結冰程序的案例
—Spring3D-Drop結冰程序研發記
1 Spring3D應該長啥樣
我在之前一篇文章中提到過，要啟動三維結冰程序的研發，這是20年6月份的事情。
結冰程序，有三個關鍵的技術：流場計算、水滴收集系數計算、冰形計算。而在三維結冰這個方面，一般能完成前兩個，就已經達到了相當高的程度，并具備了很強的實用性。
在研發之前，一個非常重要的問題就是要確定，這個軟件應該長啥樣？這個問題倒不是說界面炫不炫，而是整個軟件的設計理念是什么？也就是所謂的概念設計。
基于前面二維結冰程序開發的經驗，還有我自己的從業經歷，我給這個三維軟件一些要求如下：
（1）快。真男人就是要快。好軟件就是要快。快就意味著成本低，意味著效率高，意味著設計迭代短。快就是正義。部件級別的完成計算，用時2小時以內，整機級別的計算，控制在4-6小時。
（2）具備可用的精度。工程上能夠接受的精度，這個是軟件的底線。
（3）程序模塊化。大到流場計算模塊，小到一個判斷單元位置的算法，通通模塊化，設置為自定義函數，在主程序里面調用。這樣主程序簡潔、清晰，子程序可以隨時優化更新，不斷升級。
（4）設計輸入規范。根據軟件自身特點，確定輸入文件的格式，并具有普適性。就是說，只要按照這個格式和要求提供輸入，就能成功計算。
（5）軟件輸出可直接用于設計。比如像Fensap三維結冰軟件，計算完水滴撞擊后，如果你想在數模上畫出撞擊范圍，就需要自己后處理，取多個剖面的結果。Spring3D軟件則要根據設計研發需求，直接給出可用的結果，避免過多的人工后處理操作。
20年6月份啟動的研發，那時我仍在西北，搞飛機試飛，當月就采用三維面元法解決了流場計算問題。
展開 飛機結冰的那些事（2） Spring-Ice結冰軟件介紹
在之前的有一期說到，由于飛機機翼結冰計算的復雜性，工作室聯合航空院校及研究所，共同研發了基于Matlab的結冰計算軟件，本期就著重對該款軟件進行詳細介紹。不清楚之前機翼結冰相關背景知識的小伙伴可以看這個鏈接回顧一下：
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/536720
1。軟件背景介紹
這款結冰程序命名為Spring-Ice，結冰程序基于目前公開發表的結冰預測理論編寫而成，同時參考冰風洞試驗數據對程序進行了修正。該程序旨在提供一種臨界性與準確性兼顧的冰形計算工具（冰形計算器），以期應用于民機適航取證工作，作為Lewice、Fensap軟件的補充和驗證工具。
Spring-Ice結冰程序從2017年12月開始正式的編寫工作，至2018年3月完成水滴軌跡計算。
2018年6月流場的計算由有限元法變更為面元法。
2019年7月完成結冰模型程序的編寫。
2019年8月份完成與冰風洞試驗的對比以及界面制作。
2. 原理
Spring-Ice結冰程序主要模塊與原理如下：
1） 流場計算。流場計算采用面元法，提高了流場計算效率以及后續水滴軌跡的計算效率；
2） 水滴軌跡計算。采用拉格朗日法，并基于二分法預測水滴收集系數。目前針對二分法計算效率低的問題，研發團隊已經提出了特征線插值法，準備用于下一版本的軟件升級。
3） 結冰模型。基于經典Messinger結冰模型預測結冰量。
展開 飛機結冰的那些事（1）
特別是我國預警機的重要平臺—運八飛機，因為結冰事故極大阻礙了其發展進程。
運八飛機
飛機結冰問題之所以可怕，是因為結冰對飛機的氣動和操穩特性有著重要的影響，一旦結冰達到一定程度，造成機翼提供的升力不足，飛機就會掉落，若是再造成平尾提供的配平力矩不足，飛機將無法操控，造成不可挽回的災難。能被漫威編劇看重，并作為《鋼鐵俠1》的壓軸關鍵技術，結冰除了本身的可怕，更可怕的是結冰研究本身的難度。
結冰設計“四大難”
搞工程的都知道，理論、計算和試驗是解決問題的三大法寶。可是若是這三個法寶都不完善，那問題的難度可想而知。很不幸，結冰就是這樣的一個問題，不止如此，作為飛機設計領域的問題，結冰還多了一項—試飛難。
理論難
目前關于飛機結冰機理尚無準確清晰的認知，盡管有了一些假說，但是仍缺乏可靠的試驗支撐和理論體系。因此關于過冷水滴的特性、微觀層面冰的生長、冰與機體的粘附等等基礎理論仍存在諸多未解之謎，這也是阻礙結冰研究的關鍵之處。
計算難
下面這個圖是AC20-73A 中給出的八種不同結冰計算程序得到冰形與試驗結果的對比。稍微看下圖中的結果就能得出一個結論：不同程序得到的冰形可謂千奇百怪，差別甚大。計算想要跟試驗對的上，是很難的。由于對結冰機理的認知程度不深，當前尚無法建立可靠的結冰預測模型。
試驗難
既然計算預測難，那么做冰風洞試驗總可以了吧？抱歉，試驗的限制更大。
展開 Spring-ICE 結冰算法述評-（4）番外：簡單面元法
距離Spring-ICE程序初稿出來快一年了，我在現場剛好干完一票大活。高強度活動了幾天的身體后，動極思靜，由來已久的搞三維結冰算法的想法再次冒頭。
每次決定搞一個大程序前，其實要思想斗爭很久，一個類似結冰這樣的程序，往往意味著長達一兩年的長期精力投入，意味著大量的業余時間的報銷，還意味著我得盡可能減少兼職工作。
決定干就在這兩天，兩個誘因。一個是有天一個師兄喝多了跟我說，咱們都慢一點，慢慢來。那幾天正是我心態急躁的時候，前段時間投入了大量業余時間在兼職工作上，主副業交叉，腦子里亂的不行。聽師兄這么一說，我仔細想了想，我又不打算買房被割韭菜，我急個啥，開發工程工具解決工程問題是自己的興趣，還是要堅定的干，只要餓不死，多干點自己喜歡的東西唄。第二個誘因是，晚上再次看了遍《星際穿越》，一邊品著里面各種裝備的結構設計，一邊用自己的專業知識揣測各種技術細節，更關鍵的是，結合自己的工作經歷，越發認識到，我們掌握的知識是實實在在有用的，盡管看著古典傳統，還帶著很多經驗性東西，沒有什么AI、區塊鏈聽著高端，但是AI、區塊鏈并沒有解決我們這個行業的根本性難題，從來沒有。不必羨慕那些概念，桿梁板殼，流場氣動，哪個不是精妙十足，博大精深。
結冰計算，流場先行。我們前面幾期也提到了這些，為了準備三維結冰算法，我第一步就是要做個三維流場計算工具。參考我之前做二維的經驗，這次還是選擇面元法。
本期就介紹下二維簡單面元法的實現，以及主題：讀書。
1 參考啥文獻？
我在第一次搞面元法的時候，翻閱了很多文獻和書籍。最直接的感受是，越是近年的資料越不說“人話”。通篇不是偏微分積分，就是張量：
好像通篇理論性很強，實際上約等于啥也沒說，這些公式也不是這些貨搞出來的，引用這些數學定義式，介紹下每個元素的含義，這叫個什么論文？
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