2006年11月初，在参加Fluent中国用户大会期间，我专访了ANSYS公司在中国的子公司飞昂软件技术（上海）有限公司的技术部经理曹京博士，请他就CFD（计算流体力学）技术的应用进行了一次科普对话，对CFD这一复杂的技术用通俗的语言进行了讲解，希望能够对制造企业理解和应用CFD有一定帮助。
黄培：请您简要介绍一下目前CFD在制造业的发展和应用情况。
曹京：CFD进入商业化使用是在80年代中期。CFD技术是通过数值计算方法来描述流体运动状态。 所描述的流体运动状态除了一般说的流动以外还可以包括像传热，化学反应过程以及流体和固体之间的相互作用等等。如果说得稍微严格一点，CFD是描述三种传输过程，即质量传输、动量传输和能量传输，并通过数值方法来求解描述这三种传输的守恒方程。CFD计算就是在一个控制体内把描述这三种守恒的数学方程通过数值方法来进行求解。
CFD最直观的应用之一是在航空领域。飞机在飞行当中飞机外部气流流动对飞机的性能有直接影响。设计人员可以通过了解飞机周围流场的状态来指导飞机形状的设计。在没有CFD之前，传统飞机设计过程中都要进行风洞实验，通过实验了解研究飞机的气动性能。有了CFD工具以后，可以通过CFD以及其它CAE (计算机辅助工程) 技术进行仿真，来指导设计实践，从而减少实体实验的次数。
我并不认为CAE能够完全取代实体实验。毕竟做计算也好，理论分析也好，还是会做一些简化，这些简化会造成计算模拟结果当中某些因素的影响不能完全反映出来。因此，CFD与实体实验是相辅相成的。
黄：这是否是说，从目前CFD应用来讲，还不能说CFD分析的结果一定就是对的？
曹：刚才我也提到，CFD对产品设计主要是起指导作用。但是也有报道说，欧洲某赛车队完全通过CFD计算来设计一个车型，并达到了优化设计的目的。但是，我认为实验还是很重要的，最后设计出来的产品还是要经过实验的检验。经过二十多年的应用，人们已经开始接受CFD的结果，但是还没有达到完全依赖CFD，抛弃传统实验的地步。
黄：请您介绍一下CFD与有限元分析(FEA)又那些不同之处？
曹：有限元分析和CFD中常用的有限体分析(FVA)是两种不同的数值计算方法。两种方法的应用领域有所不同。有限元方法常用于结构分析和对固体的仿真，它研究的对象不处于流动状态。CFD中的有限体方法是在一个有限控制体内，用方程来描述刚才说的三个守恒。这种方法描述的守恒是十分严格的，从而保证了CFD分析的准确性。
黄：您认为今天的CFD技术发展和软件应用达到了什么样的水平？
曹：目前，CFD技术的发展应该说已经达到一个比较成熟的水平，成为工程应用和产品设计中非常重要的辅助工具。当然，有些很复杂的物理现象，比方说湍流现象，现在还没有一个统一的模型或者软件能够完整地描述和模拟各种流体从层流状态到湍流状态的整个变化过程。现在虽然有很多不同的湍流模型，但它们都是用来描述某一种特定条件下，比方说管道流体条件下的湍流流动。目前还有很多人在研究这个问题，希望能找到更好的模型和方法。
黄：CFD的建模、计算和后处理技术的成熟度如何？
曹：CFD中的建模包括几何建模和计算网格的生成，后处理是对计算结果的处理和显示。目前，建模和后处理技术已经比较成熟。随着计算机技术的发展，几何建模、网格生成技术有了很大的提高，后处理有了很大的改善，比如图像、图线、动画等等现在都非常逼真。但是，计算这部分，除了求解方程的数学方法之外，对一些物理现象的描述，即物理模型，还不是非常完美。进行CFD计算时，数学方程在数值离散化之后成为一个巨大的联立方程组。对这些方程的解法相对来说也比较成熟。但除了方程求解之外，CFD计算还有很多问题有待完善和提高，比方说对燃烧过程的模拟。燃烧是一种复杂的物理过程，要通过把反映这一过程的物理模型联立到整个方程组当中，才能描述这样一种物理现象。
黄：看来CFD领域软件公司与科研机构势必会有很多合作，来共同解决这些技术难题？
曹： ANSYS以及FLUENT并不是一般意义上的软件公司，即所谓传统的IT行业。它是一个集工程软件开发和工程技术服务于一体的高科技行业。它需要把大量的物理，化学知识转换成软件来提供给科研人员和工程师来使用，而不是单纯地用计算机来做一些数据处理。事实上，我们公司写程序的人，大部分都不是软件设计出身，而多数都是具有很强的数学、物理和工程背景。
黄：刚才另一位专家讲到，CFD应用的80％时间都是在建立模型，是这样吗？
曹：的确如此。特别是这几年，随着计算机能力的增加，计算技术有了很大的发展。但是随着实际模拟物体形状的复杂化，对这些复杂结构做出网格的工作量很大。因此目前CFD应用中近乎80％的时间是用来做网格，而20％用来做计算。目前，计算机速度很快，加上并行计算技术的发展，模型设计好了，网格做好了，计算不会花很多时间。
黄：那么，如果要缩短建模的时间主要是靠经验吗？
曹：不完全是。经验固然很重要，但是软件公司的职责是不断创新网格生成技术和计算方法，从而加速网格生成和整个模拟的过程。一般来说，网格越简单，网格的质量越差，虽然计算速度快，但是真实度比较差。比如传统的卡笛尔网格是一种框型网格，这种网格做起来很简单，速度很快，但是它不能很好地反映复杂的几何和物理特征，需要有先进的数学处理方法来弥补这方面的缺陷。
黄：请您解释一下RANS和LES的概念。
曹：这两个概念都是用来描述湍流的。RANS叫雷诺平均N-S方程。N-S方程是用来描述流动的数学方程。现实中的流体流动大都是湍流。湍流的特征是其物理量，如速度，具有随机脉动性。在描述随机脉动时用到的时间平均方法就是我们说的雷诺平均法。LES叫大涡模拟，它采用的不是时间平均法，而是通过空间网格尺度筛选的方法来处理流动方程。这种方法可以真实地跟踪描述湍流中的大涡结构，但需要计算网格具有很高的分辨率，因而网格数很多，计算工作量很大。
黄：您对CFD技术的推广有何建议？
曹：我认为CFD技术推广的关键是要进行相关知识的普及，让大家了解这种技术到底是做什么用的，使广大企业和科研机构逐步接受和使用这种技术。实际上，我发现从我02年回国以来，国内工程界已经开始接受CFD的概念，已经尝试把这些技术应用到工程上。这个局面与学科教育、各种专业会议和媒体的介绍推广是分不开的。
黄：航空航天是FLUENT用户最多的领域么？
曹：目前在中国是这样。实际上在国际上，航空航天只占CFD市场的一部分。CFD的应用领域一般来讲是航空航天、汽车、化工三足鼎立。但目前国内航空航天业的购买力比较强，所以我们的用户多一些。实际上，在能源、交通、电子、建筑、气象、体育、医疗等所有跟流动有关的领域，FLUENT都得到了广泛应用。
黄：从技术上来讲，各个主要CFD软件各有什么特点。
曹：CFX在化工领域有一些模型比较成熟一点，FLUENT则是一个综合性能很强的软件，它拥有的模型数量比其它任何软件都要多。从软件功能、从技术水平上来讲，各种CFD软件差别不大。要比较软件，除了要看软件功能的强与弱，主要还要看能不能给用户提供很好的服务，能不能指导用户去很好的使用软件，解决实际工作中的问题。我认为FLUENT的成功主要在于对客户的支持很强，能够帮助客户在工作种很好地解决实际问题。从技术上来讲，10年前在FLUENT可能在某些地方领先比较多，现在随着计算机技术的发展，这种差距在逐渐缩小。一种软件的优势要靠一整套的东西，产品要好、技术力量要强、服务要好，还要有优秀的行业解决方案。
黄：去年，MSC.Software宣布与CD-Adapco公司结盟，这ANSYS并购FLUENT是否处于类似的战略考虑？
曹：随着模拟技术的发展，流体和固体的耦合模拟成为应用热点。比方说机翼受到流体的影响是要变形的，变形和流动是相互影响的，这就是流固耦合。这种实际应用促成了这两种模拟技术的融合。以前MSC.Software、ANSYS是做固体结构的，STAR-CD(CD-Adapco公司的产品)、CFX、FLUENT是做流体的。随着模拟技术的发展和企业应用需求的增长，产品之间势必实现集成应用，这也促进了CAE公司间的结盟和并购。
后记：
通过参加FLUENT中国区用户大会，使我对CFD技术的应用有了更深刻的理解。
其实流体力学和计算流体力学的应用是非常广泛的，与我们的生活息息相关。例如，为了能够将高尔夫球打得更远，其表面有一些微窝；而在汽车设计时，要减小风阻，尾翼的结构是关键因素等等，这些都是应用CFD技术进行分析的结果。
CFD技术在中国的应用仍然处于起步阶段，随着中国制造业越来越注重提升自主产品创新能力，CFD技术将实现更加广泛的应用。