Первая волна: Начало коммерческого ВГД ПО

Первые ВГД коды уходят корнями в работы Группы Вычислительной Гидродинамики T-3, работающей в Национальной Лаборатории Лос-Аламоса (США) с 1958, и исследовательские проекты под руководством профессора Сполдинга, Имперский колледж Лондона, в 1960;х и 1970;х. В конце 1960;х, профессор Сполдинг, основал консалтинговую компанию CHAM Ltd. (Concentracion, HeatandMomentum — концентрация тепла и моментов), находившуюся в Имперском колледже Лондона. Эпоха коммерческого ВГД ПО началась в 1974 году, когда CHAM Ltd. переехала в собственный офис в Нью Мадлен, пригород Лондона. Изначально, разработка ВГД программ под нужды заказчика являлась основной деятельностью CHAM. Затем это стало слишком затратным по времени и неэффективным, поэтому в CHAM решили разработать ВГД пакет общего назначения для внутренней консалтинговой работы, затем выпустили его как коммерческий продукт PHOENICS в 1981. Этот факт можно рассматривать как рождение индустрии ВГД ПО (см. CHAM Ltd, 2008). Другие быстро последовали их примеру. FluidDynamicsInternational (США) в 1982 выпустили FIDAP, ВГД пакет на основе метода конечных элементов (МКЭ), а CreateInc (США), в 1983 выпустила ВГД пакет на основе метода конечных объемов (МКО) Fluent. В 1980, доктор Хирт основал FlowScience (США) как филиал Национальной Лаборатории Лос-Аламос и в 1985 выпустил Flow-3D. Множество последующих ВГД пакетов, включая, например, Flow3D от Администрации Великобритании по атомной энергии (Англия) в 1987 и TASCflow, выпущенный AppliedScientificComputing (Канада) — сегодня оба существуют в составе ANSYS CFX. ComputationalDynamics/ADAPCO (Англия/США), сооснователь профессор Дэвид Госман, еще один профессор Имперского колледжа Лондона, выпустили StarCD в 1989. В начале 90-х, производитель рабочих станций SiliconGraphics, перечислил в своем каталоге ПО уже 18 коммерческих ВГД пакетов, которые были совместимы с их аппаратными продуктами, охватывающих около $ 30 млн. ВГД рынка (Бойсан и др., 2009). Основные технологии в этих ВГД пакетах было разработаны бывшими сотрудниками или внештатными учеными двух вышеупомянутых научно-исследовательских институтов — в Лондоне и Лос-Аламосе, либо основывались на их научных публикациях. Но существовали и другие разработчики ВГД технологии: в 1980;х появились альтернативные подходы к ВГД моделированию в рамках программы развития авиации и космонавтики в странах бывшего Советского Союза, в значительной степени незамеченные Западным научным сообществом из-за политической ситуации. Решаемые ими с помощью ВГД моделирования технические задачи были похожи на те, что существовали на Западе, но доступный аппаратный вычислительный ресурс для их решения был гораздо более ограничен. Тем не менее, из-за высокой политической приоритетности этих научно-исследовательских программ, были получены обширные экспериментальные данные для множества случаев потока жидкости, явлений теплообмена, особенно явлений течения в пристеночной области. Эта ситуация привела к появлению альтернативных методов ВГД, которые, основываясь на известных методах для Декартовых сеток, опубликованных на Западе, сочетали численные, аналитические и эмпирические данные. Такой инновационный подход дал возможность получать высококачественные результаты моделирования при низких требованиях к вычислительным ресурсам в сочетании с эффективностью методов, использующих Декартовые сетки. По ходу постепенной экономической либерализации Советского Союза, в конце 1980;х несколько команд ученых коммерциализировали эту ВГД технологию и, начиная с 1990;х, занялись продажей своих продуктов и услуг в Европе и Азии. Самыми известными продуктами такого рода были Aerospace-3D профессора Гаврилюк и его команды (Петрова, 1998 и Алямовский, 2008) и FlowVision доктора Аксенова и его команды (Аксенов и др. 2003).

Рисунок 2. Результаты моделирования в Aeroshape-3D (Парри и др., 2012)

Характерными чертами первого ВГД ПО были: примитивный по сегодняшним меркам пользовательский интерфейс ввода данных, рудиментарная графика и очень скромные вычислительные ресурсы, в частности, объем доступной ОЗУ памяти, которой постоянно не хватало, что сильно ограничивало максимальный размер модели. Эти ограничения приводили к очень высоким требованиям к пользователю в отношении моделирования геометрии и физики, а реальная задача должна была быть проанализирована, упрощена и передана в программу достаточно трудоемким способом. Неопределенности, присутствующие при выборе конфигурации физической модели и риск ошибки при вводе данных были очень велики, и, таким образом, возникала необходимость в комплексной оценке полученных данных, а проверка результатов моделирования была привычным очередным шагом рабочего процесса. Все это требовало обширных знаний в области численных методов, основ и ограничений физических моделей при их использовании в ВГД модели. Таким образом, пользователями ВГД технологии в то время были исключительно ученые и начно-подготовленные инженеры, которые могли частично или полностью сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными. Этот период также характеризовался тем, что из-за ограниченного опыта работы с ВГД приложениями и высогой конкуренции на рынке ВГД ПО инструментов, производители, как правило, сильно переоценивали пригодность своих продуктов для решения производственных задач. Это, в сочетании с вопросами первых промышленных потребителей на счет достижимого с помощью ВГД качества результатов при заданной стоимости, чрезвычайно медленно повышало репутацию ВГД моделирования, итак чрезвычайно дорогого и со слишком расплывчатыми в плане пригодности для использования результатами. Эта отрицательная репутация сохранялась в большей части инженерного сообщества на протяжении более двух десятилетий, но ситуация изменилась в течение третьей фазы разработки ВГД ПО, когда ВГД моделирование стало повседневной работой для нового поколения пользователей. В начале 1990;х, условия для ВГД ПО и моделирования достаточно быстро поменялись. Вычислительное оборудование, математические методы и физические модели — во всем ощущался огромный рост производительности. Скорость ЦПУ и размер ОЗУ быстро увеличивались и становились дешевле, предоставляя промышленным пользователям новые, более доступные аппаратные средства, такие как рабочие станции UNIX и PC, а чуть позднее, с появлением вычислительных кластеров, доступ к высокопроизводительным вычислениям (HPC). Эти новые возможности со стороны аппаратной части конечно же способствовали и развитию на стороне программного обеспечения. Численные методы, такие как неструктурированный Метод Конечных Объемов, многосеточные методы, динамические сетки и т. д. подходящие для сложных геометрий и оптимизированные для HPC, стали коммерчески доступными, а также более надежными, более гибкими и более широко применимыми для моделирования физических процессов. Таким образом появились новые области применения ВГД. Применимость ВГД технологии сильно возросла и наконец-то появилась возможность использовать реальные размеры моделей для существующих промышленных нужд. Ханна и Парри (2011) проанализировали это развитие и обнаружили прямую корреляцию между законом Мура для вычислительной мощности и, например, размером модели для гоночного автомобиля при ВГД моделировании. Эти новые возможности возвестили о наступлении новой эры в использовании коммерческого ВГД ПО — его появление в научных и конструкторских отделах промышленных компаний.