计算流体动力学和计算水动力学的进展和展望.doc

计算流体动力学和计算水动力学的进展和展望 q(f//() ,,1 }一| 计算流体动力学和计算水动 力学的进展和展望) 刘儒勋————————一 (中国科学技术大学,台肥230026(=) 刘儒勋,1938年11月出生于青岛,1963年毕业于北京大学数学力 学系,此后一直任教于中国科学技术大学数学系,1983年晋升为副教 授,1989年为教授,任计算数学与应用软件教研室主任.1983年以来 任计算物理学会理事,计算海洋物理专业委员会常委,《科学与工程计 算》丛书常务编委.70年代以来长期从事航空,爆炸,地震反演等数 值模拟科研任务.1981年以来,在国内外近十种刊物上发表了36篇论 文和专着,与他人合作获得过国家,科学院和部委的多项成果和芰励. 教学工作也多次受到表彰.主要从事计算流体力学方法,偏微分方程数 值解,反问题数值解法和非标准有限元等方面的科研和教学工作, 提要从计算流体动力学与计算水动力学的三个主要方面——数学模型研究,数值模拟 法研究和应用计算机软件研制谈其发展状况和进展 关键词数学模型,数值方法,应用软件,计算流体力学计算水动力昝孚 水锭 早在1981年,笔者在《自然》杂志上发表了介绍计算流体动力学的文章【.当时,我 引用了两幅模拟图象.一是美国LosAlamos的Haxlow等人,用MAC法对海浪翻卷的数值 模拟图另一幅是一滴水降落在水面时,飞溅起的水花.这两幅图,正是计算水动力学的两 朵盛开的花.事实上,计算流体动力学的初创时期,主要以水动力学的模拟为主不管是 Haxlow等的流体力学的计算机实验一文,还是Macagno的水力学模拟的某些新方 面的文章【】,都是由水动力学现象的计算机模拟为立足点的.可以说计算水动力学是计 算流体动力学的迎春花.. 60年代中期至今,还不足30年,计算流体动力学和计算水动力学的发展却令人鼓 舞Isla].可以毫不夸张地说,其发展速度,广度和深度,其影响,效能和价值,均超乎人们 的想像.原因可归纳为四性:重要性,必需性,可能性和计算流体力学,计算水动力学 工作者,以及有关科学工作者的创造性.大家都很清楚,水和水力与人类息息相关,维持生 命,开发能源,预防灾害等,既重要又紧迫.计算机科学技术和近代数学的发展,提供了可 能性.由1946年的ENIAC计算机,到今天的CrayY-MP,在国内由102,104机到YH-2, 运算速度从1000次/秒,到数亿,直至160亿次浮点运算每秒.速度是按指数增长,而其 体积,能耗和价格却按指数下降.70年代,用300万美元才能成交的一台IBM4341,它今 天相当一台386型机,只需3000美元.这是一种多么大的进步169年代,笔者曾半夜由北 )中国科学院数学特别支持费资助;1992年全国水动力学研讨会特邀报告 ■ 大到计算所,怀着激动之情排队上机.今天,用着Sunworkstation也还平静!当然,计算流 体动力学和计算水动力学的发展,关键在于献身于这一方向的科学工作者的创造性劳动, 及不懈,不息的追求,探索和拚搏. 下面,我想从三个方面谈谈计算流体动力学,特别是计算水动力学发展的某些方面. 数学模型的研究,通常简称建模,是计算流体和计算水动力学的奠基性工作.它常常需 要多种学科的科学家和实际工作者的通力协作,二十几年来,正是由于计算流体,计算水动 力学工作者和其它科学工作者的共同努力,才使模型研究工作取得了长足的进步.如不同 的简化N-S方程模型I12,1.即使对燃烧湍流,也建立了有效的}g和ESGIMO模型【. 在地下石油模型[1引和地下水流模型【q,在振荡绕流【等等许多方面,都有数学模型研 究的介绍,这里无需赘述. 国外,对数学模型研究非常重视.集中了许多优秀的科学家在海气相互作用,环境污 染,海洋风暴潮等重大问题上进行建模工作.例如,对地下油气田的开发,国外从60年代起 就建了数模研究机构.今天至少有1o家着名的数模公司.美国国家海洋大气局在普林斯顿 大学建立的第一个地球物理流体力学试验室,也从60年代就开始从事气候建模研究1975 年真锅淑郎和Wetherald设计了第一个全方位的气候模型.同时,国家航空航天局(NACA), 能源部(DOE)和国家基金会(NSF)也成立了专门的气候建模小组.在国内,从70年代起, 大庆就开始了地下黑油数模研究,并发展了自己的优良模型【删.国家气象局,海洋局,中 科院大气所,力学所,以及《水动力学研究与发展》的许多主办单位,也进行了数模的专题 研究工作.中东科威特油田大火,在全世界迅速引起数模研究学者的重视和反应,几乎同 时,美国就有三家,英,德,加各一家数模研究群体应运而生,他们都通过各自的模型,进 行了油田大火,空气污染,对全球气候变化影响的模拟.数模研究工作者,真是计算流体动 力学和计算水动力学