CFD史话

既然有了一个开始，那就先来写个引子。最近在喜马拉雅上听一些科技发展史，很是喜欢。通过它，既能了解一门科学的发展历程，感受那些波澜壮阔的历史瞬间，更重要的是能看到推动科技不断前行的一些大牛，以及他们的励志故事。芸芸众生中，正是这样一盏盏明灯引领着人们不断探索未知，于电闪雷鸣中拨开迷雾，为人们打开一扇又一扇科技之门。

CFD（Computational Fluid Dynamics）——计算流体力学，它是借助计算机，通过数值的方法来求解流体流动与传热等相关物理现象的一种分析方法。作为一门学科，其实它的历史并不长，大约起源于二次世界大战前后，20世纪60年代后逐渐形成一门独立的学科。而第一套商业化的CFD软件——PHOENICS，则要到1980年才问世，至今不过区区40年不到。刚刚而立，还有很多不惑之处。但随着高性能计算的普及，它已经在工业界大展拳脚了。今天我就带大家从几个方面简单回顾CFD的发展史，算是抛砖引玉。

一、一个人

提到CFD，提到计算流体力学这门学科，一定要提及的一个人，他就是Dudley Brian Spalding，英国帝国理工学院传热学教授，英国皇家科学院院士，皇家工程院院士。有人说，没有Spalding教授就没有今天的CFD，他是这门学科的奠基人，CFD届的泰山北斗。在帝国理工学院，他和他的计算流体力学组CFDU，在CFD 发展中做出了众多革命性贡献：

除此之外，他和他的课题组还大力推广 CFD在工业工程的应用。几乎现在一些主流的商业化CFD软件都可将其起源追溯到由Spalding和他的团队在1965-1975所做的工作。第一套商业化的CFD软件——PHOENICS，就是由Spalding教授自己创立的CHAM公司研发的。1980年，Jim Swithenbank教授和他的团队在英国的Sheffield大学开发了FLUENT。英国原子能当局 (AEA) 开发供内部使用的通用CFD程序，FLOW3D，也就是后来的CFX。David Gosman教授在英国伦敦成立 Computational Dynamics (CD) 公司，并推出了STAR-CD软件。并在2006年开发了最新一代CFD软件——STAR-CCM+。而Gosman教授的学生HenryWeller，开发了世界上最大的CFD开源软件OpenFOAM。Spalding教授及其课题组就像一颗大树，枝繁叶茂，为CFD技术的发展提供养分，并结出了累累硕果。

二、一本书

计算流体力学是以数值的方法来解析各种复杂的物理现象，这其中不仅包括各种复杂的物理控制方程，还需要学习计算方法。因此，对于大多数初学者来说，往往头疼不已。但一本书的出现改变了这一切，它使得普通的读者通过这本书的学习不用费很大力气就可以到达该领域的前沿。很多人甚至把这本书称为“CFD的圣经”。

它就是Suhas V. Patankar教授在1980年出版的“计算传热学和流体流动的数值计算”（Numerical Heat Transfer and Fluid Flow）一书。Patankar教授是美籍印度学者（好像很多印度人在CAE软件公司任职CTO等高层职位，而大多中国人仅仅是一个码农），早在上世纪60年代初就跟随Spalding教授学习和研究数值传热和流体流动的计算方法。而这本书就是他多年教学和科研的结晶。本书的特点可以归纳为两个字——简洁。这太不容易了，能把这样一门复杂学科以无法想象的一种最简单的方式讲述出来，绝对是大师之作。本书所用的大部分数学内容只限于简单的代数。以方程的物理意义为出发点，而不只是以数学推演为基础。这样读者在学习数值方法的同时，可以加深对基本物理过程的认识和理解。这本书从一维的热传导开始，慢慢推进到对流与扩散，进而详细阐述了伟大的SIMPLE算法，娓娓道来，由浅入深。可以毫不夸张地说，读完本书，大部分人可以自己动手写一个简单的CFD Code。

1984年，这本书由张政教授翻译成中文版，科学出版 出版，国内读者得以有缘拜读大师杰作。记得我在上研究生期间跟随陶文铨教授学习CFD这门课程，同学们都去图书馆借阅这本书，但图书馆这本书的存量很少，很难借得上。当时我们班就有同学在借来后就手抄这本书。全书32开，200多页，如果要复印，那还是挺贵的，当时多数人都付不起。现在应该还是可以买到这本书，如果没有读过这本书，那建议还是去拜读一下。

三、一个方程

对于物理问题来说，其背后是描述各种物理现象的控制方程，比如NS动量方程、能量方程、组份输运方程、紊流方程等等。每个方程的形式各不相同，且这类偏微分方程大都没有解析解（如果都有解析解，也就没有CFD什么事了，我们也就失业了J）。通过数值的方法来求解这些方程是三大研究手段（实验、理论、数值）之一。既然要通过数值的方法，那就要离散方程，因为计算机是无法直接求解偏微分方程，需要将其离散成代数方程。对于代数方程，我们有很多求解的方法（计算方法这门课程就是讲这些的）。

问题来了，这么多不同的方程，如果每个方程都离散成不同的形式，那对于计算机编程来说就是个灾难，效率低下。Patankar教授帮我们解决了这一难题，他提出了一个通用的守恒方程形式：

四、一个花絮

在喜马拉雅上听科学史的时候，中间总是会穿插一些花絮，让我们看到科学家们以及科技界不为人知的另一面，轻松愉快。今天我也来讲一个小花絮。

今天的CFD已经广泛被工业界所接受，并充分融入了设计流程中，成为研发的重要组成部分。但在上世纪80年代，大多数CFD软件企业都举步维艰，艰难度日，随时都有倒闭的风险。Gosman教授的CD公司虽然和Steve MacDonald先生的Adapco公司联合开发出了STAR-CD这个鼎鼎有名的CFD软件，但两家公司的资金都异常困难，“我们快要饿死了”。但一件事情的发生改变了公司的命运。

1986年1月28日，美国挑战者 航天飞船在离地73秒后爆炸。机上7名机组人员全部丧生。NASA在当时搞不清楚，到底应该怎么办？如何才能避免惨剧再次发生？NASA首先找到了Adapco公司，虽然当时的Adapco也为初创企业，但已经在结构模拟领域有较大的名气。

“问题很难，但是我们解决了，NASA极为满意，于是我们在当时从NASA拿到了200万美元的合同，随后，NASA的各种航天项目我们均有参与。这件事之后，至少我们不饿了，温饱已经解决。”

就这样，公司存活下来了。并且一步一步发展到今天，成为CFD软件的翘楚。

五、结尾

由于篇幅的关系，我们的CFD史话今天就讲到这儿。其实还有很多有趣的Topics，例如SIMPLE算法、差分格式、湍流模型等等。以后有机会再来和大家聊一聊。今天算是一个开始。