东汉末年,时代动荡不安,从黄巾起义开始,各地豪强纷纷揭竿而起,一时间诸侯割据,互相攻伐兼并,一度形成了魏、蜀、吴三足鼎立之势。反观流体力学,自1845年N-S方程问世以后,流体江湖的大佬不断涌现,雷诺率先将N-S方程中的速度拆解成时均项和脉动项,吸引了无数的追随者,从而开启了流体力学百年的RANS时代。
近四十年来,以RANS为基础的有限体积法羽翼逐渐丰满,在与有限差分、有限元等数值方法的割据混战中逐渐胜出,并成为CFD江湖中最强大的势力。
尽管有众多学术大佬的背书和站台,可是追求实用的工程界对于早期的CFD软件完全不买账。毕竟工程界的要求与学术研究完全不同,“简单、好用、稳定、算得准”才是一个好的工具。
机会在20世纪90年代逐渐来临,那段时间的全球科技仿佛开了挂一般,传统工业和计算机硬件发生了天翻地覆的变化,而许多CFD软件也在数学方法和物理模型上取得了长足的进步。硬件方面的进步使得工业界的用户开始尝试使用高性能计算集群(HPC);而另外一方面,基于非结构化网格的有限体积法、多重网格法以及滑移网格等适用于复杂几何计算的数值方法开始进入大众的视野。
CFD方法和工业应用的结合越来越紧密,已经深度融入许多产品的设计流程中。然而传统的CFD是基于场域的有限体积法,需要用户先根据计算场景将计算域抽取出来,再划分流场的网格。当模型复杂的时候,用户便不得不简化许多模型的几何细节。通常情况下,一辆整车的外流场网格需要一名熟练的建模工程师花费2-3周的时间才能完成,劳心又劳力。
另外,流动本质上是瞬态的,而传统CFD基于雷诺平均的N-S方程,从源头上就忽略了对非定常湍流信息的模拟,转而寻求平均意义下的流动结果,因此RANS方法面对强瞬态的问题时便显得捉襟见肘。
1940年代,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的斯坦尼斯拉夫·乌拉姆和冯·诺依曼提出了元胞自动机的概念,随后在流体力学领域催生了格子气自动机(LGA),这也是格子波尔兹曼方法(LBM)最早的雏形。
随后,又有学者从分子混沌的假设出发,用玻尔兹曼输运方程代替了LGA的演化方程,叩开了格子波尔兹曼方法的大门。实际上,起源于元胞自动机的LBM在正统的统计物理范畴下,也有着清晰的脉络。19世纪中期,气体动理论的主要奠基人克劳修斯、麦克斯韦和玻尔兹曼三人引进了统计概念,将宏观理论和微观基础联系了起来。
1902年,Gibbs把麦克斯韦和玻尔兹曼所创立的统计方法发展为系综理论,使原来仅适用于气体的理论,推广到气体、液体和固体,并发展为今天的统计力学。
最近十几年,有一类标准的拉格朗日方法从不同行业渗透到了传统工业界,它们之前在天体物理、电影特效等领域发挥着重要的作用。这一类软件的主要特点就是无需画网格,直接利用粒子代替流体,求解流场的运动。
其中最有名的便是光滑粒子法(SPH),SPH是一种纯拉格朗日的无网格粒子计算方法。最早由Gingold、Monaghan和Lucy于1977年提出,用于模拟三维空间的天体问题,之后被逐渐引入到工程应用领域。SPH方法用一系列粒子表示整个流场,流场中某一点的属性通过相邻区域的属性来描述,而它们两者之间的关系通过核函数建立。
因此,SPH在具体计算过程中一般分两步,第一步是“核函数逼近”,将描述流场的函数近似表达为任意函数和核函数乘积的积分;第二步是“粒子逼近”,通过一系列粒子将流场离散化。
CFD市场犹如滚滚东逝的长江之水绵延不绝,而基于N-S方程的有限体积法依然是当仁不让的大哥。可是面对越来越复杂的工程问题,老大哥也不免露出了疲态,而天然瞬态的LBM和粒子法带给了人们全新的视野,于是不同的物理方法凭借着各自的技术优势,在CFD的江湖大显神通,演绎着“三国演义”般的历史大戏。相信随着技术的不断革新,不同的物理方法也会不断地进步,补足各自的短板,甚至相互融合,共同助力全新的工业革命。