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标题: 计算流体动力学那点事ZZ [打印本页]

作者: hj9370    时间: 2010-4-3 09:39
标题: 计算流体动力学那点事ZZ
(1) Jameson的故事 # M- a( {2 d- @# j4 D# a
Jameson 是当今CFD届的超级大牛。偶的超级偶像哦。Jameson是个英国人,出生在军人世; x' r# \5 i4 ], o7 C
家。从小随老爹驻守印度。于是长大了也抗起枪到海外保卫日不落帝国,军衔是Second L# q! K7 x. o+ z0 [/ x/ Y  o
ieutenant。无奈“日不落”已落,皇家陆军已经不需要他了。大概有什么立功表现把,退
* Q. V0 Y# C3 U% n9 h  n役后就直接进了剑桥大学。在那里拿到博士学位。辗转间从英国来到了美国,从工厂又到* ^: g6 i" g( R6 H9 W" Y
了学校。成了Princeton的教授。在那里提出了著名的中心差分格式和有限体积法。就是在
' w2 Q/ `" B2 z) n2 Y这里,发表了他那篇著名的中心差分离散的有限体积法。中心差分格式,大家都知道,是5 U) |/ G3 U4 S( j3 [" k
二阶,但是稳定范围特别小,Pe不能超过2,于是就得加人工粘性(一听这名字,数学家就1 l# d" H$ e* \& k
倔嘴巴,不科学嘛),这是大学生都知道的事,怎么加就是学问了。Jameson用二阶项做背
) C& j9 {8 K* g6 I% ~9 G- t景粘性,用四阶项抑制激波振荡(也亏他想得出来),配合他提出的有限体积法,获得了
0 J% G/ b# ?. v: I: V( i- ~; u极大的成功,很快风靡世界,工程界几乎无一例外在使用他的方法,原因很简单,他的方
4 b- T& [7 r+ _) T+ r! x  e% _法乐百氏,而且又有相当精度。从此大行于市,座上了P大的航空系系主任,也确立了CFD
* x( M8 X& j5 Z+ Z# @界第一大牛人的地位。& P! ]% W4 B3 X; Q; r4 X! P# `  I& ~* C
发文章有个特点,喜欢发在小会议上或者烂杂志上,反正是SCI检索不到地方。包括后来关
# f% D8 j8 \$ t5 I于非结构网格,多重网格等等经典的开创性文章,都是这样。(如果按照清华的唯SCI论的
& G* c1 S2 \# e1 G! f/ N评判标准,我估计在清华最多只能给他评一个副教授当当。)牛牛的人总是遭人忌妒,哪
# O' c; J2 p' x0 A0 Z; Q0 U里都这样。看着Jameson的有限体积方法这么受欢迎,有些人就红眼了。于是说,有限体积
8 u/ w5 C( b) k. e: ?% W6 p方法不错,可惜只适合于定常问题计算,非定常计算就不怎么样嘛。 4 }2 i  {6 A6 z
Jameson那里能容忍别人对他的得意之做胡说。于是,灵机一动,想出了一个双时间尺度的" O5 p9 [& [( |: G1 _# D
方法,引进一个非物理时间,把非定常问题变成了一个定常问题计算,还真好使,又风靡6 s* z2 T6 n: i
世界,从此天下太平。97年,Jameson年龄到了,就从P大退休了,结果又被聘请到Standf, O8 N2 H" G& f
ord大学当Thomas V. Jones Professor搞起了湍流来。前不久偶导师见他回来,对欧们边
( r) }3 D$ ~8 f/ E+ a8 N- j& x摇头边说,“几年不见,老得快不行了”,言下之意,我们如果想多活几年,不要去搞什
0 r# m; I# t1 h" P. a么湍流。
2 T6 y5 v8 l6 R4 g3 Y( `(2) Steven A. Orszag的故事 : n- x5 m, e6 P  O' `0 @
Steven A. Orszag是一个天才级别的人物啦。在直接数值模拟,谱方法,湍流模型等等许
, t2 g5 u  w: {0 M; d' O多方面都有开创性的贡献。天才嘛,总是有缺陷的,不是生活不能自理,就是不懂得处理
2 q; N2 b! w, C7 t% o- N& g6 e4 g人际关系。前者还好办,只是lp不舒服,后者嘛,让同事和同行不舒服,可麻烦就大了。& u7 b, y; P0 H2 u$ S! o" [
不幸的是,Orszag属于后者。对于他的恃才傲物,有人早就恨得牙根痒痒,报复的机会终0 C' c; b% X, W, Z# B& G; P
于来了。* {) U: g, @1 [5 j6 k
& P7 R" N! x  j8 L9 Y0 g& g
三十年前,湍流模型的先驱们,是通过数值试验,再连懵带猜的确定下了双方程湍流模型: _* k4 [  b6 f5 h' x
的参数。20年前,Orszag突发奇想,能否用RNG(重整化群理论)从理论上推导这些参数呢
# f1 y2 H/ N& Q4 G) n$ f?RNG理论在相变上取得了很大的成功,发明者也在81年获得了 Nobel奖。牛人就是牛人很5 H, T; O7 V+ a) o6 N6 v! N& Q+ [- [5 d
快居然真从理论上推出了这些参数。这下湍流模型界可炸开了锅,这岂不是要砸掉很多人+ ]/ ]( `! E6 k3 U  \9 _( N
的饭碗?这不等于说那些老家伙几十年前的工作一钱不值么?这帮大学霸可不是省油的灯$ p6 n0 u! z# N( }$ \8 F$ T
。环顾地球之大,Orszag居然找不到一本杂志愿意接受他这篇文章。Orszag这个郁闷呀,
5 E& P7 I8 `+ Y这个生气呀,好歹庵也是绝代高手嘛,昨这么不给面子呢?他一气之下干脆自己扛杆旗,* U0 M% b9 `$ R( H. ~2 N
办份杂志,自己当主编,自己出版,看谁说闲话。1986年,《Journal of Scientific Co) s& R( K& c# i" r; h
mputing》终于开张了。第一篇文章就是“Renormalization Group nalysis of Turbulen
  W# k1 D& W5 v$ Oce: I Basic Theory”。这篇文章很快获得了大家的广泛认同。但是对RNG的攻击并没有到
! I& |  u. B  q# X. A. Y此为止。偶看到最搞笑的是一个牛牛(不想提他的名字了)在AIAA J. 上的一篇文章。当
$ ~9 a: @4 y& d6 @# O然是吹自己的模型计算比标准双方程模型多么多么的好。都已经比较结束了,他还觉得不
9 ?2 V# t* L8 i' O过瘾,话锋一转,把RNG模型胡算一把,然后一桶狂批,还煞有介事的分析为啥算不好。其1 Q* V5 R( U& ^
实我倒觉得,既然RNG能够从理论上推导出他们当年胡乱搞出来的参数,不正是对他们工作' N/ |0 N$ G& q
的证明么?能够从完全黑暗的世界寻找到这些参数,这除了天才,还能说什么呢?
2 ~/ W$ Q2 l" X. H5 p9 f" C6 k4 k
(3) Godunov的故事 5 m- L1 L' k' r. t3 M
Godunov大家都晓得吧,迎风类型格式的开山鼻祖。二十世纪CFD的数值方法基本上是沿着
4 b3 g1 V) _/ Y2 S" K他老人家开创的Godunov类型格式的方向发展。连如今大姥级的Roe,van Leer都要发文章: L! _; _9 O2 ~% [1 D
pmp,毕竟他们都是靠着老大发家的嘛。他座上老大宝座的屠龙刀-Godunov格式,实际上
2 H8 J8 k& }* ^6 O- `% f. ^+ S是1954年他25岁时候的博士论文。老板上课时候曾经讲,当时不知道为啥他得罪了苏维埃
- `: P: Y" X; \  G* Z# I+ A政府要砍他的头,于是他一着急,弄出了这把屠龙宝刀,拣回了小命(不过这个传闻,我  X7 w6 d  ?" K& d  F
没有找到相关的文献得以证实,好在我相信偶老板读的书比我多,二来嘛本来就是八卦系" o* A* Z4 A! |9 _
列也无所谓了)。 5 r3 V  G- o9 V" V( M3 k
我现在就来讲讲有根有据的东西,老大是怎么弄出这把屠龙刀的。1954年春天,苏联的第  K' O# ?0 y: b0 U
一台电子计算机“Strela”就将送到老大当时所在的单位Keldish Institute of athemat
$ M5 }! J. C. h+ kics,上级要求他们弄几个格式来算一算。当时一个叫Zhukov的人就弄出了一个东西。这家6 V, S* @$ e; ?$ W
伙也算是个牛人了,弄出来的这个东西,同1年后 P.D Lax的CFD奠基性名著中提出的东西' D. N. F, P5 _: W. j
是完全一样的。可惜呢,这家伙数学不好,他是连蒙带猜弄出来的,尤其是为了自圆其说
$ r+ ^2 Q! z! m! Q的那几个假设,现在回过头来看根本就是错误的,是推不出这个结果的。当时为了弥合这
8 o0 e) _0 y5 ]/ R) j个问题,就请来了Godunov看能不能解决这个问题。结果一发不可收拾,居然就借此搞出了% m3 L" ^! O3 I" o) z8 U
Godunov格式。后来老大回忆刀,幸好当时他没有看到Lax的文章,要是看了,压根就不会9 F+ S2 q& o# Z4 |0 d  ]8 v
有Godunov格式了。(If I would have read Lax’s paper a year earlier, “Godunov
- s( B8 ?) |8 N( `8 e- X* v’s Scheme” would never have been created.)这么重大的贡献得发文章让大家都晓得
: o7 C  }* Q. f  ]" [6 Q% ^9 g才行呀。老大于是一毕业就四处投杂志,他先投了一家叫Applied Mathematics and Mech8 o& W' H3 j' k6 ?+ [
anics的杂志,杂志居然把他据了,理由是,老大的工作是一个纯粹的数学工作,没有做任  C  R' r" O) Y5 l# ^
何关于力学的研究。老大一想也对,他本来就是数学家嘛,于是他改投一个纯数学的杂志% p( k( c' j) V" [2 u" f4 c! R
,谁知道,没过多久,又被退稿了,这次的理由是,老大的工作是一个纯力学的研究,没( {% e1 B- k  M: O3 ~; |9 X: p/ ]
有任何关于数学的内容。老大当场晕倒。后来老大又投了几家还是不中,这下没有办法了( x' _3 m1 x8 x* c6 J6 m* a
,老大只好找后门,托他的老板Petrovskii了,正好老板是Mathematicheskii Sbornik杂
3 D: R: ?6 P; f  w! @. H志的编辑,终于在1959年,毕业四年后这篇文章发表在了这个杂志。
3 V  c, D" B# p& A# Q(4) Van Leer的故事 0 d# p4 B1 S4 g7 L0 u& ?5 N2 X
Van Leer 原先同Roe关系非常的好。后来Roe发表了著名的后来用他名字命名的Roe格式,' D1 X, G- @) Y1 q7 |
Van Leer就有点座不住了。因为他一直相信他比Roe高明那么一点点。于是他决心超过Roe0 _) t4 k8 {3 N8 s5 {' o, v' |
。当时迎风格式在应用上有两个发展方向,一个是Roe格式为代表的通量差分分裂类型,令
* E: l7 v- X9 ?; h0 h' v' J  x一个就是矢通量差分类型,典型代表就是Steger-Warming格式。很快van Leer找到了突破, P# |$ E: K0 o  l) {: V. q8 \
口,他注意到Steger-Warming格式有个不大不小的缺陷,通量分裂是不可微的,这在计算
( [+ @: j& w4 h激波时候,有可能发生过冲现象。于是 van Leer对此做了一番改造,提出了一个满足可微
9 M/ z" I+ w7 s条件的分裂。van Leer兴高采烈地投到杂志社,然而令他失望的是,杂志社把他给拒绝了3 f- f+ `# e, I& M: k) A
。他可受不了了,于是自己掏钱,飞到西伯利亚,向Godunov求教。 Godunov看过后大加赞
5 G) q7 Y! f; R& l  x2 A% K; W) X! a赏。这下可乐坏van Leer。既然老大首肯了,谁还敢说不字,这篇文章顺利出版。后来这* l8 A1 e! M  s! @; r% u5 a9 G* B
个格式就用van Leer本人的名字命名并流行起来,终于,他还是跟Roe平起平坐了。
作者: hj9370    时间: 2010-4-3 09:42
(5) Batchelor的故事 $ N& X; ]5 |# o& [
Batchelor 是GI Taylor之后,剑桥学派的领袖。不过他其实并不是英国人,而是澳大利亚
0 F1 R) I2 u% O) J: a7 _4 Y; j人。他从小在墨尔本长大。第二次世界大战其间,在从事了一个航空相关的课题研究中,. G1 r& o, V  w9 ]1 w2 p
他对湍流研究产生了浓厚的兴趣,尤其是GI Taylor三十年代关于湍流研究的工作。于是他
& {. N. X: F3 {% J8 R就给Taylor写信,想做他的research student。Taylor很快同意了。Batchelor是一个很跋
1 p6 A& [6 |) q- t扈的人,说话颇有些像黑社会的老大的风范。他有一个死党和跟屁虫。他非常想让这个跟
+ F6 V8 A5 x9 ~  m$ o屁虫跟他一块到英国去研究湍流,省得他一个人寂寞。这个死党呢,大学学的是跟湍流八
. O6 m: T9 s# d1 m竿子打不着的核物理。这并不要紧,Batchelor充分发挥了他黑社会老大般的威严对他说,
0 A1 X) _% {, C% b1 Y1 S“跟我到英国找Taylor研究湍流去吧!”这个铁杆兄弟也不含糊,立刻说,好,跟老大走2 \& H4 A: c0 ^- ^7 p
。不过走前,你回答我两个问题:谁是 G.I. Taylor? 湍流是什么玩艺?前一个问题好回; l4 `( B  B, e- C# N( d) p- ]
答,后一个问题,Batchelor究竟是怎么回答的,是威逼利诱,还是晓之以理动之以情说服
# @, j5 O  {. c" E, T4 w4 x/ w( s的,大家一直为这个问题争论了几十年。总之,最后两人都去了英国。见了Taylor呢,两  r" A8 {* j2 F
人都失望了,原来Taylor已经不搞湍流了,全力搞什么水下爆炸之类的跟军事有关的课题& E# G/ A) K) u; I
(估计这个来钱)。好在大师就是大师,让这两个年轻人自编自导自己去折腾,在旁边指
& Y/ Y  I+ }! ~4 F# Q* q- w5 h导指导。最后两人都成为大师。Batchelor的这个小兄弟究竟是谁呢?呵呵,就是大名鼎鼎
4 x7 H: z: J# O$ ^  v, N的AA Townsend。这个故事再次说明跟好一个老大是多么重要亚。
- J. M/ f' ?/ O+ ^+ {Batchelor曾经一度以为可以在他手上终结湍流问题。所以那段时间,在湍流研究上特别努7 b4 _) |8 [9 s8 u
力,结果当然是大失所望。Batchelor被湍流折磨得心力憔悴,50年代后期以后逐渐把精力
# H* I7 x% S( b8 {从科研转移到了写书,创办应用数学力学系和JFM杂志上来。前面文章说了,为了多活几年" z5 Q7 O: j7 r2 H, s
不要搞湍流,这个故事则告诉我们,为了不郁闷,生活充满阳光,也不要搞湍流。另一个3 H$ E  M6 f9 V( Y! L* R; D
被湍流折磨死掉的大牛就是量子力学里面的Heisenberg。年轻的时候,靠着他的天才禀赋
% X! r: F, E; b9 I6 i,胡乱猜了一个湍流解获得了博士学位,后半生被湍流研究折磨而死,临终时候都念念不3 D, t+ `" N! w
忘。用《大话西游》里面的话来说应该是怎么来着?我猜中了这个开头,可是却猜不到这
5 z) h# h4 F" n) B; {: e个结局。. V. u+ S3 H0 }9 H* f  e
( e! F5 V/ W, Z' u* j
(6) Von Neumann的故事 * _1 w" R: `: P" m8 Q9 `
Von Neumann是天才里面的天才。据说他6岁能心算8位数除法,8岁时已掌握了微积分,12
1 C3 ~# X! a0 m" z0 q岁时能读波莱尔的著作《函数论》……。有一次,冯·诺伊曼对他的朋友说:\"我能背诵
: e; K1 Q& ~& q% e; G8 b* i《双城记》\"。人家就挑了几章作试验,果然他-一背诵如流。他对于圆周率π的小数位数5 u4 A5 d( d$ k
,自然对数的底e的数值以及多位数的平方数和立方数……四十年代的时候,Von Neumann& E. B( n: K8 d# J" i9 N! i6 c
在曼哈顿计划里面主要负责数值计算工作,他的另外两个同事就是费米和费曼。牛人在一
# [* w) S( u1 R; e7 k起当然就喜欢比一比。需要做一个复杂的数值计算时,他们三人立即一跃而起。费米呢,
$ z% t$ [$ h; }9 W  \上了点年纪,就拉计算尺计算,费曼呢,年轻人喜欢接受新事物,就用台式计算机,而冯+ \( R1 j8 ?. i9 p3 t2 D
·诺伊曼啥都不用,总是用心算。可是冯·诺伊曼往往第一个先算出来,当然这三位杰出. g! U' k% r4 i& `% J: K0 x' L: [
学者所得出的最后答数总是非常接近的。(好啦,好啦,俺实在不愿继续写他的非凡事迹
( C- N( k" o* Z0 J$ L& f+ F+ Y了,越写越自卑,越写越郁闷。) , ^- i1 `) R6 Z6 u. T' G/ p
也就是在这段时间,Von Neumann提出了CFD上面非常有名的Neumann稳定性分析。这个现在
2 j1 y5 _* ?4 L本科生都晓得的东西,在当时被美国军方列为高度军事机密,这一保密就是十年。俺每次$ n7 V0 T, C9 c
读到这段的时候,常常想起哈里森.福特的《夺宝奇兵》的最后一个镜头。【说到这里,顺5 t* _# G& n: b; |! F# H. @4 z6 n
便扯远一点,很多人,包括数学系人都认为Neumann稳定性分析为无条件稳定的格式,就意
1 ?8 W% `8 [/ c味着计算时间步长选取是不受限制的,这个认识是不正确的。Neumann稳定只保证格式的对
. w1 w2 x. F9 C: V幅度是保真的,但是并不保证是保相位的,相位的误差的累积也足以把一个结果改得面目% `8 ~0 q6 w1 W) E' r1 w$ c
全非】
* c2 Y6 C: w+ A1 S5 k2 j前面讲过了一个让同事不爽的天才,而Von Neumann则属于让lp不爽的天才。某天lp让他上3 k+ B6 h9 b- F! i8 K; y( r4 d
班途中顺便仍包垃圾,结果中午回来的时候,他又把垃圾带回来了,而他的公文包被他当
% K6 N4 v% X, x+ p垃圾扔了。另外一次,lp回来后,Von Neumann问她,我的水杯在那里呢,我找了一下午都; \, H" s1 V) i! p  x. j6 x8 ?
没有找到。Lp大叫,天啦,我们在这个房子里面生活了十五年!天才的才气往往同寿命成; A9 e5 E5 ]  ~* `! n. P
反比,Von Neumann也不例外,刚过50多点点就去世了。应了俺本科上铺曾经爱说得一句话) X  Z3 T, ?0 w4 p0 s) V
,天才是两头燃烧的蜡烛,明亮,但不会长久。
& P* q( i7 e1 T9 b# T. Q: P7 ]; I( @/ p" [
(7) Kuchemann的故事 7 S# U! X5 R8 g
今天要讲的是关于Kuchemann的故事。一看这名字就知道是德国人,1930年19岁的他进入了
& a0 C) e8 f+ o当时世界上最NB的大学Goettingen大学。起初他不是学流体的,而是理论物理的,他的导
3 s; r5 S: d8 I: M师就大牛M. Born。如果希特勒不上台,也许他会沿着理论物理学的道路走下去。然而193
* R2 X% K, H4 k+ P, w3 P! g. S3年希特勒上台,推行歧视犹太人政策改变了这一切,Goettingen大学里面同犹太人沾亲带9 ~5 |5 |+ K, i: f3 l5 `
故的人纷纷远走他乡,这也包括了Born。为此Kuchemann郁闷坏了,因为他找不到一个他看
+ S4 |% [5 e/ ~( n4 \, o得上眼的大师级的导师。于是他翻开 G大的研究生招生手册,翻来翻去,终于找到了一个$ O# e( B5 z# F
没有走的大牛——近代流体力学大师Prandtl。于是他就拜Prandtl为师,改学空气动力学; V+ v. j% S- B5 a
起来。在Prandtl和Tollmien(发现T-S波的那个大牛)的指导下,25岁就获得了博士学位
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$ N) e1 _2 P# ]" y; O( u欧一直怀疑Kuchemann是个种族主义者,即使不是,也肯定是欧洲至上主义者。这家伙特别% }! U. P2 g( x5 v/ ?( C' I; c
瞧不起美国这个暴发户。二战后随着美国的崛起和欧洲的衰落,欧洲科学家纷纷踏上移民& w6 b" q% M6 I
美国的之路,美国屡次三番的邀请他去,他就是不去,他说他是欧洲人,他要呆在欧洲,! e3 B8 A5 H5 J1 A: N
于是他宁可去了英国,也不去美国。他在英国一直呆到1976年去世。
( l# b$ ?" r. M# s& U他老人家最大的贡献是两个,一个是实用的脱体涡流型,在他之前人们都认为机翼只能采
' |0 w9 ^$ e* w' t  z- x& y用附着流型,涡分离是必须避免的。有了他的理论,现在高速飞行很常用的前缘三维分离
- n# n7 f3 O5 D( j& {* i涡产生涡升力的细长机翼才得以实现(可笑的是,中国的气动教科书直到现在还在以附着
& x) O6 Y5 C* o/ G  r# t流型为例,用白努力方程给学生解释升力产生的原因)。他的第二个重大贡献就是压缩波
/ j4 M! j; k# `) C产生升力的高超声速流型,也就是现在称为乘波体的飞行器。可惜在他有生之年没有能够5 e- j. d2 V  B0 E" m5 A- Q
看到这个流型的应用。直到今年3月27日,美国采用他的乘波体方案以超燃冲压发动机为动1 E5 H+ [2 V4 b/ J0 P
力的的X-43A飞行成功,实现了7马赫数的w稳定飞行,一举打破了SR71在40年前创下的3.
9 {1 H! t/ o9 [3 M3马赫的飞行记录。  ?2 [" @5 G1 i5 ]0 r1 p
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他老人家还说过一句,让所有从事CFD工作的人们需要永远永远铭记的话:Z每一种具体的/ B, u& B7 F$ O& n! s
理论或数值方法都是暂时的,而对流动本质的理解却是永恒的。
作者: leftwall    时间: 2010-4-3 13:39
对这方面不了解,但喜欢听故事
作者: 深海电鳐    时间: 2010-4-3 18:23
阿拉佩服几种人,首推玩流动的,一般是数学天才,3 m: x' `9 M" z( x1 x; ]
有能力,当然无须他人认可
作者: 童工    时间: 2010-4-3 21:17
先mark,慢慢看" z. f* K) |0 K! C* f
欠缺了点机械大牛传奇事迹的熏陶啊。整天就是什么三枪,刺陵之流……
作者: 7forever    时间: 2010-4-3 21:57
深深感动   都是牛人啊
. N/ ~4 D! X8 t+ Z  S9 T怎么中国没有呢
作者: 螺旋线    时间: 2010-4-5 16:07
这都是神造的完美品种。无法复制。
作者: 草鱼    时间: 2010-4-5 18:43
神话中的人物,感觉很遥远!!哈哈哈哈




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