飞机结冰软件的绝活是如何练成的
关键词：飞机结冰，国产CAE，CFD，冰形，ONERA，Lewice，测试
一般来说，飞机结冰软件有四座大山：
美国的Lewice、英国的Trajice2、法国的ONICE2D、加拿大的Fensap。
如果按五绝来排，还可以加上庞巴迪的Canice。
LEWICE软件
前面三个都是二维程序（有的有三维，但是没有商用），它们诞生于上世纪七八十年代，在波音、空客等飞机的设计、适航取证方面发挥了重要作用。
Fensap软件虽然采用了更先进、更复杂的三维求解技术，但是在很多情况下的冰形计算效果还不如Lewice等二维软件。
这是因为结冰问题非常复杂，很多机理并不十分明确，相关物理参数众多。即便是试验，不同的冰风洞甚至能做出差异巨大的冰形结果。
Lewice等二维软件通过大量的冰风洞试验进行优化校准，积累了不少科技又狠活的参数修正。
别管为什么这么修正，反正就是修准了。
三维求解中，参数变得更多，模型也更复杂。修参数本身就是按下葫芦浮起瓢，想把模型修到大部分工况都能和试验吻合是非常难的事情。
另外实际型号对计算效率的要求高，一个冰形都需要算数个小时甚至需要人工干预更新网格的三维算法并不受欢迎。所以，效率高精度好的二维软件仍然在型号设计中占据重要作用。
这就是他们的绝活。我们并不完全清楚他们的绝活是怎么练成的，但是通过公开资料中的蛛丝马迹，可以大胆的猜。
今天我就结合九年的结冰软件研发经历，给大家猜一猜这个历程：
1. 基本功：严密的数学模型体系
我在前面将水滴轨迹的文章中详细介绍了水滴轨迹控制方程建立、求解的发展历程。（飞机结冰算法中水滴轨迹的追踪）
从这也能看出来，无论是流场求解、两相流模拟亦或者结冰热力学模型，起点都是先建立了严格的数理模型。
1940年代，欧文朗缪尔等人已经建立了水滴运动轨迹的拉格朗日方程，并研发了最早的冰风洞设备。50年代，洛克希德的飞机设计师Messinger建立了结冰热力学模型。
再加上NS方程的相关研究，至此结冰所需要的数学模型体系已经成型。受限制计算机的发展，过了大约30年，到七八十年代，结冰程序的开发才完全开启。
著名的Messinger结冰热力学模型建立于1952年
由洛克希德飞机公司的工程师Messinger建立
刚开始搞结冰算法，都是一板一眼，数学公式怎么推导的，代码就怎么来。
我刚开始弄算法的时候，一个公式一个公式的按照文献进行推导，恨不得每个参数找几个文献一起复核确定。
当年开发程序的笔记
一步一步能算简单的绕流，能算出水滴轨迹，成就感满满。
明冰太复杂，那就先算霜冰，于是很快也能算出冰形了。和冰风洞结果一对，还挺好。
可是一算明冰，就不行了。调参数，一个工况调对了，另一个工况就不对了。
早期的Lewice交互界面
2. 砸钱：大量的冰风洞研究
这个时候，聪明如你开始把目光投向试验。或许试验有问题呢，多做点试验，不同的翼型，不同的工况，看看到底规律对不对。
反正大老美有的是钱，NASA有的是钱，冰风洞敞开了干，就是干冒烟了绝不能让苏联追上。
于是NASA诞生了这份经典的测试验证报告，将近700页的篇幅展示各种冰形和计算结果。
同时也向我们展示了科研经费的正确用法。比花200w搞顶刊强吧。
NASA非常经典的冰形测试验证报告
3. 心态调整：邪修就是快
试验数据有了，初版的结冰代码也搞出来了。
这个时候心态也调整过来了，就把精力放在调参数上！能调出来也是水平，CFD本来就是玄学嘛，不上点手段怎么行。
于是一通猛操作，很多对上了。
但是还有不少就是来捣乱的，怎么着也对不上。
对不上就对不上嘛，玄学总有概率。光气动都不一定算的对，更何况还要加上冰。
能算成这样不容易了，已经是当世无敌了。自己何必跟自己较劲，一代人干不完再交给下一代。
当务之急还是要提升计算效率和稳定性。那个年代的计算机性能还不行，怎么能算的快才是型号单位更关心的。
基于拉格朗日法的结冰程序，水滴轨迹的求解最耗时间。如果用二分法精确求解，单次时间步就可能算几百条水滴，多步法下来，真的要算很久。
既然它最耗时就干它。直接用几十条来算，剩下就直接插值。不连续的地方，直接抹平。
简单粗暴，但是管用。LEWICE这一通折腾下来，几乎是当时效率最高的软件，没有之一。
其实国内的结冰论文我看了很多，大部分上来就是一堆公式模型，一到冰形验证的部分，就是请出老演员NACA0012，再加1个或者2个工况的试验结果对比。
原因大家也心照不宣，再多放一个就对不上了。
国外搞结冰的，尤其算法验证的文章，动不动就是十几甚至二三十个工况比对。
其实对不上并不丢人，大部分也都是研究生，搞这个东西没几年，手里所谓的算法不成熟。
这都能很正常，人家一堆大神也是搞了几十年才有今日之水平。对不上的就勇敢承认对不上，算法适用性和参数还有待提升，找到原因就行。
越是畏畏缩缩，藏着掖着，讳疾忌医，越是没办法进步。
4. 闯荡江湖：都是同行，何必互相为难
航空工业的发展一定会催生结冰软件的发展，这个时候的适航法规逐渐完善，欧洲开始搞空客飞机，结冰是必须要解决的问题。
国家航空航天科研局（ONERA）一马当先，英国也紧随其后。很快，两家也拥有了自己的结冰程序。
尽管波音与空客存在竞争关系，但是航空技术的交流却很深入。毕竟欧洲小老弟刚帮自己干趴了苏联，在商言商，还是好兄弟。
不用去争论谁的算法更先进，大家一起组个团，一起玩。都把自己的软件拿出来，按照几个维度，大家一起计算，不去评价好坏，就是展示不同的技术特点。
报告嘛，每家各写一部分，然后一起发表，多好。于是就有了这个很有意思的报告：
三国软件对比报告
我也是看了这个报告以后才不内耗，不纠结自己的代码了。没有好坏，只有特点。
结冰算法它是个系统嘛，每个部分稍微有点不一样，出来的东西可不就不一样嘛。
5. 做时间的朋友：能活下来都是最好的
出来混，最重要的就是活下去。只要保持声量，过个几十年就是业界老前辈了。
到今天，NASA、法国ONERA仍然时不时更新一下代码，追一追SLD热点，加点小功能，做点试验，发一发Report。
然后大家又可以多了一些可靠权威的数据用来研究。大老美作恶多端，但是在结冰上，藏私不多，值得点赞。我这种没有研究经费的人，靠着NASA公开的数据，也能开发出来结冰软件，真是幸运。
ONICE（2017）
Lewice报告（2008）
6. Spring 2D的验证情况
我们的Spring 2D软件在开发的时候，专门加了数据库功能，目的就是能每做一个验证算例，都可以存在数据库中备查。
目前已经验证了几种翼型和不少工况，后面会不断往里加。即便不用它做模拟，只当数据库用也很好。
这里简单展示一下验证的效果，后面会专门写文章。
试用途径：
1. 后台联系助理。
2. 填写试用申请表
3. 邮件接收软件包，按照步骤操作，和助理联系获取密钥。
最后，欢迎广大同仁就如下方向给我们投稿：
1） 力学；
2） 工业软件开发（CAE）；
3） 科研经历分享；
4） 工程经历分享；
5） 力学科普（名人事迹、技术科普）。
