1.1　流體力學(xué)的研究方法

理論分析方法是在研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出各種簡化流動(dòng)模型，建立各類控制方程并在一定條件下經(jīng)過推導(dǎo)和運(yùn)算獲得問題的解析解。其優(yōu)點(diǎn)在于各種影響因素清晰可見，所得結(jié)果具有普遍性，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。但是由于其要求對計(jì)算對象進(jìn)行抽象和簡化，才有可能得出理論解，一般只能研究簡單流動(dòng)模型。對于流體運(yùn)動(dòng)的非線性情況，所研究問題的數(shù)學(xué)模型必須經(jīng)過很大的簡化。在這種條件下得到的解析解的適用范圍非常有限，而且能夠得到解析解的問題也為數(shù)不多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)的需要。

實(shí)驗(yàn)研究方法是研究流動(dòng)機(jī)理、分析流動(dòng)現(xiàn)象、探討流動(dòng)新概念，推動(dòng)流體力學(xué)發(fā)展的主要研究手段，是獲得和驗(yàn)證流動(dòng)新現(xiàn)象的主要方法，是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)。其優(yōu)點(diǎn)是可以借助各種先進(jìn)儀器設(shè)備，給出多種復(fù)雜流動(dòng)的準(zhǔn)確、可靠的觀測結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，其重要性不容低估。然而，實(shí)驗(yàn)常受到模型尺寸、流場擾動(dòng)、人身安全和測量精度的限制，有時(shí)甚至很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)還會遇到經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長等困難。

CFD方法彌補(bǔ)了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究方法的不足。由于描述流動(dòng)問題的控制方程一般呈非線性，其自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件十分復(fù)雜，很難求得解析解。而采用CFD技術(shù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的數(shù)值模擬計(jì)算，就像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)，可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景。其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇不同的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行各種數(shù)值實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多方案比較，并且不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲哂休^好的靈活性，省時(shí)省錢，非常經(jīng)濟(jì)，還可模擬特殊條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。但是，CFD得到的結(jié)果是某一特定流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，在特定邊界條件和參數(shù)的特定取值下的離散數(shù)值解。因而，無法預(yù)知參數(shù)變化對于流體的影響和流場的精確分布情況。因此，它提供的信息不如解析解詳盡、完整。

CFD采用數(shù)值計(jì)算方法求解流體力學(xué)控制方程，并通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，得到流場參數(shù)在（時(shí)間、空間）離散點(diǎn)處的數(shù)值，以此預(yù)測流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。CFD的基本思想是：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式對流動(dòng)方程進(jìn)行離散，建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。此外，CFD還可與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）聯(lián)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)研究方法組成了研究流體流動(dòng)問題的完整體系，CFD有助于對理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行解釋和說明，但理論分析和實(shí)驗(yàn)研究一直是研究流體問題不可或缺、不可替代的。理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和CFD三者各有特點(diǎn)，只有有機(jī)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，靈活應(yīng)用，才能有效解決各類工程實(shí)際問題，從而推動(dòng)流體力學(xué)向前發(fā)展。