Fluent发展历程回顾：40余载初心不改

注：译者在翻译过程中结合了其它材料，并根据自己的了解添加了部分注释，故译文与原文略有出入。

『编者按』

2019年，是Fluent诞生40周年。能够成为一款对行业影响极其深远的成功软件，除了深厚的技术和经验沉淀，还需要那份最难于坚持的初心。翻阅Fluent的历史，可以看到其几个创始人都是普通学生，当时他们的目的就是想把CFD软件商业化、普及化。后来在得到企业资助后，Fluent也始终保持着“为工程师们提供一个交互式的软件，向他们提供强大的技术支持”的初衷。本文梳理了Ansys Fluent的发展历程，或可为国内CAE行业从业人士提供一些参考。

绝大多数市面上如雷贯耳的软件都得益于其一两个创始人非凡的远见（如Ansys结构软件最早就是Swanson博士一个人的杰作）。然而，Fluent却是由一群年轻人创造出来的。这里要提到的第一位是来自土耳其的Hasan Ferit Boysan（在2006年Ansys收购Fluent前，担任Fluent的COO）。1975年他来到英国谢菲尔德大学开始了他的流体力学研究生课程。当时流体力学里面几乎所有的计算工作都是手算完成的，Boysan遇到了另外一个土耳其学生Ali Turan，Turan当时正在做Cora3代码的研究工作，Cora3是伦敦帝国理工学院的斯波尔丁教授开发的最早的CFD代码，用以模拟突扩燃烧室中的燃烧现象。就像当时所有的CFD代码一样，用户必须在使用前制作穿孔输入卡片，而卡片上的错误只有在求解器崩溃后才能发现。Turan请求Boysan帮着用Cora3求解他博士论文中的一个问题。进展非常缓慢，因为每次改变几何或者是边界条件，就不得不重新手工制作打孔卡片。

这段经历非常痛苦，不过他们最终获得了足够的结果。Turan成功完成了博士论文，1976年，Boysan回到了土耳其。因为可以利用计算机代码获得一点计算结果，他已经在CFD领域小有名气了。

1979年，在谢菲尔德大学化学工程系的教授Jim Swithenbank的邀请下，Boyan再次返回谢菲尔德，帮助教授开发了一款可以交互式定义几何和边界条件，专门用来求解旋流分离器的代码。一名叫Bill Ayers的学生当时也参与开发了这款软件。软件最终发表在化学工程师学会汇刊上，并声明可以免费给读者提供源代码的拷贝。随后，几百封索要源代码的邮件涌入了他们的邮箱，这几个年轻人意识到，交互式CFD代码可能拥有巨大的商业潜力…

新纪元开启，交互界面出现了

Boysan和Ayers当时还是谢菲尔德大学的研究生，他们开发了一款通用目的的程序，该程序代表了CFD的一个新纪元的启航——交互式界面出现，用户可以在图形界面上修改几何、边界条件，并且观察这些变化产生的效果。这款软件也定义了前处理、求解、后处理的求解过程。软件被命名为Tempest，在谢菲尔德大学的Perkin Elmer 3205的计算机上，它可以求解400个节点的几何。这台古董级的机器内存只有1MB，却占用了学校的一整间屋子！

随后，Ayers向燃烧工程公司和巴特尔实验室展示了Tempest，两家公司对此展示了极大的兴趣，并花了几千美元买了源代码。这让Boysan等人备受鼓舞，他们决定向谢菲尔德大学寻求投资，以便将该软件进一步商业化。可是，到底要如何向非专业人士解释这个具有商业前景的项目呢？很快他们将目光锁定在谢菲尔德大学刚刚修建的一所带有观赏水池的大楼，这座大楼完工后，大楼周围的气流把水吹到了人行道上，最后校方又不得不把水池填平。这几个年轻人想以此为例，展示Tempest其实可以计算大楼周围的气流，从而事先预测出这个问题并及时规避。然而，学校管理层得知这项技术后，却十分担心由此发现更严重的大楼设计问题，加上当时他们并不看好这款软件，所以，拒绝了雄心勃勃的这群“企业家”们。

前面提到的Swithenbank教授，当时还是一家位于美国新罕布什尔的叫做Creare（Creare是一家工程咨询公司，同时也投资一些小型的前瞻技术公司。有兴趣的读者可以查看一下该公司的网站，到现在，他们还在利用Fluent软件向客户提供CFD咨询服务）的咨询公司的特约雇员。1982年底，他写信给这家公司请求商业化他们的软件（当时Creare已经成功孵化出了一系列的公司）。这封信被转发给了公司合伙人，但是除了Bart Patel（在2006年Ansys收购Fluent前，担任Fluent的CEO），每个人都对此毫无兴趣。Bart向老板回了一个便条，说“这个东西可能很有趣”。Ayers于是把代码装在了Creare的DEC PDP-11微型计算机上，向Patel进行了展示，Patel立即喜欢上了这款软件。

后来，Boysan和Ayers成立了一个叫做Boteb的公司，Creare从Boteb公司购买了软件的商业版权，提供了10%的销售版税和25,000美元的最低保证，并且同意购买Boteb至少1000个小时的开发和支持服务。这时Patel察觉到，Tempest这个名字听起来太复杂了，遂将其改名为Fluent，以此来强调这款软件的易用性（Fluent有流利、顺畅的意思）。

原Fluent总部。目前，Ansys CFD产品的主要研发部门还在这栋二层小楼里办公

“无限”技术支持的软件授权，Fluent发展步入快车道

在最初几年，创始人们的几个关键决定起了非常大的作用，就是这些决定，最终让Fluent在当时蓬勃兴起的CFD市场中脱颖而出——当时，其它的流体软件开发者售卖永久授权，而技术支持则以小时收费。Patel发觉，用户其实需要大量的支持，但是，如果不得不按小时来付费，他们会选择使用比实际需要少得多的技术支持，因此最终可能无法得到理想的结果。所以，Patel决定以年租的形式进行授权销售，这种授权包含了无限的技术支持，其综合售价非常接近竞争对手永久授权的价格。这是一项关键性的决策，对Fluent最终的成功起到了至关重要的作用。

另一个关键决策就是将所有物理模型和求解器都打包到Fluent中，把它们作为一个整体制定统一的年租价格进行售卖。当时，市场的领导者是CHAM（CHAM公司及其主打产品Phoenics是大名鼎鼎的斯波尔丁教授的杰作），它的销售策略是，给用户一个模块和求解器菜单，每个模块都有单独的价格，然后让用户来选择。可是用户发觉很难事先决定他们要买哪些求解器和模块。而Fluent的打包出售策略就非常吸引人，尤其对于投资新的技术方向的使用者来说，这种策略通常效果更好。

首届Fluent研讨会收获80%订单

在市场和行业定位上，Patel最早将重心聚焦在了燃烧和燃气透平机械上，从而避开了与对手CHAM的直接竞争。随后他要求Boysan和Ayers增加物理模型，让软件能够处理液滴、颗粒的运动，并且把这些模型整合到交互式的用户界面中。

Patel在市场推广方面做出巨大的努力。1983年，他邀请Creare具有燃烧技术背景的客户参加Fluent首届研讨会，期间还准备了一个参会手册分发给那些客户。Patel请参会者预先提交测试问题，然后在研讨会中Fluent提供测试结果。了解到多数参会人员是没有购买决策权的工程师后，他还制作了一个适合让工程师向他们的经理充分展示软件能力的视频。大约40个用户参加了这次研讨会，会议期间，80%的参会者最终成交了价值15万美元的软件订单。

随后，Patel趁热打铁，雇佣了第一个正式员工来处理技术支持问题，他让技术支持团队聚焦于如何帮助用户使用Fluent获得成功。这种方法加深了客户的忠诚度，技术支持去切身观察、聆听客户的需求，从而更有效地探索下一阶段的技术路线。

Fluent首届研讨会参会手册封面

参会手册中Fluent的计算结果

不断发展完善的Fluent

随着不断发展，Fluent建立了多个工业领域团队，每个团队聚焦在特定的工业领域去销售Fluent。这些团队内部本身包含了多个职能，例如，销售、市场、客户支持和咨询，且被置于一个单独的业务部门下管理。早期的团队领导在开发利润丰厚的业务方面，获得了大量的经验，他们中的许多人后来在Fluent或其它领域取得了非常成功的职业发展。

整个1980年代，Boysan和Ayers都呆在谢菲尔德，做了大量的开发工作。一旦遇到问题，Patel就会给Boysan打电话，有时，甚至在午夜，Boysan也会接到Patel的电话，然后起来试着找出到底是哪里出了问题。而Boteb也逐步发展成Fluent在欧洲的分销商，并最终被Fluent收购，成为Fluent的欧洲业务部门。

水下防喷器的网格。如今Fluent只需要30分钟就可以完成，对比上图1980年代Fluent中对换热器的模拟，可以感受到它的演变。（图片来源：Bill Kulp，Ansys Blog 2019）

与此同时，Patel非常注重与高校的关系。一开始就以较低的价格向大学提供软件，与相关领域教授建立良好的关系，并在招募优秀学生时也获得了院校的大量帮助。他专注于招募那些对CFD有激情的天才人物，候选人通常要经历长达一天甚至更长时间的面试。

早期的关键性招募包括来自于明尼苏达大学的Dipankar Choudhury（他在2006年Ansys收购Fluent前，担任Fluent的CTO），现在是Ansys的研发副总裁；来自于康奈尔大学的Wayne Smith，他领导了Fluent的非结构化网格CFD求解器，后来加入了西门子PLM软件的CD-adpco，成为其高级软件研发副总裁；还有来自于爱荷华大学的Zahed Sheikh，他领导了Fluent的早期销售团队，后来成为Flomerics的首席执行官。

Keith Hanna描述了1989年他作为年轻的研究员在位于提赛德的英国钢铁公司的经历。公司当时需要从后来几个通用CFD市场领导品牌中做出选择，包括：CHAM的Phoenics、Computational Dynamics的Star Cd和 Fluent。在他的博客中，Hanna说到：

   “尽管当时斯波尔丁被看成CFD领域的伟人，而且英国钢铁公司的专家们非常敬畏他。但是，Phoenics的架构是一个斯波尔丁称为行星和卫星系统的多代码架构，代码之间需要大量的脚本。而Fluent集成了几何引擎、网格生成器、求解器和后处理，尽管当时整体看它的功能少于Phoneics，但使用的简易性和用户体验方面对大批潜在用户产生了巨大的影响，所以最终我们选择了Fluent。Phoenics当时只能以批处理的方式运行，而我们喜欢的是可以随时在迭代的过程中停下Fluent，观察流场。”
   

从结构化到非结构化网格

早期的Fluent代码是一个正交网格程序, 这意味着，网格不能应用到任意的CAD几何上面, 在曲面边界上不得不简化为阶梯状。在进行了一些尝试以后，Fluent终于在90年代早期开发了一个适体版本。

当时，Fluent的另外一个限制是，它必须使用结构化网格，这种网格在生成时非常耗费人力。并且，不适合模拟复杂的几何，在捕捉流动的物理方面也不够高效（原文的意思是，当时Fluent已经开发出了结构化的适体网格，但这种技术的通用性和易用性仍然在实际中受到挑战）。

Fluent的创始人们做了很多大胆的决定，其中一个是决定不再追求块状的结构化网格。在90年代早期，Fluent是一个单块网格代码，而当时竞争对手已经提供了多块网格解决方法，在网格方面这种方法要灵活得多。尽管当时有非常大的市场压力推动Fluent开发多块网格技术，但管理层决定略过这种技术，选择直接开发自动化的非结构化网格技术，这个看似极具风险的决策，却最终使Fluent成为行业领导者。

另一个Creare雇员，Wayne Smith开发了可以在求解过程中自适应的非结构化网格CFD求解器，例如在大梯度区域增加网格的密度。完成该项目后，Smith和他的团队转到Patel的项目组里，开始为一个新软件的商业化工作。他们最终的成果就是，Tgrid四面体网格生成器（Fluent Meshing的前身）和Rampant求解器（熟悉Fluent的Scheme语言的读者应该知道rpsetvar/rpgetvar等指令，其中的rp指的就是Rampant），后者专注于航空航天领域的高马赫数可压缩流动。

由于Rampant局限在相对较小的应用领域里，原来的结构化网格Fluent代码在1990年代早期始终是公司的旗舰产品。在1991到1993期间，Rampant获得了几个重要的技术进步，这些进步将被证明对Fluent未来的发展至关重要。其中包括客户端服务器Cortex架构的引入，域分解并行技术，以及针对不可压流动问题、利用代数多重网格技术的压力基有限容积方法。

对于多数读者来说，可能Rampant比较陌生。事实上它是Fluent发展过程中非常重要的产品，奠定了Fluent强壮和极易扩展的底层架构。上图是用户使用Rampant完成的飞机气动性能模拟的结果云图（图片来源于Richard Smith的学位论文）

1994年，这个版本作为Fluent/UNS 1.0被投入市场，随后Jaythi Murthy（当时他领导着Fluent的研发团队），和Sanjay Mathur花了几个星期的时间重写了Fluent/UNS，把它变成了一个在方法和物理上，对于绝大部分的CFD问题更加高效的有限容积代码，并且在1995年作为Fluent/UNS3.2公开发布。Murthy后来继续在象牙塔中大放异彩，他目前是加利福尼亚大学洛杉矶分校的工程系主任。

而Rampant和Fluent/UNS在未来的数年里同时存在，直到1998年，他们被合并成了一个软件，也就是Fluent 5。

Fluent 5迅速成为了旗舰产品，原来的结构化网格Fluent代码被终止开发了。所有主要的CFD功能方法都被集成在了一个软件里面，包括适用于所有流动问题的非结构化网格方法，以及带有简单易用的交互式用户界面、可以在并行超级计算机或者是SGI、Sun和惠普新一代的工作站集群上运行的客户端-服务器架构。

当Fluent 遇上Ansys

Fluent在1991年脱离Creare公司，后者只保留少数股权。Patel接触了好几家投资银行, 希望能够获得资金支持买断Creare的股权，把公司带入下一个发展阶段。尽管Fluent当时已经可以产生数目可观的现金流，但银行无意于进行收购。这时，Patel正好和Aavid Thermalloy的CEO在一起打高尔夫球，Aavid Thermalloy是位于新罕布什尔的专门为电子设备生产散热器的一家公司。Aavid当时也在寻求资金支持，所以Fluent和Aavid进行了合并。1996年1月，合并后的公司进行了IPO，这样，Creare的股权被最终买断，新的公司也获得了扩张所需要的资金。

之后，Fluent逐步收购了一些富有竞争力的CFD软件公司，借此来获得他们的技术和团队，这其中包括通用CFD软件Fidap和Polyflow，后者专门处理层流粘弹性流动，而Fluent也在此期间获得长足的发展，销售额从1995年的800万美元，快速增长到2004年的1亿美元。

2006年5月，正如大家所熟知的，Fluent被Ansys收购。Ansys当时业务主要是固体结构力学，两家公司在营收上几乎一样，Fluent的加入，使得Ansys如虎添翼。

业界公认的CFD工业之父斯波尔丁教授曾经非常直白地表达了Fluent在CFD行业的影响力。他说，他成立的CHAM公司向世界展示了流体动力学问题可以在计算机上进行求解，而Fluent，证明了工程师可以用这个软件求解真实世界的问题。

他的表述再次肯定了Fluent最初就设定好并一直为之努力的目标——为工程师们提供一个交互式的软件，并且向他们提供强大的技术支持。

“使工程师们无需耗时耗力地开发代码，就可以应用先进的计算机仿真方法去分析求解实际的设计问题“

——摘自1983年Fluent产品手册

Ansys CFD系列产品发展历程

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