CFD名人堂 | A. D. Gosman

計算流體力學(CFD)工作需要使用非常復(fù)雜的軟件、大量的計算資源、通過高度訓練的工程師來完成。

40年前CFD誕生之時,主要用來求解湍流和傳熱。當時涌現(xiàn)了大量的先驅(qū)性CFD工作者。

這些CFD先驅(qū)高瞻遠矚,越過計算機能力的障礙,對CFD這門學科進行了革命性創(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。但對于橢圓形問題卻無能為力(強逆壓梯度、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CFD代碼叫做ANSWER。

Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow

這本書被認為是CFD歷史的轉(zhuǎn)折點,首次表明了工業(yè)流動問題可以通過CFD進行數(shù)值求解并且提供了一個可求解的代碼。

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

隨后Spalding痛苦的認識到三維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)表了標準的k-epsilon湍流模型。

此時,Gosman的準備工作萬事俱備。

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)用到實際工業(yè)問題。

Gosman也是使用CFD進行燃燒模擬的先驅(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獨創(chuàng)的將CFD軟件用于教學,將各種數(shù)值模擬引入課堂。

在實驗流體力學主導江山的時代,這是一種破格的預(yù)見。

雖然TEACH只有1000行的FORTRAN代碼,但是Gosman的舉動對CFD開源社區(qū)的發(fā)展起了重要的推動作用。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,旨在攻破在當時世界上最難的CFD問題。

1978年,Gosman完成了世界上第一次的CFD軸對稱模擬工作。

為了實現(xiàn)氣缸運動,Gosman首創(chuàng)了歐拉-拉格朗日動網(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Gosman主導課題組所有工作的成果,最終導致CFD軟件“Speed”的誕生。

同時,Gosman還對復(fù)雜幾何感興趣,當時的CFD代碼只能用于笛卡爾網(wǎng)格下的計算,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)格計算中。

同時,Gosman也將這種方法推廣到滑移網(wǎng)格。

1980年代中期,Gosman團隊的代碼,尤其在復(fù)雜幾何的處理上,已經(jīng)遠遠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。

Gosman和Issa的這個公司取名為Computational Dynamics,即CD。

同時,一個使用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)鍵字數(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

這個公司就是當時的adapco。

“當時我參加了福特公司的一個會議,有個叫Steve的家伙給我們作了匯報,他們使用笛卡爾網(wǎng)格模擬引擎。我告訴他你這個幾何還原的不準確,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?！?/em>

實際上Steve確實遇到了這種問題,但是當時的Fluent并不能夠有效的對其進行處理。

“我們最開始的時候使用Fluent進行CFD計算,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公司強強聯(lián)合是一種雙贏。”

在當時,CD和adapco負責兩個不同的研究方向,Gosman團隊的CD負責CFD算法植入,adapco負責市場和銷售。

日夜的算法研究,最終CD和adapco強強聯(lián)合發(fā)布了商業(yè)代碼STAR-CD,STAR為Simulating Transport in Arbitrary Regions,名副其實,Gosman團隊的代碼為復(fù)雜幾何而生。

“當時我們發(fā)布代碼的時候,不知道應(yīng)該起一個什么名字。我隨便寫下了幾個,比如Simulating Transport in Arbitrary Regions, STAR!同事們一拍即合。不過在當時有好多產(chǎn)品都叫STAR,于是我們把CD加在了后面,即STAR-CD?！?/span>

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,當時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),如果你的團隊需要資金,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。機上7名機組人員全部喪生。

NASA在當時搞不清楚,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,雖然當時的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,于是我們在當時從NASA拿到了200萬美元的合同,隨后,NASA的各種航天項目我們均有參與。這件事之后,至少我們不餓了,溫飽已經(jīng)解決?！?/em>

NASA的項目解決了adapco以及Gosman團隊現(xiàn)金流的問題。

1987年,資本市場的黑色星期五。

Gosman團隊的CD公司也步入了資本寒冬,在當時,CFD在大眾行業(yè)中還是個不成熟的理念,只是三個晦澀的字母。

“在財政困難的情況下,我們決定出去尋找風險投資(VC),雖然當時還不是VC這個稱呼。我們尋找了幾個金融公司,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。在當時那個年代,口頭協(xié)議就已經(jīng)足夠?！?/span>

若干家金融公司,給Gosman團隊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。

當代CFD的標志

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、四面體的并行計算。曾經(jīng)Speed代碼中的核心內(nèi)容也包含進了STAR-CD。

CD-adapco 25周年蛋糕

20多年后的今天,Gosman團隊開發(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CD-adapco,目前Gosman團隊共有900人負責開發(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依然活躍在學術(shù)領(lǐng)域。

1988年,Gosman任職帝國理工大學教授,共發(fā)表200多篇論文。Gosman的學生Henry Weller,開發(fā)了世界上最大的CFD開源軟件OpenFOAM。

另外,Gosman的一個學生Hrvoje Jasak,在博士期間,由CD公司資助,進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。

無論是學術(shù)領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域。Gosman,當今無愧是CFD的標志。

有趣的是,Gosman花費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)軟件進行過CFD計算。

但是,最近Gosman卻參加了STAR-CCM+的培訓。

或許這才是CFD的真諦;

學,無止境;

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才

相關(guān)標簽搜索：CFD名人堂 | A. D. Gosman Fluent培訓 Fluent流體培訓 Fluent軟件培訓 fluent技術(shù)教程 fluent在線視頻教程 fluent資料下載 fluent分析理論 fluent化學反應(yīng) fluent軟件下載 UDF編程代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 

編輯