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(xué)學(xué)會計算力學(xué)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(xué))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(dāng)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(dāng)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(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,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(xì)計算則交給全NS求解器。

1959

Godunov提出Godunov一階迎風(fēng)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(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(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(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(biāo)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(rèn)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(rèn)的是,只有當(dāng)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。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才