机械必威体育网址
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
, e6 Q I% Q0 b+ }# J
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
. G8 x" ^1 G: f5 f: h0 Y
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
+ C$ A. p$ N& G4 _' h
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
9 p( D% s( y# P$ J+ z" N2 l& f/ J
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
& _ ?5 s d p' _
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
2 O- v# c+ p/ T3 ^
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
) |" I! f! s* ?
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
9 Q2 q$ n: b1 e# [) r
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
& M1 @: R7 E9 V# J& z7 a9 i8 R
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
$ X" f0 s7 \4 z6 [; H e6 ~4 }
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
5 J5 Z+ P! h3 S: d% y
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
$ S7 b0 i3 k7 s& t$ `. r/ q
界第一大牛人的地位。
( l' I6 n" Q: f( ~9 R
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
2 _$ Y7 M6 Y# t& e3 c% M- K# P
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
0 Z$ Z/ T$ i9 i8 E! l
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
0 N/ [$ a. U% c0 V8 l" D& Y H0 q
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
, v8 [- T& S: j0 a. j% a; q
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。
+ [" A+ l. j& O% e
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
* D8 ^6 A; v5 ]
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
' J& s$ q, H6 n4 O# ?3 q# _
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
$ ^7 V' f( [& ~% b% |) F% G
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
6 K, r8 B* o+ Z/ ?- \
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
: O9 ^" m% ^5 r: n# i
么湍流。
! f+ H ~" f# ^" }3 B1 V
(2) Steven A. Orszag的故事
* b9 a3 {3 N2 u& U
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
9 ~2 L3 M! D: s2 i
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
9 n, x$ N, j4 B+ t$ e$ I E, B
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。
; W" q* Z+ B8 x7 I
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
8 S9 J1 H) K) @: Y5 R$ T4 o3 X
于来了。
, O# q- B1 e; r0 L5 v& X% r5 K
+ Z7 s; v) a$ c c" `/ [" K$ B
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
3 g M: N+ r9 |+ K6 u
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
2 v8 N6 V9 R( 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
% l S! C* W( U- B8 L, u2 l0 x
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
3 U; N8 [4 C4 ?$ s
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
% F. [2 e+ t C
。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,
- y+ F* y- }! C$ C/ Z
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,
0 H2 R+ x* D# @
办份杂志,自己当主编,自己出版,看谁说闲话。1986年,《Journal of Scientific Co
5 r! ?+ h+ I; R5 v! v" y4 c Q1 G7 g% P
mputing》终于开张了。第一篇文章就是“Renormalization Group nalysis of Turbulen
9 z- s8 J( q9 s/ ~, q2 l# L8 \
ce: 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
, g0 n: e0 t6 K: G8 Y; n
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
/ \' u7 ]2 Y/ j0 H
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
& P: ?( R' D# R/ q4 [
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
* J1 f, \; y' ~/ \/ U. i
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
2 v7 V! `: [" |* U
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?
) e2 _7 q- M( S5 A, f. W
Z- [2 o. Y6 P3 n" J
(3) Godunov的故事
) K3 }5 U: E2 n
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
- e) K! ]9 M3 Y8 P
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
3 g% ]' J4 k/ S2 `
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
4 \! T+ A7 p+ u! H0 ?9 v
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
' h7 L# c4 p4 m; F) p" E
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
" q+ o s/ F0 e2 ?) v
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
6 ?% p; Q5 {3 Y) F* q
列也无所谓了)。
2 A: i1 U! y3 w2 D7 ~. P/ _
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
9 [1 C' O8 n9 G2 i5 ^
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
* E, Y5 C% n2 X- {0 J
ics,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
; q) k% a; u. q4 ]- t: M: t! I3 c
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
3 Y9 g$ ]) `, |2 h
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
+ F8 q! g% R9 F% y1 s N% G- o
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
% D9 l" g& T+ Q9 t
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
7 u6 L e8 N% F% | _3 w6 L
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
. U% s% G# s+ q- q Z/ ~
有Godunov格式了。(If I would have read Lax’s paper a year earlier, “Godunov
0 w: K6 A- p8 \- Q: J/ E
’s Scheme” would never have been created.)这么重大的贡献得发文章让大家都晓得
* L9 J4 s+ S9 y$ \6 u
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 Mech
. Z% b. H" Z* Q0 ~4 T1 r* X! B! I7 O
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
# d* ^( j, t# _
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
* X! B! P2 n+ T2 B
,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
W, s7 ]6 l; A' S
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
0 a- R0 Y5 F8 i( U& O# o' R
,老大只好找后门,托他的老板Petrovskii了,正好老板是Mathematicheskii Sbornik杂
4 Y1 S0 @' a+ m( H5 ?8 _; P3 e R# V- V% ]
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。
6 c1 \( s1 z( J: ^ A, J& D3 q
(4) Van Leer的故事
8 u6 K8 W8 G' z- u( _2 q5 n1 x2 g7 x3 L
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,
- C( f# z% B7 e! m6 @4 [
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Roe
# b8 n* h& S5 x) Z3 w
。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
! a4 Z4 c% I& ^! R/ F) O
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
5 q5 O- C0 Q7 }
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
9 ~7 a% f4 j9 b2 c! g9 O" E2 V' Y# G4 P
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
; S) u% E E# }, \6 i
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
t+ ~. l7 r' l: n4 n) y
。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
1 b* u. a8 y! b5 }% Y
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
* J( k) E6 [# \' X( V
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
8 }. @2 N- Y9 y) o) Q! R
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
* V/ t8 {: S7 \! ~
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,
# T/ h, Y6 D4 c
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
: ?% W8 ?; G G' M' E
就给Taylor写信,想做他的research student。Taylor很快同意了。Batchelor是一个很跋
* l- q0 |$ O; t3 \' S# I$ C
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
9 h: \; n( q1 F/ ]& I; [2 _! L
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
2 P o9 k7 I5 K. X. k9 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,
3 _0 z4 I, K! T4 u' _
“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
5 b5 {* w+ V, U
。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
( O+ I! J: ?4 z& P0 t/ M& Z
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
9 i O7 p3 G s3 m; Z P3 e- ?2 \
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
H. b& J1 K) f. @* i* `7 `
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
4 d8 f! K" @( Y/ f+ j
(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
$ `3 I( S& X5 B3 E) l0 V
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
1 m7 O }) E5 m9 d4 U! T
的AA Townsend。这个故事再次说明跟好一个老大是多么重要亚。
1 x9 T" |' ?) f* w, t' e6 l
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
/ I8 D2 |; q& E3 M& H
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
! U: S: n4 Y9 \9 ^
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
4 o) O1 [ _. }5 X ^) O
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
0 c% |3 A/ h! J0 |
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
% L5 B/ z1 K* X% i& r6 A
,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
, |, i0 H6 |* B/ I
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
/ \ i( b }2 e v0 Z8 f7 D
个结局。
, g8 R( k/ u$ T; R. x% E
1 L7 f( U: V$ F: E _( H7 i. S& O
(6) Von Neumann的故事
& g- N5 v* R# ~6 W: D
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
. _, C4 Q3 a- n1 r0 b) K% m8 @) U
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
0 O) ^! q( Y" w; v/ {
《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
e2 k/ K+ R( e$ X+ C1 s0 w
,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
6 _/ ~ g6 D0 @( A) D
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
; T" D6 c7 R- A5 e
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,
: J) x+ S# u8 H/ I3 @- y
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
" d0 u7 g: b. J5 e, |: p7 w
·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
. w6 m* I; e4 k" j* k$ z* N+ u
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
- X4 ]" Q8 V, O Q
了,越写越自卑,越写越郁闷。)
- V8 R( G' L9 z! F3 v
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
4 e* n( Y4 d _6 h m. @, N/ S
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
) R2 I# o) R" [* D* p
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
$ q: L" T/ x4 A9 M1 A$ G f9 Z7 x2 V, y
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
6 i6 y$ `5 V- M* P q# w
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
1 Z' |- ~$ O Q( i7 z' C& [% N) W$ g$ |
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
: P. K6 f; h; c7 w& x7 x0 e
全非】
$ }$ h- g$ v# C' u$ p, N
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
6 ^+ Q( d a- O* z+ N! j! P
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
) _% t- k! i; ?" d; A
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
- f L/ E( S# g9 L% g* X% @ x
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
5 m! l' _, Y( e6 y" W- L
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
7 y T$ Z5 [% h; J$ M! B4 M; T7 n* {2 p
,天才是两头燃烧的蜡烛,明亮,但不会长久。
+ ~9 f1 q( V5 u6 y5 \" W6 E$ n7 u
2 b9 X2 }. R. c0 m
(7) Kuchemann的故事
/ x7 \9 z7 L% x
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
0 C! r$ ?( u( M/ v$ [6 t/ `
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
* v' a1 ~2 g2 N/ E6 Q3 W' j8 A! r9 j
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
$ w) X7 f3 k, x- ~- m
3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
' D8 L9 h" L3 i2 d+ D1 v$ M3 _
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
2 Z3 r& B# f. H
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
8 A6 C x1 ?5 r- [- q
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
! B: h- o* M5 F4 ~& |
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
4 D' {+ A M- g
。
. `' w" ^& m$ e% N1 a
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
0 m1 g0 }0 F/ i" q6 T
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
) b5 U* M) l9 N) y+ w+ l( 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,
" M c' T0 [% x, e
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。
# x l4 f+ {7 ?: l
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
4 {+ L3 S3 q2 m; Z2 K" r2 {
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
8 d4 ^. w" ]" r# [ 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
( z5 @5 J4 R5 B( P3 W& [, Y
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
9 R5 ^$ U6 M z- z' F
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
, h) ], o8 V* N1 \; n8 G$ U4 s0 W3 s
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
+ j; X6 o* B- V6 B
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.
* v4 T* @+ y* h M/ X8 w: ^
3马赫的飞行记录。
- L: }: m6 D0 d# ? b/ H5 o2 X
$ U- [2 N4 O( m+ r9 H3 o
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
. ?& [1 B$ y* e3 \
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,
4 ]# o8 [& S- c" F( s4 Y* q+ ?- d
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
& S6 c! p0 `; w _% b- n2 K& i2 j
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
( s, J( y5 C& F# J" U3 w3 G
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
欢迎光临 机械必威体育网址 (//www.szfco.com/)
Powered by Discuz! X3.4