CFD名人堂 | A. D. Gosman

2017-03-30  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

“A successful scientist and entrepreneur, A. D. Gosman spent his career relentlessly refining computational fluid dynamics techniques and tools. Indeed, many of today’s CFD software owe him more than they’d be willing to admit. ”

“A. D. Gosman,杰出的科學(xué)家和企業(yè)家,將一生奉獻(xiàn)給CFD,當(dāng)代所有的CFD軟件都虧欠Gosman一聲感謝。”

師從Spalding鍛造扎實(shí)的理論成就

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、通過高度訓(xùn)練的工程師來完成。

40年前CFD誕生之時(shí),主要用來求解湍流和傳熱。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,越過計(jì)算機(jī)能力的障礙,對CFD這門學(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來到帝國理工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開發(fā)的所有技術(shù)都可以用于簡單的拋物線流動(dòng)。但對于橢圓形問題卻無能為力(強(qiáng)逆壓梯度、分離、撞擊流)。

但是往往工業(yè)問題,尤其是燃燒問題,需要橢圓形問題的求解。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)問題可以通過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)備工作萬事俱備。

復(fù)雜的CFD問題,艱辛的個(gè)人成長

Gosman在帝國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)可以用于汽車引擎模擬。

在那個(gè)年代,Gosman也是少有的能自己編寫代碼求解CFD的人。

Gosman最先開發(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。

雖然TEACH只有1000行的FORTRAN代碼,但是Gosman的舉動(dòng)對CFD開源社區(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題,依然懸而未決。

和其他類型的燃燒問題不同,引擎燃燒涉及到復(fù)雜幾何和移動(dòng)邊界。燃燒問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問題。

1978年,Gosman完成了世界上第一次的CFD軸對稱模擬工作。

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,并針對壁面撞擊過程提出了Gosman-Bai模型。

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

由帝國理工大學(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,注重開發(fā)非結(jié)構(gòu)體適應(yīng)CFD代碼。

CFD理論 - 應(yīng)用的成功轉(zhuǎn)型

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,在意識到CFD模擬廣闊的市場前景之后,公司的總裁Steve MacDonald通過福特公司介紹,欲求和Gosman和Issa的CD公司聯(lián)合。

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

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。但這家伙雖然聽了我得意見,但是直接走了。”

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

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

Steve(左)和Gosman(右)

“我們擅長CFD理論,擅長模型和代碼。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。”

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)市場和銷售。

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。我隨便寫下了幾個(gè),比如Simulating Transport in Arbitrary Regions, STAR!同事們一拍即合。不過在當(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。”

商界的舉步維艱與逆轉(zhuǎn)

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Gosman表示,我們需要加大市場開發(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,美國挑戰(zhàn)者號航天飛船在離地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。

“問題很難,但是我們解決了,NASA極為滿意,于是我們在當(dāng)時(shí)從NASA拿到了200萬美元的合同,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)金流的問題。

1987年,資本市場的黑色星期五。

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。”

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。

當(dāng)代CFD的標(biāo)志

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)開發(fā)的STAR-CD一直占據(jù)著世界CFD市場份額的前五(CFD界:數(shù)據(jù)來源于CFD-Online)。

adapco隨后基于Computational Dynamics前綴注冊商標(biāo)CD-adapco,目前Gosman團(tuán)隊(duì)共有900人負(fù)責(zé)開發(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任職帝國理工大學(xué)教授,共發(fā)表200多篇論文。Gosman的學(xué)生Henry Weller,開發(fā)了世界上最大的CFD開源軟件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的主要開發(fā)者。

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

有趣的是,Gosman花費(fèi)40多年致力于商業(yè)CFD代碼開發(fā),但是他從沒有使用商業(yè)軟件進(jìn)行過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),無止境;

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