CFD可信度問題概述一： CFD簡史【轉(zhuǎn)發(fā)】

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

前幾天上海市力學學會計算力學委員會召開年會的時候,我在會上對這個問題做了一個簡單介紹,這里把會上的發(fā)言內(nèi)容整理一下發(fā)布出來,算是對培訓(xùn)活動的一個部分。

雖然很多朋友對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(計算流體力學)的縮寫。雖然提到“計算”就容易讓人想起計算機,但CFD的歷史起點其實可以追溯1910年——一個計算機尚未誕生的年代。在1910~1917年期間,Richardson采用數(shù)值方法模擬大氣運動。盡管沒有獲得成功,但這個事件仍然被看作CFD誕生的起點。據(jù)說當年Richardson曾經(jīng)在一個體育場中組織了2萬多人進行數(shù)值計算,每人手里拿著一個手搖計算器,然后Richardson站在體育場中心指揮這場大規(guī)模的數(shù)值計算,不過因為他的數(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)測天氣的變化。類似的事情在中國搞兩彈一星的時候也出現(xiàn)過,當時是每人拿著一個算盤進行計算,區(qū)別是中國做這樣的計算的時候,穩(wěn)定性理論早就提出,因此這樣的計算對于中國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)值計算第一次成功地服務(wù)于中國的國家建設(shè)。

1928

Courant、Friedrichs和Lewy開創(chuàng)了穩(wěn)定性研究,他們?nèi)齻€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提出一階迎風格式。迎風格式在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格式的基本思路。幾乎與此同時,基于位勢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,因此其計算量比需要進行全場網(wǎng)格劃分的求解方法要小的多,所以面元法一度成為飛機設(shè)計領(lǐng)域最流行的方法,現(xiàn)在則成為飛機概念設(shè)計階段快速獲取氣動性能的計算手段,詳細計算則交給全NS求解器。

1959

Godunov提出Godunov一階迎風格式。這個格式將相鄰網(wǎng)格間的流動看作微型的激波管流動,從而把流場計算歸結(jié)為黎曼問題的求解,對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。因為其計算量遠遠大于湍流模式理論,所以迄今為止還僅限于學術(shù)領(lǐng)域。不過在HPC技術(shù)飛速發(fā)展的今天,LES方法被認為是將取代湍流模式成為未來一個時期湍流模擬的主流方法,顯示這一點的一個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)開始逐漸進入工程計算領(lǐng)域。

1969

McCormack格式建立。McCormack格式分預(yù)報、校正兩步進行,精度上保持二階精度,但計算量遠低于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CFD的影響非常深遠。

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)計了Phoenics軟件,開創(chuàng)了CFD軟件商業(yè)化的新時代。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機算法,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、分子動力學方法、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,針對雙曲型問題的計算精度,特別是計算中出現(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)計的熱潮,使得雙曲型問題的求解躍上一個新臺階。

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,湍流計算開始出現(xiàn)逐步擺脫湍流模式理論的趨勢,特別是在氣動噪聲這類傳統(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開始啟動阻力預(yù)測開放式研究活動(DPW)。這個活動每兩年舉辦一次,主要針對阻力計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,增強工業(yè)界對CFD結(jié)果的信心,AIAA的DPW活動每2年舉辦一次,至今已舉辦了5次活動。

2010

AIAA開始舉辦高升力預(yù)測開放式研究活動(HiLiftPW)。這個活動也是每兩年舉辦一次,今年是第二次活動,主要針對高升力構(gòu)型中存在的問題進行可信度研究。

也是從2010年起,國內(nèi)的航空CFD高可信開放式研究活動(HiCFD)啟動。HiCFD活動同時考慮阻力預(yù)測和高升力預(yù)測問題,為了便于與AIAA的結(jié)果進行對比,計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。這次活動在國內(nèi)有較大影響,幾乎所有航空院所都派人參加了這次活動。

上面的敘述都是以時間點為標識進行的,但是實際上CFD的發(fā)展是一個過程,CFD各個分支領(lǐng)域的發(fā)展也都各有自己相對獨立的歷史。一個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)界認識,并掀起一個研究的熱潮,然后到達其技術(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)。另外需要糾正一個觀念,就是計算機的出現(xiàn)催生了CFD和數(shù)值方法,從實際的歷史上看,數(shù)值方法的出現(xiàn)遠早于計算機的出現(xiàn),但無可否認的是,只有當數(shù)值方法與計算機技術(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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