商业 CFD 的三次浪潮 最近几年，人们发表了许多关于流体仿真史的论文。许多早期的CFD先驱（例如 Brian Spalding、David Tatchell、Ferit Boysan 和 Michael Engelman）分别通过访谈或撰文等形式回忆了过去难忘的岁月。诸多历史资料、技术信息和个人回忆对工程仿真软件发展历程的描述都非常一致，即从最初的学术研究代码到我们今天所了解的现代CFD产品，多家跨国软件企业公司以工业规模参与了其中的开发和支持活动。CFD的发展与计算硬件性能的不断提升紧密相连，早期阶段主要是用于航天和国防领域的项目研发，后来才越来越多地用于民用行业。回顾过去， CFD软件在工业应用中的发展可以分为三大阶段：· 第一次浪潮：商业CFD软件起步于上世纪70-80年代。 · 第二次浪潮：上世纪90年代，CFD开始进入大型工业企业的研发部门。 · 第三次浪潮：千禧年之后，CFD已成为企业产品开发流程不可或缺的部分。 Hanna 和 Parry (2011) 等人对这一主题进行过精彩概述，并提供了详尽的书目。Runchal（2008年）和 Tatchell（2009年）也对此发表过生动有趣的目击报告。 图1 上世纪 80 年代的流体仿真 (Hanna & Parry, 2011) 第一次浪潮：商业CFD软件的起步 在第一阶段中，CFD软件工程师们编写的代码实际上源于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 (Los Alamos National Laboratory) T-3 流体动力学研究小组从1958年起一直开展的工作，以及伦敦帝国理工学院 (Imperial College London) D. B. Spalding 教授于上世纪60-70年代领导的研究活动。 上世纪60年代末，由D. B. Spalding 教授创建的CHAM (Concentration, Heat and Momentum Ltd.) 公司（原址位于伦敦帝国理工学院）开始对外提供咨询服务。1974年，CHAM公司搬到了伦敦附近新莫尔登的新办公室，从此开启了商业CFD软件的时代。最初，CHAM的核心经营活动就是为客户开发定制的CFD代码，后来发现，这项工作不仅耗时费力，而且效率极低，因此公司决定开发通用CFD软件包用于内部咨询工作，并于1981年将其作为商用产品推向市场，取名为 PHOENICS。这标志着CFD软件产业的正式诞生 (CHAM Ltd, 2008)。其他公司迅速跟进，纷纷仿效。美国Fluid Dynamics International 公司于1982年推出了基于有限元的CFD软件包FIDAP，而美国Creare.Inc 则于1983年发布了采用有限容积法的CFD代码 Fluent。1980年，C. W. Hirt 博士通过洛斯阿拉莫斯国家实验室资产重组成立了美国Flow Science 公司，并于1985年发布了Flow-3D。此后市场出现了更多CFD软件包，其中包括英国哈威尔原子能研究中心于1987年推出的 Flow3D 和加拿大Applied Scientific Computing 公司于1989年发布的 TASCflow（这两款软件现在已整合成为ANSYS CFX。伦敦帝国理工学院另一位教授David Gosman 与他人共同创办了 Computational Dynamics/ADAPCO（英国/美国），并于1989年发布了StarCD。 上世纪90年代初，工作站制造商硅谷图形 (Silicon Graphics) 公司在其软件目录上列出了多达18种与其硬件产品兼容的商业CFD软件包，争夺当时市值3000万美元的CFD市场 (Boysan et al., 2009)。这些CFD软件包所依据的基本技术大部分来自上述两家科研机构（伦敦和洛斯阿拉莫斯）的前雇员或客座科学家的研究成果或其发表的科学出版物。不过，CFD技术在其他地方也有所发展：上世纪80年代，前苏联在其军用和民用航空航天项目中采用了另一种CFD仿真方法，但鉴于当时的世界政治格局，这一方法很大程度上未能引起西方科学界的注意。前苏联CFD仿真的技术任务与西方非常相似，不过与西方相比，他们的解决方案可用的计算资源受到了更多局限。虽然如此，由于这些研究项目具有很高的政治优先度，前苏联进行了大量的流体流动和热传递（尤其是近壁区）实验，记录了非常丰富的实验数据。这种情况让CFD的替代方法得以蓬勃发展。这些方法的共同基础就是众所周知的发表在西方科学出版物上的笛卡尔网格法，也是数值、分析和经验数据相结合的产物。这种创新方法在几乎任何复杂的计算域产生了高质量的仿真结果，同时又保持了较低的资源需求以及笛卡尔网格法的有效性。上世纪80年代末，前苏联开始逐步实行经济自由化，多个科学家团队也将这种CFD技术推向了商业化，并于90年代初期在欧洲和亚洲出售他们的产品和服务。这类产品中最知名的当数V. N. Gavriliouk 教授及其团队推出的 Aeroshape-3D (Petrowa, 1998 & Alyamovskiy, 2008)，以及 A. A. Aksenov博士及其团队推出的FlowVision (Aksenov et al.2003)。 图2 Aeroshape-3D 的结果图 (Parry et al., 2012) 以现在的标准看来，CFD软件在第一阶段的发展特征是用于数据输入的用户界面过于原始，图形过于简单，计算资源非常有限，尤其是可用内存太小，严重制约了模型尺寸的扩大。这些局限导致了在几何和物理建模方面对用户的要求非常高，因为真实的任何必须先进行分析和简化，然后再输入软件，整个过程既耗时又费力。由于对物理模型的选择和配置存在极大的不确定性，且输入数据时出错的可能性非常高，所以对仿真结果进行综合评估和测试成为工作流程中的常规步骤。这些操作不仅需要广泛的数值技巧，而且需要深入了解物理模型的基本原理和局限，以及这些局限对CFD模型的可能影响。因此，当时CFD技术的用户几乎全是科学家或经过科学训练的工程师，他们必须借助实验性研究对差不多每个仿真结果进行部分或全面验证。不过，这一时期的另一个特点是，由于CFD仿真技术在工业项目中的应用经验有限以及CFD软件市场的竞争日益激烈，供应商往往会过分吹嘘其产品在解决工业问题方面的能力。商家的夸大宣传加上最初工业用户对CFD成本与结果质量的褒贬不一，让CFD仿真获得了“速度太慢、费用太贵、结果太模糊、中看不中用”的名声。这样的坏名声在通用工程界持续了二十余年，不过随着CFD软件开发在当前的第三阶段得到了长足发展，CFD仿真成为新一代用户的日常工作，名声问题才有所改善。 从上世纪 90 年代初开始，CFD软件和各种仿真的条件经历了翻天覆地地变化。计算机硬件、数学方法和物理模型等在性能上都取得了长足进步。CPU速度和内存容量迅速增长，价格不断下降，为工业用户带来了全新易得的硬件资源，例如UNIX 工作站和工作站PC，之后，随着价格实惠的工作站集群面市，高性能计算 (HPC)也不再高不可攀。这些硬件方面的新功能自然也促进了软件的繁荣发展。多种适用于复杂几何计算的数值方法（例如非结构有限容积法、多重网格法、滑移网格等）针对HPC进行了优化，同时更加灵活可靠且应用更为广泛的物理模型也可从市场上获得。从此，CFD有了新的应用领域，CFD技术更加贴近实用，并且首次针对实际的工业应用规模提供了非常真实可用的模型尺寸。Hanna 和 Parry (2011) 对这一阶段的发展情况进行了分析，发现在有关计算能力的摩尔定律与CFD仿真模型尺寸（例如用于赛车运动CFD仿真的模型尺寸）之间存在直接相关性。这些新功能预示着商业CFD软件应用迎来了新阶段，即CFD软件全面进入各大企业的产品研发部门。 图3 CFD 的发展离不开硬件的进步 – 采用 I 级方程式赛车描述的 CFD 1990 - 2010 年发展趋势 (Hanna & Parry , 2011) 第二次浪潮：CFD软件进入各大企业的产品研发部门 在销售工业应用领域专用CFD软件方面发挥先驱者作用的是Flomerics 公司，该公司由David Tatchell 和Harvey Rosten 于1988年在英国泰晤士河畔金斯顿成立，采用第一阶段的典型技术，于1989年首次发布了自己的软件包FloTHERM。公司的两位创办人之前都在CHAM 公司担任高级职位，后来离职创办了Flomerics，理想是“为产业科技化做出贡献”(Tatchell, 2009)。FloTHERM 是CFD产业发展过程中的第一次范式转变，它不再关注复杂CFD技术，而是将解决产业中的工程任务作为自己的核心目标。这一转变意味着除科学家之外，从事产品开发的工程师将成为这类CFD软件的主要目标用户群。然而，当时的CFD技术水平、计算机硬件以及操作系统在某种程度上对这种创新方法形成了局限。因此，Flomerics 最初仅专注于两个应用领域：电子散热（产品为FloTHERM）和构建暖通空调系统（产品为FloVENT）。这两个应用领域对工程化CFD软件的要求定义相对明确，更重要的是，切实可行。 图4 FloTHERM 早期版本 (Hanna & Parry, 2011) 这一概念开启了全新的市场机遇，因为它第一次照顾到了一个规模更大且拥有共同行业背景及应用需求的用户群体。也正是在这一时期，众多缺乏数值方法的专业知识、也没有丰富CFD经验的产品开发工程师首次可以得心应手地使用CFD仿真作为其开发工具。对技术工程任务的解决方案成为人们的关注焦点，而其中的CFD技术或多或少只是达到目的的手段。 显而易见，其他CFD提供商也充分意识到了这种范式转变，尤其是由此带来的全新商业机遇，并乘势而上，为客户推出了自己的产品。例如MixSim 是一款针对 Fluent 求解器的搅拌专用界面，于1996年发布，用于对工业搅拌过程进行建模。Fluid Dynamics International 公司携产品Icepak（基于FIDAP求解器）进入电子散热CFD市场，而CD Adapco 公司则针对汽车工业推出了各种专用的工程工具。不少新兴公司，例如Exa Corporation 公司（产品为PowerFlow）和Blue Ridge Numerics 公司（产品为CFdesign），也瞄准市场新机遇并通过专为工业应用设计的全新CFD产品打入了市场。总体而言，市场上所有CFD软件供应商都在投入巨资，倾力打造更好的用户界面、功能强大的求解器以及安全可靠的物理模型，目标就是要确保CFD进入大型工业企业的研发部门，从而吸引新一代CFD用户。 这次以工业应用为目标的第二次CFD软件开发浪潮从上世纪90年代初一直持续到本世纪初，其特征是市场上的计算硬件成本更低且功能更强大，因而催生了多款实用的CFD仿真工具。这一特征反过来刺激了市场（尤其大型企业）对CFD仿真需求的快速增长，进一步促使CFD软件供应商加快了CFD技术大众化普及步伐。然而在同一时间，许多用户带着喜忧参半的复杂心情（这一点可以理解）也注意到了另一个趋势：CFD软件产业通过并购和退市开始进行市场整合。许多老牌的CFD系统变得过时，需要大量研发投资。而对于主要的CFD软件供应商来说，之前惯有的高速增长已经风光不再。大幅增加的开发成本和日益加剧的市场竞争，促使各家公司整合力量，保持企业竞争优势，共同应对未来的挑战。在这一时期，企业并购的基础已经形成，结果导致多家CFD公司最终被拥有数千员工的大型软件公司收购，由这些大型公司占据了CFD软件市场。 图5 上世纪末 FIDAP 软件用户界面 (University of Delaware, 2007) 自本世纪初开始，CFD软件成功地进入大型工业公司并作为常备工具广泛应用于对产品设计、功能、流程和物理效应等进行功能验证和优化，该技术在工程师中的不良名声得到显著改善。数以百计的案例研究表明，只要用户在建模过程中小心谨慎，商业CFD软件配以强大的硬件可以大幅节省研发的时间和成本。因此，CFD仿真的市场需求急剧增长，特别是急需降低物理原型成本的中小型公司，其之前的物理原型往往因为成本太高而不得不外包。尽管如此，对于本世纪初的CFD仿真行业而言，成本仍然是一个非常严重的制约瓶颈，因为相关物理实验的成本居高不下。造成这种情况的主要决定因素是员工成本，特别是与聘用和培训高素质用户相关的成本；其他因素包括，岗位培训后到成为专家前所需的学习曲线相对较长，建模过程极为繁琐（尤其在涉及复杂的几何图形时），软件许可证成本也相对较高。另一个重要方面是用户公司需要将CFD仿真纳入其常规的产品开发流程，而这些公司往往没有专门的仿真部门。也就是说，来自产品研发或设计团队的合格工程师需要自己进行仿真；同时，要让仿真结果对设计方案的改进真正具有指导意义，则必须提高仿真项目的工作效率，让 CFD 仿真结果与产品设计周期保持同步。 图6 CFD 用户金字塔 (Hanna & Parry, 2011) 工业级几何图形处理也发挥了关键作用。当时，这些图形处理结果已经作为三维CAD数据提供，当然，最理想的是尽可能减少这些数据的简化和修改工作即可用于后续的（最好是）全自动网格生成流程。CFD软件市场对上述需求进行了积极响应，推出了许多全新及改进产品，以工业产品设计为目标的第三次CFD软件开发浪潮就这样拉开了大幕，并一直持续至今天。 第三次浪潮：CFD成为产品设计流程的基本要素 CAD和PLM系统的主要供应商在此第三阶段发挥了关键作用。自上世纪90年代起，他们已成功引入了包括CAE在内的产品生命周期管理 (PLM) 概念。结果是，客户不断向商业CFD软件供应商施压，要求遵从这一概念，并采取措施将产品纳入到主要的 PLM 系统中。因此，在本世纪初，几乎所有的CFD软件提供商都升级了系统，至少提供了CAD导入接口。许多提供商开发了与主要CAD/PLM系统的双向链接，少数提供商甚至直接将其CFD技术嵌入了三维CAD系统。 CAD系统制造商对这些开发活动提供了大力支持，目的是通过为外部的专业模块开发商提供支持，就可以在自己的PLM系统框架内为客户提供完整的解决方案。在这一时期，市场上相继出现了Fluent for CATIA (Fluent Inc)、CFdesign (Blue Ridge Numerics) 和 FloWorks (NIKA GmbH) 等产品。同时，人们还开发了可支持上述新要求的新CFD技术，部分是从头研发的，另一部分则是在现有技术基础上改进的。例如，自1999 年起，CD-Adapco一直成功采用一种面向对象的创新方法来进行STAR-CCM+ 研发。德俄合资企业NIKA GmbH（成立于1999年）则是第三次浪潮初期新型商业CFD软件供应商的典型范例。NIKA 以前述Aeroshape-3D技术为基础，独家开发了CAD嵌入式CFD软件，该软件目前已成为多家主流三维CAD系统的专用版本（图7）。 图7 FloEFD for Creo 软件 — Mentor Graphics 公司提供 为应对不断变化的市场条件，Blue Ridge Numerics 公司对自己的CFdesign 软件包进行了调整，从而可作为“前端CFD”系统使用。多家PLM 供应商也通过并购积极参与到CAD集成式CFD软件开发领域，为客户的产品开发流程提供更好的支持，这一细分市场的代表企业包括达索系统集团 (Dassault Systèmes)（产品为SIMULIA Abaqus/CFD）和西门子PLM公司（产品为 NX Advanced Flow 和 Femap Flow Solver）。欧特克 (Autodesk)公司也通过收购Blue Ridge Numerics 的 CFdesign软件，与自己的Algor套件形成互补，从而丰富了旗下CFD软件产品组合。 目前的第三次浪潮还为其他领域的新来者提供了进入CFD市场的商机，而这些企业带来的突破性技术令CFD市场焕然一新。其中一个例子是西班牙Next Limit Technologies 公司的产品XFlow，不仅引入了源自电影行业的另一种CFD技术，还为工程领域带来了更接近动画软件的用户界面。而欧特克的Project Falcon则将游戏元素带进了CFD世界。 图8 XFlow 软件用户界面 — Next Limit Technologies 公司提供 (MSC Software, 2011) 这些例子展示了一个未来可能的新趋势：CFD软件市场将日趋多样化，将更多地采用创新性、非常规的新方法，尤其要提高用户体验和产品可用性等方面。当然，所有这一切都有一个共同点：工业用户始终是关注重点，CFD软件已成为数字原型的必备工具，而其对CFD软件的需求是简便易用、面向任务、自动化、高效可靠和容易购得。而这一切的内在原因是产品开发流程的不断变化以及仿真工程师的角色转换。流程集成、可靠性、建模安全性和可重复性等特性正在成为人们的关注中心，也影响着用户对CFD软件的购买决策。未来围绕着这些需求而进行的CFD软件进一步开发将会为市场带来激动人心的新技术和新产品。因此，全新的第四次浪潮也将指日可待... 对未来的展望 — 愿景 Hanna 和Parry (2011) 对未来展望的描述如下：“在作者看来，CFD的最高目标是实时、按钮式操作、自动化、简单易用、CAD嵌入式、双向、多物理场，这些目标仍有待实现。目前，一些CFD代码已经接近这些理想目标，在未来20年中，诸多因素将帮助我们到达这一理想境界，其中包括计算硬件、算法、物理建模及耦合方面的技术进步等。”不过，这样一个长期目标只能逐步实现，在此过程中仍然存在很多挑战，作者对此也多有观察和了解。当然，这一终极目标可能也需要随着时间推移而不断进行调整，毕竟设计环境也会发展变化，毕竟CFD是需要迭代的！在下文中，我们从今天的视角探讨在实现这一最高目标的过程中可能的几大里程碑。 1. 多物理场 要实现CFD最高目标，一个重要方面就是要更加真实地表现复杂的物理现实，去除今天存在的各种人为“边界”，这些边界是由CFD、计算结构力学、多体动力学、运动学等独立学科采用不同的数值技术发展而形成的。这方面的发展已初见端倪，就是人们通常说的“多物理场”仿真。不过，这种仿真常常意味着将一种仿真结果（例如热分析）的结果作为初始条件或边界条件应用于另一种仿真（例如热机应力）。 部分软件供应商（例如ANSYS和COMSOL等）已将多物理场作为其产品的核心理念并提供了相当广泛的仿真功能。然而，现在多物理场应用的重点仍然是掌握各种元器件的功能并解决这些元器件协同工作所面临的技术挑战，因为每个元器件都可能有其独特的历史和技术背景，从而无法互相兼容。要解决这个问题，可能需要各种软件架构来提供器件协作所需要的基础设施。这些架构可以由多物理场软件供应商进行内部开发，也可以由独立的第三方开发商以中间件形式提供。这方面的一个例子是Fraunhofer MpCCI 架构。 图9 MpCCI Visualizer 软件 — Fraunhofer SCAI 公司提供 (Fraunhofer SCAI, 2012) 目前多物理场方法的另一个制约因素是如何正确表达各种单个求解器模块（用于给定仿真项目）复杂的实际物理情境。为确保一种仿真的结果可以用作另一种仿真的输入，我们常常需要一种“白盒”模型，可以捕捉各种几何图形且无需简化，并可对所有相关物理效果进行全面详细的仿真，包括相关的仿真开销。“黑盒”模型也可提供相当高的仿真效率，但是只能限于问题的某个方面（例如电子元件的热模型），因此并不适合此模式。 目前，选择合适的仿真模块、配置和工作流程安排由用户全权负责，而实际的工作流程则是由各种求解器模块的不同需求共同确定，而非由实际工程任务的物理场来决定。因此，“多数值”可能只是一个描述性术语。 这种方法若要在未来获得成功，其中一个先决条件不仅仅是把各自独立的求解器链接到一起，而是将这些求解器合并成单个统一的解决方案方法论，不仅让用户能够重点关注产品的物理场（虽然复杂，但只存在一种物理场），同时仿真环境又可以容纳任何所需的数值技术且确保前后一致。这种方法必须辅以用户体验为导向的设计方法，将注意力从简单的产品可行性转向工程任务的高效解决，并将此作为最重要标准。 2. 仿真方法 如果因为有可能实现而坚持寻求通用的物理求解器，你会不可避免地面临这样一个问题：如何将多种各不相同且互不兼容的数值方法进行统一。多样化的方法当然非常有用，因为产品的行为本身具有多种物理性质，其本质各不相同，而每个物理性质又存在一个或多个相应的数值方法，可以提供所需的结果精度、计算资源要求和解决方案效率等组合。 如果舍弃这一巨大优势而尝试开发单一流程来应对所有可能的物理应用，这当然不是一个可取的目标，因为这些应用可能涉及许多不同领域，相较于针对每个应用采用相应的最佳方案，采用单一流程可能会在工作效率上大打折扣。相反，理想的目标应该是开发一种求解器基础设施，可以自动应用针对每种情况的最佳方法，将其综合到同一个仿真模型中并实现跨边界双向耦合。这意味着需要将多种存在巨大差异的方法集成到一起：仅以流体动力学为例，包括离散化方法（例如用于内部流体仿真的有限容积法）、粒子方法（例如用于多相流和相变区域的光滑粒子流体动力学 (SPH)）、用于大流量系统的一维方法等。对于这种方法中的许多要素，市场上已经有成熟可靠的元器件供应。现在的任务就是如何结束求解器模块从历史上一直延续至今的彼此隔离状态，寻求实现可根据仿真任务将各种最佳方法集于一体的单一仿真引擎。这种方法的最大优点是，可提供专注于工程任务及其解决方案的的工作流程，让工程师有机会完全卸下定义整个数值工作流程的负担。从这方面来看，我们认为这是一个实现CFD最高目标的可行途径。 3. 用户体验UX和产品可用性 毋庸置疑，工程师用户的需求将推动未来仿真软件的进一步发展。软件需要适应用户的工作环境、需求及其知识能力，而不是相反。这一点会影响软件的整体概念以及每个细节，同时也会涉及软件供应商所用的产品规范和代码实施流程。目前，许多软件公司已经引入了现代产品开发流程，比如敏捷开发。这样可以自然而然地为以用户为中心的设计流程提供支持，而且也是有效实施产品可用性要求（唯一目标是提供并保持卓越的用户体验）的先决条件。在这方面的明智投资无疑会成为CFD软件市场极具吸引力的独特卖点。 开发工程师和设计师的工作环境也在持续发生改变。能够更好反映人体自然动作的新型输入技术正在研发之中，而其他技术则已逐步应用到工作场所中。例如，增强现实技术或触摸屏操作就非常值得一提。同样，全新的可视化技术也将用于对物理仿真情境进行符合人体工学的准确演示。例如，长期以来工程师、技术员和工作人员之间的交流媒介是二维草图和平面印刷品，而现在又增加了三维立体打印。这样的技术进步还将持续进行，工程师则在可以预见的将来会继续作为产品开发流程中的最终决策者发挥自己的核心作用。这一趋势无疑也受到了仿真软件行业的敏锐关注和积极响应，令其重要性与日俱增。在对虚拟原型日益依赖（实现低本高效的产品开发）的环境下仿真结果的可视化和通信交流也就显得越来越重要，这与仿真工程师对仿真结论所承担的责任日益增加密不可分。 图10 以用户为中心的设计活动 - 可无缝应用于任何级别的敏捷开发方法论 (Limina Application Office, 2012) 来源：iCFD微信公众号，作者：mentor。 |
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