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本来准备参加越海扬波公司在北京的CFD会议，正式通知发布后才发现与上课时间冲突，所以只好取消这次参会的计划。会上准备讲的内容在这里简述一下，希望与业内同仁共同探讨一下CFD工程应用在国内的发展现状和未来方向。
1、CFD生态圈
CFD是英语“计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的英文简写形式。从流体力学角度说，CFD是目前流体力学的三大研究手段之一，其它两项分别是理论分析和实验研究。从计算机科学角度说，CFD是计算机仿真技术的一个组成部分。从纯粹商业角度说，CFD软件是一种软件产品，这个产品也有其自身的市场份额、营销、服务和资金流等相关的问题。从数值仿真的角度看，CFD也可以并入计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）中，当作CAE的一个重要成员。不过目前在谈到CAE时，大多数情况下指的都是与固体力学相关的仿真工作，在这种情况下，CFD就相对独立于CAE而成为一个专门的仿真门类。这些都是CFD的不同侧面，我们流体力学专业的人还是习惯于将CFD看作流体力学的一种研究手段和一个专业方向，只是从人力资源的流动上看，CFD专业毕业的学生除了继续做本专业的外，还有不少人流向计算机专业和软件公司，而做本专业工作的人中有一部分在做格式研究，大量的则是进入科研机构和企业研发部门从事流体仿真与分析工作，也有一些进入CFD软件公司从事咨询和销售工作，而所谓CFD圈（community）主要就是由高校、科研机构、企业研发部门、软硬件商和CFD极客围绕”应用“这个中心构成的。
高校和科研机构的工作比较类似，大多由教学和科研两大部分构成，也有些学校和科研院所与CFD软件公司合作，做一些软件培训工作。从教学和学习的角度看，从事CFD工作的人必须掌握流体力学的基础理论，掌握所在专业方向的专业知识，同时掌握CFD相关的软件使用方法。在掌握了足够的基础理论和专业知识，特别是软件使用技巧之后，就可以从事与工程应用相关的工作了。高校和科研机构的来源主要分为纵向课题和横向课题两大类。纵向课题指来源于国家的课题项目，比如国家自然科学基金、973项目、863项目以及地方政府提供的研究项目。横向课题则主要来源于企业。国家项目（纵向课题）大多与基础研究有关，涉及工程应用的课题也大多与所谓共性问题有关。直接服务于产品研发的项目则主要来源于企业提供的横向课题，这类课题来源庞杂，项目涉及金额差别很大，但却是直接与工程应用相关的项目，因此具有某些共性。
2、CFD工作中的几个Q&A
这里老生常谈一个问题，即科学与工程的区别。用冯.卡门的话说（大意）：科学是发现世界，工程是创造世界。因此，科学（science）在研究过程中通常会去芜存菁，从复杂的现象中提炼出关键问题（即所谓“科学问题”）进行研究；工程（engineering）设计和研发过程中则是基于科学、艺术、经验甚至是直觉设计创造新的产品。科学和工程既相互关联，又有所区别。与科学将典型问题从复杂现象中孤立出来加以研究不同的是，工程设计和研发通常要在各种因素复合在一起的情况下拿出解决方案。在CFD的工程应用中遇到的复杂性问题包括通常包括两类，一个是由复杂几何构型带来的复杂性，一个是由复杂物理机理带来的复杂性。比如，汽车底盘和发动机舱内的热管理问题的难点主要就在于几何的复杂，由此带来网格划分等实际操作上的繁琐和复杂；而绕翼型的跨音速流动、湍流的转捩、边界层的分离等问题则主要来源于物理机理的复杂。航空发动机内的流动则是既有几何的复杂，又有物理机理的复杂，因此是两种因素复合在一起的难题。
目前CFD研究领域中的前沿领域，或者说热点领域，主要包括湍流模拟、高分辨率格式、无网格方法、多物理场耦合、多相流问题、噪声计算和燃烧模拟等等。这些问题的进展无疑将提高CFD对工程问题的模拟能力。
如前所述，从事CFD工程应用工作除了要学习、掌握上述科学问题外，还要习惯用工程方法解决工程实际问题。CFD工程应用是知识密集型工作，因此做好CFD工程应用工作单单有一个好的CFD软件还不够，还要熟悉所模拟的问题的物理机理，具备一定的洞见（insight）复杂现象背后的机理的能力，也就是说人的因素对于CFD工程应用中非常重要的因素。人在计算中起到的作用主要集中在如何制定计算策略、确定算法和模型参数以及对计算结果的解读等方面。如果对“人的因素”进行分解，自然会想到制定一套模拟规范，大家都按照规范进行模拟，得到的结论就可以满足工程的需要。由于流体运动的复杂性，目前还不存在适用于各种问题的统一标准，但是在对流体运动进行适当分类后，倒确实可以提出针对某种类型问题的模拟规范。这类规范一般称之为BPG（Best Practice Guide，最佳实践指南）。
一套模拟方法是否可以称之为BPG指南，主要还是看在这套规范下是否能够满足精准度的要求。CFD模拟是在虚拟流场中重现真实流场，萦绕其中的最大问题就是“你算得到底对不对、准不准”，这也是CFD工程实践中经常被客户问到的问题。回答这个问题的方法就是我们在“航空高可信度开放式研究活动”中提到的V&V问题，即校核与验证的问题。V&V方法是工程中经常使用的方法，在CFD中应用这套方法，实际上是给CFD模拟工作加上了一个质量保障体系，确保结果能达到一定的精准度。从目前情况来看，无论V&V还是BPG都还在逐步建立的过程中，在一些常见问题中已经有比较成型的方法，但在一些物理上比较复杂问题中还没有建立起相关的方法。这大概是未来一个时期内，CFD工程应用需要解决的主要问题之一。
CFD工作除了技术问题外还涉及商务问题，也需要做了解客户需求、洽谈合同等工作。在商务工作中比较突出的问题是如何定价的问题。与纵向课题的要求不同，来自企业的横向课题需要为企业解决真实的问题，同时企业为了节约成本又希望课题金额不要太高，很多时候一个表面看上去很复杂的工程问题，最后的研究结果很可能是平凡的，因此也没办法发表高质量的论文。在这样的大背景下，不仅很多老师倾向于申报纵向课题，甚至很多学校也出台政策鼓励申报纵向课题，客观上将导致高校与企业的脱节。因此在CFD数值模拟的工程应用中如何定价有些时候是微观的战术问题，有些时候也是一个宏观的大问题，有可能对研究资源的流向起到导向作用。所以，我觉得CFD工程应用工作中的项目定价问题也应该有一个在业内取得共识的BPG规范，比如根据问题类型、难度和工作量进行衡量定价等等。
CFD工程应用工作由技术和商务两方面内容构成的特点，决定了开展CFD工程应用的团队也必然由技术和商务两类成员构成。据我观察，目前大多数CFD团队的领导（leader）往往由资深教授担任，成员则主要由其他教师和学生担任，很多情况下，学生往往是做具体工作的成员（member），教授则负责商务谈判和项目管理工作。团队内部可能实行公司化管理，这大概也是很多学生称自己的导师为“老板”的原因。也是有些企业在考察团队时不看教授水平如何，而要看学生水平如何的原因吧。
3、CFD工作的软硬件需求
CFD的工程应用离不开软硬件。从CFD工作者的成长历程看，大多数人在学习期间为了格式研究会自编一些程序，然后利用这些程序完成研究工作。但是在进入工程应用领域后，因为工程应用涉及的范围非常广泛，往往大大超过自己原来的研究范围，在这种情况下重新编制一套程序在进度上是不允许的，因此必然开始使用现成的软件，包括商用软件和开源软件。同时在硬件使用上也会随着问题规模和复杂度的提高而逐渐从PC机过渡到工作站，再过渡到HPC系统。
在CFD软件方面，中国目前还没有自己成熟的产品，主要还是购买国外产品。随着CFD开源软件的不断丰富，国内CFD界也在973、863等项目的支持下尝试开发自主知识产权的CFD软件产品，相信在不久的将来，市场上也会出现中国自己的CFD软件产品。
硬件方面在近几年出现的一个主要变数是GPU进入计算领域。GPU本来是显卡上用于图像处理的计算单元，可以通过各种矩阵运算实现对图形的变换。因为GPU功用单一，因而效率较高，所以后来逐渐受到数值模拟工作者的关注，并且有可能在硬件上带来革命性的变化。这个变化简单说就是可能将HPC系统桌面化，从而大大推动CFD工作的普及化。现在做一个全机计算可能需要一套HPC系统，这套系统可能装满一个机柜，未来则可能在一套工作站大小的机器内实现同样的功能。
综上所述，CFD的工程应用还处在一个不断成熟的成长期内，未来还可能出现一些较大的变化，我们可以一起来见证、体验并积极参与这个变化的过程。 |
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发表于 2014-4-13 11:59:41
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