免費空氣動力學模擬代碼助力工業、教育事業

20世紀90年代中期，美國國家航空航天局（NASA）、美國空軍和麥道公司意識到在改進空氣—飛機相互作用模擬軟件方面，他們做了一些重復性工作。于是，他們決定在這項工作上開展合作。

計算流體動力學（CFD）軟件在當時還是一個新生事物，該軟件主要用于模擬流體（包括空氣）與物體表面之間的相互作用。許多飛行工程師都不太信任這種軟件，他們更喜歡通過物理風洞測試來預測飛機性能。NASA劉易斯研究中心（現在的格倫研究中心）和空軍阿諾德工程開發中心都在各自研發自己的航天器CFD軟件。1993年，這兩個機構成立了CFD應用研究國家計劃（NPARC）聯盟。團隊的第一個代碼命名為“NPARC”。幾年之后，并入波音公司的麥道也加入了該聯盟，并提供了自己的CFD程序，其最終成為NPARC的Wind代碼的基礎。該代碼融合了其他2個程序的所有優點。“波音公司主動向我們提供其代碼技術，但要求我們必須公開發布并支持它。”格倫研究中心Wind技術負責人尼克·喬治亞迪斯說。任何美國實體或個人均可免費使用該代碼，它是首批用于航空航天流體問題的公開、受支持、有文件記錄并經過驗證的CFD代碼之一，并迅速在政府機構、航空航天公司及高等院校中廣泛應用。該程序最初主要面向超音速飛行，但也可用于亞音速飛機的模擬。

所有CFD軟件的模型都要求流體占據的區域必須分解成單元網，每個單元解出一組方程。20世紀90年代后期，Wind工程師通過使用非結構網格，在解決流體問題的模型中增加了新功能，使單元網更容易貼合復雜的幾何形狀。Wind也升級成為了Wind-US。今天，Wind-US仍然在使用，盡管其應用的廣泛程度已大不如從前。“它的鼎盛時期是21世紀初，當時，美國各地有150個機構都在使用它”，喬治亞迪斯說，“它絕對是美國所有航空航天CFD解決方案中使用最廣泛的代碼之一。”

創新技術應用有限責任公司(ITAC)目前仍然在使用該程序。這是一家總部設在密蘇里州切斯特菲爾德市的公司。艾倫·凱恩總裁于1999年創建公司。最初，他使用麥道的原始代碼。后來，正值Wind面世之時，曾在阿諾德工程開發中心擔任首席科學家的克里斯·尼爾森加入了該公司。“創業的成功，可能70%要歸功于對Wind-US的使用和了解”，凱恩說。他估計，在ITAC發展歷程的頭10年中，大約一半的工作是基于該程序完成的，無論是用于咨詢還是幫助客戶進行程序改進。這些客戶包括空軍、高等院校、私營公司、NASA。凱恩說：“我堅信可以通過這種代碼來解決問題，因此我創建了公司。”公司還在該軟件上標注了自己的標志。NPARC的策略是，雖然大部分開發工作都是在內部完成的，但使用該程序的外部創新者（如ITAC）也可以對其進行改進。“克里斯會進行一些改進，這些改進通過評估和測試后，具有其他使用者后續也可應用的永久性功能”，凱恩介紹說。波音公司也通過合同或無償捐款的方式繼續為該程序提供支持。“波音公司提供給我們的免費的技術支持甚至多于其付費服務”，喬治亞迪斯說。“我們曾經詢問過他們留下來的其中原因，他們認為我們的工作很有價值，特別是那些復雜的驗證、文件建檔及技術支持工作。”

近年來，隨著非結構CFD商業軟件應用的發展，Wind-US的應用再也達不到昔日的輝煌。但是，對Wind-US代碼及其擴展文檔（包括在線用戶手冊）不斷進行精心驗證，使其相對很多替代代碼更具優勢。“還有個優勢就是該程序的多功能性”，尼爾森說。“當時的想法是讓這種代碼成為飛行CFD中的瑞士軍刀”，凱恩說，“它具有很強的靈活性和功能，可以解決各種各樣的問題。”他還指出，Wind-US可用于穩態CFD，提供流體與表面之間相互作用的快照，同時，也可用于非穩定模擬，模擬長期性能。非穩定CFD對于理解不規則氣流和燃燒過程的細節，以及計算時均運動方程是非常必要的，它需要“幾乎是無限量的信息”。

該程序還能夠解決流體的可壓縮性問題。ITAC正是利用該程序相關功能開展航空光學領域的另一項工作——模擬激光性能（空氣密度的波動會影響光速）。公司還利用該程序，研究了模仿座頭鯨鰭翅的波狀前緣板在潛艇指揮臺圍殼中的應用。空氣可以壓縮，而水卻不能。“了解并完全掌控了代碼的所有特點和細節之后，你可以使用狀態方程模型來獲得水的性能”，凱恩說。

幾年前，ITAC為Ramgen動力系統公司開展了大量基于Wind-US的工作。Ramgen動力系統公司是一家將超音速飛機技術應用于綠色能源的公司。為此，尼爾森使用該程序，通過已知變量（如溫度、壓力和密度）的輸入來計算不同氣體的未知變量。雖然其他一些CFD程序也有這種功能，但凱恩認為，大多數程序都很難針對不同氣體進行再次計算。尼爾森說：“有很多應用程序可以使用，它們可以完成部分工作，但是，這種代碼卻可以獨自完成全部工作。”

最近，ITAC使用Wind-US對伊利諾伊理工學院的風洞進行了分析，以摸清可以改善非穩定流控制的變化情況。凱恩說，Wind-US通過高等院校所產生的影響，與對私人和政府用戶直接產生的影響一樣大。Wind-US一直備受教育機構的青睞，因為教育機構不僅可以免費獲得該程序，還可以訪問源代碼，并讓學生進行相應改進。他說：“學生可以積累經驗，然后在行業中找到工作并繼續使用Wind-US，也可以充分了解當前的問題及他們的工作，以便將來使用其他代碼。”“我們沒有跟蹤Wind-US的用戶曾經寫了多少篇論文，但是在這20年間，肯定達到了幾百篇之多”，喬治亞迪斯說。

在Wind成功開發后的數年內，風洞測試變得更加昂貴。在繼續使用風洞測試的同時，越來越多的人開始信任并使用CFD。“我認為在眾多推動CFD發展，使其成為值得信賴的航空航天技術的眾多代碼中，Wind代碼是其中的一份子”，喬治亞迪斯說，“它成就了多項政府計劃和行業工作的成功。”