史话 | CFD行业偶像 Prof. David Gosman

40年前，CFD起初诞生于一小部分富有远见的科研人员，他们期盼可以通过这种计算的方式解决涉及湍流、传热和燃烧等复杂问题。这些科研人员克服了当时计算资源匮乏的难关，最终开发出CFD，从而彻底改变工程领域解决复杂工程问题的技巧与方法。

David Gosman教授就是这些先驱者行列中的一员。他作为Spalding教授在Imperial College CFD研究小组的成员，在开发数值仿真方法方面发挥了关键的作用。其主导开发的数值仿真方法能够处理真实工业中出现的复杂几何外形问题，其中许多方法在今天的商业CFD软件中仍旧被广泛应用。他还率先将CFD技术应用于解决往复式发动机中的燃烧流问题，他所开发的数值仿真方法与软件被广泛用于自1990年代初以来几乎所有汽车发动机的设计过程。

Gosman教授于1962年秋在Imperial College就职，在Brian Spalding教授的指导下攻读博士学位，当时他刚从University of British Columbia毕业。在20世纪60年代早期，Spalding教授的研究重点是开发一种用于计算湍流的“通用方法”，该方法使用二维剪切流的动量积分方法，并设计成可对自由流和壁射流进行求解。尽管这些技术对于抛物线型边界层类流动的预测是成功的，但它们并不适用于更一般的椭圆型问题，譬如压力梯度过大的问题，包括分离流、再循环流与撞击流等流动。

由于工程问题的解决，特别在燃烧问题方面，急需解决椭圆型问题的数值方法，因此Spalding教授及其团队最终放弃了二维抛物线方法，转而使用离散的“流函数-涡度”方法，该方法使用有限体积法和迎风差分法解决二维Navier-Stokes方程（使用流函数和涡度表示）。虽然Gosman教授的以实验为主的博士研究并没有直接涉及这些方法的开发，但他很快就参与到这些方法的发展之中，以至于他的论文出版被推迟了好几年。但正是这个偏离最终决定了他的整个职业生涯。

流函数-涡量法的最终成果是在1969年出版的《循环流动中的传热与传质》书中[1]，该书由Gosman教授担任主编，并收录了由Runchal和Wolfshtein开发的名为ANSWER的CFD工具的源代码。该书标记了CFD发展的转折点，首次展示了使用数值模拟可解决工业相关流动问题的途径，并提供了一种可解决实际问题的工具。该书倡导的技术后来被用于提供第一个展示在燃烧循环流的CFD应用实例中。

在证明流函数-涡量法可以用于模拟低速二维流动问题之后，Spalding教授及其团队开始研究将该方法扩展到三维领域。然而，他们很快意识到，通过流函数和涡量求解三维Navier-Stokes方程组需要求解六个方程，而通过速度和压力等原始变量求解时只有四个方程。

这种认识被提出后，人们紧跟其后提出了两种解决方法，即1976年引入Patankar和Spalding的SIMPLE算法变体，它们形成了几乎所有随后出现的CFD代码的内核；以及一年后，Launder和Spalding发表的标准k-epsilon模型，它提供了第一种不依赖于任意长度尺度的湍流建模实用方法。在这些基础方法的保障下，Spalding教授团队顺利开发针对特定问题的CFD代码，从而能够解决真正的工程问题。尽管按照现在的标准来看，这些代码其实仅仅是现代CFD工具的早期原型，但在建立一门全新的CFD学科方面，这无疑起到了重要的作用，并直接激发催生了后续的所有商业CFD软件。

在这一时期，Gosman教授的贡献是二维代码TEACH，最初与W.P.Pun博士一起开发（作为Spalding团队开始提供的CFD后经验课程的教育工具)。通过TEACH，Gosman教授率先在课堂采用CFD，为本科机械工程专业的学生将数值模拟引入课程。他编写了第一门CFD课程，将CFD作为学习流体动力学和传热学的实用工具，并出版了第一本教科书[2]，这显示出其颇具先见之明。尽管当时一些高新科技工业领域已经开始对CFD技术进行初步考察，但第一套通用商业CFD代码的发布仍然距离实际应用还有五年时间的距离，而且当时的工程领域的流体力学几乎完全由实验方法所主导。

虽然TEACH最初被认为是教学工具，但是通过发布源代码（作为一本教科书背面的一份1000行FORTRAN程序），Gosman教授可能已经无意中开创了开源CFD的运动。TEACH后续被很多次修改和扩展，而且可能是在CFD被商业化之前，被使用最广泛的CFD代码[3,4]。

Spalding起初是想开发涉及传热和燃烧的问题的仿真方法，与纯粹的流体动力学问题不同，这些问题涉及再循环区域，这些区域不便于由现有的理论方法或实验研究解决。在1970后期，这些设想中的一部分已经开始实现，譬如对燃气轮机和静止燃烧器中的燃烧流进行了第一次实际仿真。

尽管如此，最重要的燃烧问题——汽车发动机，依然没有得到解决。与其他燃烧过程不同，发动机中的燃烧过程是非稳态的，在具有复杂几何形状和运动边界的流体域中发生。发动机燃烧的精确模拟还需要开发多相流模型以考虑燃料喷雾与薄膜以及点火、燃烧和湍流模型。当然，考虑到该问题的非稳态特性、复杂物理现象和所需的较大网格数量，解决发动机燃烧问题还需要开发出一种稳健高效的求解算法，以利用有限的计算资源完成大量的时间步推进计算，从而实现开发可靠的解决方案。

1978年，Gosman教授首次发表了往复式内燃机中冷流的轴对称CFD仿真[5]。此后，他在接下来十年中投入了大量时间精力开发出能够三维仿真全细节内燃机燃烧过程的技术。为了考虑活塞和气门运动，他开发出了欧拉-拉格朗日移动网格法。这种网格法通过考虑单元格层添加和删除以防止高纵横比单元格可能产生的数值问题。在燃料喷雾模型方面，其与他人共同开发出Huh-Gosman喷雾雾化模型和Gosman-Bai壁撞击模型。为解决时间步长和稳定性的问题，Gosman教授实施了由帝国理工学院同事RaadIssa博士开发的非迭代PISO算法。该算法使用相对较大的时间步长，高效地求解了非定常可压缩流。

这项工作与其他许多进展相结合最终产生了CFD代码SPEED。SPEED是帝国理工学院的Gosman教授的团队与许多工业合作伙伴之间半商业化的合作项目。

Gosman教授另一个重要的研究方向是开发能够处理实际工程问题复杂几何形状的仿真方法。当时的商业CFD代码几乎完全依赖于纯结构化直角计算网格，这种网格采用了一种粗糙的阶梯方法来处理几何复杂度，导致任何不能被表示为圆柱体和立方体组合的几何形状都会产生较大的不准确度。在尝试建立复杂发动机燃烧室和进气系统几何模型的问题上花费的十年时间使Gosman相信，有必要开发出一种使用自适应网格的更为稳健的仿真方法，不仅适用于发动机，而且适用于所有类型的工业CFD问题。因此，他开始系统地寻找一种生成灵活网格的方法，该方法无论多么复杂都能够适合所有的几何形状。在对众多替代方案进行大量研究后，他最终确定了一种由Rhie和Chow的工作中得到的共定位直角速度方法。之后，他将其推广到部分非结构化网格，然后是全非结构化网格，包括具有滑动界面的网格。

到20世纪80年代中期，Gosman教授的团队已经汇集了一套强大的仿真工具，其中很多工具在处理复杂几何领域方面都远远领先于刚刚出现的商业CFD软件。测试和支持SPEED的经验告诉Gosman教授，学术界不是开发CFD软件的理想环境。因此，他和Dr. Raad Issa一起建立了以商业为目的的计算动力学有限公司，以开发非结构化的、适合工业用途的CFD软件。

计算动力学公司成立于1987年12月19日，这一天被世界上其他人称为“黑色星期一”，面临着艰难的处境。毫不奇怪，随着世界证券市场纷纷崩溃，Gosman和Issa最初很难找到投资者愿意投资他们的初创公司，因为这在当时仍然是技术市场相对不起眼的角落。最终，adapco公司表示愿意为他们融资，这是一家总部位于纽约的结构工程咨询公司，一直在对发动机气缸盖进行结构分析。adapco最近转向CFD仿真，将其作为提供更准确的热传递系数边界条件的机制，用于其有限元分析仿真，但令人沮丧的是，没有任何一个商业软件能提供所需的自适应网格方法以提供足够精确的结果。adapco公司的总裁Steve MacDonald是由福特汽车公司的共同联系人介绍给Gosman教授的，他很快断定Gosman的CFD编码不仅将解决他的热传递系数问题，而且也将为他的某些客户正在要求的冷却剂流平衡仿真提供有用的工具。

在adapco的支持下，计算动力学公司着手为他们自适应网格的CFD代码开发一个商业版本，名为STAR-CD（它是Simulating Transport in Arbitrary Regions的缩写）。第一版是块状结构，但是到了1991年的第二个版本，STAR-CD成为第一个真正的非结构化商业代码，为工程师提供了由六面体、四面体和棱柱体的任意组合构建网格的能力，从而提供空前的几何灵活性。为SPEED开发的技术也进入了STAR-CD时代，它迅速成为模拟发动机燃烧问题的默认CFD代码。

在STAR-CD发布后的25年多以来，它在市场上一直表现出色，并继续在发动机仿真市场上占据领先地位。自20世纪90年代初以来，绝大多数开发的发动机都是利用STAR-CD进行设计和数值测试，提供深入的洞察，使发动机制造商能够显著降低燃料消耗和排放。Computational Dynamics和adapco现在以CD-adapco的名称进行联合贸易，并共同雇用800多人开发和支持STAR-CD及其下一代CFD工具STAR-CCM+。

尽管商业上取得了成功，但Gosman仍将大量精力用在其学术工作上，他于1988年担任帝国学院计算流体力学教授，并在此期间发表了200多篇与CFD相关的论文。就像Spalding团队最终催生了包括TEACH在内的多个CFD代码一样，目前领先的开源CFD代码FOAM（现在的OpenFOAM）也是由亨利·韦勒（Henry Weller）博士在Gosman教授的研究小组工作期间开发的。

直到现在，Gosman教授都说，尽管他一直致力于CFD工具的倡导、开发和教育工作，但他从来没有使用商业CFD软件进行CFD计算。然而，最近有人注意到他参加了“STAR-CCM+入门”培训课程。这足以说明，经过40多年的发展，CFD工具现在如此易于使用，连CFD偶像都学习如何使用它们。

References

[1] GosmanA D (Editor), 1969 “Heat and Mass Transfer in Recirculating Flows”, ISBN0122919505

[2] GosmanA D, Launder B E, Reece GJ, 1985, “Computer-aided Engineering, Heat Transferand Fluid Flow”, ISBN 0853128669

[3] RunchalA K, 2008, “Brian Spalding: CFD and reality”, Proc. CHT-08, ICHMT -International Centre for Heat and Mass Transfer, International Symposium onAdvances in Computational Heat Transfer, May 11 ss Transfer,

International

[4] HirschellE H (Editor), 2009, “Notes on Numerical Fluid Mechanics': 40 Years of NumericalFluid Mechanics and Aerodynamics in Retrospect”, ISBN 3540708049

[5] GosmanA D and Johns R J R, 1978, "Development of a predictive tool forin-cylinder gas motion in engines" SAE International Congress, Detroit,paper 7803l5