重復(fù)使用的同時還需要擷取知識，這對設(shè)計師而言非常重要，因為他們在一年中可能經(jīng)常需要簡單地運用 CFD。設(shè)計工程師面臨的最大挑戰(zhàn)在于現(xiàn)代產(chǎn)品的復(fù)雜度與日俱增。

許多產(chǎn)品已經(jīng)演化為包含機械元器件、電子設(shè)備和嵌入式軟件的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，涉及到多個工程學科。此外，日益增長的元器件數(shù)量以及隨之而來的小型化要求，都要求他們更好地理解這些元器件之間的熱交互和流體流動交互方式。而且，產(chǎn)品通常以多種配置提供，這就進一步增加了產(chǎn)品的復(fù)雜性，設(shè)計工程師必須了解每種配置的性能。

我們懷疑并提出，CFD/CAE 領(lǐng)域可能廣泛存在“群體思維”，而“求同思想”則導(dǎo)致了 CFD 民主化的缺失。我們認為，導(dǎo)致這一僵局的原因主要為以下幾方面：

1. 當今的 CFD 仿真工作流程取決于傳統(tǒng) CFD 方法中所用的基礎(chǔ)數(shù)值方法，而不是用戶自己的工程設(shè)計工作流程。

2. CFD 甚至使用更為復(fù)雜、不完整、不穩(wěn)定、不精確有時還不可靠的物理和數(shù)值模型，嘗試對實際產(chǎn)品功能的真實物理復(fù)雜度進行建模，這些模型：

i. 并不普遍適用于看起來相似的情形（例如，汽車上或飛機機翼周圍的外流空氣動力學），

ii. 附帶大量在正確使用代碼之前需要考慮的非常具體（有時甚至不外傳）的應(yīng)用限制，

iii. 不對用戶提供任何直接的失效反饋（因而令其變得更加撲朔迷離），以及需要數(shù)量龐大的計算資源 (CPU)，而且不保證在仿真過程結(jié)束時取得成功（即獲得“正確的答案”）。

3. 當今的大多數(shù) CFD 只不過在虛擬世界勉強重現(xiàn)了真實世界的實體產(chǎn)品情形，但在洞悉所采用的工程設(shè)計流程、發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和存在改進可能的方面以及新設(shè)計方針等方面，通常并未提供任何“附加價值”。在上述所有方面，用戶不得不自行推斷，通常在積累多年的實踐經(jīng)驗后才能有所心得。CFD 用戶過分專注于數(shù)值解，而不重視實用性培訓。

4. 許多 CFD 并未降低工程師了解產(chǎn)品物理場的門檻。事實上，有證據(jù)表明，情況恰恰相反。使用 CFD的工程師通常必須非常熟悉產(chǎn)品的物理場（或具有深入的見解），才能在傳統(tǒng)的 CFD 工具中選擇和設(shè)置正確的“建模選項”，以及識別 CFD 建模錯誤。因此，有諷刺意味的是，將 CFD 用作設(shè)計工具來了解產(chǎn)品開發(fā)中的物理行為，要求工程師具備更多的物理場知識。

5. 當前建立的傳統(tǒng) CFD 方法不允許用戶按照工程師習慣的工作方法開展創(chuàng)新活動。CFD 不具備實時互動性，無法提供沉浸感或處理有形物，難以滿足現(xiàn)實的工程時間表要求。CFD 的角色被局限于真實物理世界到虛擬世界的轉(zhuǎn)換；軟件在幫助工程師通過以下途徑消除真實物理場的復(fù)雜性方面未能起到輔助作用：僅僅專注于重要和相關(guān)的設(shè)計方面、以交互方式解答用戶的問題，甚至建議最佳做法。

6. 當今許多 CFD 應(yīng)用是以孤立工具的形式展開的，因為 CFD 代碼往往與一種基礎(chǔ)數(shù)值方法密不可分，從而將其限定于某些實用的行業(yè)應(yīng)用。任何宣稱的“多物理場”仿真（我們甚至懷疑是否真的存在多個物理場？）或更甚者，我們姑且將其稱為“多學科物理場”，如果看起來只是通過在某個平臺上來回傳輸數(shù)據(jù)，在多個孤立的工具之間建立非常呆板的聯(lián)系，都是荒誕不經(jīng)的。又或者，它試圖僅僅使用一種數(shù)值方案來擴展物理建模能力，這種方案最初適合某個有限的功能集，但在面向其他應(yīng)用時根本無能為力。

7. 不可回避的一點是：CFD 的使用非常昂貴。如果沒有至少 1.5 萬到 7.5 萬美元的軟件費用（假設(shè)您有一個 CAD 封裝），并且聘用一位身價不菲的 CFD 工程師（超過 6 萬美元的年薪加上日常管理費用），根本無法開展 CFD，這還沒有包括采購功能強大的 PC 的費用和其他雜費。對于中小型企業(yè)而言，這類費用無疑將成為其采用 CFD 技術(shù)的重大障礙；如果采用替代方案，例如運用內(nèi)部應(yīng)用專業(yè)知識和基于經(jīng)驗法則的電子表格（Excel 是一種非常強大的工具），或在某些行業(yè)抱持“構(gòu)建并測試”的心態(tài)，往往更加令企業(yè)不能承受。

8. 可悲的是，有時當 CFD 專家用戶感到自己的地位或工作受到威脅時，也會成為“民主化”的絆腳石。畢竟，捍衛(wèi)其作為業(yè)界精英的地位并阻撓變革，這也是人之常情。

9. 最后，CFD 行業(yè)沒有幫助用戶積累、處理和發(fā)布多年來在數(shù)十億次 CFD 仿真中收集的任何知識和經(jīng)驗，而是將所有這類工作留給個人用戶或用戶團體來探索。

CFD 行業(yè)當前的民主化問題解決方案

下面我們將介紹 CFD 行業(yè)當前采用或嘗試采用的旨在“彌合”民主化“鴻溝”的方法／支持技術(shù)。我們認為每種方法都各有利弊，其中一些方法已有成效，完全可以在一定程度上改善當前的處境。

CFD 應(yīng)用程序／應(yīng)用化

可以說，CFD“應(yīng)用程序”或 CFD 應(yīng)用化已有超過 25 年的歷史。獲取通用 CFD 代碼并根據(jù)一到兩個應(yīng)用領(lǐng)域進行調(diào)整，這種做法由來已久，相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域包括電子散熱（FloTHERM、IcePak 等）、HVAC（FloVENT、AirPak 等）、數(shù)據(jù)中心（Tileflow、6Sigma DC、Coolsim、FloTHERM 等）和渦輪機構(gòu)（Numeca、CFTurbo、AxStream、MixSim 等），諸如此類，不勝枚舉。實際上，我們注意到這些應(yīng)用有一個共同點，它們往往滿足了市場中跨越多個垂直行業(yè)的“水平”需求。

一些大型企業(yè)開發(fā)了自己的基于代理的 CFD 仿真應(yīng)用程序來提高其流程的生產(chǎn)率。而且，一些 CFD 軟件（例如 Exa PowerFlow、Hanley Innovations 等）主要針對一種（或兩種）行業(yè)應(yīng)用，例如汽車／飛機的外流空氣動力學或汽車發(fā)動機艙熱分析等。

此外，我們還看到 CFD 行業(yè)的許多咨詢機構(gòu)（和基于云的承辦商）如雨后春筍般涌現(xiàn)，基于開源 CFD 工具集 OpenFoam 創(chuàng)建和銷售各種客戶定制的封裝器（例如Symscape、Totalsim）。應(yīng)用程序面臨的一大挑戰(zhàn)是，模板本身就是一種具有自己的產(chǎn)品生命周期的軟件，包括規(guī)范、用戶界面 (UI)、實施、測試、上市、Q/A、維護、支持、文檔等等。這類開發(fā)項目可能超出一般 CFD 用戶的專業(yè)能力，而外包這一任務(wù)則可能拉低投資回報率。

另一方面，應(yīng)用程序針對變化不大的繁瑣的重復(fù)性任務(wù)，提供了能夠大幅提高生產(chǎn)率的有效方法。這類任務(wù)是所選行業(yè)內(nèi)的典型任務(wù)，應(yīng)用程序可協(xié)助將運行 CFD、收集結(jié)果和執(zhí)行基本結(jié)果評估的工作指派給技能水平較低的用戶，因而真正有可能拓寬 CFD 的應(yīng)用范圍并推動 CFD 的民主化。

另一方面，未來我們需要提高 CFD 的可獲取性。這將是 CFD 行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。然而，通過應(yīng)用程序或模板簡化 UI 以及使用相同的傳統(tǒng)基礎(chǔ)仿真技術(shù)的做法將無濟于事，因為這些 UI 簡化會從 UI 中移除參數(shù)、配置和控制功能，恰恰降低了仿真引擎的可用性。

因此，針對傳統(tǒng)的 CFD 仿真軟件進行基于應(yīng)用程序的 UI 簡化只會適得其反，降低軟件的可靠性和一致性。我們有充分的理由相信，首要的一步是需要對基礎(chǔ) CFD 技術(shù)進行大量投資，唯一的目的是通過搭配自動誤差估計的智能方法、網(wǎng)格重新配置、用于檢測非物理設(shè)置的內(nèi)置“智能”，以及針對已知模型局限和缺陷的變通方案等等，來提高結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性和再現(xiàn)性。只有當我們成功地將 CFD 仿真技術(shù)真正提升到新的可靠性水平，我們才能開始討論針對特定的任務(wù)，為各類應(yīng)用程序和模板簡化 UI。

目前，COMSOL 和 SolidWorks 都提供了“應(yīng)用程序商店”和應(yīng)用程序共享。從用戶的角度而言，真實世界的生產(chǎn)應(yīng)用程序在其可供能力水平相對較低的用戶有效使用之前，不應(yīng)讓高能力水平的博士用戶在應(yīng)用程序的開發(fā)方面投入太多時間。

但另一方面，也需要權(quán)衡博士用戶仍需要在應(yīng)用程序上投入多少時間，以提供應(yīng)用程序支持、培訓和支持各類用戶、修復(fù)錯誤、解決基礎(chǔ)框架錯誤、修訂原始規(guī)范、創(chuàng)建新應(yīng)用版本等等，以及審視通過讓成本較低的項目用戶（但仍必須是合格的用戶，而非廉價的用戶）使用應(yīng)用程序所帶來的好處。這對企業(yè)而言是否可以接受，尤其當博士用戶離開企業(yè)而應(yīng)用程序沒有保留有效的文檔記錄時？

再次重申，只要基礎(chǔ)仿真技術(shù)真正適合用途，應(yīng)用程序和模板便能成為一種有效的 CFD“民主化”方法。我們目前在 CFD 擴展領(lǐng)域的成果看來還很有限，有時甚至存在缺陷，無法滿足應(yīng)用程序的需求。

八種促進因素對 CFD 民主化的影響

需要指出的是，上述解決方案在 CFD 民主化難題上面臨多種彼此沖突的困境，我們從為行業(yè)帶來的“新 CFD 用戶數(shù)量”和“所有 CFD用戶的生產(chǎn)率”（包括現(xiàn)有用戶和新用戶）兩個方面，對以上八種因素在不久的將來給 CFD 民主化帶來的實際影響做出了判斷，表 1 顯示了我們的判斷結(jié)果。這里的“生產(chǎn)率”定義為“CFD 用戶的 CFD 輸出量除以用戶獲得該輸出所需的工作量”。



將引領(lǐng)民主化的未來 CFD 應(yīng)用

從我們的上述論證不難看出，CFD 民主化的一些前提條件和主要因素體現(xiàn)在 MCAD/PLM、用戶體驗（自動網(wǎng)格劃分、易用性、UI、定向內(nèi)置智能）、1D-3D CFD 以及 HPC 和云部署中。但我們必須非常謹慎；就CFD 仿真而言，我們所認為的“非專家”和“專家”之間存在一些根本性的區(qū)別。

“非專家”只是對特定仿真軟件（例如 CFD）而言的“非專家”，但他們在各自的工程領(lǐng)域（例如測試、化學工程、過程控制等）無疑是專家；相反，典型的 CFD 分析師在其工程領(lǐng)域可能是“非專家”，但在運行特定的 CFD 軟件工具集方面則是專家。

Knowles（2015 年）恰如其分地闡述了我們的看法，即 CFD 應(yīng)該計算必要的內(nèi)容，而不是有可能計算的內(nèi)容（不論其影響是正面還是負面的）。而且，我們不能將用戶簡單地劃分為“專家”和“設(shè)計師”，因為只需要簡單了解代碼的“設(shè)計師”可能在 CFD 領(lǐng)域不是專家，但在其他領(lǐng)域則是專家。

要針對虛擬原型擴展物理 CFD 仿真，我們認為業(yè)界不會擴展 CFD 分析部門，而是擴展 CFD 仿真的應(yīng)用范圍，使其更靠近產(chǎn)品開發(fā)。業(yè)界面臨的一大挑戰(zhàn)是，可獲取的分析師 CFD 技能無法滿足需求（ASSESS，2016 年）。于是，另一類用戶將不得不成為焦點；需要高度靈活的工程勞動力，在全球范圍內(nèi)雇用工程員工，甚至采用眾包形式的工程勞動力，并且能夠在人員的招聘和解雇方面適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。管理層再不能將工程的成敗寄望于特定的員工。

員工必須是可交換和可替代的。我們相信，未來的 CFD 用戶將是符合下列要求并且完全投入到復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)流程的工程師

深度了解其產(chǎn)品和設(shè)計
受過培訓，能夠針對問題找到創(chuàng)新的解決方案
每天運用各種設(shè)計工具
預(yù)期這些工具能夠可靠地工作
不太關(guān)注這些工具的工作原理
非常靈活，不拘成規(guī)
表現(xiàn)出強烈的“堅持到底”的態(tài)度

在最終分析中，所有工程師需要的是“實時 CFD”，以便能夠盡展其能：針對流體相關(guān)的問題做出工程判斷，并使用 CFD 在計算機上進行“假設(shè)分析”，以幫助其做出決策?，F(xiàn)實中（尤其采用傳統(tǒng) CFD 方法時），CFD 專家必須精于 CAD、網(wǎng)格劃分以及求解器／數(shù)值分析。實際上，當今的 CFD 分析師可能仍舊將66% 的時間花在預(yù)處理和數(shù)據(jù)管理上。實時 3D CFD 確實任重道遠，但它仍舊是 CFD 的終極目標（Hanna和 Parry，2011 年）。

我們非常認同德國法蘭克福 Siemens PLM 的 Eckhart Niederauer 的看法，他在 “Virtual Engineer” 博客上的一篇關(guān)于 “Mechanical FEA is in its Infancy” 的帖子（Cooper，2014 年）中回復(fù)道（節(jié)選）：

“回顧 3D-CAD 在過去 15 年的發(fā)展歷程，CAE／仿真將重復(fù)相同的道路，但步調(diào)更快：過程和數(shù)據(jù)的管理、與工作流程和項目計劃及仿真的集成將在驗證階段獲得批準權(quán)，并從早期階段（前端裝載）開始，幫助提高產(chǎn)品集成階段的測試效率。這正是借鑒過往歷史的線性思考方式。

但人類孜孜以求的是展望未來，和預(yù)測前方的道路。這條未來的道路可能／將會具有以下元素：

仿真是被稱為驗證管理的更大拼圖中的一塊；管理層不關(guān)心您如何驗證需求，您只需完成這項工作，他們相信結(jié)果，便會做出相應(yīng)的決策。到此為止。

在設(shè)計領(lǐng)域，仿真的自動化程度將與日俱增。最終，當設(shè)計師修改底層設(shè)計后，將分別使用 27 種荷載工況運行 12 門仿真學科，而且在 5 秒后幾何圖形發(fā)生變化時，驗證圖標將顯示綠色／黃色／紅色。您的仿真工程師可以安心工作，而您的任務(wù)將是設(shè)計底層的運行內(nèi)容。

系統(tǒng)仿真將接管“政權(quán)”，不論它是以 0D、1D 還是 3D 的形式完成。所有驗證將回歸本能，檢查整個系統(tǒng)的需求、功能完整性和性能是否得到了滿足。所有學科，例如結(jié)構(gòu)、CFD 和運動等，都將參與其中。而且，我們的機械人員開始了解各種學科，包括控制、嵌入式軟件、用戶軟件、成本、制造、維修……系統(tǒng)仿真即將進入多領(lǐng)域探索時代。請系好您的安全帶。

靠緊座位，放松神經(jīng)，啜一口您喜愛的藥物，讓您的創(chuàng)意開始起飛。”

最后，我們認為設(shè)計工程師未來面臨的最大挑戰(zhàn)是日益增加的產(chǎn)品復(fù)雜性。當今許多產(chǎn)品已演化為包含機械元器件、電子設(shè)備和軟件的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及到多個工程學科。此外，日益增長的元器件數(shù)量以及隨之而來的小型化要求，都需要他們更好地理解這些元器件之間的熱交互方式，確保元器件不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。而且，產(chǎn)品通常以多種平臺提供，這就進一步增加了產(chǎn)品的復(fù)雜性，設(shè)計工程師必須了解每種平臺的性能。

總之，我們認為，必須通過未來的 CFD 代碼架構(gòu)解決環(huán)環(huán)相扣的一系列因素，才能滿足民主化的需求。