001 CFD與樂高

來自專欄 CFD科學匠人

雖然CFD不是什麼新鮮事物了，但是開發CFD仍然是一件麻煩的事情。特別是對於從事CFD演算法研究的學生與研究人員來說，要麼面對祖傳代碼，或者面對複雜度很高的成熟開源軟體（OpenFOAM、SU2之類）。問題在於，我們這個領域，似乎從來沒有簡單、高度可重用的基本模塊，能夠讓研究者比較自由的組裝出CFD應用，或者進行各種擴展。即使對於OpenFOAM和SU2這樣比較成熟的軟體，它們都是由數百上千C++類組成，沒有相當的C++功底和較長時間的學習，很難做到擴展開發。特別是大量的C++類以及它們之間的複雜相互關係，構成了學習的最大攔路虎。事實上，這類開源軟體的開發文檔都不好，如果你不參加相關的付費培訓，估計難以快速系統掌握其數據結構與開發模式。

樂高之所以受到歡迎，是因為我們可以用其基本模塊——最簡單的積木，組合成複雜的東西。而且基本模塊之間的介面足夠簡單。如果基本模塊本身太複雜，或者模塊之間的組裝方式過於複雜，它肯定不會那麼流行。如果以樂高的理念來實現CFD的基本模塊，也許會使得CFD更加具有親和力。

因此簡單，簡單，再簡單，才是最關鍵的。但是我們往往會踏入複雜化的誤區，怎麼回事呢？因為開發者的目的是為了創建一個萬能的CFD軟體。為此，他們不得不建立了一套複雜的數據結構體系。這其中，往往出現過度設計。然而，這個體系往往沒有被很好的組織分層，或者因為他人無法輕鬆的感知出這個體系的層次結構，造成了學習曲線非常陡峭。然而樂高的開發者，並不在乎玩家用樂高磚塊製造什麼具體的東西，他們只提供大量的基本磚塊（當然也有一些針對特別主題的定製磚塊）。

因此，我認為，要設計一個好的基礎CFD庫，需要遵循的一個原則是：簡化設計，不要替應用開發者做決定。我們假設越少，留給應用開發者的自由度越大。比如，如果我們對網格塊數據結構做了過多的設計，那麼就會增加網格塊類型的複雜度與維護負擔，從而限制應用開發者對網格塊類型的擴展的自由度。

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