人類的每一次飛機(jī)旅行，背后都有Antony Jameson教授CFD方法的影子

當(dāng)您下次乘坐飛機(jī)時(shí)，可以花點(diǎn)時(shí)間思考并贊嘆一下飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)；因?yàn)槿祟惖拿恳淮物w機(jī)旅行，背后都有Antony Jameson教授CFD方法的影子。

Jameson于1958年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，在那里他獲得了磁流體動(dòng)力學(xué)的博士學(xué)位，之后又在劍橋大學(xué)擔(dān)任了一段時(shí)間研究員。1964年，Jameson離開劍橋后的第一份工作，是為英國(guó)工聯(lián)會(huì)的提供經(jīng)濟(jì)決策。

Jameson于1970年開始研究空氣動(dòng)力學(xué)中的計(jì)算方法，當(dāng)時(shí)他36歲。在此之前，他的研究方向是關(guān)于穩(wěn)定性增強(qiáng)系統(tǒng)。此前，他還曾在考文垂的某公司擔(dān)任首席數(shù)學(xué)家。

顯然，Jameson在進(jìn)行CFD研究之前，有著廣泛的工程經(jīng)驗(yàn)。正是在那時(shí)，他寫出了他的第一份CFD代碼——FLO 1和SYN 1。

這些程序解決的是理想流體（無(wú)粘無(wú)旋）在二維翼面上的流場(chǎng)問(wèn)題，F(xiàn)LO 1計(jì)算給定翼面的壓力分布，SYN 1計(jì)算其逆問(wèn)題，即給定目標(biāo)壓力分布求解翼面形狀。

由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)存極為有限，Jameson確保了他的代碼空間開銷很小。這些代碼的運(yùn)行速度極快，只需要5到10分鐘即可求解完成。

即使在21世紀(jì)，5-10分鐘就獲得結(jié)果，依然是很多CFD開發(fā)人員的需求。

高效，就是Jameson的代碼特點(diǎn)。

很快他的主要關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)到了翼面上跨音速流的計(jì)算上，1972年Jameson跳槽到了紐約大學(xué)的Courant數(shù)學(xué)研究所，進(jìn)一步研究這一課題。

在跨音速流中，流場(chǎng)里的大部分地方馬赫數(shù)都略低于1，即空氣流動(dòng)大部分是亞音速的。然而，某些地方會(huì)變成超音速流動(dòng)。

對(duì)于商用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)至關(guān)重要的流態(tài)，因?yàn)樾枰３趾芨叩难埠剿俣炔拍鼙ＷC足夠的航程，但當(dāng)局部超音速流出現(xiàn)在機(jī)翼上時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的激波，使空氣阻力大幅增加。

大型商用飛機(jī)通常以0.8左右的馬赫數(shù)飛行在跨音速狀態(tài)下，因此其機(jī)翼外形的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量減少激波，最好是完全將之消除。

在Courant研究所，Jameson與Caughey合作編寫了一套CFD代碼，用于預(yù)測(cè)掠翼上的理想跨音速流，即FLO 22。

FLO 22非常穩(wěn)健，收斂性也有保證。該代碼立即被麥道和其他公司采用。FLO 22是一份了不起的代碼，它自編寫以來(lái)一直在連續(xù)工作，至今仍在設(shè)計(jì)一線發(fā)光發(fā)熱。

后來(lái)，F(xiàn)LO 22中的方法在FLO 27和FLO 28中得到了擴(kuò)展，適用于任意的網(wǎng)格系統(tǒng)，這樣就可以很容易地計(jì)算復(fù)雜幾何。波音公司在1978年對(duì)擴(kuò)展代碼進(jìn)行了評(píng)估，隨后將其納入了他們自己的 "A488 "軟件——這是波音757、767和777飛機(jī)機(jī)翼分析中使用的主要計(jì)算工具。

1980年，Jameson加入普林斯頓大學(xué)，從1982年出任杰出教授。1997年，他調(diào)到斯坦福大學(xué)航空航天系任職，繼續(xù)進(jìn)行教學(xué)和研究。

20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，意味著機(jī)翼上氣流的歐拉方程或許能被求解出來(lái)了。這消除了理想流體的無(wú)旋限制。預(yù)示著空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)向前邁出了一大步。

特別是對(duì)于跨音速流動(dòng)，因?yàn)榧げ◤?qiáng)度，特別是其沖擊位置均可能與理想流體模型有偏差。Jameson、Dornier等人一起寫了一套突破性的3-D代碼，即FLO 57，它可以對(duì)復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)外形進(jìn)行精確的沖擊預(yù)測(cè)。Hirsch教授曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)：

“Jameson和他同事提出的方法是一個(gè)高精度的、結(jié)合多重網(wǎng)格的、非常高效、準(zhǔn)確的CFD代碼?！?/p>

Jameson在20世紀(jì)80年代還推動(dòng)了許多其他的數(shù)值方法和算法的發(fā)展，Jameson首次使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)飛機(jī)的流動(dòng)計(jì)算。

這一突破是通過(guò)1985年Jameson、Baker和Weatherill共同開發(fā)的名為"Airplane"的新代碼實(shí)現(xiàn)的，這份代碼被麥道、NASA、三菱和EADS用作其空氣動(dòng)力學(xué)代碼的基石。

在開發(fā)處理非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的軟件時(shí)，Jameson也繼續(xù)致力于提高求解算法的速度，以及離散方法的精度和穩(wěn)健性。本質(zhì)上講，他的工作涉及所有能進(jìn)一步推動(dòng)CFD作為空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)工具的重要領(lǐng)域。

當(dāng)他將這些方法優(yōu)化得日漸成熟時(shí)，他將研究方向轉(zhuǎn)向?qū)ふ夷軌驖M足性能目標(biāo)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的最優(yōu)外形，最優(yōu)外形有一系列約束條件的限制，如翼厚——它決定了結(jié)構(gòu)重量。他在這個(gè)領(lǐng)域的工作靠的就是控制論和CFD的結(jié)合。

這催生了一套新的"SYN"系列代碼，比如用于優(yōu)化機(jī)翼設(shè)計(jì)的SYN 87和求解歐拉方程的SYN 88；

1997年誕生的SYN 107，用于求解粘性流體的完整Navier-Stokes方程。

2003年，他編寫了Synplane，可以對(duì)整架飛機(jī)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)最優(yōu)設(shè)計(jì)。以SYN 107為例，現(xiàn)已用于設(shè)計(jì)灣流G650公務(wù)機(jī)，該機(jī)最高飛行速度可達(dá)0.9馬赫

波音767、757、747-400、777、737-700和787的設(shè)計(jì)過(guò)程中，都采用了Jameson教授基于CFD方法的空氣動(dòng)力學(xué)代碼。

2006年，Jameson教授獲得Sperry勛章，獲獎(jiǎng)理由是:

“本年度的Sperry勛章將授予Antony Jameson，以表彰他通過(guò)大量的算法創(chuàng)新，以及通過(guò)開發(fā)FLO、SYN和AIRPLANE系列CFD代碼，對(duì)現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)?！?/p>

在頒獎(jiǎng)大會(huì)上，專家們列舉了Jameson提出的一系列重要算法：

關(guān)于Jameson教授和其工作的更多信息可以在他在斯坦福大學(xué)的主頁(yè)上找到：http://aerocomlab.stanford.edu/jameson/， 這里有超過(guò)400份他的相關(guān)文章可供瀏覽。

在您下次坐飛機(jī)的時(shí)候，或許應(yīng)該感謝Jameson的CFD代碼，讓人類實(shí)現(xiàn)了飛行夢(mèng)。

讓我們一起致敬Antony Jameson。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：坐飛機(jī)，都應(yīng)致敬這位CFD大師：Jameson

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