CFD名人堂 | A. D. Gosman

2017-03-30  by:CAE仿真在线  来源:互联网

“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,杰出的科学家和企业家,将一生奉献给CFD,当代所有的CFD软件都亏欠Gosman一声感谢。”

师从Spalding锻造扎实的理论成就

计算流体力学(CFD)工作需要使用非常复杂的软件、大量的计算资源、通过高度训练的工程师来完成。

40年前CFD诞生之时,主要用来求解湍流和传热。当时涌现了大量的先驱性CFD工作者。

这些CFD先驱高瞻远瞩,越过计算机能力的障碍,对CFD这门学科进行了革命性创新。

Gosman就是CFD先驱之一。

1962年,毕业于英属哥伦比亚大学的Gosman来到帝国理工Spalding教授课题组。初期阶段,Spalding的研究主要为计算湍流的普适性方法。Spalding开发的所有技术都可以用于简单的抛物线流动。但对于椭圆形问题却无能为力(强逆压梯度、分离、撞击流)。

但是往往工业问题,尤其是燃烧问题,需要椭圆形问题的求解。Spalding课题组最终放弃了2D抛物线方法,取而代之使用了涡量-流函数法。

1969年,涡量-流函数法发表在Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow一书中,Gosman任编辑,在这篇文章中包含了一个CFD代码叫做ANSWER。

Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow

这本书被认为是CFD历史的转折点,首次表明了工业流动问题可以通过CFD进行数值求解并且提供了一个可求解的代码。

验证了涡量-流函数法可以用于低速二维流动问题后,Spalding课题组继续将其向三维拓展。

随后Spalding痛苦的认识到三维NS方程并不存在流函数。

随后,Spalding课题组的Patankar提出了SIMPLE算法,Launder发表了标准的k-epsilon湍流模型。

此时,Gosman的准备工作万事俱备。

复杂的CFD问题,艰辛的个人成长

Gosman在帝国理工的主要工作是使用CFD处理复杂几何以及将CFD应用到实际工业问题。

Gosman也是使用CFD进行燃烧模拟的先驱者之一,在1990年代,Gosman研发的软件已经可以用于汽车引擎模拟。

在那个年代,Gosman也是少有的能自己编写代码求解CFD的人。

Gosman最先开发的CFD代码叫做TEACH,TEACH最早是作为CFD教育软件存在。Gosman独创的将CFD软件用于教学,将各种数值模拟引入课堂。

在实验流体力学主导江山的时代,这是一种破格的预见。

虽然TEACH只有1000行的FORTRAN代码,但是Gosman的举动对CFD开源社区的发展起了重要的推动作用。在商业软件崛起之前,TEACH被CFD社区大量的拓展和开发。

1970年代,CFD悄然渗入到汽轮机和静止燃烧器的模拟中。

虽然Gosman在其他方面的稍有成就,但是最重要的引擎燃烧问题,依然悬而未决。

和其他类型的燃烧问题不同,引擎燃烧涉及到复杂几何和移动边界。燃烧问题的精确模拟涉及到喷雾、成膜、引燃、燃烧以及湍流。

Gosman决定向燃烧领域拓展,旨在攻破在当时世界上最难的CFD问题。

1978年,Gosman完成了世界上第一次的CFD轴对称模拟工作。

为了实现气缸运动,Gosman首创了欧拉-拉格朗日动网格方法,并提出了网格生成、堙灭等网格技术来提高网格质量。

在喷雾模型领域,Gosman和他人合作提出了Huh-Gosman模型,并针对壁面撞击过程提出了Gosman-Bai模型。

为了模拟瞬态问题,Gosman植入了R. I. Issa提出的非迭代PISO算法。

由帝国理工大学Gosman主导课题组所有工作的成果,最终导致CFD软件“Speed”的诞生。

同时,Gosman还对复杂几何感兴趣,当时的CFD代码只能用于笛卡尔网格下的计算,复杂几何只能使用阶梯假定。

10年的复杂引擎燃烧模拟,使得Gosman相信一种适体网格势在必行。Gosman想要寻找一种灵活的可用于各种复杂几何的方法。

1983年,Rhie and Chow悄然在AIAA Journal发表了一篇文章。这篇文章中提出了大名鼎鼎的Rhie-Chow插值技术,使得压力速度在同位网格耦合。

大量调研之后,Gosman首次将Rhie-Chow插值方法应用于部分非结构甚至全非结构的复杂几何网格计算中。

同时,Gosman也将这种方法推广到滑移网格。

1980年代中期,Gosman团队的代码,尤其在复杂几何的处理上,已经远远超过崭露头角的商业CFD代码。随后Gosman和Issa创立了自己的公司,注重开发非结构体适应CFD代码。

CFD理论 - 应用的成功转型

Gosman和Issa的这个公司取名为Computational Dynamics,即CD。

同时,一个使用Finite Element Method(FEM)做结构工程咨询公司,在意识到CFD模拟广阔的市场前景之后,公司的总裁Steve MacDonald通过福特公司介绍,欲求和Gosman和Issa的CD公司联合。

1940年以来教材中关于FEM,FDM,FVM关键字数量的趋势图,可以粗略反应相关技术的发展趋势以及体量

这个公司就是当时的adapco。

“当时我参加了福特公司的一个会议,有个叫Steve的家伙给我们作了汇报,他们使用笛卡尔网格模拟引擎。我告诉他你这个几何还原的不准确,结果可能有误。但这家伙虽然听了我得意见,但是直接走了。”

实际上Steve确实遇到了这种问题,但是当时的Fluent并不能够有效的对其进行处理。

“我们最开始的时候使用Fluent进行CFD计算,但是我们遇到Gosman之后,天呐,我觉得我们应该合作一下”

Steve(左)和Gosman(右)

“我们擅长CFD理论,擅长模型和代码。但是我们不懂前处理和后处理。顺其自然的adapco主要复杂前处理和后处理。我们和adapco公司强强联合是一种双赢。”

在当时,CD和adapco负责两个不同的研究方向,Gosman团队的CD负责CFD算法植入,adapco负责市场和销售。

日夜的算法研究,最终CD和adapco强强联合发布了商业代码STAR-CD,STAR为Simulating Transport in Arbitrary Regions,名副其实,Gosman团队的代码为复杂几何而生。

“当时我们发布代码的时候,不知道应该起一个什么名字。我随便写下了几个,比如Simulating Transport in Arbitrary Regions, STAR!同事们一拍即合。不过在当时有好多产品都叫STAR,于是我们把CD加在了后面,即STAR-CD。”

商界的举步维艰与逆转

哪有那么好的美事?

和众多中小企业一样,当时Gosman的CD和adapco的公司资金都异常困难,但是MacDonald对Gosman表示,我们需要加大市场开发,如果你的团队需要资金,adapco可以提供一少部分资金加大CD的CFD算法投入。

“我们快要饿死了”

两件事改变了历史。

1986年1月28日,美国挑战者号航天飞船在离地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,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。”

NASA的项目解决了adapco以及Gosman团队现金流的问题。

1987年,资本市场的黑色星期五。

Gosman团队的CD公司也步入了资本寒冬,在当时,CFD在大众行业中还是个不成熟的理念,只是三个晦涩的字母。

“在财政困难的情况下,我们决定出去寻找风险投资(VC),虽然当时还不是VC这个称呼。我们寻找了几个金融公司,他们完全不懂我说的是什么,但是他们同意提供给我们一些初创资金。在当时那个年代,口头协议就已经足够。”

若干家金融公司,给Gosman团队提供了第二次的资金支持。至此,CD顺利的度过了初创企业到中小企业的转型。

CD以及adapco的第一桶金成就了今天的CD-adapco。

当代CFD的标志

1991年STAR-CD发布第二版,第二版的CFD代码可以求解任意的六面体、四面体的并行计算。曾经Speed代码中的核心内容也包含进了STAR-CD。

CD-adapco 25周年蛋糕

20多年后的今天,Gosman团队开发的STAR-CD一直占据着世界CFD市场份额的前五(CFD界:数据来源于CFD-Online)。

adapco随后基于Computational Dynamics前缀注册商标CD-adapco,目前Gosman团队共有900人负责开发STAR-CD以及下一代的CFD利器:STAR-CCM+。

作为CFD领域成功的商业领袖,Gosman依然活跃在学术领域。

1988年,Gosman任职帝国理工大学教授,共发表200多篇论文。Gosman的学生Henry Weller,开发了世界上最大的CFD开源软件OpenFOAM。

另外,Gosman的一个学生Hrvoje Jasak,在博士期间,由CD公司资助,进行了大量的任意多面体网格离散、网格自适应技术的研究。Jasak也是Foam的主要开发者。

无论是学术领域还是商业领域。Gosman,当今无愧是CFD的标志。

有趣的是,Gosman花费40多年致力于商业CFD代码开发,但是他从没有使用商业软件进行过CFD计算。

但是,最近Gosman却参加了STAR-CCM+的培训。

或许这才是CFD的真谛;

学,无止境;

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