有哪些计算流体力学（CFD）大牛的故事？

昨天才听了一个，来讲讲。主角是 Thomas JR Hughes，研究方向覆盖有限元、固体力学、计算流等多个领域，谷歌学术引用 126098（2021 年 7 月 29 日），是答主以前所知的引用量第二高的，第一是爱因斯坦…… Hughes 博士论文研究的就是血管里的流动，后来也提出了著名的 SUPG、Galerkin/Lease-Squares、Variational Multiscale 方法，来求解 CFD 问题，法国达索航空的 Falcon 喷气式飞机，就是用的他和合作者们开发的可压缩 Navier-Stokes solver 辅助设计的。

Hughes 教授是怎么走上学术道路的呢？他的原话就是，serendipity，阴差阳错。Hughes 本科在 Pratt Institute （纽约的一所私立大学）学习机械工程，通过学校和企业的合作项目，去了 Grumman Aerospace 做机械设计，负责设计喷气式飞机的起落架，是一个四连杆机构。设计完成，飞机试飞成功，Hughes 回到学校继续上学，第二个夏天又回到了这家公司，要设计水翼船上的四连杆机构，跟之前搞的完全一样，非常无聊。在执行任务情况汇报会（debriefing）上，主管的机械设计师告诉 Hughes，可以这辈子一直设计四连杆机构，再也不用学新东西了。这对于 Hughes 来说不啻阿鼻地狱，他的心砰砰直跳，想着这辈子再也不会回来了——后来也的确没有回去。

Hughes 继续在本校读机械工程的硕士，那时他是个牌佬，经常去扑克牌活动室打牌。有一天活动室满了，Hughes 没抢到位置，隔壁正好是家来学校招聘的公司，通用动力（General Dynamics Electric Boat，GD/EB），于是 Hughes 就报名了他们家的招聘。招聘人说，如果你学过结构动力学（指定了一本书），那欢迎来我司。那时学期刚开始，Hughes 正好有那本书，虽然还没读。面试中 Hughes 得以了解通用动力的研究室的工作，和学校所学迥然不同，颇有趣味。大家相谈甚欢，末了，通用动力的工程师写下了矩阵形式的运动方程：

\mathbf{Ma} + \mathbf{Cv} + \mathbf{Kd} = \mathbf{F}(t)

然后问 Hughes，你会解吗？真是个命运的时刻，Hughes 连这个方程是什么意思都不知道，那年他 23 岁，你会怎么做？当然是回答“Yes”。于是 Hughes 被录用了，从 1965 年开始，在通用动力当一名研发工程师。

研究室的主管是 MIT 的博士，他博士论文提出了一种做结构力学的矩阵方法（Hrennikoff Method），用梁单元、晶格类比，整个研究室就在用这种方法做结构分析。然而此方法有点玄学，Hughes 并不喜欢，他的同事提到了有一种新方法，叫有限元法，于是 Hughes 开始读相关著作，并说服了主管，转向有限元方向。Hughes 发现自己对研究很感兴趣，最终决定读 PhD，在通用动力（GD/EB）的 John Baylor 博士建议下，Hughes 前往伯克利，师从 Karl Pister（Baylor的导师也是 Pister）。那时伯克利是有限元方法的大本营，相关历史可以看文章：

Hughes 在伯克利学习了大量的数学和工科课程，博士毕业后留校，和 Robert Taylor （正是专栏文章的主角） 研究有限元方法在结构力学中的应用，并开始探索将其用于 CFD。自此，一颗学术新星冉冉升起。从伯克利，到加州理工，斯坦福，最后 2002 年在 Mary Wheeler 和 Tinsley Oden 的邀请下来到了 UT Austin。Hughes 作为力学家成就斐然，主编了 Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，被选为三院院士，美国计算力学学会（USACM）的计算流体力学奖也于 2012 年更名为 Thomas J.R. Hughes Medal。草蛇灰线，伏脉千里。多年以后，接过 ASME 最高荣誉奖牌的刹那，Hughes 会不会想起那个没有牌打的下午？

刷到了这个问题，刚好写过Antony Jameson的传奇经历，发上来以飨读者。

“在CFD领域，有一个人的贡献比其他所有机构加起来都多。”--安东尼詹姆森

0 CFD巨牛

流体力学是研究流动现象、机理和应用的基础学科，我们常说研究流体力学有三大手段：理论分析、数值计算和试验，其中数值计算手段就是计算流体力学，简称CFD (Computational Fluid Dynamics)。

在CFD发展的60多年中，有一个人的名字占据着巨大的舞台中央——安东尼詹姆森(Antony Jameson)。

有限体积法创始人、伴随气动设计理论提出者，这两个贡献，大大推动CFD和飞行器设计的发展，而且任何一个都足以彪炳史册。

本文介绍他传奇的人生经历和学术贡献，希望为大家思考提供素材。

1. 名门之后

安东尼詹姆森1934年出生于英格兰肯特郡，可谓出身名门。他的父亲为奥斯卡詹姆森，卓越的运动员、勇猛的军人以及称职的官员。

安东尼詹姆森对他父亲的感情特别深厚，在他的官网主页，有关他父亲的条目就有三个：父亲的简历、游历经历以及壁球技巧。

奥斯卡詹姆森是非常卓越的壁球运动员，排名曾高达世界第二，他在英国军队壁球比赛中获得四次冠军。

也非常擅长网球，曾获得3次LAWN网球公开赛冠军，最后一次夺冠时已经47岁了。他还六次参加温布尔登网球公开赛，进入过八强，只是被最后的冠军们淘汰。

奥斯卡还非常喜欢滑雪，直到76岁还去阿尔卑斯山，这个爱好同样遗传给了儿子。安东尼每次去欧洲参见学术会议，都会约几个同僚滑雪。

奥斯卡的人生大部分是在军队度过，二战时曾作为旅长在缅甸指挥英军作战，并授命去阿塞拜疆救助了10万被苏联监禁后遗弃的波兰人；战后的他在联合国和北约的军事办公室服役，负责不同国家武器的标准化和通用化工作。

退役后，奥斯卡进入牛津大学圣体学院，担任财务主管直到退休。

有这么优秀的父亲，安东尼詹姆森从小生活优渥，但他没有娇生惯养，而是努力学习，作出了巨大的学术贡献。

二、绚烂的人生经历

詹姆森今年已86岁高龄，他那仍在继续的一生，可谓绚烂多彩。

19-21岁，詹姆森在英国陆军中服役两年，以少尉军衔退役；

21-24岁，进入剑桥大学圣三一学院学习机械工程，获得学士学位；

26-29岁，在圣三一学院继续学习，并在28岁那年获得Alfred Sloan奖学金到麻省理工学院交流一年；

29岁，获得自然科学硕士和工学博士学位，博士论文题目为《磁流体中的波》；

30-31岁，詹姆森在英国总工会中谋得经济学家的职位，为工会活动提供经济数据；

31-32岁，在考文垂的霍克西德利动力公司导弹分部担任首席数学家；

32岁，搬到美国，进入著名的军火公司—格鲁曼航天—设立在纽约的空气动力中心，一开始从事控制理论在稳定性系统中的应用研究，36岁时开始专注跨声速流动的求解；

38岁，在格鲁曼工作6年后，詹姆森加入纽约大学库朗数学科学研究所，正式开始学术生涯。也是在纽约大学，他分别于39岁和40岁拿到计算机专业副教授和教授终身职位。这里吐槽一句，以目前国内高校35岁年龄线，詹姆森估计很难拿到中国的教职。

46岁，加入普林斯顿大学机械与航空系担任教授，并于48岁获聘航天工程专业詹姆斯麦克唐纳杰出讲席教授，同时他也是普林斯顿大学应用与计算数学中心的主任。在普林斯顿，他提出了著名的有限体积法和伴随方法。

63岁，离开工作17年的普林斯顿，加入斯坦福大学担任托马斯琼斯工程讲席教授，开始21年的加州生活。

84岁，从斯坦福大学退休，旋即加入德州农工大学海洋与航天工程系。

从19岁开始作为军人一直到现在，詹姆森历经军人、经济学家、数学家、工程师、流体力学专家、大学教授等多种身份，辗转英国剑桥、考文垂、美国纽约大学、普林斯顿大学、斯坦福大学和德州农工大学多个地方，引人羡慕不已。

除了丰富多彩的经历，更令人称道是他长寿的职业生涯。1997年，詹姆森63岁，在普林斯顿大学退休，但他没有颐养天年，而是继续在斯坦福大学工作21年，研究CFD方法和湍流模型。

2018年，84岁的他加入德州农工大学担任教授，而且不是养老的退休教授，是正儿八经的正教授；今年，又以86岁高龄兼任德州农工大学工程中心主任，可谓“老骥伏枥志在千里；烈士暮年壮心不已”。

真是让人心生向往，不知道谁可以幸运地读他的博士。

三、杰出的学术贡献

安东尼詹姆森可谓CFD界最牛之人，即使那些已经去世的大牛也很难与他相提并论。美国乔治梅森大学的赖纳德洛纳教授曾评价他“一个人的贡献比其他机构加起来都多。”

这话毫不夸张。

他的工作主要在两个方面：1) CFD技术; 2)气动外形设计。

CFD方面，最大的贡献是提出有限体积法，可以求解势流方程、欧拉方程、N-S方程，稳定性和鲁棒性都非常好。

有限体积法是CFD最重要的算法。这么说吧，当今几乎所有的CFD代码和软件，都会集成有限体积法，甚至大部分都会将有限体积法作为基础。

除了有限体积法，他在CFD的几乎每个领域都做出了重大贡献，比如中心差分格式、非结构网格、多重网格技术、双时间尺度求解非定常问题、LUSGS时间推进隐式格式、高阶格式稳定性等。

还是那句话，每一项贡献对于常人来说都足以吹嘘一生，但詹姆森却罕见的一个人做出了这么多工作，说他以一己之力推动了CFD的发展不为过。

在飞行器的气动外形设计方面，詹姆森提出了著名的伴随优化方法，通过求解伴随方程获得气动设计中目标对设计变量的梯度。在这种优化设计中，计算量与设计变量个数无关，每一轮优化只需要求解一次流动方程和伴随方程，优化设计效率大大提高。

目前伴随优化方法在国外发展非常迅速，几乎各大著名高校的航空系都有团队进行研究，相比之下，国内进展比较缓慢。国内的气动设计工作更倾向于替代流场分析，比如使用数据挖掘等技术建立代理模型等，与国外优先发展伴随方法的思路差别较大，谁优谁劣目前暂未分明。

詹姆森是一名高产的科研工作者，迄今已发表超过400篇学术论文，总引用次数36799，H-index 88。之前有篇文章说“詹姆森发文章喜欢发在小会议上或者烂杂志上，反正是SCI检索不到地方”，我仔细查阅了他的文章，发现不是这样，希望从事CFD和气动设计的同学不要被误导，大家还是要以high-level期刊为目标。

他有几项开创性的工作确实发表在学术会议上，比如1981年有限体积法(引用5152次)、1991年双时间步(引用1844次)。但是需要说明，第一，詹姆森爱好写作，具有极强的分享欲，而80年代的AIAA学术会议提供了快速的平台，适合他的风格。有学者曾说80年代他参加AIAA会议时，不止一次看见詹姆森或他的学生，拿着参会前一天刚写好的文章给大家分享；第二，詹姆森当时的工作极具开创性不假，但在深度上并不完整，很多工作只是提出思路用简单算例验证，并没有细致完整分析。当然这也符合他”不断试错快速迭代” 的风格，估计他发表文章时也没想到那些工作十分重大的意义；第三，那个时候的学术会议，尤其是AIAA（美国航空航天协会）旗下的会议还是具有相当含金量的，本人单位有位老专家曾跟我们说80年代他发表过一篇AIAA会议文章，评上了研究员。

除了以上的学术会议，詹姆森更多的重要工作是见于高水平期刊的，比如1988年伴随优化(Journal of Scientific computing, 引用1822次)、1988年LUSGS隐式时间推进(AIAA Journal, 引用1481次)，1983年多重网格技术(Applied mathematics and computation，引用638次)等。

在他发表的140多篇期刊论文中，有32篇AIAA Journal, 14篇Journal of Aircraft, 15篇Journal of Computational Physics, 12篇Journal of Scientific computing, 5篇IEEE Trans. on Automatic Control，3篇Progress in Aerospace Sciences。

如果有人说AIAA, JCP, JSC这些期刊影响因子不高，都在5.0以下。那我无fuck说，因为在我认知中（也包括业内认可），这些都是顶级期刊，发一篇足以高兴好几年，虽然数据跟生化环材期刊没法比。

四、巨大的工程价值

航空航天是极具工程属性的学科，詹姆森杰出的工作不仅体现在学术上，还具有巨大的航天工程价值。

在进入学术圈以前，詹姆森当过十几年的航天工程师，这种背景使他一直聚焦具体的工程设计问题，锻炼了发现问题、解决问题的实践能力，也为他将学术工作转化为实用的飞行器设计工具的提供了重要基础。

基于他在CFD和伴随优化方面的学术研究，他开发了两个系列程序：FLO和SYN。这两类程序被波音、空客、湾流、麦道等公司广泛应用于具体的飞机设计中。

FLO系列是流场模拟工具，SYN系列代码是飞行器气动外形设计工具。从名字应该也能看出，FLO是”FLOW”（流动）前三个字母，SYN应该是取自“DESIGN“（存疑）。詹姆森之所以只取三个字母，是因为他的程序都是FORTRAN编的，当时的FORTRAN程序最多只限定6位名字，而他还要为版本号留出3个数字。

表1列出了FLO系列程序的开发日期、版本号以及作用，基本与他发表相应的CFD理论方法时间一致，包括求解势流、欧拉方程、粘性流动等，可以清晰的看到詹姆森的学术发展历程；同时也可以看出，他具有非常强的实践能力，提出一个理论后可以快速的开发程序工具实现。

表1 FLO系列工具

表2列出SYN系列飞行器气动外形设计工具，也清晰的标出詹姆森的研究脉络。

表2 SYN系列工具

FLO和SYN系列程序，不仅是他教学科研的演示，更广泛应用于具体的飞行器设计中，下面简单列几例：

FLO22，掠翼跨声速势流求解器，应用于庞巴迪挑战者、麦道C17、MD-95（波音717）、B2战略轰炸机、三菱支线喷气式飞机，后改名为XFLO22，目前仍用于波音和长滩公司；

FLO27-28，通用性网格的三维势流求解器，被波音集成于波音A488软件，应用于737-500、747-400、757、767、777设计；

FLO57，三维欧拉方程求解器，应用于空客A310、320、330、340以及美国F-23黑寡妇战斗机设计中；

FLO67，三维欧拉方程多重网格求解器，应用于麦道MD12，MD95，MDHSCT高速民用运输机设计；

SYN87-88，三维欧拉方程的机翼伴随优化设计程序，应用于空客A380，麦道MDXX，湾流G650，MDHSCT，雷神Beech390，Hawker地平线商务飞机，巴西航空ERJ-190等；

AIRPLAN，整机欧拉方程求解和设计工具，应用于MD-12，MDHSCT，环球快车公务飞机。

这些工具的应用，改变了飞机设计的传统方式，大大提高气动外形设计的效率和精度，在世界飞机发展史上起了重要的推动作用。

为了表彰詹姆森的贡献，1994年，在他60岁生日时，波音公司专程赠送他一套他参与设计的飞机模型，包括737-500、747-400、757、767、777等飞机。

五、广泛的荣誉认可

杰出的学术贡献和巨大的工程推动作用，也为詹姆森赢得了广泛的荣誉。

1980年，NASA将杰出科学贡献奖颁发给他；1988年，他获得英国皇家航空协会颁发的金质奖章，表彰他在跨声速飞机设计方面的贡献；1991年，当选AIAA Fellow和剑桥圣三一学院荣誉院士；1993年，获得为AIAA流体动力学大奖；1995年，当选英国皇家协会院士，童年获颁ASME圣路易斯奖；1997年，当选为美国工程院外籍院士（是的，他一直是英国国籍）；2004-2005年，连续当选为英国皇家航空协会和皇家工程院院士；2005年，六大学术组织ASME, IEEE, SAE, SNAME, AIAA 和ASCE联名将Sperry先进飞行器设计奖颁发给他，以表彰他在现代飞机设计上的巨大贡献；2015年，他获得AIAA Pendary航空奖、冯卡门奖和英国皇家航空协会的颁发的银质奖章；他也被巴黎大学、乌普萨拉大学授予了应用数学荣誉博士学位。

2006年洛杉矶召开的世界计算力学大会，单独为他举办了一场特别的研讨会，以纪念他杰出的学术生涯，这估计是所有科研工作者梦寐以求的殊荣。

六、桃李满天下

在詹姆森将近50年的学术生涯中，总共培养55名博士，9名硕士，并指导11名博士后。

这些学生中，有的在世界知名大学任教，比如斯坦福大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、帝国理工大学、麦吉尔大学等；

有的在研究所和知名航空机构从事科研工作，比如NASA 兰利中心，Ams中心，桑迪亚国家实验室、洛马臭鼬工厂、波音气动设计部门、GE发动机设计部门等；

还有一些人转入其他行业，包括摩根斯坦利、高盛、苹果、ebay、英伟达、日立等。

看詹姆森那份长长的学生名单，有很多从事CFD研究非常熟悉的名字，让人不禁感慨，牛人带出来的学生，大部分也是牛人。

而且有那么多学生可以继续学术事业，想必他也非常欣慰。

除了科研和教学，詹姆森喜欢滑雪，喜欢画设计图，还比较有新意。

七、与中国的缘分

在詹姆森的经历中，有一段特别引起我的注意：

In 1986 he was appointed an honorary professor of North Western Polytechnic University in Xian, China.

1986年，被中国西北工业大学聘为荣誉教授。

早在30多年以前，他就与中国结下了缘分。据不确切消息，当年一位陪同他翻译的西工大学生，就此被他看中带往普林斯顿攻读博士学位，后来也在美国拿到了教职。

詹姆森招收过多名来自中国的博士生或博士后，包括香港科大的Kun Xu，乔治华盛顿大学Chunlei Liang, 麻省理工的Rui Hu等，也跟很多华人科学家有合作，比如堪萨斯州立的Zhijian Wang, 麻省的Qiqi Wang等。

八、从他身上学到什么

像詹姆森这种学术大牛，笔者心向往之身不能至，本来文末应该总结点人生经验，奈何文思浅薄、文笔粗陋，无从下手。

幸而有人专门刊文总结了詹姆森成功的学术经验（Löhner, Rainald. "The Jameson way." Computers & Fluids 2020, 215: 104791），很是独到、准确和精辟，在此摘录以总结本文。

坚持一线研究：

虽然现在学术界的普遍玩法是吸引大量资金，招募很多学生，但这样就不可以避免的从学术转向管理，并越来越远离一线，不知道现在的研究是什么。詹姆森的经验则是一定要坚持一线研究，才能时刻紧跟发展保持敏锐。

带着问题思考：

工程上的进展一般是进化式，而不是革命式，也就是每次提高一点，所以很难从根本上变革一个行业。詹姆森的经验是直面出现的问题，并提出改善方法，这样长时间积累下来，就会发现行业表现出了革命性的变化。

不断试错迭代：

面对问题，不断测试才能真正理解不足。失败是成功之母，CFD方面很多开创性的贡献都是不停迭代测试找到的。

亲自编程测试：

唯一能提高CFD技术水平的方法就是测试你的想法，也就是编程。而且编写程序也是理解一个概念最好的方法，詹姆森很多思路都是在编程时想到的。现在市面上有很多开源或商业软件，这可以快速用，但如果提高CFD水平，还是得亲自上手编。

优先快速解决：

在CFD发展中，詹姆森很少去编写“通用”或“傻瓜”式代码，他都是以特定目标为对象快速实现算法，验证算法的有效性。与“通用”化代码相比，这些适用范围比较窄的代码实现效率很高，运行效率也很高，这就使得他可以快速测试自己的想法。反之，如果是通用化的代码，则会拖慢效率，进而影响新想法的提出。

大量发表论文：

发表论文不仅分享知识和发现，也是学者们聚焦思考、磨砺想法的有效过程。詹姆森喜欢写作和分享，每有一些进展，他都会撰文投稿。他的论文以简洁、明晰著称，其他人读完他的论文后可以很容易复现，不像现在有些文章将简单的想法埋藏于花里胡哨的理论和公式后面，让人不知所云。

这些经验，包括坚持一线研究、时刻思考问题、不断试错迭代、亲自编程测试、优先快速解决、大量发表论文等，相信仍然值得科研工作者尤其是CFD从业者学习。