Ansys Fluent发展史

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Fluent起源 这是一款在20世纪80年代开创性的计算流体力学（CFD）软件，到90年代末已成为市场的主导者，如今是工程仿真软件领导者ANSYS公司的一部分。 “Concentration, Heat & Momentum Limited （CHAM）向世界展示了流体力学问题可以通过计算机解决，而Fluent则证明了工程师可以利用这类软件解决现实世界的问题。” ——布莱恩·斯帕尔丁（Brian Spalding） 许多当今领先的软件公司源于某位先驱者的远见卓识，而Fluent的诞生却是多位人物共同努力的结果。最早的推动者是哈桑·费里特·博伊桑（Hasan Ferit Boysan）。1975年，他来到英国谢菲尔德大学攻读流体力学研究生课程。当时，流体力学几乎完全依赖手工计算。博伊桑遇到了另一位来自土耳其的学生阿里·图兰（Ali Turan），后者正在使用Cora3代码。这是伦敦帝国理工学院布莱恩·斯帕尔丁教授开发的早期CFD代码之一，用于模拟抛弃式燃烧室（dump combustor）中的燃烧现象。当时的CFD代码都需要用户通过打孔卡片输入数据，而输入错误通常只有在求解器崩溃后才能发现。图兰邀请博伊桑协助使用Cora3解决他博士论文中的问题。然而，每次研究人员更改几何形状或边界条件时，都需要手动重新编写输入数据，这使得进展十分缓慢。尽管过程痛苦，他们还是取得了一些成果，帮助图兰完成了论文。1976年，博伊桑回到土耳其，并因能够从CFD代码中获得结果而声名鹊起。 1979年，时任谢菲尔德大学化学工程教授的吉姆·斯威森班克（Jim Swithenbank）邀请博伊桑回到谢菲尔德，协助开发一款能够交互式定义几何和边界条件的软件，以解决与旋风分离器（cyclone separators）相关的特定问题。这款软件由一名学生比尔·艾尔斯（Bill Ayers）作为毕业研究项目的一部分开发，并发表在《化学工程师学会会刊》上。在作者许可下，该期刊编辑附加了一条说明，告知读者可以联系作者获取源码副本。斯威森班克和博伊桑惊讶地收到了数百份请求，这让他们意识到交互式CFD代码的商业潜力。事实上，笔者在制作CFD0to1这门包含202集视频的课程中，也愈发地感觉到一个好的交互式界面的重要，它能够把直观地告诉学习的人参数变动对结果的影响。 创新的代码让CFD更快、更易用 博伊桑和谢菲尔德大学的研究生艾尔斯开发了一款通用版本的软件，与当时的CFD代码有着显著不同。它引入了交互式界面，用户可以通过图形化方式更改几何形状和边界条件，并观察由此产生的效果。该软件还引导用户完成前处理、求解和后处理的整个流程。这款软件被命名为Tempest，能够在大学的Perkin Elmer 3205计算机上解决400节点的几何问题。这台计算机尽管占据了一整间房间，但仅有1兆字节的随机存储器。艾尔斯将代码展示给美国的燃烧工程公司（Combustion Engineering）和巴特尔实验室（Battelle Laboratories），两家公司分别以几千美元的价格购买了源码。随后，斯威森班克和博伊桑与谢菲尔德大学的财务主管和法律顾问会面，询问大学是否愿意投资商业化这款软件。为了向非技术人员解释这项商业提议，他们举了一个例子：谢菲尔德的一栋建筑设计了一个装饰性水池，但建成后，建筑周围的气流将水溅到行人身上，最终不得不将水池铺平。如果使用Tempest，这种问题可以提前通过流体计算预测。然而，大学官员听到这个例子后却感到担忧，甚至联想到建筑倒塌和潜在的大量诉讼。他们明确表示，大学不想与这款软件有任何关系。

包含无限支持的授权模式助推Fluent快速成长 1982年底，斯威森班克联系了位于新罕布什尔州的一家咨询公司Creare，请求协助商业化这款软件。（多年来，Creare以孵化新公司而闻名。）这封信被转交给彼得·朗斯坦德勒（Peter Rundstandler），他将信件分发给公司的合伙人，询问是否有人感兴趣。除了巴特·帕特尔（Bart Patel）之外，所有人都拒绝了。他回复说：“这可能会很有趣。”艾尔斯随后将代码安装在Creare的Digital Equipment公司PDP-11小型计算机上，并向帕特尔展示。帕特尔对代码印象深刻。于是博伊桑和艾尔斯成立了一家公司Boteb，而Creare从Boteb购买了软件的商业权利，以10%的销售提成为条件，并保证至少支付25,000美元，同时承诺雇佣Boteb提供至少1,000小时的开发和支持服务。帕特尔认为“Tempest”这个名字过于复杂，因此将其改为“Fluent”，以突出其易用性。“

创始人在早期做出的几项关键商业决策，对于帮助Fluent在新兴CFD市场中脱颖而出起到了重要作用，”Fluent早期员工、后来的高管团队成员S. Subbiah博士表示。当时其他流体动力学软件开发商通常采用永久授权模式，并按小时收取支持费用。而帕特尔认为用户需要大量支持，如果按小时收费，他们可能会减少支持需求，从而无法取得理想效果。因此，他决定改为按年授权模式，以接近竞争对手永久授权价格的费用提供包含无限支持的服务。这一策略成为Fluent业务成功的重要分水岭。

另一个关键决策是将所有物理模型和求解器打包在Fluent中，以单一年度租赁价格提供。当时市场领导者CHAM采用模块化收费模式，每个模块或求解器都有独立定价。客户很难事先确定自己需要哪些模块，因此在考虑投资新技术时，对Fluent这种“一价全包”的模式更感兴趣。这种简化定价策略进一步增强了Fluent的吸引力。目前很多公司，比如Altair，Siemens的相关软件均采用一价全包的政策。

首场Fluent研讨会促成80%的参会公司购买软件 帕特尔（Patel）在市场推广初期避免直接与CHAM正面竞争，而是将重点放在燃烧领域，特别是燃气轮机。他要求博伊桑（Boysan）和艾尔斯（Ayers）添加处理夹带液滴和颗粒运动的物理模型，并将这些模型集成到交互式用户界面中，从而使新软件脱颖而出。1983年，为启动市场推广，帕特尔邀请Creare的客户——主要是领先的燃烧工程公司——参加一次研讨会。他为潜在参会者准备了一份介绍Fluent的宣传册，并要求与会者提前提交测试问题，承诺在研讨会上展示解决方案。意识到许多参会者可能是没有采购权限的工程师，他制作了一段视频，展示软件功能，便于参会者向其管理层展示。大约40人参加了这次研讨会，与会者当场购买了总价值15万美元的软件，最终有80%的公司购买了Fluent。帕特尔雇佣了第一位员工芭芭拉·哈钦斯（Barbara Hutchings），负责技术支持。哈钦斯组建了一支客户支持工程师团队，将“无限技术支持”商业模式扩展为一种真正以客户成功为核心的服务方式。这种方法不仅帮助建立了客户忠诚度，还使管理层能够通过支持团队了解客户面临的困难、他们即将开展的项目以及竞争对手的动向。

多学科团队推动CFD行业渗透 Fluent采用多个现场团队，每个团队专注于特定行业领域的销售。这些团队由销售、市场营销、客户支持和咨询人员组成，并作为独立利润中心运营。“这些早期团队领导者积累了丰富的盈利业务开发经验，许多人后来在Fluent及其他公司担任成功的管理职位，”Subbiah博士回忆道。博伊桑和艾尔斯留在谢菲尔德，在整个80年代完成了大部分开发工作。当问题出现时，帕特尔常常半夜打电话给博伊桑，而博伊桑则起身尝试解决问题。Boteb成为Fluent在欧洲的分销商，后来被Fluent收购并更名为Fluent Europe。

CFD软件用户体验成为关键竞争优势 1989年，英国钢铁公司（British Steel PLC）的年轻研究员基思·汉纳（Keith Hanna）描述了当时选择CFD软件的经历。当时，公司正在PHOENICS（CHAM开发）、STAR-CD（伦敦Computational Dynamics开发）和Fluent之间做出选择。在他的博客中，汉纳写道：“即便当时布莱恩·斯帕尔丁（Brian Spalding）已被视为CFD领域的巨擘，但PHOENICS复杂的多代码结构，以及代码间大量脚本操作让人望而却步。而FLUENT虽然技术功能稍逊，但其集成几何引擎、网格划分器、求解器和后处理器的简易性，以及用户体验，对我们产生了巨大吸引力。PHOENICS当时只能以批处理模式运行，而FLUENT允许我们在迭代过程中暂停求解器并查看流场，这一点尤为吸引人。”

与大学合作提供关键人才 帕特尔早期便以低价向大学提供软件，并与关键教授建立关系，以便从他们那里招募优秀学生。他专注于招聘对CFD充满热情且多才多艺的人才。候选人需接受一整天甚至更长时间的面试。早期的重要招聘包括：来自明尼苏达大学的迪潘卡·乔杜里（Dipankar Choudhury），现为ANSYS公司研究副总裁；来自康奈尔大学的韦恩·史密斯（Wayne Smith），他领导了Fluent非结构网格CFD求解器的开发，后来成为西门子PLM软件CD-adapco业务部门的软件开发高级副总裁；以及来自爱荷华大学的扎希德·谢赫（Zahed Sheikh），他在早期领导了Fluent销售团队，后来成为Flomerics的一名高管。

从结构化网格到非结构化网格 最初的Fluent代码采用笛卡尔网格，这意味着它无法直接应用于任意计算机辅助设计（CAD）几何体，而是需要在边界曲线区域使用阶梯式（stair-stepped）处理。经过几次失败的尝试后，博伊桑（Boysan）、塞尔吉奥·瓦斯奎兹（Sergio Vasquez）和坎昌·凯尔卡尔（Kanchan Kelkar）在20世纪90年代初开发了一个适合边界的版本。

早期Fluent的另一个限制是其使用结构化网格，这种网格生成耗时且难以高效地模拟复杂几何形状或捕捉流动物理现象。

Subbiah博士表示：“Fluent的创始人做出了许多大胆的决定，其中之一就是不追求块结构化网格技术。”当时，竞争对手提供的多块解决方案在网格生成方面具有显著灵活性，但Fluent管理层决定跳过这一步，直接投资于当时尚未成熟的自动化非结构化网格技术。这一风险最终使Fluent率先推出了自动化非结构化网格技术，成为行业领导者。

Creare的一名员工韦恩·史密斯（Wayne Smith）通过NASA的小企业创新研究（SBIR）基金开发了一种非结构化网格CFD软件，该软件能够在求解过程中自适应调整，例如在高梯度区域增加网格密度。完成SBIR项目后，史密斯及其团队（包括肯·布莱克和克里斯·莫利）转入帕特尔团队，开发该软件的商业版本。1991年，他们发布了TGrid四面体网格生成器和Rampant求解器，主要针对航空航天领域中的高马赫数可压缩流动。

尽管Rampant仅适用于有限的问题范围，原始的结构化网格Fluent代码仍是90年代初期的旗舰应用。然而，从1991年至1993年间，Rampant取得了几项关键进展，这些进展对Fluent未来的发展至关重要，包括引入客户端-服务器Cortex架构、域分解并行能力，以及乔·马鲁舍夫斯基（Joe Maruszewski）实现的一种基于压力的控制体积有限元方法，该方法优化了不可压缩流动问题的求解。这些改进被整合到1994年推出的Fluent/UNS 1.0中。同年晚些时候，由杰亚蒂·穆尔西（Jayathi Murthy）和桑贾伊·马图尔（Sanjay Mathur）领导的团队对Fluent/UNS进行了重写，采用更高效的有限体积公式，更适合大多数CFD应用。这一版本于1995年作为Fluent/UNS 3.2发布。穆尔西后来成为学术界的杰出人物，目前担任加州大学洛杉矶分校工程学院院长。Rampant和Fluent/UNS在随后几年内并行存在，并于1998年合并为一个单一代码，即Fluent 5，同时原始结构化网格Fluent代码被停用。Fluent 5将所有主要CFD建模功能整合为一个产品，包括适用于各种流动状态的非结构化网格方法、客户端-服务器架构，以及便于在并行超级计算机或新一代工作站（如Silicon Graphics、Sun和惠普制造）上运行的交互式用户界面。

Aavid Thermalloy提供资本支持 1991年，Fluent从Creare独立出来，但Creare保留了大量少数股权。帕特尔与多家投资银行接洽，希望获得资金买下Creare的股份并推动公司发展。然而，尽管Fluent已产生可观现金流，这些银行仍不愿资助杠杆收购。在此期间，帕特尔与新罕布什尔州电子散热器制造商Aavid Thermalloy的CEO一起打高尔夫球。Aavid也在寻找资金支持，于是两家公司合并，并于1996年1月完成首次公开募股（IPO），这不仅使得Creare股东退出，还为业务扩展提供了资金。IPO还使公司能够向员工发放股票期权，并收购多家竞争性的CFD软件公司以获取其技术和工程团队。这些收购包括Fluid Dynamics International及其通用CFD软件FIDAP，以及Polyflow S.A.及其专为处理层流粘弹性流动设计的软件Polyflow。2000年1月，私募股权投资公司Willis Stein & Partners收购了Aavid Thermal Technologies业务单元，而与此同时，Fluent销售额从1995年的800万美元增长到2004年的1亿美元。

被ANSYS收购 2006年5月，Fluent被ANSYS公司收购。ANSYS是一家专注于固体力学仿真的计算机辅助工程软件公司。在被收购时，两家公司收入相当，因此前Fluent员工对合并后公司的运营产生了重要影响。CFD行业之父布莱恩·斯帕尔丁曾高度评价Fluent对行业的影响。他指出，他创立的CHAM展示了流体力学问题可以通过计算机解决，而Fluent则证明了工程师可以利用这种软件解决现实世界的问题。这一评价重申了Fluent在实现其初衷方面的成功，即通过交互式软件结合强大的技术支持，使工程师能够“应用最先进的计算机仿真方法分析和解决实际设计问题，而无需耗费大量时间和成本进行编程”。 Fluent后续发展 Fluent在2014年引入NVIDIA AmgX求解器，首次将GPU技术用于CFD加速。同年推出伴随求解器，通过伴随敏感性分析推动智能设计优化，为设计师提供非直观的改进方向。2016年，Fluent在高性能计算（HPC）领域不断突破。同年，与Cray公司及斯图加特大学（University of Stuttgart）高性能计算中心合作，将Fluent扩展到超过172,000个计算核心，创下超算新纪录。2017年，Fluent引入专利的多面体非结构化网格自适应（ polyhedral unstructured mesh adaptation (PUMA)），自动细化网格以捕捉流动细节，同时保留粗网格以加速求解。另外它推出应力混合涡模拟（stress-blended eddy simulation （SBES））湍流模型，克服了传统混合RANS-LES模型中的网格依赖性和虚假分离问题。2018年，Mosaic网格技术通过高质量多面体单元连接不同类型网格，提高了复杂几何模拟的速度和精度，同时减少内存需求。喷雾破碎模型实现了从体积流体法（VOF）到离散粒子法（DPM）的过渡，为多相模拟（如喷雾破碎）提供了更高效的方法。同年，Fluent引入锂离子电池充放电过程中锂离子（Li-ion）传输的瞬态模拟，提供了完整的3D电化学商业解决方案。 继2018年喷雾破碎模型首次引入VOF（体积流体法）到DPM（离散粒子法）的过渡后，2021年Fluent实现了双向过渡，支持DPM到VOF的逆向转换，并扩展至欧拉壁膜（EWF）的过渡。在双向VOF-DPM-EWF模型中，落在自由液面上的DPM粒子会转回VOF公式，质量点粒子被替换为网格解析的VOF液体。这一功能使得多相流的破碎、聚集和薄化过程的模拟更加高效。同年，Fluent引入AI/ML（人工智能/机器学习）湍流调优，通过ML算法自动调整GEKO系数，而无需手动操作。工程师可以使用SBES等高保真湍流模型生成精确解，然后利用ML算法在3D流场中优化GEKO系数，从而在后续设计迭代中使用更快的GEKO模型，同时保持接近高保真解的精度。 Fluent在GPU技术应用方面持续创新，2022年推出原生多GPU求解器。这款全新求解器在稳态和瞬态CFD模拟中提供多项优势，包括减少求解时间、硬件成本和能耗，同时保持与CPU求解器相同的精度，并克服了之前GPU卸载的限制。据测试，使用六块高端GPU即可达到超过2000个CPU的性能。此外，Fluent推出了PyFluent，这是一个开源Python库，可用于从前处理到后处理访问所有Fluent命令。PyFluent结合了Python编程语言的复用性、强大的用户社区以及Ansys尖端仿真技术，为用户创造了无限可能性。

参考文献 https://www.nafems.org/blog/posts/analysis-origins-fluent/ https://www.ansys.com/en-gb/blog/ansys-fluent-history-of-innovations

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