关于实验流体力学

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实验流体力学现在碰到的瓶颈，远比计算流体力学要严重得多。而且急需要天才来救场，否则很难有出路。

实验流体力学首先最大的问题依然是烧钱，无尽的烧钱。如果要获得可靠的飞行器气动数据，那么一般的玩具级风洞依然是吹不出来的，因为邪恶的雷诺数效应。缩比模型的雷诺数一般要比实际飞行器小一个量级以上，这就导致了阻力预测可信度偏低，极端情况下还有更严重的转捩预测完全错误的问题。所以，工业界实际用的风洞都是大尺寸的，实验段直径起码要在几米的量级，这也就意味着一座风洞的造价至少需要上亿人民币。这还不算后续的风洞运营经费、配套仪器费用、模型加工费用和实验人员工资。所以，空气动力学实验没钱是玩不起的。

其次，实验的定量测量手段目前还不够完善。

说到了热流量CFD算不准，实际上实验定量测量难度一点也不比CFD低，测出来的数据完全错误的情况也见过。当然，最本质也是最核心的困难还是速度场的测量。虽然PIV、PTV之类的技术已经取得了非常大的进步，但在流场最关键的近壁区测量依然很困难。针对某些湍流问题，已经有不少学者认为直接数值模拟 (DNS) 可信度高于实验了。当然这个观点还有很大争议，但短期来看，如果实验测量技术得不到巨大突破，那么，也许渐渐地CFD的标定对象就越来越多的偏向DNS而不是实验了。（为什么一直反复说湍流模拟？因为航空航天工业上能见到的流动95%都是湍流！顺便提下，卡门涡街不是湍流。雷诺数才几百，你看到的这些涡全是层流涡。不要一提到湍流就贴一个卡门涡街的图，你的流体力学老师会报警的。）

第三，风洞环境和实际飞行环境之间有多大的相似度，即所谓的“天地换算”问题。一般的工业风洞可以成功的模拟民航飞机、战斗机、运输机等气动参数，但是对于更新型的飞行器问题往往就无能为力。典型例子：高空飞行器，气动声学问题。这些问题的典型特点都是低来流湍流度和低噪声度，目前全世界能完成此类实验的风洞屈指可数，且造价比一般的工业风洞还要高。

综上所述，实验空气动力学目前的确走到了命运的十字路口。尤其是在CFD技术继续高速发展、摩尔定律尚未失效、超级计算机军备竞赛还在开展的今天，其受到的挑战也越来越大。

从最悲观的角度来看，工业界的现状的确就是越来越少的实验，越来越多的CFD。因为CFD的技术已经形成了滚雪球效应，前一代机型上算不准的问题，下一代机型上就可以取得进步；而实验所起到的作用更多的是在关键点上对CFD进行标定，探明目前CFD技术的能力边界，并且对CFD结果进行最终确认。

在学术的视角上，CFD离下一次技术爆炸已经不远了。美国人Vision2030了，相应的欧洲也有ADIGMA和IDIHOM计划。一旦这些技术发展成熟，那么，CFD模拟工业空气动力学问题的能力又能上一个台阶。套用一句刘建宏老师的话，“留给实验流体力学的时间不多了”。

当然反过来，从乐观的角度来看，如果真的有天才，那么实验流体力学能提供的舞台无疑更为广阔。

来源：FESIM有限元分析微信公众号，作者：飞赛团队。

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CFD和EFD都在进步中