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计算流体动力学那点事ZZ

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发表于 2010-4-3 09:39:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
(1) Jameson的故事 " x/ e" A* R# z  p( o
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
4 `# i% B* t. k: y9 F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' p, R) W. a5 n$ v) {2 s
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7 `$ O2 `, F% U$ l" A
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; W, m  d% E: }4 s- ^
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
# n' O' h2 @( [# X9 P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
1 ]9 J5 m* V4 O7 m( w$ {* Z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
5 ~3 |  K6 }& D1 t+ T, P/ q8 g' v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  B: h# W9 A0 F: I& n2 v8 u
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
! g) I% _  B3 }0 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
7 m: d) o" D& N* 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
7 f) i) e: b5 V+ M9 ^* H+ K界第一大牛人的地位。
1 t/ e' W, l* a' Z6 X5 g9 d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 A; s# P" Z$ z+ 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
' s$ @  U* m8 v/ a7 ]2 c- q+ \# Y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
  z% z, w3 g3 b2 X+ l& }3 T, R$ A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
% {; u! J5 _6 U5 }! l3 L, l' C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。
& d; w  v# f0 y1 VJameson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( K! h# a4 W( g' g
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' H# m& W: d5 b% l1 u; U! X* n
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
" j" |* E+ z. T$ }2 I! kord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( P4 y4 D( A. _  ^$ x' |- l% D/ T) d
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,不要去搞什5 u2 H. b  @- K$ ?: ~$ C
么湍流。( Q. e) Y$ k5 D8 ?- k
(2) Steven A. Orszag的故事
  Y; e3 r8 G9 K( W) {! NSteven 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/ \) @: `0 Q# b4 l6 X7 O9 M
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
: a6 U% I+ [  ]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。
0 k3 L2 P, N2 o+ X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
9 A5 E. y# V' e于来了。$ t3 a  t7 K7 s) t8 W

8 W. z6 K. C# K4 G3 j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
( [  w2 V. N; z5 [3 i6 |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$ v( ^2 u) _( Z8 d2 w
?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8 n' Z% s5 n. c3 \! C1 A
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
! m3 e/ `. U- C; g1 U% x1 J9 k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
, i* I, F, f1 p: g, |& N, j" a。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,6 P0 [% R( V8 S
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,
+ R. j  `4 H9 N  w- h+ f办份杂志,自己当主编,自己出版,看谁说闲话。1986年,《Journal of Scientific Co
. j: o3 z+ b: t2 B4 ^8 Wmputing》终于开张了。第一篇文章就是“Renormalization Group nalysis of Turbulen
0 _: Y' z, Q8 U; kce: 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8 b* X$ J: S- u
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! b% O. ]2 v6 f. Z
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
: s, o  ]" N' u+ b1 c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
, T9 k! Q# U, L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4 |  a9 o! y" L
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?
# e6 [5 k% [1 Z/ b" P4 f- K$ E& ~0 J+ E+ R" j
(3) Godunov的故事 ' j- A; z* @0 c% \  ^- b+ B
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
; n+ ^' M/ q7 Y! D- \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
2 C: K  ?8 O) s% s, y8 _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5 J; [: C! o' l$ d! i, {
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( y; Z! T* I9 L0 R
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
  l4 p* h6 _3 Y( X% Y8 c9 U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: a, s/ S( p  q: V# s
列也无所谓了)。 & Q1 j3 J3 V, F
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
3 k5 k- Z3 D1 v5 ?+ d( i; M( \6 V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
& ~5 _) z4 M$ s* l+ @, hics,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
( A/ D  f1 t5 I. u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: U, K! v: `9 o$ M4 u
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/ m9 g) Z- }$ B* a
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2 E8 d+ L) C/ c, t$ y( Q
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
0 w+ t0 F0 C! Z9 J; P0 y 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7 j5 j# H, Z: m2 m2 R4 \
有Godunov格式了。(If I would have read Lax’s paper a year earlier, “Godunov
" S. ~3 G4 Y+ T0 H1 ^, F’s Scheme” would never have been created.)这么重大的贡献得发文章让大家都晓得
  h1 [! s+ ^0 T; J2 b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 Mech9 ~! a  C  a5 ^+ P/ k
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
; s+ }6 H8 n( d6 y4 z+ S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0 [: n! y1 f) b4 x0 h
,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
! e" E! a7 c# w" ?- C+ q' h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
7 ~" V2 x9 c& h,老大只好找后门,托他的老板Petrovskii了,正好老板是Mathematicheskii Sbornik杂& A6 }. k: X, c3 Q  O4 F. z
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。 1 g- i/ t: H0 f+ L
(4) Van Leer的故事
% E4 D$ A, `% Q' f* |( lVan 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,% `0 u. E9 G# z, z; F
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
& W3 w3 V( K9 G5 ]) o。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
9 r4 `. f, }0 `, R5 L% H; a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 f5 Y7 F+ v" c; ^5 D. I# w
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
8 Z$ M7 S+ _2 F' D& W. D+ X8 G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$ k% b! L! G$ |7 z
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
$ [1 {# n. v6 d9 l。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7 x' `  f% f& j% O, {: N" n
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7 ~% z1 X, b2 d. T; ]3 M
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。
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 楼主| 发表于 2010-4-3 09:42:47 | 显示全部楼层
(5) Batchelor的故事 ) W' m( P& u* g, f& V
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" N8 ~# L( Z, n
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,& b3 d& ]8 ?: [
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0 ]* c% S" L" |% g' O+ I5 n4 h! K3 J
就给Taylor写信,想做他的research student。Taylor很快同意了。Batchelor是一个很跋# u+ J- B3 S3 X% u6 H2 W
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, D2 Z/ T3 Z- C# |7 p* F/ |
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,大学学的是跟湍流八1 {  }' r# s' \
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,  [+ |* H8 m3 c" h: b
“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& [! e. T  e3 {! w. I2 R( 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
4 Y$ v: p9 A; T+ i' y4 J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
% k5 v  E" [9 \) {! |8 `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" u- P6 Z) }7 `8 c% N
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
' B6 o/ n  f  b; \3 Z/ h1 d) C(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8 P; b  T$ `* j# C# _% K6 J
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" F$ ~3 J: s9 {5 P( o! O
的AA Townsend。这个故事再次说明跟好一个老大是多么重要亚。! L) T8 O; P& k
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* x  ^7 N8 j' V3 b3 @7 e
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9 i, N7 }% t- A9 a+ Y
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
& i$ x/ k% B6 }5 B% e6 o: a) b4 W2 m! e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: k; P* t) V6 N
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
9 V8 X8 C) [! H( w2 C! n! X8 h,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
2 L. v8 w& G( q+ _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2 B$ c. ^4 X, E2 Z1 {$ S# _% ^
个结局。: F- H( e) ?; O2 E& D
# Y8 t: N! s; X0 k" M8 T0 K
(6) Von Neumann的故事 % d4 G  R0 Z- x. G' d9 x
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% \+ P1 t* w7 K' O" R5 a
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
! I7 Y0 s/ J4 T9 i# ?, j5 M《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+ o" _6 c! y5 P" ~1 s" o
,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 Neumann1 R8 F1 ?. H1 ~5 b# p' i2 h( k
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
( `% r6 @0 u' H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,* y$ q6 E) d7 {9 K0 B
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# C- i# Z' d2 E1 g' O/ K; U) 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0 z. w+ ^3 y, F1 Q2 S6 R  P
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
/ f# {9 L& k9 U" y5 F7 Y9 F# A% J3 w了,越写越自卑,越写越郁闷。) - O- a! T2 T2 v# B2 u1 i9 l0 D
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 D* ]5 t! c+ o7 u: i5 ^7 L2 L/ e( Y
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
  |+ C9 @# o- ^  _; A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
3 K8 j5 x: X: j" E6 P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% r0 `: z5 H) h2 x# h* o
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) s9 \. A0 Z7 m9 }0 O& [+ t% Q
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( I% O& K& ~8 E% R
全非】
5 E7 g) ^* e" E5 }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! w& l6 Y  D2 c; r2 i5 r' [
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
4 S. s6 k. {1 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
% p. z/ F( [% P! r, Q, [: Y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
9 w3 f2 x. U0 n3 |/ T* z% W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5 y# Q- {3 m1 {2 t
,天才是两头燃烧的蜡烛,明亮,但不会长久。 & f9 N5 _- [% }! C" z
9 |! P+ j: ?, _5 O
(7) Kuchemann的故事
( k, x! O! |# [: P, q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6 y: S) z" W! T2 v8 u
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
  @' d& r2 ], J3 w0 R: U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# ?) W3 Y. Z7 E+ I) E7 B% g" }1 x
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5 v7 T; m& b* @% U; Q
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4 l3 |6 d% b( q3 I3 f; B
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
6 i. \* V) n8 y$ I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. o/ \7 S- s% p
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
$ M/ p. e2 R, h. y* I$ i; {3 N
$ Q# J8 _& \0 z+ L) R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7 z# [8 s! D. _( D$ Z
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# h4 J! L8 T  G- W- \- ~
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,
! J( o" S$ s! F( \. y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。
* S% i" W6 k: c8 J  b# q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  h+ R5 p5 R: X& E: i
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: V/ Y# R6 ^) A' k5 E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/ @# B8 ]+ |+ L' b/ O
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
# g: k+ s, h( ~0 o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" n6 Q5 v, c# _# h8 l5 y: I& z$ r
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- T9 ^3 s% v% L" A
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 C1 N+ o7 ~1 J% m. F) \7 Z
3马赫的飞行记录。$ u8 B3 o+ |- d# I" n: }. c3 d

4 u- U* Q$ h, @0 Q/ F" k5 e1 U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
+ U+ Q$ k( W& U" d$ e* R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。
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发表于 2010-4-3 13:39:44 | 显示全部楼层
对这方面不了解,但喜欢听故事
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发表于 2010-4-3 18:23:44 | 显示全部楼层
阿拉佩服几种人,首推玩流动的,一般是数学天才,
, D  l- e$ x. f$ z有能力,当然无须他人认可
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发表于 2010-4-3 21:17:28 | 显示全部楼层
先mark,慢慢看2 ]* x7 [9 C, h1 b
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……
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发表于 2010-4-3 21:57:08 | 显示全部楼层
深深感动   都是牛人啊
/ \  x1 x$ P' b怎么中国没有呢
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发表于 2010-4-5 16:07:41 | 显示全部楼层
这都是神造的完美品种。无法复制。
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发表于 2010-4-5 18:43:53 | 显示全部楼层
神话中的人物,感觉很遥远!!哈哈哈哈
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