我国CFD商业软件与国际差距深度剖析

我国在计算流体力学（CFD）仿真用商业软件技术方面，与欧美是有相当大的差距的。国内的科研环境中所用的CFD商用软件 ，几乎被欧美软件所垄断，其中以美国ANSYS公司 的fluent、CFX 、Icepak 软件，英国的Phoenics 、Flotherm 软件等为代表。如果说几乎被国外制霸的CAD制图软件还有汉化版的话，这些被垄断的CFD软件甚至都只有英文版，想使用的话还有一定的英文门槛。

一、尽量通俗地介绍一下计算流体力学（CFD）

顾名思义，流体——流动状态下的物质，最常见的就是水和空气。在很多科研与工程的研究中必须研究流体的流动规律。

常见情景举例：

汽车在高速行驶的时候，用来克服空气阻力的油耗量甚至可以占到总油耗的70%以上，也就是说在真空状态下行驶的汽车可以节省约70%的油耗。所以根据汽车表面的空气流动规律来设计合理的汽车形状来降低空气阻力具有重要意义。再比如前短时间的虎门大桥的抖动，说通俗点也是因为被风吹的。所以将大桥设计为合理的形状，抵御风吹带来的抖动是非常重要的。

但研究便需要实验，汽车的空气阻力实验尚可开展，只需要用一个超大号风扇对着汽车吹风，用传感器监测风速和空气阻力就可以了。这种实验名为风洞实验，其实成本也是很高昂的。以同济大学的1：1风洞实验室为例，一辆汽车的开发需要400~500小时的风洞实验，费用需要一千万元左右。但是长度以千米计虎门大桥呢？在现场做实验难度极大，只能用一个等比例缩小的模型来实验。

所以，CFD应运而生，借助计算机为工具，通过一系列描述流体流动规律的方程和公式，并进行大量计算分析，来模拟出各种实际问题中流体的流动状况，为产品开发和设计做出重要的参考依据和研究方向。CFD可比做实验的成本低太多了，哪怕最后需要做实验去验证CFD模拟结果是否可靠，也比没有参考依据而瞎做实验的实验次数少很多很多。

以上举的例子只是冰山一角，需要CFD仿真的领域简直太多太多了，比如与生活息息相关的空调，抽油烟机，洗衣机，吸尘器，还有近乎所有交通工具：飞机、轮船、高铁等等，都需要良好的流体力学设计。甚至在科幻电影中的狂风海啸等场面，也都是利用CFD技术模拟所得的。

二、CFD商业软件为什么被“卡脖子”？

（1）学科水平问题

前面说到了，CFD商业软件是在一系列可以描述流体流动规律的方程与公式的基础之上而设计的流动模拟软件。这一句话说得简单，但却对流体力学和计算机科学两个学科的理论水平与经验积累提出了极高的要求，并且要完美地将两者融合为一个易用性与通用性均较强的软件。这其中的细分学科又涉及到了理论流体力学、计算流体力学、工程热力学、高等数学、编程语言、拓扑学、图形学等诸多方面内容。

其中以流体力学为例，一个CFD商用软件必然需要较好的流体力学理论支撑。在流体流动中，湍流状态是最常见的状态。而著名物理学家理查德·费曼（1965年诺贝尔物理奖得主）曾将湍流称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”，也可以理解为湍流将是经典物理学中最后一个有可能授予诺贝尔奖的难题。所以现阶段在流体力学中存在很多经验性或半经验性公式，这些公式各自有其一定的适用场景与范围，而非全是像F=ma一样的通用定律。也正因为如此，适用于不同场景下的多种湍流模型被相继提出，比如最早期用于设计航空领域产品的Spalart-Allmaras模型 ，适用于充分发展湍流的k-ε模型 、以及在近壁面流动具有高准确性的k-w模型 等等。

这些湍流模型公式中很多经验性参数的选择需要大量实验数据库的支持。而想要对计算流体力学中湍流模型的研究取得一些具有突破性的实质进展，需要良好的组织模式、严密的测试和海量的结果数据库验证。

这不仅需要大量的资金，更需要研发经验的积累和时间的沉淀。国内高校教师艰难的“唯论文制”生存环境，CFD行业资金缺乏（毕竟也不是风口行业），这个领域中的大多企业或科研单位难以支撑如此高昂的研究费用，更难谈及沉下来的潜心积累了。

再以计算机学科为例，因为本人非计算机专业，所以引用《工业软件为什么这么难？》的一段话，来论证计算机学科方面的一些技术壁垒：

工业软件模型之间的兼容性问题，目前主要是通过遵循STEP标准 解决的。在美国和欧洲，都有推动STEP标准开发及应用的非盈利组织，特别是近期包括波音、空客、GE、 洛克希德马丁等航空巨头推进的LOTAR (长期归档和检索)项目也是以STEP作为基础。各种CAD、CAE、EDA格式之间相互转换造成的信息丢失和精度丢失每年都会造成高达数十亿美元的损失，而如何有效复用这些模型数据也长期困扰着各个行业，特别是不少国内厂商在设计模型过程中没有遵循严格的标准，“制造” 了不少问题数据,这些模型数据传递到下游行业也造成了很多问题，有些模型甚至基本不可复用。

（2）知识产权问题与市场问题

国内工业领域的商业软件发展疲软的一大原因就是因为国内开发软件产品缺乏知识产权保护。这是很多其他回答中所提到的软件技术被“卡脖子”的一个共有原因。既然是商用软件，则需要以利润为出发点。工业商软和微信、QQ、支付宝等软件的盈利模式是大相径庭的，工业商软的盈利模式类似于Windows系统、PS软件等，主要以销售软件的方式而获得利润的。这些软件或系统的在国内的大环境下仍是以盗版居多，所以哪怕痛下成本去进行CFD商业软件的研发，缺乏知识产权的保护，市场上盗版软件横行，这将会极大打击研发人员积极性。

并且欧美CFD商用软件的市场占有率极高并且已经形成固化，如果国内的相关研究没有取得突破性的成果，或者一些压倒性的优势的话，很难从欧美软件的市场份额中分得一杯羹，况且现在还处在一个软件开发水平劣势的状态下，这也是国内研发积极性不高的一个重要原因。

（3）研发模式问题

这样一来，在国内个别高校内的某些实验室，可能会针对课题组所承接项目或课题中的具体研究内容进行一定的CFD模拟程序的编写和开发，应付其所面对的具体情况尚可，但也仅限于此。此类成果面向对象单一，不具有解决多方面问题的通用性；甚至只是停留在代码的层面，没有用户交互界面；而且可能课题结束后这段代码也就躺在硬盘中吃灰，没有发展的持续性。并且诸如此类的课题组大多不会将这样的程序全部公开，虽然其中可能不乏一些出色的成果，虽然会在学术会议中进行论文层面的交流，但是没有一个大规模且统一的平台将各类研究成果进行资源整合与产业转化。所以也就导致了类似的研究比较分散，没有拧成一股绳，难以在国际上形成气候。

三、CFD商业软件的发展展望

我国的CFD商业软件并非为0。比如在近几年，一款叫做风雷（PHengLEI）的软件进入流体力学领域的视野，该软件是由中国空气动力研究与发展中心研发、具有完全自主知识产权、面向流体工程与研究的CFD平台。

它的界面长这样：

行业内前辈流沙老师在用这个软件进行了简单的二维翼型流场模拟后，表面压力分布云图结果如下：

流沙老师这样评价这个CFD软件：

（1）GUI还有较大的优化空间，当前的人机界面只能用简陋来形容，且毫无美感可言。
（2）缺少几何与网格操作功能。不过能够导入cgns及Fluent格式基本也能满足需求。
（3）目前仅支持流动计算。目前未看到除流动计算之外的物理模型，如热计算、动网格等功能均没有找到。
（4）后处理模块几乎没有。不过内置了一些常用物理量的输出和查看，如果作为空气动力学专用软件也算够用。
（5）求解器包含了较多的对流项处理算法以及限制器。个人猜测在空气动力学计算方面应该有相当造诣。

但是不论如何，这是国产CFD软件中唯一敢于公开面向大众，并且提供申请使用的，至少这点就可以让我们看到国产CFD软件的希望。

祝愿开发团队——中国空气动力研究与发展中心能够把这款软件继续完善下去，不要放弃，坚持更新与迭代。也希望有祖国有更多的团队能够在国产CFD软件上开辟道路，并把研发队伍发展壮大。期望有一天，我们能够拥有自己的通用CFD商业软件，把这项技术的“脖子”从欧美的手中抢回来。

扩展阅读：

1.我国的CFD软件与国外的差距

2.国产CFD软件PHengLEI使用体验

3.CFD行业前景