夜雨聆风
赵钟1,*, 何先耀1, 何磊1, 黄灿2
1.中国空气动力研究与发展中心 计算空气动力研究所，绵阳 621000
2.四川天府流体大数据研究中心，成都 610299
计算流体力学（CFD）软件是高端产品研制不可或缺的工业软件，我国长期高度依赖国外产品，严重制约自主创新能力和产业发展。风雷软件（PHengLEI）作为国家数值风洞（NNW）套装软件之一面向全国开源，致力于为复杂流动、高精度模拟等工业软件提供底层框架，同时为培养国产软件人才、促进基础研究提供基础平台。本文将综述该软件的最新技术进展与开源应用情况。
1. 风雷软件研发进展
2011年中国空气动力研究与发展中心组建专门团队，计划研发通用CFD软件，经公开征名投票，最终选出“风雷软件（PHengLEI）”。软件原型系统于2013年成功研发，2018年纳入国家数值风洞工程建设，2020年面向全国开源。经过多年持续研发，在软件框架、并行计算等方面形成技术特色，并获得了广泛的开源应用。
1.1 技术特色
1）具备兼容不同网格、精度、硬件的高可扩展软件框架
网格兼容。软件最大特色是能兼容结构、非结构网格，还能在两类网格上分别调用对应的求解算法。其意义在于为研究者提供通用、可选择的基础平台，便于研究者利用两种网格的优势在不同领域开展研究与应用。图3展示了分别基于结构网格、非结构网格的功能模块及成熟度。其中，色条长度表示成熟度，结构求解器侧重于高速流动和精细化模拟，非结构求解器侧重于低、亚跨声速流动模拟。
图1 开源功能与成熟度
精度兼容。针对全场高精度求解难以满足工程实用需求的问题，软件通过采用FVM二阶/WCNS高精度耦合计算，只需在局部关键流动区域生成高质量网格、执行高精度求解，其他绝大部分区域采用非结构网格、执行二阶精度计算，从而有效提升高精度格式的工程实用性。
硬件兼容。随着国产高性能硬件架构日益复杂，对极度依赖并行计算的流体工业软件提出更高挑战。风雷软件针对性地设计了多级分区、通信打包等大规模并行技术，柔性适配飞腾、申威、迈创、DCU等国产同构/异构硬件，已部署各大国家超算中心，实现了软硬件深度高效协同。
2）具备面向常规气动问题的工业级模拟能力
高升力构型模拟。针对决定飞机起降性能与安全性的高升力构型，软件基于AIAA高升力预测活动提供的标准构型（如TrapWing、DLR-F11、CRM-HL）与风洞数据，系统验证了其对低速大攻角流动的工业级预测能力，并在湍流模型选择、网格策略与初场设置等方面为增升装置设计提供工程实践指南。
图2 高升力构型流场
翼身组合体模拟。针对大型运输机高亚声速巡航的气动设计需求，通过对DLR-F6、CHN-T1等典型翼身组合体的数值模拟，验证了其对跨声速流动预测的工业级精度与可靠性。
3）具备面向基础研究的前沿算法模型
针对基础研究对软件平台的需求，软件发展了系统的高精度求解与先进湍流模拟能力。该软件提供了基于WCNS格式的高精度格式、DES与LES等先进算法模型，为数值算法、湍流转捩模型等创新基础研究提供了可靠支撑。
图3复杂工程构型数值流场
1.2 研发新进展
虚拟数字风洞技术。为解决风能领域中物理试验与数值仿真深度融合的需求，风雷软件以西北工业大学NF-3翼型风洞为原型，成功构建了全自动化的数字风洞。用户仅需输入二维翼型坐标，即可自动化实现风洞试验全过程模拟。结果表明虚拟试验结果尤其在失速攻角附近，能更精确地复现物理风洞测得的升力系数曲线，为风力机翼型的精准气动设计与分析提供了可靠的数字化基础设施。
图4 数字风洞（D-EFD）与物理风洞（NF-3）流场对比
低空风场与污染物扩散自动化模拟。面向低空经济与石化安全对高分辨率模拟的迫切需求，建立了从网格生成到风场及污染物扩散仿真的全自动化链路。发展了基于叉树数据结构的直角网格快速生成技术，可根据数字高程模型（DEM）地形数据自适应加密，并生成贴合复杂地形的亿级高质量网格。通过耦合中尺度气象数据降尺度，可获得米级分辨率精细化风场。同时，集成多组分气体输运模型与密度基/压力基耦合求解策略，实现了对厂区环境等复杂场景下污染物泄漏、扩散过程的全自动模拟与风险评估，显著提升了在风工程领域应用的便捷性与效率。
图5 低空风场模拟
2. 开源应用情况
通过从中国知网（CNKI）、Web of Science（WOS）、Science Direct等数据库收集了国内第三方同行基于风雷软件开展的研究，以及在2025年中国青年科技创新“揭榜挂帅”擂台赛计算流体力学开源软件数值仿真竞赛中，参赛团队基于风雷软件提交的论文报告，重点从发表期刊、发表时间、应用领域等方面统计了开源应用进展。
开源应用呈现显著特征：成果形式方面，以学术论文为主，发表周期表明工业软件研究从算法到出成果周期更长；应用领域方面，以航空航天气动问题为主，并逐步向风工程、热科学、智能流体等多学科交叉领域拓展；用户群体方面，以高校和研究所科研人员为主。
发展面临的挑战：一是技术链路不完整，缺乏一体化的前后处理工具；二是数值算法效率与顶尖商业软件尚有差距；三是集成的新功能仍需长期工程实践打磨。
未来，风雷软件将致力于通过“开源协同”新范式，建立“主干基因”宏观迭代与“分支基因”微观求精相结合的群智创新模式。在内部，研发团队遵循工程范式，通过规范化的宏观迭代、DevOps流程与自动化测试平台保障主干版本的代码质量与工程化稳定性。在外部，则通过红山创客任务、开源比赛等机制，充分激发开源社区的创造力，将优秀的外部创新持续汇入主干。通过持续培育开源生态，汇聚大众智慧，最终成为一个开放、标准的公共研究平台，以开源的多样性应对发展的不确定性。
图7 风雷软件开源范式路线图
（本文来自《空气动力学学报》微信公众号，版权归原作者或原出处所有）
