免费空气动力学模拟代码助力工业、教育事业

20世纪90年代中期，美国国家航空航天局（NASA）、美国空军和麦道公司意识到在改进空气—飞机相互作用模拟软件方面，他们做了一些重复性工作。于是，他们决定在这项工作上开展合作。

计算流体动力学（CFD）软件在当时还是一个新生事物，该软件主要用于模拟流体（包括空气）与物体表面之间的相互作用。许多飞行工程师都不太信任这种软件，他们更喜欢通过物理风洞测试来预测飞机性能。NASA刘易斯研究中心（现在的格伦研究中心）和空军阿诺德工程开发中心都在各自研发自己的航天器CFD软件。1993年，这两个机构成立了CFD应用研究国家计划（NPARC）联盟。团队的第一个代码命名为“NPARC”。几年之后，并入波音公司的麦道也加入了该联盟，并提供了自己的CFD程序，其最终成为NPARC的Wind代码的基础。该代码融合了其他2个程序的所有优点。“波音公司主动向我们提供其代码技术，但要求我们必须公开发布并支持它。”格伦研究中心Wind技术负责人尼克·乔治亚迪斯说。任何美国实体或个人均可免费使用该代码，它是首批用于航空航天流体问题的公开、受支持、有文件记录并经过验证的CFD代码之一，并迅速在政府机构、航空航天公司及高等院校中广泛应用。该程序最初主要面向超音速飞行，但也可用于亚音速飞机的模拟。

所有CFD软件的模型都要求流体占据的区域必须分解成单元网，每个单元解出一组方程。20世纪90年代后期，Wind工程师通过使用非结构网格，在解决流体问题的模型中增加了新功能，使单元网更容易贴合复杂的几何形状。Wind也升级成为了Wind-US。今天，Wind-US仍然在使用，尽管其应用的广泛程度已大不如从前。“它的鼎盛时期是21世纪初，当时，美国各地有150个机构都在使用它”，乔治亚迪斯说，“它绝对是美国所有航空航天CFD解决方案中使用最广泛的代码之一。”

创新技术应用有限责任公司(ITAC)目前仍然在使用该程序。这是一家总部设在密苏里州切斯特菲尔德市的公司。艾伦·凯恩总裁于1999年创建公司。最初，他使用麦道的原始代码。后来，正值Wind面世之时，曾在阿诺德工程开发中心担任首席科学家的克里斯·尼尔森加入了该公司。“创业的成功，可能70%要归功于对Wind-US的使用和了解”，凯恩说。他估计，在ITAC发展历程的头10年中，大约一半的工作是基于该程序完成的，无论是用于咨询还是帮助客户进行程序改进。这些客户包括空军、高等院校、私营公司、NASA。凯恩说：“我坚信可以通过这种代码来解决问题，因此我创建了公司。”公司还在该软件上标注了自己的标志。NPARC的策略是，虽然大部分开发工作都是在内部完成的，但使用该程序的外部创新者（如ITAC）也可以对其进行改进。“克里斯会进行一些改进，这些改进通过评估和测试后，具有其他使用者后续也可应用的永久性功能”，凯恩介绍说。波音公司也通过合同或无偿捐款的方式继续为该程序提供支持。“波音公司提供给我们的免费的技术支持甚至多于其付费服务”，乔治亚迪斯说。“我们曾经询问过他们留下来的其中原因，他们认为我们的工作很有价值，特别是那些复杂的验证、文件建档及技术支持工作。”

近年来，随着非结构CFD商业软件应用的发展，Wind-US的应用再也达不到昔日的辉煌。但是，对Wind-US代码及其扩展文档（包括在线用户手册）不断进行精心验证，使其相对很多替代代码更具优势。“还有个优势就是该程序的多功能性”，尼尔森说。“当时的想法是让这种代码成为飞行CFD中的瑞士军刀”，凯恩说，“它具有很强的灵活性和功能，可以解决各种各样的问题。”他还指出，Wind-US可用于稳态CFD，提供流体与表面之间相互作用的快照，同时，也可用于非稳定模拟，模拟长期性能。非稳定CFD对于理解不规则气流和燃烧过程的细节，以及计算时均运动方程是非常必要的，它需要“几乎是无限量的信息”。

该程序还能够解决流体的可压缩性问题。ITAC正是利用该程序相关功能开展航空光学领域的另一项工作——模拟激光性能（空气密度的波动会影响光速）。公司还利用该程序，研究了模仿座头鲸鳍翅的波状前缘板在潜艇指挥台围壳中的应用。空气可以压缩，而水却不能。“了解并完全掌控了代码的所有特点和细节之后，你可以使用状态方程模型来获得水的性能”，凯恩说。

几年前，ITAC为Ramgen动力系统公司开展了大量基于Wind-US的工作。Ramgen动力系统公司是一家将超音速飞机技术应用于绿色能源的公司。为此，尼尔森使用该程序，通过已知变量（如温度、压力和密度）的输入来计算不同气体的未知变量。虽然其他一些CFD程序也有这种功能，但凯恩认为，大多数程序都很难针对不同气体进行再次计算。尼尔森说：“有很多应用程序可以使用，它们可以完成部分工作，但是，这种代码却可以独自完成全部工作。”

最近，ITAC使用Wind-US对伊利诺伊理工学院的风洞进行了分析，以摸清可以改善非稳定流控制的变化情况。凯恩说，Wind-US通过高等院校所产生的影响，与对私人和政府用户直接产生的影响一样大。Wind-US一直备受教育机构的青睐，因为教育机构不仅可以免费获得该程序，还可以访问源代码，并让学生进行相应改进。他说：“学生可以积累经验，然后在行业中找到工作并继续使用Wind-US，也可以充分了解当前的问题及他们的工作，以便将来使用其他代码。”“我们没有跟踪Wind-US的用户曾经写了多少篇论文，但是在这20年间，肯定达到了几百篇之多”，乔治亚迪斯说。

在Wind成功开发后的数年内，风洞测试变得更加昂贵。在继续使用风洞测试的同时，越来越多的人开始信任并使用CFD。“我认为在众多推动CFD发展，使其成为值得信赖的航空航天技术的众多代码中，Wind代码是其中的一份子”，乔治亚迪斯说，“它成就了多项政府计划和行业工作的成功。”