商業 CFD 的三次浪潮
最近幾年，人們發表了許多關於流體模擬史的論文。許多早期的CFD先驅（例如 Brian Spalding、David Tatchell、Ferit Boysan 和 Michael Engelman）分別透過訪談或撰文等形式回憶了過去難忘的歲月。諸多歷史資料、技術資訊和個人回憶對工程模擬軟體發展歷程的描述都非常一致，即從最初的學術研究程式碼到我們今天所瞭解的現代CFD產品，多家跨國軟體企業公司以工業規模參與了其中的開發和支援活動。CFD的發展與計算硬體效能的不斷提升緊密相連，早期階段主要是用於航天和國防領域的專案研發，後來才越來越多地用於民用行業。回顧過去， CFD軟體在工業應用中的發展可以分為三大階段：
第一次浪潮：商業CFD軟體起步於上世紀70-80年代。
第二次浪潮：上世紀90年代，CFD開始進入大型工業企業的研發部門。
第三次浪潮：千禧年之後，CFD已成為企業產品開發流程不可或缺的部分。
Hanna 和 Parry （2011） 等人對這一主題進行過精彩概述，並提供了詳盡的書目。Runchal（2008年）和 Tatchell（2009年）也對此發表過生動有趣的目擊報告。
圖1 上世紀 80 年代的流體模擬 （Hanna & Parry， 2011）
第一次浪潮：商業CFD軟體的起步
在第一階段中，CFD軟體工程師們編寫的程式碼實際上源於美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 （Los Alamos National Laboratory） T-3 流體動力學研究小組從1958年起一直開展的工作，以及倫敦帝國理工學院 （Imperial College London） D。 B。 Spalding 教授於上世紀60-70年代領導的研究活動。
上世紀60年代末，由D。 B。 Spalding 教授建立的CHAM （Concentration， Heat and Momentum Ltd。） 公司（原址位於倫敦帝國理工學院）開始對外提供諮詢服務。1974年，CHAM公司搬到了倫敦附近新莫爾登的新辦公室，從此開啟了商業CFD軟體的時代。最初，CHAM的核心經營活動就是為客戶開發定製的CFD程式碼，後來發現，這項工作不僅耗時費力，而且效率極低，因此公司決定開發通用CFD軟體包用於內部諮詢工作，並於1981年將其作為商用產品推向市場，取名為 PHOENICS。這標誌著CFD軟體產業的正式誕生 （CHAM Ltd， 2008）。其他公司迅速跟進，紛紛仿效。美國Fluid Dynamics International 公司於1982年推出了基於有限元的CFD軟體包FIDAP，而美國Creare。Inc 則於1983年釋出了採用有限容積法的CFD程式碼 Fluent。1980年，C。 W。 Hirt 博士透過洛斯阿拉莫斯國家實驗室資產重組成立了美國Flow Science 公司，並於1985年釋出了Flow-3D。此後市場出現了更多CFD軟體包，其中包括英國哈威爾原子能研究中心於1987年推出的 Flow3D 和加拿大Applied Scientific Computing 公司於1989年釋出的 TASCflow（這兩款軟體現在已整合成為ANSYS CFX。倫敦帝國理工學院另一位教授David Gosman 與他人共同創辦了 Computational Dynamics/ADAPCO（英國/美國），並於1989年釋出了StarCD。
上世紀90年代初，工作站製造商矽谷圖形 （Silicon Graphics） 公司在其軟體目錄上列出了多達18種與其硬體產品相容的商業CFD軟體包，爭奪當時市值3000萬美元的CFD市場 （Boysan et al。， 2009）。這些CFD軟體包所依據的基本技術大部分來自上述兩家科研機構（倫敦和洛斯阿拉莫斯）的前僱員或客座科學家的研究成果或其發表的科學出版物。不過，CFD技術在其他地方也有所發展：上世紀80年代，前蘇聯在其軍用和民用航空航天專案中採用了另一種CFD模擬方法，但鑑於當時的世界政治格局，這一方法很大程度上未能引起西方科學界的注意。前蘇聯CFD模擬的技術任務與西方非常相似，不過與西方相比，他們的解決方案可用的計算資源受到了更多侷限。雖然如此，由於這些研究專案具有很高的政治優先度，前蘇聯進行了大量的流體流動和熱傳遞（尤其是近壁區）實驗，記錄了非常豐富的實驗資料。這種情況讓CFD的替代方法得以蓬勃發展。這些方法的共同基礎就是眾所周知的發表在西方科學出版物上的笛卡爾網格法，也是數值、分析和經驗資料相結合的產物。這種創新方法在幾乎任何複雜的計算域產生了高質量的模擬結果，同時又保持了較低的資源需求以及笛卡爾網格法的有效性。上世紀80年代末，前蘇聯開始逐步實行經濟自由化，多個科學家團隊也將這種CFD技術推向了商業化，並於90年代初期在歐洲和亞洲出售他們的產品和服務。這類產品中最知名的當數V。 N。 Gavriliouk 教授及其團隊推出的 Aeroshape-3D （Petrowa， 1998 & Alyamovskiy， 2008），以及 A。 A。 Aksenov博士及其團隊推出的FlowVision （Aksenov et al。2003）。
圖2 Aeroshape-3D 的結果圖 （Parry et al。， 2012）
以現在的標準看來，CFD軟體在第一階段的發展特徵是用於資料輸入的使用者介面過於原始，圖形過於簡單，計算資源非常有限，尤其是可用記憶體太小，嚴重製約了模型尺寸的擴大。這些侷限導致了在幾何和物理建模方面對使用者的要求非常高，因為真實的任何必須先進行分析和簡化，然後再輸入軟體，整個過程既耗時又費力。由於對物理模型的選擇和配置存在極大的不確定性，且輸入資料時出錯的可能性非常高，所以對模擬結果進行綜合評估和測試成為工作流程中的常規步驟。這些操作不僅需要廣泛的數值技巧，而且需要深入瞭解物理模型的基本原理和侷限，以及這些侷限對CFD模型的可能影響。因此，當時CFD技術的使用者幾乎全是科學家或經過科學訓練的工程師，他們必須藉助實驗性研究對差不多每個模擬結果進行部分或全面驗證。不過，這一時期的另一個特點是，由於CFD模擬技術在工業專案中的應用經驗有限以及CFD軟體市場的競爭日益激烈，供應商往往會過分吹噓其產品在解決工業問題方面的能力。商家的誇大宣傳加上最初工業使用者對CFD成本與結果質量的褒貶不一，讓CFD模擬獲得了“速度太慢、費用太貴、結果太模糊、中看不中用”的名聲。這樣的壞名聲在通用工程界持續了二十餘年，不過隨著CFD軟體開發在當前的第三階段得到了長足發展，CFD模擬成為新一代使用者的日常工作，名聲問題才有所改善。
從上世紀 90 年代初開始，CFD軟體和各種模擬的條件經歷了翻天覆地地變化。計算機硬體、數學方法和物理模型等在效能上都取得了長足進步。CPU速度和記憶體容量迅速增長，價格不斷下降，為工業使用者帶來了全新易得的硬體資源，例如UNIX 工作站和工作站PC，之後，隨著價格實惠的工作站叢集面市，高效能計算 （HPC）也不再高不可攀。這些硬體方面的新功能自然也促進了軟體的繁榮發展。多種適用於複雜幾何計算的數值方法（例如非結構有限容積法、多重網格法、滑移網格等）針對HPC進行了最佳化，同時更加靈活可靠且應用更為廣泛的物理模型也可從市場上獲得。從此，CFD有了新的應用領域，CFD技術更加貼近實用，並且首次針對實際的工業應用規模提供了非常真實可用的模型尺寸。Hanna 和 Parry （2011） 對這一階段的發展情況進行了分析，發現在有關計算能力的摩爾定律與CFD模擬模型尺寸（例如用於賽車運動CFD模擬的模型尺寸）之間存在直接相關性。這些新功能預示著商業CFD軟體應用迎來了新階段，即CFD軟體全面進入各大企業的產品研發部門。
圖3 CFD 的發展離不開硬體的進步 – 採用 I 級方程式賽車描述的 CFD 1990 - 2010 年發展趨勢 （Hanna & Parry ， 2011）
第二次浪潮：CFD軟體進入各大企業的產品研發部門
在銷售工業應用領域專用CFD軟體方面發揮先驅者作用的是Flomerics 公司，該公司由David Tatchell 和Harvey Rosten 於1988年在英國泰晤士河畔金斯頓成立，採用第一階段的典型技術，於1989年首次釋出了自己的軟體包FloTHERM。公司的兩位創辦人之前都在CHAM 公司擔任高階職位，後來離職創辦了Flomerics，理想是“為產業科技化做出貢獻”（Tatchell， 2009）。FloTHERM 是CFD產業發展過程中的第一次正規化轉變，它不再關注複雜CFD技術，而是將解決產業中的工程任務作為自己的核心目標。這一轉變意味著除科學家之外，從事產品開發的工程師將成為這類CFD軟體的主要目標使用者群。然而，當時的CFD技術水平、計算機硬體以及作業系統在某種程度上對這種創新方法形成了侷限。因此，Flomerics 最初僅專注於兩個應用領域：電子散熱（產品為FloTHERM）和構建暖通空調系統（產品為FloVENT）。這兩個應用領域對工程化CFD軟體的要求定義相對明確，更重要的是，切實可行。
圖4 FloTHERM 早期版本 （Hanna & Parry， 2011）
這一概念開啟了全新的市場機遇，因為它第一次照顧到了一個規模更大且擁有共同行業背景及應用需求的使用者群體。也正是在這一時期，眾多缺乏數值方法的專業知識、也沒有豐富CFD經驗的產品開發工程師首次可以得心應手地使用CFD模擬作為其開發工具。對技術工程任務的解決方案成為人們的關注焦點，而其中的CFD技術或多或少只是達到目的的手段。
顯而易見，其他CFD提供商也充分意識到了這種正規化轉變，尤其是由此帶來的全新商業機遇，並乘勢而上，為客戶推出了自己的產品。例如MixSim 是一款針對 Fluent 求解器的攪拌專用介面，於1996年釋出，用於對工業攪拌過程進行建模。Fluid Dynamics International 公司攜產品Icepak（基於FIDAP求解器）進入電子散熱CFD市場，而CD Adapco 公司則針對汽車工業推出了各種專用的工程工具。不少新興公司，例如Exa Corporation 公司（產品為PowerFlow）和Blue Ridge Numerics 公司（產品為CFdesign），也瞄準市場新機遇並透過專為工業應用設計的全新CFD產品打入了市場。總體而言，市場上所有CFD軟體供應商都在投入巨資，傾力打造更好的使用者介面、功能強大的求解器以及安全可靠的物理模型，目標就是要確保CFD進入大型工業企業的研發部門，從而吸引新一代CFD使用者。
這次以工業應用為目標的第二次CFD軟體開發浪潮從上世紀90年代初一直持續到本世紀初，其特徵是市場上的計算硬體成本更低且功能更強大，因而催生了多款實用的CFD模擬工具。這一特徵反過來刺激了市場（尤其大型企業）對CFD模擬需求的快速增長，進一步促使CFD軟體供應商加快了CFD技術大眾化普及步伐。然而在同一時間，許多使用者帶著喜憂參半的複雜心情（這一點可以理解）也注意到了另一個趨勢：CFD軟體產業透過併購和退市開始進行市場整合。許多老牌的CFD系統變得過時，需要大量研發投資。而對於主要的CFD軟體供應商來說，之前慣有的高速增長已經風光不再。大幅增加的開發成本和日益加劇的市場競爭，促使各家公司整合力量，保持企業競爭優勢，共同應對未來的挑戰。在這一時期，企業併購的基礎已經形成，結果導致多家CFD公司最終被擁有數千員工的大型軟體公司收購，由這些大型公司佔據了CFD軟體市場。
圖5 上世紀末 FIDAP 軟體使用者介面 （University of Delaware， 2007）
自本世紀初開始，CFD軟體成功地進入大型工業公司並作為常備工具廣泛應用於對產品設計、功能、流程和物理效應等進行功能驗證和最佳化，該技術在工程師中的不良名聲得到顯著改善。數以百計的案例研究表明，只要使用者在建模過程中小心謹慎，商業CFD軟體配以強大的硬體可以大幅節省研發的時間和成本。因此，CFD模擬的市場需求急劇增長，特別是急需降低物理原型成本的中小型公司，其之前的物理原型往往因為成本太高而不得不外包。儘管如此，對於本世紀初的CFD模擬行業而言，成本仍然是一個非常嚴重的制約瓶頸，因為相關物理實驗的成本居高不下。造成這種情況的主要決定因素是員工成本，特別是與聘用和培訓高素質使用者相關的成本；其他因素包括，崗位培訓後到成為專家前所需的學習曲線相對較長，建模過程極為繁瑣（尤其在涉及複雜的幾何圖形時），軟體許可證成本也相對較高。另一個重要方面是使用者公司需要將CFD模擬納入其常規的產品開發流程，而這些公司往往沒有專門的模擬部門。也就是說，來自產品研發或設計團隊的合格工程師需要自己進行模擬；同時，要讓模擬結果對設計方案的改進真正具有指導意義，則必須提高模擬專案的工作效率，讓 CFD 模擬結果與產品設計週期保持同步。
圖6 CFD 使用者金字塔 （Hanna & Parry， 2011）
工業級幾何圖形處理也發揮了關鍵作用。當時，這些圖形處理結果已經作為三維CAD資料提供，當然，最理想的是儘可能減少這些資料的簡化和修改工作即可用於後續的（最好是）全自動網格生成流程。CFD軟體市場對上述需求進行了積極響應，推出了許多全新及改進產品，以工業產品設計為目標的第三次CFD軟體開發浪潮就這樣拉開了大幕，並一直持續至今天。
第三次浪潮：CFD成為產品設計流程的基本要素
CAD和PLM系統的主要供應商在此第三階段發揮了關鍵作用。自上世紀90年代起，他們已成功引入了包括CAE在內的產品生命週期管理 （PLM） 概念。結果是，客戶不斷向商業CFD軟體供應商施壓，要求遵從這一概念，並採取措施將產品納入到主要的 PLM 系統中。因此，在本世紀初，幾乎所有的CFD軟體提供商都升級了系統，至少提供了CAD匯入介面。許多提供商開發了與主要CAD/PLM系統的雙向連結，少數提供商甚至直接將其CFD技術嵌入了三維CAD系統。
CAD系統製造商對這些開發活動提供了大力支援，目的是透過為外部的專業模組開發商提供支援，就可以在自己的PLM系統框架內為客戶提供完整的解決方案。在這一時期，市場上相繼出現了Fluent for CATIA （Fluent Inc）、CFdesign （Blue Ridge Numerics） 和 FloWorks （NIKA GmbH） 等產品。同時，人們還開發了可支援上述新要求的新CFD技術，部分是從頭研發的，另一部分則是在現有技術基礎上改進的。例如，自1999 年起，CD-Adapco一直成功採用一種面向物件的創新方法來進行STAR-CCM+ 研發。德俄合資企業NIKA GmbH（成立於1999年）則是第三次浪潮初期新型商業CFD軟體供應商的典型範例。NIKA 以前述Aeroshape-3D技術為基礎，獨家開發了CAD嵌入式CFD軟體，該軟體目前已成為多家主流三維CAD系統的專用版本（圖7）。
圖7 FloEFD for Creo 軟體 — Mentor Graphics 公司提供
為應對不斷變化的市場條件，Blue Ridge Numerics 公司對自己的CFdesign 軟體包進行了調整，從而可作為“前端CFD”系統使用。多家PLM 供應商也透過併購積極參與到CAD整合式CFD軟體開發領域，為客戶的產品開發流程提供更好的支援，這一細分市場的代表企業包括達索系統集團 （Dassault Systèmes）（產品為SIMULIA Abaqus/CFD）和西門子PLM公司（產品為 NX Advanced Flow 和 Femap Flow Solver）。歐特克 （Autodesk）公司也透過收購Blue Ridge Numerics 的 CFdesign軟體，與自己的Algor套件形成互補，從而豐富了旗下CFD軟體產品組合。
目前的第三次浪潮還為其他領域的新來者提供了進入CFD市場的商機，而這些企業帶來的突破性技術令CFD市場煥然一新。其中一個例子是西班牙Next Limit Technologies 公司的產品XFlow，不僅引入了源自電影行業的另一種CFD技術，還為工程領域帶來了更接近動畫軟體的使用者介面。而歐特克的Project Falcon則將遊戲元素帶進了CFD世界。
圖8 XFlow 軟體使用者介面 — Next Limit Technologies 公司提供 （MSC Software， 2011）
這些例子展示了一個未來可能的新趨勢：CFD軟體市場將日趨多樣化，將更多地採用創新性、非常規的新方法，尤其要提高使用者體驗和產品可用性等方面。當然，所有這一切都有一個共同點：工業使用者始終是關注重點，CFD軟體已成為數字原型的必備工具，而其對CFD軟體的需求是簡便易用、面向任務、自動化、高效可靠和容易購得。而這一切的內在原因是產品開發流程的不斷變化以及模擬工程師的角色轉換。流程整合、可靠性、建模安全性和可重複性等特性正在成為人們的關注中心，也影響著使用者對CFD軟體的購買決策。未來圍繞著這些需求而進行的CFD軟體進一步開發將會為市場帶來激動人心的新技術和新產品。因此，全新的第四次浪潮也將指日可待。。。
對未來的展望 — 願景
Hanna 和Parry （2011） 對未來展望的描述如下：“在作者看來，CFD的最高目標是實時、按鈕式操作、自動化、簡單易用、CAD嵌入式、雙向、多物理場，這些目標仍有待實現。目前，一些CFD程式碼已經接近這些理想目標，在未來20年中，諸多因素將幫助我們到達這一理想境界，其中包括計算硬體、演算法、物理建模及耦合方面的技術進步等。”
不過，這樣一個長期目標只能逐步實現，在此過程中仍然存在很多挑戰，作者對此也多有觀察和了解。當然，這一終極目標可能也需要隨著時間推移而不斷進行調整，畢竟設計環境也會發展變化，畢竟CFD是需要迭代的！在下文中，我們從今天的視角探討在實現這一最高目標的過程中可能的幾大里程碑。
1. 多物理場
要實現CFD最高目標，一個重要方面就是要更加真實地表現複雜的物理現實，去除今天存在的各種人為“邊界”，這些邊界是由CFD、計算結構力學、多體動力學、運動學等獨立學科採用不同的數值技術發展而形成的。這方面的發展已初見端倪，就是人們通常說的“多物理場”模擬。不過，這種模擬常常意味著將一種模擬結果（例如熱分析）的結果作為初始條件或邊界條件應用於另一種模擬（例如熱機應力）。
部分軟體供應商（例如ANSYS和COMSOL等）已將多物理場作為其產品的核心理念並提供了相當廣泛的模擬功能。然而，現在多物理場應用的重點仍然是掌握各種元器件的功能並解決這些元器件協同工作所面臨的技術挑戰，因為每個元器件都可能有其獨特的歷史和技術背景，從而無法互相相容。要解決這個問題，可能需要各種軟體架構來提供器件協作所需要的基礎設施。這些架構可以由多物理場軟體供應商進行內部開發，也可以由獨立的第三方開發商以中介軟體形式提供。這方面的一個例子是Fraunhofer MpCCI 架構。
圖9 MpCCI Visualizer 軟體 — Fraunhofer SCAI 公司提供 （Fraunhofer SCAI， 2012）
目前多物理場方法的另一個制約因素是如何正確表達各種單個求解器模組（用於給定模擬專案）複雜的實際物理情境。為確保一種模擬的結果可以用作另一種模擬的輸入，我們常常需要一種“白盒”模型，可以捕捉各種幾何圖形且無需簡化，並可對所有相關物理效果進行全面詳細的模擬，包括相關的模擬開銷。“黑盒”模型也可提供相當高的模擬效率，但是隻能限於問題的某個方面（例如電子元件的熱模型），因此並不適合此模式。
目前，選擇合適的模擬模組、配置和工作流程安排由使用者全權負責，而實際的工作流程則是由各種求解器模組的不同需求共同確定，而非由實際工程任務的物理場來決定。因此，“多數值”可能只是一個描述性術語。
這種方法若要在未來獲得成功，其中一個先決條件不僅僅是把各自獨立的求解器連結到一起，而是將這些求解器合併成單個統一的解決方案方法論，不僅讓使用者能夠重點關注產品的物理場（雖然複雜，但只存在一種物理場），同時模擬環境又可以容納任何所需的數值技術且確保前後一致。這種方法必須輔以使用者體驗為導向的設計方法，將注意力從簡單的產品可行性轉向工程任務的高效解決，並將此作為最重要標準。
2. 模擬方法
如果因為有可能實現而堅持尋求通用的物理求解器，你會不可避免地面臨這樣一個問題：如何將多種各不相同且互不相容的數值方法進行統一。多樣化的方法當然非常有用，因為產品的行為本身具有多種物理性質，其本質各不相同，而每個物理性質又存在一個或多個相應的數值方法，可以提供所需的結果精度、計算資源要求和解決方案效率等組合。
如果捨棄這一巨大優勢而嘗試開發單一流程來應對所有可能的物理應用，這當然不是一個可取的目標，因為這些應用可能涉及許多不同領域，相較於針對每個應用採用相應的最佳方案，採用單一流程可能會在工作效率上大打折扣。相反，理想的目標應該是開發一種求解器基礎設施，可以自動應用針對每種情況的最佳方法，將其綜合到同一個模擬模型中並實現跨邊界雙向耦合。這意味著需要將多種存在巨大差異的方法整合到一起：僅以流體動力學為例，包括離散化方法（例如用於內部流體模擬的有限容積法）、粒子方法（例如用於多相流和相變區域的光滑粒子流體動力學 （SPH））、用於大流量系統的一維方法等。對於這種方法中的許多要素，市場上已經有成熟可靠的元器件供應。現在的任務就是如何結束求解器模組從歷史上一直延續至今的彼此隔離狀態，尋求實現可根據模擬任務將各種最佳方法集於一體的單一模擬引擎。這種方法的最大優點是，可提供專注於工程任務及其解決方案的的工作流程，讓工程師有機會完全卸下定義整個數值工作流程的負擔。從這方面來看，我們認為這是一個實現CFD最高目標的可行途徑。
3. 使用者體驗UX和產品可用性
毋庸置疑，工程師使用者的需求將推動未來模擬軟體的進一步發展。軟體需要適應使用者的工作環境、需求及其知識能力，而不是相反。這一點會影響軟體的整體概念以及每個細節，同時也會涉及軟體供應商所用的產品規範和程式碼實施流程。目前，許多軟體公司已經引入了現代產品開發流程，比如敏捷開發。這樣可以自然而然地為以使用者為中心的設計流程提供支援，而且也是有效實施產品可用性要求（唯一目標是提供並保持卓越的使用者體驗）的先決條件。在這方面的明智投資無疑會成為CFD軟體市場極具吸引力的獨特賣點。
開發工程師和設計師的工作環境也在持續發生改變。能夠更好反映人體自然動作的新型輸入技術正在研發之中，而其他技術則已逐步應用到工作場所中。例如，增強現實技術或觸控式螢幕操作就非常值得一提。同樣，全新的視覺化技術也將用於對物理模擬情境進行符合人體工學的準確演示。例如，長期以來工程師、技術員和工作人員之間的交流媒介是二維草圖和平面印刷品，而現在又增加了三維立體列印。這樣的技術進步還將持續進行，工程師則在可以預見的將來會繼續作為產品開發流程中的最終決策者發揮自己的核心作用。這一趨勢無疑也受到了模擬軟體行業的敏銳關注和積極響應，令其重要性與日俱增。在對虛擬原型日益依賴（實現低本高效的產品開發）的環境下模擬結果的視覺化和通訊交流也就顯得越來越重要，這與模擬工程師對模擬結論所承擔的責任日益增加密不可分。
圖10 以使用者為中心的設計活動 - 可無縫應用於任何級別的敏捷開發方法論 （Limina Application Office， 2012）
然而，使用者體驗和產品可用性作為工具選擇的決策標準未來將發揮更加重要性的作用，這一點不僅僅體現在抽象和概念層面，使用者介面的每個細節都需要加以注意。目前CFD軟體使用者介面的許多元素（儘管很多都已換用了全新美觀的元素）都留有軟體開發初期的影子。問題不只是在於介面細節，而經常在於軟體更深層次及其行為。從1990年開始，Jakob Nielsen 就提出了現已廣為人知的使用者介面設計通用原則，即“啟發式可用性評價十原則”（Nielsen et al。， 1993）。在下文中，筆者嘗試從概念和實際細節兩個層面，結合模擬軟體的未來需求，對這些規則的應用進行簡要評論：
系統狀態的可見性：
系統應該始終讓使用者知道系統正在做什麼，應在合理時間內為使用者提供正確的反饋資訊。
概念：實時模擬是終極目標，所以可見性也是CFD最高目標一個非常重要的方面。
細節：特別是在求解器執行、幾何圖形檢查、資料傳輸等持續時間較長的活動中，向用戶實時提供當前狀態反饋是最基本的要求。這一方面在進行遠端活動時會顯得尤其重要。新興的雲計算趨勢對於開發人員而言意義重大，因此應特別注意確保遵守這一原則。
系統和現實世界之間的吻合：
系統應該使用使用者的語言，即使用者熟悉的字詞、短語和概念，而不是面向系統的術語。遵循現實世界中的慣例，讓資訊以自然的合乎邏輯的次序展現在使用者面前。
概念：這一原則可直接應用於複雜的工作流程，例如在一個模擬中需要考慮多個耦合物理現象。正如上文所述，軟體必須適應使用者的工作流程、工作環境和個人能力，而不是相反。
細節：許多CFD使用者介面仍在使用只有CFD專家熟悉的術語。應重點關注特定工程領域的術語，不光是使用者介面中使用的，還應包括所有文件、聯機幫助和教程材料中使用的專業術語。
使用者控制和自由：
使用者經常會誤選某些系統功能，所以應提供一個明確標記“緊急退出”的操作來離開誤入的狀態，而無需透過多餘的對話方塊來實現。另外，系統需要支援“撤銷”和“重做”功能。
概念：新興的雲計算帶來的一個不便是：這樣的緊急退出可能不夠快速、代價可能非常昂貴，或由於使用者控制在某個層面被取消而變得不可靠。開發人員應對此特別注意。
細節：撤銷/重做功能數十年來一直是Office軟體的必備功能，但是目前許多CFD軟體仍未遵循這項基本的可用性要求。
一致性和標準：
使用者不必擔心不同的字詞、情形或動作會表示同一件事情。遵循平臺慣例。
概念：許多CFD軟體工具歷史悠久，可能經歷了好幾代的產品經理和開發人員。軟體模組可能已被收購或已授權他人，使得此原則更難遵循。因此，當務之急是制定正確的使用者介面指導準則，並應用到軟體各個部分。
細節：出於降低多平臺軟體包開發成本的考慮，平臺慣例經常被忽視。這不僅僅涉及使用者介面的視覺外觀，重要的是還涉及許多標準操作，例如檔案載入/儲存、列印、搜尋等，當然還包括撤銷/重做功能。
錯誤預防：
一個能夠事先預防問題發生的細緻設計，要遠勝於及時的錯誤提示資訊。要麼消除容易出錯的條件，要麼檢查這些條件並提供確認提示選項請使用者確認這項操作。
概念：這個要求對CFD軟體設計來說是個巨大挑戰，原因是底層的物理模型、數值方法等過於複雜。實際上，可能需要應用某種人工智慧才能妥善應對這一挑戰。這方面的未來發展對於使用者體驗尤為重要，因為這是確保非專業使用者也能使用CFD軟體成功獲得優質可靠結果的最關鍵因素。
細節：表面上看，為每種可能的情況發出警告是輕而易舉的事，但這並不是解決之道。應將關注重點放在最關鍵的情形，同時提供撤銷/重做功能。
識別而非回憶：
讓每個物件、操作和選項隨時可見，最大限度地減少使用者的記憶負擔，使用者在對話過程中不必去記憶對話方塊各部分的資訊。系統使用說明要麼隨時可見，要麼隨時可檢索到。
概念：在進行使用者介面的概念設計時，最關鍵一點就是要了解使用者及其工作環境、工作流程，然後根據使用者需要來設計軟體的使用方式，讓使用者感覺自然易用。
細節：現代互動式的使用者介面概念都基於此項原則。不過許多細節可以大幅提升可用性，如最近使用過的檔案列表、狀態資訊、嚮導等。
使用的舒適性和高效性：
加速器 —— 初級使用者未見過 —— 可以經常加快專家使用者的互動操作，讓系統能同時滿足無經驗的初級使用者以及經驗豐富的高階使用者的不同需求。允許使用者進行頻繁操作。
概念：同樣，這一原則涉及上文提到的要求：軟體必須適應使用者的工作流程、工作環境和個人能力，而不是相反。軟體應能幫助提升使用者的專業能力並根據其能力增長情況自行調整。
細節：Windows 的鍵盤快捷方式概念早已深入人心，我們也來應用一下吧。觸控介面的手勢概念也應得到應用，哪怕是透過滑鼠移動來實現。指令碼編寫功能可幫助經驗豐富的使用者以較低成本實現自動化操作。
美觀與簡潔的設計：
對話方塊中不應包含無關資訊或需求不大的資訊。對話方塊中的任何額外資訊都會嚴重干擾相關度高的資訊，降低這些相關資訊的可見性。
概念：可用性的質量不是由使用者介面上的按鈕數量衡量的。如果軟體設計合理，它就能理解使用者，準確預測使用者要採取的下一步操作，並準確提供與此相關的功能。
細節：對於CFD軟體這種功能繁多的產品來說，往往少即是多。只顯示可用的選項和功能，而不是灰顯不可用的功能。對於與操作目的密切相關的上下文功能，應自動提供相應的訪問許可權。
幫助使用者識別、診斷錯誤並從中恢復：
錯誤提示資訊應使用直白的語言（而不是程式碼），準確指出問題所在並提供建設性的解決方案。
概念：對於後者（提供建設性的解決方案）似乎仍具有很大的提升空間。同樣，錯誤處理與錯誤預防同等重要，它們都是使用者體驗及相關購買決策的重要影響因素。
細節：一個絕對重要的要求是，對於可能的使用者錯誤和軟體故障，一定要用專門（而非通用）的錯誤提示訊息，至少要對出錯原因進行正確描述，這樣做並不太費力。
幫助與文件：
儘管某些系統可能無需文件就可以使用，但通常有必要提供幫助和文件。此類資訊應易於搜尋，具有針對性（針對使用者的任務），列出所需的具體步驟，且檔案不能太大。
概念：幫助文件不應僅限於文字說明和圖形解釋；必須採用一切可用的交流手段，其中包括簡短影片、直接訪問網際網路資源、指向使用者社群和供應商技術支援的連結等。
細節：一幅圖勝過千言萬語：這一原則尤其適用於以工程師為主要使用者群的CFD行業。
4. 結束語
工業應用領域專用的商業CFD軟體已經走過了30個年頭。在這三十年中，成千上萬的科學家、工程師和高校學生透過各類CFD模擬實踐，成功將該技術打造成為不可或缺的工具，並逐步嵌入到各個行業的產品設計流程中。雖然傳統的CFD技術已經相當成熟，但面對未來的CFD應用挑戰，仍將有更多激動人心的新概念和新技術不斷問世。在商業CFD領域經歷前兩次浪潮中，每次都是一次正規化的轉變；如今，我們正在經歷第三次浪潮，這也是一次正規化轉變，一次將CFD軟體嵌入設計流程的轉變；相信在不久的將來，CFD模擬軟體一定會迎來第四次浪潮。筆者預計下次浪潮將會進一步接近CFD的最高目標：實時、按鈕式操作、自動化、簡單易用、CAD 嵌入式、雙向、多物理場等，屆時，第二次浪潮中的傳統CFD軟體必將被遠遠地拋在後面，直至完全淘汰。
參考文獻：
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