CFD 模擬包含 Navier-Stokes (NS)與 Lattice Boltzmann (LBM)，建議在產品生命週期中靈活佈署這兩大工具。
本文內容參考自Hexagon D&E webinar – Rapid CFD Innovation: Is Navier-Stokes or Lattice Boltzmann Right for You?。註: 中觀(Mesoscopic)，介於宏觀與微觀之間。通常指幾奈米到幾百奈米（甚至是微米級）的尺度。
身為CFD工程師，面對複雜的流體工程問題，該選擇傳統的 Navier-Stokes (NS) 求解器，還是新興的 Lattice Boltzmann (LBM)？這裡我們不著重探討軟體的選擇，是從實際的物理原理以及如何解決問題和模型建立的邏輯來討論。
什麼是 CFD 模擬？NS 與 LBM是什麼？
閱讀這篇文章之前，如果你不熟悉計算流體力學(CFD)，我們先來了解一下。CFD的本質是透過數值分析與數據結構，利用電腦求解流體流動的行為。 就像是建立一個『數位流體實驗室』(例如: 散熱製造廠常見的風動實驗室，做成數位風洞)。CFD不僅能模擬空氣，也能處理水、油等液體的流動行為，在實體原型誕生前預測產品性能。目前市場上的軟體主要分為兩大計算框架：
- NS （由上而下, Top-down）：
所謂「由上而下」，意思是先從整體流體怎麼流動這件事出發，再把整個空間切成很多小格子，用電腦一格一格去計算。這種方法把流體當成連續的物質，關心的是質量、動量和能量如何守恆。工程上常見的CFD軟體(例如 Cradle CFD、ANSYS Fluent、OpenFOAM、STAR-CCM+)，大多採用這一套做法，數值上通常基於有限體積法(Finite Volume Method)。在實際計算時，工程師會先選定描述流體行為的數學方程，再將時間與空間離散化，轉換成電腦能處理的形式。根據問題的性質，也可以對方程進行簡化，例如在水流或低速氣流中，主要計算速度和壓力，而不特別處理溫度變化。
- LBM （由下而上, Bottom-up）：
所謂「由下而上」，則是從比較局部的角度來看流體怎麼動。LBM不直接計算整體的壓力或速度，而是描述「在某個位置、某個方向上，流體傾向往哪裡移動」這件事，並讓這些局部行為一步步累積，最後呈現出整體的流動結果。因此，LBM在數值上並非有限體積法，而是以離散化的Boltzmann方程為基礎，在晶格上進行碰撞與遷移計算的數值方法。在LBM中，計算是在規則的格子(通常是方形或立方體網格)上進行的。每個時間步驟都包含兩個動作：先在原地更新流動狀態(碰撞)，再把這些資訊沿著固定方向傳到鄰近的格子(遷移)。透過這樣反覆的過程，就能算出整體的密度和流速等物理量。在較進階的模型中，也可以進一步描述溫度或熱傳的影響。
模型網格技術
在CFD模擬的世界中，網格技術是決定計算效率與物理精確度的分水嶺。不同架構對網格處理有著截然不同的邏輯，這也直接影響了工程師的前處理工作量。
- Navier-Stokes (NS) 框架的網格：追求細節的「貼體」工藝。在傳統的NS框架中，為了追求極致的物理準確度，旗艦求解器(如 scFLOW)通常採用貼體網格(Body-fitted mesh)。
- 前處理複雜度： 工程師必須先進行流體區域提取，隨後對CAD模型進行表面網格劃分、修復與「水密化」(Water-tightening)處理。此外，NS框架對元素品質(Element quality)有極高要求，體網格的生成往往是一個繁瑣的手動過程。
- 壁面控制優勢： 貼體網格最大的優勢在於它允許在固體壁面附近配置各向異性（Anisotropic）的細長網格單元。這讓工程師能精確解析壁面附近的邊界層流動，對於壁面剪切力主導（Wall-shear dominated）的設計工況具備極高準確性。
- Lattice Boltzmann (LBM) 框架的網格：相對於NS框架，LBM求解器(如 ProLB)運行在笛卡爾網格(Cartesian mesh)或稱Voxel Mesh上，這代表了一種完全不同的前處理思維。
- 完全自動化： 在LBM流程中，工程師僅需準備一個水密化的表面網格。體網格(Volume mesh)是在模擬提交時由求解器自動生成的，完全跳過了NS中最耗時的手動劃分步驟。
- 處理複雜幾何： 這種網格特性讓LBM在處理極其複雜的幾何（如全車組裝、引擎室細節）時具備巨大優勢，工程師不再需要為了調整網格參數而耗費數週時間。
- 壁面建模技術： 針對固體壁面，LBM通常採用 「切割胞方法」(Cut cell approach)，即當立方體區塊橫跨表面時，系統會直接切割該塊單元並取消穿過的連結。雖然這種方式穩定且高效，但一項限制是固體表面在模擬中通常無法移動。
CFD 工程師如何選擇？
整篇長又很多術語的文章，大家可能看到頭昏。綜合以上，我們簡單地歸納一下，該怎麼選擇哪一個框架的軟體來配合工程問題使用呢?
- 若目標是快速迭代外型設計、處理附著流(Attached flow)或高溫高壓工況，建議選NS框架。
- 若面臨高度分離流(Separated flow)、需要精確計算氣動噪音(Aeroacoustics)，或模型幾何極其複雜(如汽車底盤)，建議選擇LBM。
Hexagon CFD 產品組合
上面我們了解了兩大框架的思維和求解邏輯，大約了解它的應用方向了，接下來我們看看怎麼對應到市面上的CFD軟體去做選擇。這裡我們就不置喙其他品牌的軟體，以Hexagon的解決方案來討論:
• Cradle CFD (NS 框架基礎)
- scFLOW： 旗艦級產品，採用貼體網格(Body-fitted mesh)，擅長處理極其複雜的物理現象，並支持GPU加速版本SCAST。
- scSTREAM： 採用非貼體網格 – 笛卡爾網格(Cartesian mesh)，專為電子散熱與熱處理設計，穩定性極高，數分鐘內即可產出結果。
• ProLB (LBM 框架基礎)
- 專業的高階 LBM 求解器，由Renault與Airbus等工業巨頭支持研發，專注於大規模、高準確度的瞬態流場與聲學模擬。
• MSC CoSim： 提供多物理場耦合技術，讓上述求解器能與結構分析(Marc或機構動力學(Adams)協同運算。
實戰應用-以陸、海、空的載具舉例
- 飛機
- 巡航狀態： 流場完全附著（設計工況），應使用scFLOW(NS)進行高效的穩態優化。
- 降落與高升力配置 ： 處於非設計工況 (Off-design)，展開的起落架與襟翼產生高度分離流。此時必須使用ProLB(LBM)來捕捉複雜的瞬態渦流與氣動噪音。
- 汽車
- 前期開發： 使用scFLOW或scSTREAM快速評估阻力與基本熱管理。
- 風噪與引擎室 ： 針對後視鏡風噪或引擎室內細瑣零件的複雜流動，ProLB (LBM) 能大幅減少處理網格的時間，並提供精確的音質分析。
- 船艦
- 船體阻力優化： 在設計穩定的航行姿態時，使用scFLOW(NS) 配合自由液面（Free surface）功能，能精確評估波浪阻力與穩態性能。
- 螺旋槳空泡與聲振耦合： 當螺旋槳在非設計工況下運轉，會產生空泡現象(Cavitation)並引發高頻震動與噪音。此時應選用ProLB (LBM)捕捉精確的瞬態壓力脈動，並透過MSC CoSim將數據傳遞給結構求解器，分析噪音如何透過船體結構傳播至艙內。
產品生命週期(PLM)中的策略
當然，選擇軟體時，若能根據產品生命週期整體的需求來部署正確的使用(就是工程師能有更完備的選擇)，用什麼軟體分析就用什麼，想必能夠最大化研發效率吧!以下我們就整理初步的建議：
- 早期設計階段 ： 幾何簡單、參數多。目標是「快速迭代」，因為這裡我們想用最簡單快速的方法得到初步答案。優先使用NS框架(Cradle CFD)，配合Actran SNGR進行初步噪音篩選。
- 詳細設計與驗證階段： 幾何精細，需驗證「非設計工況」。目標是用模擬實現「虛擬實驗」。切換至 LBM 框架 (ProLB)，針對最終定案的幾何進行最嚴苛的瞬態與聲學驗證。
- 進階混合工作流： 在實務中，我建議先用NS跑出穩態場來初始化LBM。這能避免 LBM 耗費數週時間去發展穩定的邊界層流場，有效縮短整體模擬時程。
謝謝你讀到這裡，總結是沒有萬能和完美的軟體，每個軟體有擅長和專精的應用。然而，只要我們能夠了解原理，有正確的選擇，工程師在產品研發上必定能夠得心應手。NS是定義設計邊界的「利劍」，而 LBM是驗證複雜工況的「護盾」。理解這兩者的技術本質並巧妙運用混合工作流程，才是解決現代複雜 CFD問題的途徑。
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