Centième anniversaire de la CFD

 Inspiré par Benchmark octobre 2022 publié par Nafems. En fait d'anniversaire, il s'agit du retour sur 100 ans de CFD depuis l'ouvrage de Lewis Fry Richardson "Weather prediction by numerical process". Sans oublier le bicentenaire des équations de Navier-Stokes  (pour aller plus loin, lisez ce lien), qui ne fait référence qu'à Claude Louis Marie Navier et son Mémoire sur les lois du mouvement des fluides du 18 mars 1822 ou encore ceci.

Sans faire trop de sémantique, pour le C de CFD il est un peu tôt tandis que pour le F il est déjà très tard. Néanmoins suivons l'évolution depuis un siècle. Avant, nous avons déjà proposé une bibliographie de la CFD et parlé de Richardson dans nos premiers articles de base

Mais à propos, depuis quand parle-t'on de CFD ? 1967 (Chia Kun Chu de la Columbia University) dans une collection d'articles

Dans sa revue Nafems suit 6 chemins. Accompagnons-les.

1. Equations
1. Navier-Stokes (1822-1845) : Navier introduit il y a deux cents ans, la viscosité dans les équations d'Euler "Mémoire sur les lois du mouvement des fluides" et Stokes donne une forme définitive aux lois de conservation "On the steady motion of incompressible fluids" (p 342) ou On the theories of the internal friction of fluids in motion and of the equilibrium and motion of elastic solids
2. Joseph Valentin Boussinesq (1877) introduit le concept de viscosité artificielle "Essai sur la théorie des eaux courantes"
3. Osborne Reynolds (1895) propose la décomposition des quantités instantanées ce qui conduira au modèle RANS (Reynolds-averaged-Navier-Stokes) pour décrire les écoulements turbulents "On the Dynamical Theory of Incompressible Viscous Fluids and the Determination of the Criterion"
4. Ludwig Prandtl (1904) propose la longueur de mélange pour les écoulements cisaillés "Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung"
5. Andrey Nikolaevich Kolmogorov (1941) introduit le taux d'énergie spécifique de dissipation de l'énergie cinétique "The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds numbers"
6. P. Yo Chou (1945) Les équations de Reynolds-Chou-Navier-Stokes "On velocity correlations and the solutions of the equations of turbulent fluctuation"
7. Joseph Smargorinsky (1956) introduit Large Eddy Simulation (LES) "On the inclusion of moist adiabatic processes in numerical prediction models"
8. Steven A. Orszag (1970) DNS pour Direct Numerical Simulation : Analytical theories of turbulence
9. WP Jones, Brian E Launder (1972) modèle k-epsilon amélioré en 1974 : "The Calculation of Low-Reynolds-Number-Phenomena with a Two Equation Model of Turbulence"
10. 1986 : création de ERCOFTAC (European Research Community on Flow, Turbulence and Combustion)
11. Steven A. Orszag, Victor Yakhot (1986) RNG "Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory"
12. Philippe Roland Spalart - DES pour Detached Eddy Simulation (1997) : "Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach" (avec VVH Jo, Michael Strelets, Steven R Allmaras)
2. Différences finies (ce blog prépare une histoire mondiale)
1. 1908 - Lewis Fry Richardson "A freehand graphic way of determining stream lines and equipotentials"
2. 1928 - Introduction du CFL par Richard Courant, Kurt Otto Friedrichs, Hans Lewy, H. : "Über die partiellen Differenzengleichungen der mathematischen Physik" (p.32)
3. 1933 - Alexander Thom "The flow past circular cylinders at low speeds", première solution numérique d'un écoulement autour d'un cylindre
4. 1944 - John Von Neumann : “Proposal and Analysis of a New Numerical Method for the Treatment of Hydrodynamical Shock Problems" où une méthode de différences finies est développée
5. 1944 - Hans Albrecht Bethe, Klaus Fuchs Joseph O. Hirschfelder John L. Magee Rudolph E. Peierls, John Von Neumann (Richard P. Feynman) : Blast wave
6. 1947 : Robert Davis Richtmyer  Monte-Carlo et avec Peter D. Lax le théorème fondamental de l'analyse numérique (1956) "Survey of the stability of linear finite difference equations"
7. 1949 : Robert Davis Richtmyer, John Von Neumann : "A method for the numerical calculation of hydrodynamic shocks"
8. 1972 - SIMPLE, algorithme qui utilise le concept de correction de pression. Suhas V. Patankar et Dudley Brian Spalding "A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows", 
3. Eléments finis
1. Voir notre histoire
4. Volumes finis/SPH/Spectral/LBM (ce blog prépare une histoire mondiale des volumes finis)
1. 1977 - SPH 
• Smoothed Particle Hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars – (Robert A. Gingold, Joseph J. Monaghan)
• A numerical approach to the testing of the fission hypothesis – (Leon Brian Lucy)
2. 1977 - Méthodes Spectrales
• Julio Cesar Diaz : A collocation-Galerkin method for the two point boundary value problem using continuous piecewise polynomial spaces
• Mary Fanett Wheeler : A  C0-Collocation-Finite Element Method for Two-Point Boundary Value Problems and One Space Dimensional Parabolic Problems
3. 1978 - Larry C Young (Spectral) : Efficient finite element method for reservoir simulation
4. 1981 - Cyril W. Hirt, Billy D. Nichols - VOF : Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries
5. 1984 - Anthony T. Patera (Spectral) : A spectral element method for fluid dynamics: laminar flow in a channel expansion
6. 1986 - Uriel Frisch, Brosl Hasslacher, Yves Pomeau (LBM) : Lattice-gas automata for the Navier-Stokes equation
5. Matériels
1. 1943 - Colossus en Grande-Bretagne
2. 1945 - ENIAC aux USA
6. Logiciels
1. 1975 : FLO22 ( Guy Antony Jameson, David A Caughey) 
2. 1980 - FLOW-3D (Cyril W. Hirt)
3. 1981 - PHOENICS (Dudley Brian Spalding)
4. 1983 - TEMPEST CFD, FLUENT (Jim Swithenbank, Hasan Ferit Boysan, William H Ayers) repris par Ansys en 2006
5. 1985 - FLOW3D, CFX (AEA Technology) repris par Ansys en 2003
   
6. 1986 - STAR-CD (A David Gosman, Raad I Issa) repris en 2016 par Siemens
7. 1989, 2004 - FOAM (MOUSSE), OpenFOAM (Henry G. Weller) repris en 2012 pa ESI
7. Ouvrages/Articles (voir notre bibliographie)
1. 1967 : le 1er article décrivant un calcul 3D par John L. Hess et Apollo Milton Olin Smith de Douglas Aircraft "Calculation of potential flow about arbitrary body"
2. 1976 : Patrick J.  Roache’s Computational fluid dynamics 
   
3. 1989 : Charles Hirsch Numerical Computation of Internal and External Flows ; The Fundamentals of Computational Fluid Dynamics
4. 1990 - John L. Hess (Revue) : "Panel Methods in Computational Fluid Dynamics"
5. 1992 - Shiyi Chen, Zheng Wang, Xiaowen Shan, Gary D. Doolen : Lattice Boltzmann Computational Fluid Dynamics in Three Dimensions 
6. 1998 - Shiyi Chen, Gary D. Doolen (revue des méthodes LBM) : Lattice Boltzmann method for fluid flows

Et le futur de la CFD ? Quelques idées mais on ne rêve pas encore de révolution

1. 2022 : Machine learning-based CFD simulations: a review, models, open threats, and future tactics (Dhruvil Panchigar, Kunal Kar, Shashank Shukla, Rhea Mary Mathew, Utkarsh Chadha, Senthil Kumaran Selvaraj)
• Incertitudes
• Algorithmes génétiques
• Apprentissage automatique
2. 2022 : The future of computational fluid dynamics (CFD) simulation in the chemical process industries (David F. Fletcher)
• Logiciels
• Matériels
• Compétences
• Maillages, turbulence, écoulements réactifs, écoulements multiphasiques, V&V
3. 2020 ; CFD of the Future: Year 2025 and Beyond (Akshai Kumar Runchal, Madhukar M. Rao) 
• Jumeaux numériques, modèles réduits, réseaux de neurones
• Extension des applications
4. 2017 : Future Directions of Computational Fluid Dynamic (Freddie D. Witherden, Guy Antony Jameson)
• CFD - Aérospatial
• Etat actuel
• Le rôle du matériel
• Les méthodes d'ordre élevé
• Les challenges : pas de temps implicite, maillages, frontières mouvantes, erreurs, adaptation, multiphysique, masse de données, apprentissage automatique
5. 2012 ; The future of CFD and the CFD of the future (Akshai Kumar Runchal)
• Les limitations : transfert géométrie-maillage, facilité d'utilisation, rapidité, robustesse, incertitudes, confiance (V&V)
• Le futur : matériel, logiciel, graphique
• Le code idéal
6. 1999 ; CFD Education: Past, Present, Future (Bram van Leer)
• Orienté éducation avec un programme de cours