1.1　流體力學的研究方法

理論分析方法是在研究流體運動規律的基礎上提出各種簡化流動模型，建立各類控制方程并在一定條件下經過推導和運算獲得問題的解析解。其優點在于各種影響因素清晰可見，所得結果具有普遍性，是指導實驗研究和驗證新的數值計算方法的理論基礎。但是由于其要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解，一般只能研究簡單流動模型。對于流體運動的非線性情況，所研究問題的數學模型必須經過很大的簡化。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不多，遠遠不能滿足工程設計的需要。

實驗研究方法是研究流動機理、分析流動現象、探討流動新概念，推動流體力學發展的主要研究手段，是獲得和驗證流動新現象的主要方法，是理論分析和數值方法的基礎。其優點是可以借助各種先進儀器設備，給出多種復雜流動的準確、可靠的觀測結果，實驗結果真實可信，其重要性不容低估。然而，實驗常受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時甚至很難通過實驗方法得到結果。此外，實驗還會遇到經費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長等困難。

CFD方法彌補了理論分析和實驗研究方法的不足。由于描述流動問題的控制方程一般呈非線性，其自變量多，計算域的幾何形狀和邊界條件十分復雜，很難求得解析解。而采用CFD技術在計算機上實現一個特定的數值模擬計算，就像在計算機上做一次物理實驗，可以形象地再現流動情景。其優點是可以選擇不同的流動參數進行各種數值實驗實現多方案比較，并且不受物理模型和實驗模型的限制，具有較好的靈活性，省時省錢，非常經濟，還可模擬特殊條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。但是，CFD得到的結果是某一特定流體運動區域內，在特定邊界條件和參數的特定取值下的離散數值解。因而，無法預知參數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采用數值計算方法求解流體力學控制方程，并通過計算機數值計算和圖像顯示，得到流場參數在（時間、空間）離散點處的數值，以此預測流體運動規律。CFD的基本思想是：把原來在時間域及空間域上連續的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式對流動方程進行離散，建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。

CFD可以看作是在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內各個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間的變化情況。此外，CFD還可與計算機輔助設計（CAD）聯合，進行結構優化設計等。

CFD方法與傳統的理論分析方法、實驗研究方法組成了研究流體流動問題的完整體系，CFD有助于對理論分析和實驗研究的結果進行解釋和說明，但理論分析和實驗研究一直是研究流體問題不可或缺、不可替代的。理論分析、實驗研究和CFD三者各有特點，只有有機結合起來，取長補短，靈活應用，才能有效解決各類工程實際問題，從而推動流體力學向前發展。