用中国软件设计中国飞行器——中国空气动力研究与发展中心、国家数值风洞与“风雷”PHengLEI 的自主 CFD 之路

一、为什么要从“数值风洞”讲国产 CAE？

在传统印象中，风洞是一套庞大的物理试验设备：模型放进试验段，通过气流模拟飞行器在不同速度、高度和姿态下的空气动力特性。对航空航天工程来说，风洞试验长期是飞行器研制中不可替代的基础手段。

但进入高性能计算时代以后，另一种“风洞”开始变得越来越重要，这就是数值风洞。它不是用真实气流吹模型，而是用计算流体力学（CFD）软件、网格生成、湍流模型、并行计算、可视化、验证确认和工程知识库，在计算机里复现复杂流动过程。

从 CAE 软件角度看，数值风洞本质上是一个大型流体仿真工业软件系统。它不仅要“能算”，还要做到算法可靠、模型可信、工程流程完整、计算效率足够高、验证确认体系可追溯，并且能够服务真实装备设计。

因此，介绍中国空气动力研究与发展中心和风雷团队，不能只把它看成某一个 CFD 程序，而应该把它放在我国航空航天气动能力、国产工业软件和自主 CAE 体系建设的大背景下理解。

二、历史背景：从物理风洞到计算空气动力学

中国空气动力研究与发展中心位于四川绵阳。公开资料显示，中心由著名科学家钱学森、郭永怀等规划筹备，是我国空气动力研究、试验和开发的重要国家级平台。它的特点是风洞试验、数值计算、模型飞行试验三大手段齐备，覆盖低速、高速、超高速以及气动力、气动热、气动光学、气动声学、气动推进等多个方向。

从历史脉络看，中国气动中心的建设一开始就不是单纯建设几座风洞，而是要形成服务航空航天型号研制的系统能力。钱学森、郭永怀等早期规划者已经认识到，空气动力学不能只依靠单一试验手段，还必须把地面模拟、模型飞行和计算分析结合起来。

公开纪念资料中提到，1968 年筹备时期就曾召开“计算空气动力学座谈会”，充分肯定发展计算空气动力学的重要意义，并提出在相关体系中设置计算技术力量。这一点非常关键：今天我们谈 CFD、CAE、数值风洞和工业软件，实际上都能在这一早期技术路线中找到历史源头。

长期以来，中国空气动力研究与发展中心完成了大量航空航天飞行器、水下航行器、地面交通工具和风工程相关试验研究任务。这类工程积累，对 CAE 软件极为重要。因为优秀的工程仿真软件不是单靠公式堆出来的，而是在长期真实工程任务中不断校准、验证和迭代出来的。

三、国家数值风洞：国产 CFD 软件的系统工程

为什么要启动国家数值风洞工程？原因很直接：CFD 软件是工业软件的重要组成部分，也是航空航天、能源动力、交通运输等领域研发设计中的基础工具。长期依赖国外商业软件，会带来三类问题：核心算法不可控、工程数据和流程受制于人、人才培养体系容易变成国外软件操作培训。

2018 年，我国启动国家数值风洞（National Numerical Windtunnel，NNW）工程，由中国空气动力研究与发展中心牵头，联合全国优势力量建设。公开资料显示，NNW 工程目标是研发自主可控的工业 CFD 套装软件，打破国外商业软件垄断，并建设拥有自主知识产权、国内开放共享的空气动力数值模拟平台。

NNW 工程不是单点求解器项目，而是一个“软件 + 算法 + 模型 + 高性能计算 + 前后处理 + 验证确认 + 工程应用”的系统工程。公开资料中将其划分为基础科学问题研究、集成框架及通用 CFD 软件、多学科耦合软件、验证与确认、高性能计算机等分系统。

到 2021 年，国家数值风洞套装软件发布了网格生成软件 NNW-GridStar、流场仿真软件 NNW-FlowStar、“风雷”开源软件 NNW-PHengLEI，并发布国产计算流体力学可视化软件 NNW-TopViz，完成了对流体计算链路的系统覆盖。后续公开综述中也提到，NNW 已发布多款套装软件，覆盖网格生成、流场求解、可视化与知识提取等流体模拟全过程。

除上述套装软件外，国家数值风洞工程还建设了 CFD 验证与确认数据库，为国产 CFD 软件提供标准算例、试验数据、几何模型、网格文件和控制输入文件等支撑。

四、“风雷”PHengLEI：从内部代码到开放平台

“风雷”PHengLEI 的全称是 Platform for Hybrid Engineering Simulation of flows，可理解为“面向混合工程流动仿真的软件平台”。它的关键词不是单一求解器，而是“混合”“工程”“平台”。

公开综述资料显示，2000 年以后，中国空气动力研究与发展中心围绕气动数值模拟开发了一批内部专用软件，例如高超声速软件平台 CHANT、亚跨超声速 CFD 软件平台 PBM3D 和 TRIP、气动物理分析软件 AeroPh、热防护与热结构性能计算软件 HEATips 等。这些软件有很强的型号任务背景，但早期主要是课题组内部使用的 In-House 代码。

In-House 代码的优点是针对性强、效率高、工程经验浓；缺点是软件工程体系薄弱，文档、接口、测试、协同开发和扩展能力不足。当 CFD 软件从“少数专家会用”走向“多人协作开发、跨单位共享、长期工程应用”时，就必须完成软件工程化转型。

2009 年以后，中国空气动力研究与发展中心开始面向自主 CFD 软件框架和数据结构开展探索。2011 年，计算空气动力研究所成立专门团队，计划研发对标国外商业软件的通用软件；经公开征名，形成“风雷软件（PHengLEI）”名称。2013 年，风雷 v1.0 在气动中心发布并共享；2016 年以通用工业软件形式面向全国发布；2018 年国家数值风洞工程启动后，风雷进入新的发展阶段；2020 年，风雷软件面向全国可控开源。

五、风雷软件的技术特征

从技术路线看，风雷软件最大的特点之一，是兼容结构网格与非结构网格，并能在不同网格上调用相应的求解算法。很多商业 CFD 软件以非结构网格工程适应性见长，但在高精度格式、先进湍流模型、高超声速精细化模拟等领域，结构网格仍有明显优势。风雷软件试图把两类网格、两类求解体系和不同精度方法放到统一框架中。

公开论文中指出，风雷软件在常规工程应用的二阶 RANS 模拟方面已具备较高成熟度，覆盖 SA/SST 湍流模型、LU-SGS 隐式格式、DES 类方法、重叠网格和大规模并行等能力。其中结构网格求解器更侧重高超声速流动和精细化模拟，非结构求解器更侧重低速、亚跨声速流动和复杂外形模拟。

另一个重要特征，是面向未来复杂模拟的“混合求解”能力。也就是说，在同一个计算域中，不同区域可以使用不同网格、不同求解器或不同精度格式，并通过底层数据交换实现紧耦合。这对于复杂飞行器、组合体、局部高精度计算、多学科耦合和工程效率平衡都很重要。

此外，风雷团队较早把现代软件工程方法引入 CFD 软件研发，例如 CMake 工程构建、SVN/Git 版本管理、自动化测试、持续集成、标准数据结构和接口设计等。这一点对国产 CAE 很有启发：工业软件不是把数值方法写成代码就结束，而是要在长期多人协作中保持可维护、可测试、可扩展和可验证。

六、代表人物：公开资料中的关键组织者和研发者

需要说明的是，国家数值风洞和风雷软件属于大型团队工程，真实贡献者远不止几位个人。下面仅依据公开论文、公开讲座和项目资料，列出较容易被读者识别的代表人物和贡献方向。

七、代表性成果：不仅是一个求解器，而是一套能力

从公开资料看，国家数值风洞和风雷软件的成果，不能简单概括为“做了一个国产 CFD 软件”。更准确地说，它形成了一套支撑航空航天 CFD 工程应用的自主软件能力。

·形成国家数值风洞套装软件体系：覆盖网格生成、流场求解、开源平台、可视化和验证确认等关键环节。

·推动风雷 PHengLEI 可控开源：使高校、科研院所和工程单位能够基于国产 CFD 框架开展算法研究、模型开发和工程验证。

·构建混合 CFD 软件框架：支持结构/非结构网格、不同求解器、不同精度方法和大规模并行计算。

·推动验证与确认体系建设：国家数值风洞工程 CFD 验证与确认数据库提供标准算例、试验数据、几何、网格和控制文件等，服务软件可信度评价和自动化测试。

·拓展典型应用方向：包括飞机结冰与防除冰、高超声速气动热、翼型/机翼优化、数据同化、机器学习湍流建模、AI for CFD 和工业软件派生等。

·支撑国产工业软件生态：通过开源社区、自动化测试、标准接口和二次开发机制，让 CFD 软件从封闭工程代码向开放基础设施转变。

其中，风雷开源应用的意义尤其值得重视。公开综述指出，风雷开源后主要应用领域仍集中在航空航天，如结冰模拟、高超声速气动热、翼型/机翼优化等；同时也被扩展到热科学、风工程、声学等以流动为基础的交叉学科。伴随 AI for CFD 发展，风雷也被越来越多地用作数据生成、湍流建模、代理模型和智能优化的基础求解器。

这说明国产 CAE 的价值并不只是“替代国外软件许可证”，更重要的是建立一个研究者和工程师都能参与的底层平台。只有底层代码、标准算例、自动化测试、模型接口、工程验证体系都能掌握在自己手里，才可能形成真正可持续的工业软件生态。

八、它和 CAE 软件到底是什么关系？

很多人把 CAE 软件理解成前处理、求解器、后处理三个模块：前处理负责建模和网格，求解器负责计算，后处理负责云图、曲线、动画和报告。这个理解没有错，但对工业级 CAE 来说还不够。

以国家数值风洞为例，真正的 CAE 能力至少包含七层：第一层是物理模型，例如可压缩流动、湍流、转捩、气动热、化学非平衡、多相流；第二层是数值算法，例如有限体积、有限差分、高阶格式、隐式迭代、多重网格；第三层是网格能力，例如结构网格、非结构网格、重叠网格和混合网格；第四层是高性能计算能力，例如 MPI、OpenMP、GPU、国产众核和大规模并行；第五层是软件工程能力，例如框架、接口、测试、持续集成和版本管理；第六层是验证确认体系，例如标准算例、试验数据、误差分析和不确定度评估；第七层才是用户看到的界面、流程和可视化。

所以，风雷团队和国家数值风洞对于 CAE 软件开发者最大的启示是：自主 CAE 不能只做“壳”，必须沉到求解器、网格、并行、验证、工程案例和长期生态。没有这些底层能力，界面再漂亮，也很难成为真正的工业软件。

九、对国产 CAE 开发者的启示

第一，国产 CAE 要从“项目代码”走向“工程软件”。很多科研代码在论文算例中表现很好，但缺少文档、测试、接口、异常处理、参数体系和版本管理，难以长期维护。风雷软件的发展说明，软件工程化是 CFD/CAE 走向工业应用的必经之路。

第二，要重视验证确认数据库。CAE 软件的可信度不能靠宣传，而要靠标准算例、试验数据、网格、输入文件、误差评价和自动化测试。国家数值风洞验证与确认数据库的建设，正是国产 CFD 走向可信工程应用的重要支撑。

第三，要构建可复用底座。PHengLEI 的价值不只在于现有功能，而在于它为不同研究者复用流场求解器、数据结构和接口提供了公共基础。对于任何自主 CAE 团队来说，统一数据结构、统一工程组织和统一扩展机制都非常关键。

第四，要把开源当作生态工程，而不是简单公开代码。真正有生命力的开源工业软件，需要文档、教程、算例、社区、测试、版本计划和贡献机制。没有这些配套，代码公开很难形成长期影响力。

第五，要把 AI for CFD 放到求解器框架里理解。机器学习代理模型、湍流模型修正、初场预测、气动优化和智能体调参都需要高质量数据和稳定求解器支撑。未来智能 CAE 的竞争，本质上仍然离不开物理模型、数值算法和工程验证。

结语：国产 CFD 的路，最终是工业软件的路

中国空气动力研究与发展中心、国家数值风洞和风雷 PHengLEI 的故事，本质上是一条从国家重大工程需求出发，由风洞试验、计算空气动力学、高性能计算、软件工程和开源生态共同推动的国产 CAE 路线。

这条路线提醒我们：自主 CAE 不是简单做一个界面，也不是把国外软件功能列表重写一遍。它需要长期的工程数据、真实任务牵引、核心算法积累、软件架构建设、验证确认体系和跨单位协同。

如果说物理风洞解决的是“飞机能不能飞、飞得稳不稳”的问题，那么数值风洞解决的就是“能否在计算机中更快、更准、更系统地理解和设计飞行器”的问题。对国产工业软件来说，这正是最核心的战场。

从这个意义上讲，风雷 PHengLEI 不只是一个 CFD 软件名称，更是国产 CAE 从自用代码、工程工具走向开放平台和自主生态的一次重要尝试。

资料来源

1.中国空气动力研究与发展中心单位简介，吉林大学就业网。

2.《郭老对气动中心的奠基性贡献》，中国科学院力学研究所纪念郭永怀专题。

3.《“国家数值风洞自主可控关键技术”专栏简介》，《空气动力学学报》，2020。

4.北京理工大学前沿交叉科学研究院：《国家数值风洞（NNW）关键技术研究进展》讲座报道。

5.赵钟、何先耀、何磊、黄灿：《国家数值风洞风雷软件研发与开源应用进展》，《空气动力学学报》，2026。

6.新华社：《国家数值风洞套装软件迎来首次“合龙”》，2021。

7.国家空间科学数据中心：《国家数值风洞工程 CFD 验证与确认数据库》。