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框定、拆分、观察三步识别误差

内容纲要

Samuel Buri, Parasol,  1964



在仿真这个行业,算出结果只是入门水平。看一个人是不是高手,就看他在给出结果的时候,能不能判断误差有多大?
仿真就是“模仿”“真实”,既然仿真不是真实,就有误差。有误差不可怕,设计员会包容误差。比如,你计算的重量是1吨,偏差是10%。设计员会按照0.9吨到1.1吨的范围设计,虽然会牺牲一些性能,但是可以预防误差带来的风险。
如果你过度乐观,估计的误差偏小。告诉设计员,误差只有1%。设计员按照0.991.01吨的范围设计。如果真实重量是1.1吨,产品太重掉下来了。
如果你过度保守,估计的误差偏大。告诉设计员,误差是50%。设计员按照0.5吨到1.5吨范围设计。虽然产品不会因为太重掉下来,但是会因为又笨又贵而被淘汰。
是不是有人写仿真软件的时候,告诉你误差接近零,以便把软件卖给你;交仿真结果的时候,又会告诉你误差很大,他不用承担仿真不准确的风险,带来产品又笨又贵的后果,又找不到他的麻烦。
如果你能准确预估误差范围,让设计员在合理的范围里做设计,也能降低风险、提升性能。

预估误差范围是做仿真的顶级能力,可不是刚毕业的博士的理论分析。
比如,你买一颗白菜,菜贩子告诉你是2斤重。请你判断一下,误差是多少。理论告诉你,菜贩子用的电子称,它的标准误差是千分之一,这颗白菜的重量误差不超过0.01两。
真相是,白菜在搬运时候会掉泥土、掉菜帮子、还会蒸发水分,等这颗白菜拿回家,重量可能少3两。再加上电子称可能被做了手脚,重量可能少了5两。
某仿真算例:理论公式的误差只有千分之一,但是你的误差高达百分之十。因为你的产品不是教科书中没有厚度的平板、绝对光滑的圆柱。产品是不平整的平板,长了角的圆柱,使用环境的速度不均匀,温度不确定……
这才是真相,产品里有无数个教科书上不谈,文献中讲不明白的干扰,一起带来你做梦也想不到的误差。

如何界定清楚产品的仿真误差,给出合理的误差范围。这里有从大到小、由面及里的三步法:

使用极限思维,框定误差的边界。
把产品拆分为几个部分,定位误差源头。
观察种种迹象,给出误差形成原因。

一、框定
请你开始做仿真的时候,不要沉醉于,湍流模型a和湍流模型b之间细微的差异。
咱们不妨粗暴一点,不管这一百种模型的差异,先对比有、无的区别。
只做两个算例,一个是湍流状态,一个是层流状态(无湍流)。有、无之间的差异就是不同湍流模型之间差异的外边界。
湍流模型之间有差异,但是模型之间的差异只有百分之几,远远小于湍流比层流增加的几十倍摩擦阻力。
吃馒头还是米饭之间的差异,只不过是多吃一口和少吃一口,远远小于有没有饭吃的差异。

如果你很幸运,发现误差的边界已经在可以接受的范围。恭喜你,找误差的任务提前完成了。

用很少的时间,圈定误差的最大范围。帮助你在混乱的干扰中,迅速抓住第一条线索。

二、拆分
框定边界,只给你圈定了整体的边界,有个合理的标尺。要搞清楚误差,还要拆分产品,定位误差的具体位置。
比如一架飞机,你可以分为头部、中部、尾部、翼、舵、发动机。分别列出每个部位的阻力。
于是你清楚地看到,哪些部位产生的阻力最多。再把这些重要部位的阻力拆分为:摩擦阻力、压差阻力。一般情况仿真中摩擦阻力的误差偏大。
先把产品拆分为几个有特点的部位,再把部位上的阻力拆分为两种来源。你就可以定位误差的来源了。

三、观察
从整个产品中定位到误差的来源,还不够,还要知道误差的原因。好比你知道嫌疑犯在哪个小区,还不够,你还要抓住他,找到凶器,获得口供,才可以定罪。
在误差来源部位,收集所有的信息。虽然你只是找阻力的误差。你却要把速度、压力、涡量、网格尺度……的数据都调出来。你要分析边界层发展过程,查询模型精准程度。看明白所有的数据,分析完所有的现象。
如果你看明白了,误差在什么位置、受什么因素影响、如何产生的。你终于可以给出靠谱的误差范围,完成了任务。
如果你还看不明白误差,就在这块区域、针对一个因素,从第一步“框定”做起,启动新的循环。

遵循从大到小,由面及里的原则,你就不会被产品的细节缠住。
循环框定、拆分、观察这三步,用最小的成本,抓住最主要的因素。

(完)

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《框定、拆分、观察三步识别误差》
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