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[基础理论] 我所知道的计算流体力学(CFD)大牛们

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发表于 2008-3-1 15:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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我所知道的计算流体力学(CFD)大牛们
(1) Jameson的故事
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 Lie
utenant。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界
第一大牛人的地位。
Jameson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。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Standford大学当T
homas V. Jones Professor搞起了湍流来。前不久偶导师见他回来,对欧们边摇头边说,
“几年不见,老得快不行了”,言下之意,我们如果想多活几年,不要去搞什么湍流。
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 楼主| 发表于 2008-3-1 15:37 | 显示全部楼层
(2) Steven A. Orszag的故事
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
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
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。
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
于来了。
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
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
?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
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
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
。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,
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,
办份杂志,自己当主编,自己出版,看谁说闲话。1986年,《Journal of Scientific Co
mputing》终于开张了。第一篇文章就是“Renormalization Group nalysis of Turbulen
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
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
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
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?
 楼主| 发表于 2008-3-1 15:38 | 显示全部楼层
(3) Godunov的故事
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
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
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
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
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
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
列也无所谓了)。
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
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
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
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
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
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
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
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
有Godunov格式了。(If I would have read Lax’s paper a year earlier, “Godunov
’s Scheme” would never have been created.)这么重大的贡献得发文章让大家都晓得
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
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
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,
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,老大只好找后门,托他的老板Petrovskii了,正好老板是Mathem
aticheskii Sbornik杂志的编辑,终于在1959年,毕业四年后这篇文章发表在了这个杂志
 楼主| 发表于 2008-3-1 15:38 | 显示全部楼层
(4) Van Leer的故事
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,
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
。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
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
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
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
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
。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
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
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。
 楼主| 发表于 2008-3-1 15:43 | 显示全部楼层
(5) Von Neumann的故事
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
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《
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,
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,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·
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了
,越写越自卑,越写越郁闷。)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全非】
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
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
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
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
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
,天才是两头燃烧的蜡烛,明亮,但不会长久。
 楼主| 发表于 2008-3-1 15:44 | 显示全部楼层
(6) Kuchemann的故事
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
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
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
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
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
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
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
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

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
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
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,
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。
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
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
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
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
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
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
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.
3马赫的飞行记录。
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:每一种具体的理
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。
 楼主| 发表于 2008-3-1 15:46 | 显示全部楼层
(7) Batchelor的故事
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
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,
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
就给Taylor写信,想做他的research student。Taylor很快同意了。Batchelor是一个很跋
扈的人,说话颇有些像heishehui的老大的风范。他有一个死党和跟屁虫。他非常想让这个跟
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
竿子打不着的核物理。这并不要紧,Batchelor充分发挥了他heishehui老大般的威严对他说,
“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
。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
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
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
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
(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,就是大名鼎鼎的AA Townsend。这个故事再次说明跟好一个老大是多么重要亚。
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
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
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
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
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
,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
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
个结局。

[ 本帖最后由 海棠 于 2008-3-1 15:48 编辑 ]
发表于 2008-3-3 11:40 | 显示全部楼层
楼主讲得很有意思啊!!!拜读中!真的很佩服这些天才们!
发表于 2008-3-3 14:41 | 显示全部楼层
是真的吗,做这行数学究竟要好到什么程度?
发表于 2008-4-22 21:44 | 显示全部楼层
基本上要有数学科班出身的水平。
发表于 2008-4-24 16:37 | 显示全部楼层
CFD要求的数学功底的确是很高的~~~~~~~
发表于 2008-5-6 21:46 | 显示全部楼层
这些专家真是牛啊,得向他们学习啊,好好学习天天向上!
发表于 2008-5-15 12:34 | 显示全部楼层
太强了,致敬阿,真是的,怎么就这么天才了呢,这孩子。。。。
发表于 2008-5-23 15:18 | 显示全部楼层
lz的文章是转载还是原创啊

lz的老板是那位啊?不方便说可以悄悄话
发表于 2008-5-31 13:05 | 显示全部楼层
看看前辈的事迹,对自己也是一种鼓励和鞭策啊。
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