研究流体力学问题的方法优化

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：通常在研究流体力学问题时，主要是研究流体在静止或运动时流场的性质或运动参数的变化以及流体运动的基本规律。一般而言，研究流体力学问题的方法大概可以分成理论解析法、实验观测法以及数值计算法。其优点在于研究费用较少，可以计算复杂的流体流动问题，计算结果也与真实现象之间的偏差较小。

由于流体的运动在一定的空间内进行，其运动的空间被称为流场（Fluid flow field），用来表示流体流场状态的物理特性就称为流场的性质（Property），例如压力、密度和温度等都是流体流场的性质。用来描述流体运动情况的物理量，例如流场的速度、加速度、动量与动能等，统称为流体的运动参数（Kinematic parameter）。流体的性质与运动参数又称为流体的流动参数（Flow parameter），用来描述流体流动时的流场状态与运动情况。通常在研究流体力学问题时，主要是研究流体在静止或运动时流场的性质或运动参数的变化以及流体运动的基本规律。一般而言，研究流体力学问题的方法大概可以分成理论解析法、实验观测法以及数值计算法。这些方法的特点各不相同，但是又相互联系。

1.5.1 理论解析法

所谓理论解析法（Theoretical analytic method）是基于人工应用基本概念、定律和数学工具来计算简单的流体流动问题，其优点在于理论结果方便分析隐含的物理观念与影响变量的函数关系，但是缺点是对于复杂或包含不规则形状的流体流动问题，无法严密求解，需要透过必要的实验研究来加以验证或修正。在早期计算机不够普及与计算能力有限的情况下，多使用理论解析法配合物理条件的简化来解决简单的流体问题。

1.5.2 实验观测法

所谓实验观测法（Experimental observation method）是基于实验的方法来观察或测量流体流动性质或运动参数的变化，以了解流体流动的特性，其中主要手段是利用风洞或水洞进行模型或原型实验。其优点是可提供大量的实验资料，使得研究能从定性或定量的资料中发现与分析流动中的（新）现象或（新）原理，尤其是实验结果可作为检验其他两种研究方法所得结论是否正确的依据。但是其缺点是成本过高，实验测量往往需要消耗大量的人力、物力、财力。

1.5.3 数值计算法(https://www.chuimin.cn)

所谓数值计算法（Numerical algorithm）就是利用计算机的快速运算与存储能力强大的特点，结合计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）的数值方法来求解流体流动的问题，由于近年来计算机技术的迅速发展，计算能力日渐强大，因此其被广泛地用于解决复杂的流体流动问题。其优点在于研究费用较少，可以计算复杂的流体流动问题，计算结果也与真实现象之间的偏差较小。但是它的缺点是计算结果为大量数据，不易掌握物理现象。此外数值模拟或仿真程式设计时的错误可能会造成计算时产生严重的数值误差。所以利用数值计算法得到的计算结果也必须通过必要的实验来加以验证或修正。

1.5.4 综合讨论

为方便学习，这里将简述三种流体力学问题研究方法的特点归纳，如表1-2所示。

表1-2 流体力学问题研究方法的优缺点比较

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综上所述，使用理论解析法指导实验研究和数值计算，使它们开展的工作富有成效，少出差错；实验研究用来比较理论分析和数值计算的结果，并检验它们的可用性与正确性，用作提供理论建模和研究流动规律的依据；数值计算可以弥补理论分析和实验研究的不足，对复杂的流体力学问题进行既快又好的计算分析。这三种方法的结合应用，必将进一步促进流体力学的快速发展。

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