CFD名人堂 | A. D. Gosman

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)工作需要使用非常復(fù)雜的軟件、大量的計(jì)算資源、通過(guò)高度訓(xùn)練的工程師來(lái)完成。

40年前CFD誕生之時(shí),主要用來(lái)求解湍流和傳熱。當(dāng)時(shí)涌現(xiàn)了大量的先驅(qū)性CFD工作者。

這些CFD先驅(qū)高瞻遠(yuǎn)矚,越過(guò)計(jì)算機(jī)能力的障礙,對(duì)CFD這門(mén)學(xué)科進(jìn)行了革命性創(chuàng)新。

Gosman就是CFD先驅(qū)之一。

1962年,畢業(yè)于英屬哥倫比亞大學(xué)的Gosman來(lái)到帝國(guó)理工Spalding教授課題組。初期階段,Spalding的研究主要為計(jì)算湍流的普適性方法。Spalding開(kāi)發(fā)的所有技術(shù)都可以用于簡(jiǎn)單的拋物線流動(dòng)。但對(duì)于橢圓形問(wèn)題卻無(wú)能為力(強(qiáng)逆壓梯度、分離、撞擊流)。

但是往往工業(yè)問(wèn)題,尤其是燃燒問(wèn)題,需要橢圓形問(wèn)題的求解。Spalding課題組最終放棄了2D拋物線方法,取而代之使用了渦量-流函數(shù)法。

1969年,渦量-流函數(shù)法發(fā)表在Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow一書(shū)中,Gosman任編輯,在這篇文章中包含了一個(gè)CFD代碼叫做ANSWER。

Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow

這本書(shū)被認(rèn)為是CFD歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn),首次表明了工業(yè)流動(dòng)問(wèn)題可以通過(guò)CFD進(jìn)行數(shù)值求解并且提供了一個(gè)可求解的代碼。

驗(yàn)證了渦量-流函數(shù)法可以用于低速二維流動(dòng)問(wèn)題后,Spalding課題組繼續(xù)將其向三維拓展。

隨后Spalding痛苦的認(rèn)識(shí)到三維NS方程并不存在流函數(shù)。

隨后,Spalding課題組的Patankar提出了SIMPLE算法,Launder發(fā)表了標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon湍流模型。

此時(shí),Gosman的準(zhǔn)備工作萬(wàn)事俱備。

Gosman在帝國(guó)理工的主要工作是使用CFD處理復(fù)雜幾何以及將CFD應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)問(wèn)題。

Gosman也是使用CFD進(jìn)行燃燒模擬的先驅(qū)者之一,在1990年代,Gosman研發(fā)的軟件已經(jīng)可以用于汽車(chē)引擎模擬。

在那個(gè)年代,Gosman也是少有的能自己編寫(xiě)代碼求解CFD的人。

Gosman最先開(kāi)發(fā)的CFD代碼叫做TEACH,TEACH最早是作為CFD教育軟件存在。Gosman獨(dú)創(chuàng)的將CFD軟件用于教學(xué),將各種數(shù)值模擬引入課堂。

在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)主導(dǎo)江山的時(shí)代,這是一種破格的預(yù)見(jiàn)。

雖然TEACH只有1000行的FORTRAN代碼,但是Gosman的舉動(dòng)對(duì)CFD開(kāi)源社區(qū)的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。在商業(yè)軟件崛起之前,TEACH被CFD社區(qū)大量的拓展和開(kāi)發(fā)。

1970年代,CFD悄然滲入到汽輪機(jī)和靜止燃燒器的模擬中。

雖然Gosman在其他方面的稍有成就,但是最重要的引擎燃燒問(wèn)題,依然懸而未決。

和其他類型的燃燒問(wèn)題不同,引擎燃燒涉及到復(fù)雜幾何和移動(dòng)邊界。燃燒問(wèn)題的精確模擬涉及到噴霧、成膜、引燃、燃燒以及湍流。

Gosman決定向燃燒領(lǐng)域拓展,旨在攻破在當(dāng)時(shí)世界上最難的CFD問(wèn)題。

1978年,Gosman完成了世界上第一次的CFD軸對(duì)稱模擬工作。

為了實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng),Gosman首創(chuàng)了歐拉-拉格朗日動(dòng)網(wǎng)格方法,并提出了網(wǎng)格生成、堙滅等網(wǎng)格技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量。

在噴霧模型領(lǐng)域,Gosman和他人合作提出了Huh-Gosman模型,并針對(duì)壁面撞擊過(guò)程提出了Gosman-Bai模型。

為了模擬瞬態(tài)問(wèn)題,Gosman植入了R. I. Issa提出的非迭代PISO算法。

由帝國(guó)理工大學(xué)Gosman主導(dǎo)課題組所有工作的成果,最終導(dǎo)致CFD軟件“Speed”的誕生。

同時(shí),Gosman還對(duì)復(fù)雜幾何感興趣,當(dāng)時(shí)的CFD代碼只能用于笛卡爾網(wǎng)格下的計(jì)算,復(fù)雜幾何只能使用階梯假定。

10年的復(fù)雜引擎燃燒模擬,使得Gosman相信一種適體網(wǎng)格勢(shì)在必行。Gosman想要尋找一種靈活的可用于各種復(fù)雜幾何的方法。

1983年,Rhie and Chow悄然在AIAA Journal發(fā)表了一篇文章。這篇文章中提出了大名鼎鼎的Rhie-Chow插值技術(shù),使得壓力速度在同位網(wǎng)格耦合。

大量調(diào)研之后,Gosman首次將Rhie-Chow插值方法應(yīng)用于部分非結(jié)構(gòu)甚至全非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何網(wǎng)格計(jì)算中。

同時(shí),Gosman也將這種方法推廣到滑移網(wǎng)格。

1980年代中期,Gosman團(tuán)隊(duì)的代碼,尤其在復(fù)雜幾何的處理上,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)嶄露頭角的商業(yè)CFD代碼。隨后Gosman和Issa創(chuàng)立了自己的公司,注重開(kāi)發(fā)非結(jié)構(gòu)體適應(yīng)CFD代碼。

Gosman和Issa的這個(gè)公司取名為Computational Dynamics,即CD。

同時(shí),一個(gè)使用Finite Element Method(FEM)做結(jié)構(gòu)工程咨詢公司,在意識(shí)到CFD模擬廣闊的市場(chǎng)前景之后,公司的總裁Steve MacDonald通過(guò)福特公司介紹,欲求和Gosman和Issa的CD公司聯(lián)合。

1940年以來(lái)教材中關(guān)于FEM,FDM,FVM關(guān)鍵字?jǐn)?shù)量的趨勢(shì)圖,可以粗略反應(yīng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及體量

這個(gè)公司就是當(dāng)時(shí)的adapco。

“當(dāng)時(shí)我參加了福特公司的一個(gè)會(huì)議,有個(gè)叫Steve的家伙給我們作了匯報(bào),他們使用笛卡爾網(wǎng)格模擬引擎。我告訴他你這個(gè)幾何還原的不準(zhǔn)確,結(jié)果可能有誤。但這家伙雖然聽(tīng)了我得意見(jiàn),但是直接走了。”

實(shí)際上Steve確實(shí)遇到了這種問(wèn)題,但是當(dāng)時(shí)的Fluent并不能夠有效的對(duì)其進(jìn)行處理。

“我們最開(kāi)始的時(shí)候使用Fluent進(jìn)行CFD計(jì)算,但是我們遇到Gosman之后,天吶,我覺(jué)得我們應(yīng)該合作一下”

Steve(左)和Gosman(右)

“我們擅長(zhǎng)CFD理論,擅長(zhǎng)模型和代碼。但是我們不懂前處理和后處理。順其自然的adapco主要復(fù)雜前處理和后處理。我們和adapco公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合是一種雙贏?！?/span>

在當(dāng)時(shí),CD和adapco負(fù)責(zé)兩個(gè)不同的研究方向,Gosman團(tuán)隊(duì)的CD負(fù)責(zé)CFD算法植入,adapco負(fù)責(zé)市場(chǎng)和銷(xiāo)售。

日夜的算法研究,最終CD和adapco強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合發(fā)布了商業(yè)代碼STAR-CD,STAR為Simulating Transport in Arbitrary Regions,名副其實(shí),Gosman團(tuán)隊(duì)的代碼為復(fù)雜幾何而生。

“當(dāng)時(shí)我們發(fā)布代碼的時(shí)候,不知道應(yīng)該起一個(gè)什么名字。我隨便寫(xiě)下了幾個(gè),比如Simulating Transport in Arbitrary Regions, STAR!同事們一拍即合。不過(guò)在當(dāng)時(shí)有好多產(chǎn)品都叫STAR,于是我們把CD加在了后面,即STAR-CD。”

哪有那么好的美事?

和眾多中小企業(yè)一樣,當(dāng)時(shí)Gosman的CD和adapco的公司資金都異常困難,但是MacDonald對(duì)Gosman表示,我們需要加大市場(chǎng)開(kāi)發(fā),如果你的團(tuán)隊(duì)需要資金,adapco可以提供一少部分資金加大CD的CFD算法投入。

“我們快要餓死了”

兩件事改變了歷史。

1986年1月28日,美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛船在離地73秒后爆炸。機(jī)上7名機(jī)組人員全部喪生。

NASA在當(dāng)時(shí)搞不清楚,到底應(yīng)該怎么辦?如何才能避免慘劇再次發(fā)生?

NASA首先找到了adapco,雖然當(dāng)時(shí)的adapco也為初創(chuàng)企業(yè),但已經(jīng)在結(jié)構(gòu)模擬領(lǐng)域有較大的名氣。

“問(wèn)題很難,但是我們解決了,NASA極為滿意,于是我們?cè)诋?dāng)時(shí)從NASA拿到了200萬(wàn)美元的合同,隨后,NASA的各種航天項(xiàng)目我們均有參與。這件事之后,至少我們不餓了,溫飽已經(jīng)解決。”

NASA的項(xiàng)目解決了adapco以及Gosman團(tuán)隊(duì)現(xiàn)金流的問(wèn)題。

1987年,資本市場(chǎng)的黑色星期五。

Gosman團(tuán)隊(duì)的CD公司也步入了資本寒冬,在當(dāng)時(shí),CFD在大眾行業(yè)中還是個(gè)不成熟的理念,只是三個(gè)晦澀的字母。

“在財(cái)政困難的情況下,我們決定出去尋找風(fēng)險(xiǎn)投資(VC),雖然當(dāng)時(shí)還不是VC這個(gè)稱呼。我們尋找了幾個(gè)金融公司,他們完全不懂我說(shuō)的是什么,但是他們同意提供給我們一些初創(chuàng)資金。在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代,口頭協(xié)議就已經(jīng)足夠?！?/span>

若干家金融公司,給Gosman團(tuán)隊(duì)提供了第二次的資金支持。至此,CD順利的度過(guò)了初創(chuàng)企業(yè)到中小企業(yè)的轉(zhuǎn)型。

CD以及adapco的第一桶金成就了今天的CD-adapco。

1991年STAR-CD發(fā)布第二版,第二版的CFD代碼可以求解任意的六面體、四面體的并行計(jì)算。曾經(jīng)Speed代碼中的核心內(nèi)容也包含進(jìn)了STAR-CD。

CD-adapco 25周年蛋糕

20多年后的今天,Gosman團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的STAR-CD一直占據(jù)著世界CFD市場(chǎng)份額的前五(CFD界:數(shù)據(jù)來(lái)源于CFD-Online)。

adapco隨后基于Computational Dynamics前綴注冊(cè)商標(biāo)CD-adapco,目前Gosman團(tuán)隊(duì)共有900人負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)STAR-CD以及下一代的CFD利器:STAR-CCM+。

作為CFD領(lǐng)域成功的商業(yè)領(lǐng)袖,Gosman依然活躍在學(xué)術(shù)領(lǐng)域。

1988年,Gosman任職帝國(guó)理工大學(xué)教授,共發(fā)表200多篇論文。Gosman的學(xué)生Henry Weller,開(kāi)發(fā)了世界上最大的CFD開(kāi)源軟件OpenFOAM。

另外,Gosman的一個(gè)學(xué)生Hrvoje Jasak,在博士期間,由CD公司資助,進(jìn)行了大量的任意多面體網(wǎng)格離散、網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的研究。Jasak也是Foam的主要開(kāi)發(fā)者。

無(wú)論是學(xué)術(shù)領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域。Gosman,當(dāng)今無(wú)愧是CFD的標(biāo)志。

有趣的是,Gosman花費(fèi)40多年致力于商業(yè)CFD代碼開(kāi)發(fā),但是他從沒(méi)有使用商業(yè)軟件進(jìn)行過(guò)CFD計(jì)算。

但是,最近Gosman卻參加了STAR-CCM+的培訓(xùn)。

或許這才是CFD的真諦;

學(xué),無(wú)止境;

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