CFD可信度問題概述一： CFD簡(jiǎn)史【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

前幾天上海市力學(xué)學(xué)會(huì)計(jì)算力學(xué)委員會(huì)召開年會(huì)的時(shí)候,我在會(huì)上對(duì)這個(gè)問題做了一個(gè)簡(jiǎn)單介紹,這里把會(huì)上的發(fā)言內(nèi)容整理一下發(fā)布出來,算是對(duì)培訓(xùn)活動(dòng)的一個(gè)部分。

雖然很多朋友對(duì)CFD的歷史沿革非常熟悉,但是為了敘述的完備,這里還是先回顧一下CFD的發(fā)展歷史。

CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計(jì)算流體力學(xué))的縮寫。雖然提到“計(jì)算”就容易讓人想起計(jì)算機(jī),但CFD的歷史起點(diǎn)其實(shí)可以追溯1910年——一個(gè)計(jì)算機(jī)尚未誕生的年代。在1910~1917年期間,Richardson采用數(shù)值方法模擬大氣運(yùn)動(dòng)。盡管沒有獲得成功,但這個(gè)事件仍然被看作CFD誕生的起點(diǎn)。據(jù)說當(dāng)年Richardson曾經(jīng)在一個(gè)體育場(chǎng)中組織了2萬多人進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,每人手里拿著一個(gè)手搖計(jì)算器,然后Richardson站在體育場(chǎng)中心指揮這場(chǎng)大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算,不過因?yàn)樗臄?shù)值格式是不穩(wěn)定的,所以一直到1917年他也沒有成功地預(yù)測(cè)天氣的變化。類似的事情在中國(guó)搞兩彈一星的時(shí)候也出現(xiàn)過,當(dāng)時(shí)是每人拿著一個(gè)算盤進(jìn)行計(jì)算,區(qū)別是中國(guó)做這樣的計(jì)算的時(shí)候,穩(wěn)定性理論早就提出,因此這樣的計(jì)算對(duì)于中國(guó)兩彈一星的成功起到了關(guān)鍵的作用。我甚至覺得這有可能是數(shù)值計(jì)算第一次成功地服務(wù)于中國(guó)的國(guó)家建設(shè)。

1928

Courant、Friedrichs和Lewy開創(chuàng)了穩(wěn)定性研究,他們?nèi)齻€(gè)人的名字后來被組合在一起,成為雙曲型問題穩(wěn)定性判據(jù)的名字,即CFL條件。后來在二戰(zhàn)期間(應(yīng)該是30年代),Von Neumann獨(dú)立創(chuàng)立了以他的名字命名的Von Neumann線性穩(wěn)定性分析方法。直到今天,Von Neumann穩(wěn)定性方法仍然是CFD穩(wěn)定性分析的主要工具。在穩(wěn)定性分析方法提出之前,Von Neumann還與Richtmyer合作提出人工粘性法。

1952

Courant提出一階迎風(fēng)格式。迎風(fēng)格式在CFD領(lǐng)域具有非常重要的意義,后來的很多格式,特別是雙曲問題的求解格式都離不開迎風(fēng)格式的基本思路。幾乎與此同時(shí),基于位勢(shì)流理論的面元法被提出。面元法只在物體表面劃分網(wǎng)格,并采用基本解疊加的方式滿足物體表面的邊界條件,因此其計(jì)算量比需要進(jìn)行全場(chǎng)網(wǎng)格劃分的求解方法要小的多,所以面元法一度成為飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最流行的方法,現(xiàn)在則成為飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段快速獲取氣動(dòng)性能的計(jì)算手段,詳細(xì)計(jì)算則交給全NS求解器。

1959

Godunov提出Godunov一階迎風(fēng)格式。這個(gè)格式將相鄰網(wǎng)格間的流動(dòng)看作微型的激波管流動(dòng),從而把流場(chǎng)計(jì)算歸結(jié)為黎曼問題的求解,對(duì)20年后高分辨率格式的誕生起到了啟示作用。1960年,Lax-Wendroff格式誕生。這種格式采用Taylor級(jí)數(shù)展開的方式獲取數(shù)值格式,最終的格式雖然繁瑣,但思路簡(jiǎn)潔,因此成為經(jīng)典格式之一。

1963

LES方法建立。LES方法直接求解大渦結(jié)構(gòu),并用亞格子模型處理小尺度旋渦,可以看作DNS與湍流模式理論相結(jié)合的一種湍流求解方法。因?yàn)槠溆?jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于湍流模式理論,所以迄今為止還僅限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域。不過在HPC技術(shù)飛速發(fā)展的今天,LES方法被認(rèn)為是將取代湍流模式成為未來一個(gè)時(shí)期湍流模擬的主流方法,顯示這一點(diǎn)的一個(gè)跡象就是作為湍流模式理論和LES方法的之間的混合方法,如DES、SGS等,已經(jīng)開始逐漸進(jìn)入工程計(jì)算領(lǐng)域。

1969

McCormack格式建立。McCormack格式分預(yù)報(bào)、校正兩步進(jìn)行,精度上保持二階精度,但計(jì)算量遠(yuǎn)低于Lax-Wendroff格式,因此成為一種深受喜愛的格式,并流行了很多年,對(duì)CFD的影響非常深遠(yuǎn)。

1972

Spalding和Patanka提出SIMPLE格式。SIMPLE格式主要用于求解不可壓流問題,因此這個(gè)格式的來歷與早期求解雙曲問題的諸多格式都不同。70年代末,Spalding以此算法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了Phoenics軟件,開創(chuàng)了CFD軟件商業(yè)化的新時(shí)代。SIMPLE算法也是FLUENT軟件等商用軟件的基本算法,因此現(xiàn)在已經(jīng)是影響最大的算法。同樣在1972年,DNS方法提出。

1977

出現(xiàn)無網(wǎng)格方法。這類方法的思想大多源于早期的元胞自動(dòng)機(jī)算法,后來逐漸發(fā)展出數(shù)十種算法格式,其中比較著名的包括LBM方法、SPH方法、分子動(dòng)力學(xué)方法、DPD方法等等。

1979~1985

此期間是高分辨率格式的創(chuàng)立期,在此期間,從MUSCL格式到TVD格式,再到ENO格式和WENO格式,針對(duì)雙曲型問題的計(jì)算精度,特別是計(jì)算中出現(xiàn)的虛假震蕩問題提出了一套完備的理論,開啟了一輪高分辨率格式設(shè)計(jì)的熱潮,使得雙曲型問題的求解躍上一個(gè)新臺(tái)階。

1978

開始出現(xiàn)CFD商用軟件,90年代以后CFD商用軟件逐漸成熟,并成為流體力學(xué)研究的基本工具。

1997

將LES與湍流模式理論相混合的DES方法被提出,湍流計(jì)算開始出現(xiàn)逐步擺脫湍流模式理論的趨勢(shì),特別是在氣動(dòng)噪聲這類傳統(tǒng)算法精度不足的領(lǐng)域中,DES方法的應(yīng)用要更多一些。

2001

AIAA開始啟動(dòng)阻力預(yù)測(cè)開放式研究活動(dòng)(DPW)。這個(gè)活動(dòng)每?jī)赡昱e辦一次,主要針對(duì)阻力計(jì)算的可信度問題展開研究。CFD的可信度問題本質(zhì)上是將工業(yè)領(lǐng)域的質(zhì)量管理方法引入CFD研究,通過提高CFD的可信度,增強(qiáng)工業(yè)界對(duì)CFD結(jié)果的信心,AIAA的DPW活動(dòng)每2年舉辦一次,至今已舉辦了5次活動(dòng)。

2010

AIAA開始舉辦高升力預(yù)測(cè)開放式研究活動(dòng)(HiLiftPW)。這個(gè)活動(dòng)也是每?jī)赡昱e辦一次,今年是第二次活動(dòng),主要針對(duì)高升力構(gòu)型中存在的問題進(jìn)行可信度研究。

也是從2010年起,國(guó)內(nèi)的航空CFD高可信開放式研究活動(dòng)(HiCFD)啟動(dòng)。HiCFD活動(dòng)同時(shí)考慮阻力預(yù)測(cè)和高升力預(yù)測(cè)問題,為了便于與AIAA的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算所用幾何模型直接選用AIAA發(fā)布的模型。今年是第二次活動(dòng)。這次活動(dòng)在國(guó)內(nèi)有較大影響,幾乎所有航空院所都派人參加了這次活動(dòng)。

上面的敘述都是以時(shí)間點(diǎn)為標(biāo)識(shí)進(jìn)行的,但是實(shí)際上CFD的發(fā)展是一個(gè)過程,CFD各個(gè)分支領(lǐng)域的發(fā)展也都各有自己相對(duì)獨(dú)立的歷史。一個(gè)新概念提出后往往要經(jīng)歷10年甚至30年左右的沉淀才能逐漸被業(yè)界認(rèn)識(shí),并掀起一個(gè)研究的熱潮,然后到達(dá)其技術(shù)成熟期,并開始向工程界普及使用。比如LES的提出是在60年代,但其研究的高潮是在90年代。商用CFD軟件的出現(xiàn)是在70年代末,但其興盛是在90年代后。高分辨率格式的興起是在70年代末80年代初,其熱潮出現(xiàn)在80-90年代。無網(wǎng)格方法出現(xiàn)在70年代,熱潮則在2000年以后出現(xiàn)。另外需要糾正一個(gè)觀念,就是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)催生了CFD和數(shù)值方法,從實(shí)際的歷史上看,數(shù)值方法的出現(xiàn)遠(yuǎn)早于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),但無可否認(rèn)的是,只有當(dāng)數(shù)值方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合后,數(shù)值方法(包括CFD)才真正煥發(fā)出活力,并成為主流的研究工具之一。

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