在計算機高速發展的今天，實驗流體力學的前景哪裡？

01-03

另外在工業界，實驗流體力學今後會扮演什麼樣的角色？

計算狗要出來咬人了！非戰鬥人員退散！

我關注的方面比較偏空氣動力學，所以以下討論主要針對空氣動力學的實驗，對其他流體力學的子學科只能算一個參考，沒有完全的對應關係。

首先先擺明觀點：實驗流體力學現在碰到的瓶頸遠比計算流體力學要嚴重得多。而且急需要天才來救場，否則很難有出路。

實驗流體力學首先最大的問題依然是燒錢，無盡的燒錢。如果要獲得可靠的飛行器氣動數據，那麼一般的玩具級風洞依然是吹不出來的，因為邪惡的雷諾數效應。縮比模型的雷諾數一般要比實際飛行器小一個量級以上，這就導致了阻力預測可信度偏低，極端情況下還有更嚴重的轉捩預測完全錯誤的問題。所以，工業界實際用的風洞都是大尺寸的，實驗段直徑起碼要在幾米的量級，這也就意味著一座風洞的造價至少需要上億人民幣。這還不算後續的風洞運營經費、配套儀器費用、模型加工費用和實驗人員工資。所以空氣動力學實驗沒錢是玩不起的。

其次，實驗的定量測量手段目前還不夠完善。樓上 @劉輿帥說到了熱流量CFD算不準，實際上實驗定量測量難度一點也不比CFD低，測出來的數據完全錯誤的情況我也見過。當然，最本質也是最核心的困難還是速度場的測量。雖然PIV、PTV之類的技術已經取得了非常大的進步，但在流場最關鍵的近壁區測量依然很困難。針對某些湍流問題，已經有不少學者認為直接數值模擬（DNS）可信度高於實驗了。當然這個觀點還有很大爭議，但短期來看，如果實驗測量技術得不到巨大突破，那麼也許漸漸地CFD的標定對象就越來越多的偏向DNS而不是實驗了。

（順便夾帶個私貨，為什麼我一直反覆說湍流模擬？因為航空航天工業上能見到的流動95%都是湍流！）

（順便夾帶的第二份私貨：卡門渦街不是湍流。雷諾數才幾百，你看到的這些渦全是層流渦。不要一提到湍流就貼一個卡門渦街的圖，你的流體力學老師會報警的。）

第三，風洞環境和實際飛行環境之間有多大的相似度，即所謂的「天地換算」問題。一般的工業風洞可以成功的模擬民航飛機、戰鬥機、運輸機等的氣動參數，但是對於更新型的飛行器問題往往就無能為力，典型例子：高空飛行器、氣動聲學問題。這些問題的典型特點都是低來流湍流度和低雜訊度，目前全世界能完成此類實驗的風洞屈指可數，且造價比一般的工業風洞還要高。

綜上所述，實驗空氣動力學目前的確走到了命運的十字路口。尤其是在CFD技術繼續高速發展、摩爾定律尚未失效、超級計算機軍備競賽還在開展的今天，其受到的挑戰也越來越大。

從最悲觀的角度來看，工業界的現狀的確就是越來越少的實驗，越來越多的CFD。因為CFD的技術已經形成了滾雪球效應，前一代機型上算不準的問題，下一代機型上就可以取得進步；而實驗所起到的作用更多的是在關鍵點上對CFD進行標定，探明目前CFD技術的能力邊界，並且對CFD結果進行最終確認。

在學術的視角上，CFD離下一次技術爆炸已經不遠了。 @馬拉轟以前在另一個問題里給大家簡單介紹過美國人的Vision2030了。相應的歐洲也有ADIGMA和IDIHOM計劃。有時間的話我會另開一貼詳細講新一代CFD技術。一旦這些技術發展成熟，那麼CFD模擬工業空氣動力學問題的能力又能上一個台階。

套用一句劉建宏老師的話，「留給實驗流體力學的時間不多了」。

當然反過來，從樂觀的角度來看，如果真的有天才，那麼實驗流體力學能提供的舞台無疑更為廣闊。

天才們，喊你們呢，趕緊把實驗流體力學往前推一把吧。

===

多說兩句吧

流體力學作為一個不大不小的學科，本身是不可能推進基礎技術發展的。因此，流體力學研究手段的提高多少要搭順風車的。CPU算力提高了，CFD也進步一點。激光功率提高了，PIV/LIF幀數也高一點。如果全世界只有CFD要用計算機，PIV要用激光，這兩個領域恐怕多少年也不會進步。

如果說實驗流體力學未來能有什麼飛速發展，那要看能不能找到快速便車了。但總的來說，實驗搭便車要比計算難的多。舉個搭不到便車的例子，三維成像用MRI，CT都是很成熟的技術，也都有用於實驗流體的嘗試。理論上沒什麼問題，實踐上解析度和信噪比都不理想。如果醫學成像領域沒有提高這兩方面的需求，世界上沒有哪個流體組可以自造改進設備的。

===

我完全不接觸實驗，只能隨便說說了。

實驗流體力學有兩大類，一類是關心某種流體物理現象，另一類是關心某種有現應用背景的構型、器械、裝置，通過實驗採集相關的數據以滿足應用需求。

那麼在計算能力高速發展的今天，實驗的意義在哪裡？

對於第一類，任何自然科學本質上都是實驗科學，計算和理論再發達完善，最終還是要回歸實驗觀測。不光是流體物理，比如標準模型提出四十多年，最終還是要等希格斯波色子被實驗發現才算完滿。

第一類又可以細分為兩種情形，一種是研究複雜系統，比如各種形式下的湍流，方程已經知道了，但是動力系統的演化比較複雜。這類情況計算另一種是研究物理機理，換句話說方程都還沒搞清楚。

對於第二類，在驗證檢驗的環節，永遠不能沒有試驗只有計算的。無論未來計算能力如何發達，適航驗證不可能計算機算一下就說通過了。某個物理現象，這個方向的研究人員吃透了一個，別人就不會再動了，得找新的。但是裝置，設計，構型，肯定是日新月異，無窮無盡的，這方面始終有活干。在設計環節，計算目前的瓶頸主要在於周期限制。某些常見而複雜的工況，高精度的計算周期太長，低精度的計算誤差太大。如果這個行業本身設計周期比較短，比如氣動外形，未來計算也不可能完全覆蓋。倒是發動機這一塊，雖然問題更複雜，但是實驗和設計周期都長得多，計算還有很大的潛力。

另外，現在流體方面的實驗手段遠算不上充分，還是有很多我們想要的信息，現在的實驗檢測手段難以提供。從hot wire到PIV到LDV到LIF，絕對沒有到頭，隨著多學科多物理過程交叉，肯定會有新的方法出現，新的需求出現。所以探索新的測量方法，也是很重要的一個領域。

這個問題問到了我的心坎里。而我還是一個純做微流體實驗的。

相比起來樓上等等提到的空氣動力學實驗，微流體實驗的成本就低得多了。製備通道，搭建高速CCD平台，幾個泵，一點試劑，一個星期，就可以做出來夠你分析一年的實驗。所以做微流體實驗基本不存在成本過高問題。

然後說為什麼做實驗。我對做數值了解不多，但我理解中的數值模擬是要建立在了解原理的基礎上。比如說，控制方程是NS方程，某些項可以忽略；邊界條件如何；擾動如何。確實在非常多的領域都有非常成熟的理論研究，方程解不了而已。但是在有的領域，基礎理論研究還不到完善。就微流體而言，尺度，通道材料，流體性質，流體組合等都會導致新的問題，有的情況下，NS方程是不適用的，邊界條件會有變化，流體也會有不同的「行為」。舉個例子，在原子層面上光滑的壁面上，某些液體在壁面處會氣化，造成完全不同於液體狀態下的邊界條件。這些現象都是要靠實驗來發現的。總結而言，實驗會發現新的理論，而數值模擬需要建立在理論之上。

當然，這裡我只是重點說了實驗的作用，其實實驗，理論，數值三者是相輔相成的，缺一不可。在信息技術的時代，數值模擬有了突飛猛進的發展，於科學研究當然是好事。但也不是說實驗就沒有未來了。就個人而言，不管在哪一行，做好自己的事，自然就有未來了。

以上是我現在的理解，以後有了更新的認識還會更新。

2015年2月14日

人嫩經驗少，妄言一二。

搞實驗的一年不開張，開張管一年啊。風洞一響，黃金萬兩。前途是大大的有啊。

搞計算的嘛，沒幾個人敢拍著胸脯說自己算的一定準，所以，做實驗的如果在發揮可靠性的優勢的同時，努力控制成本，是非常有競爭力的。

但是在設計周期中，實驗的作用必然弱化。在設計過程中產品會被不停地修改，要是隨便動動什麼就去做實驗，時間和成本都不允許。

所以，實驗就在定型環節扮演裁定者的角色。結果可靠性就成為實驗的生命，甚至多花錢都不要緊。

還是往一年不開張，開張管一年的方向發展。

流體力學還是被空氣動力學統治著。我說點兒邊緣的東西。

水力學方面，研究的流體力學問題比空氣動力學還要多，比如高速水流摻氣形成水氣二相流、高速水流霧化、水沙二相流等。這些現象機理都搞不清楚，建立在統計規律上的經驗公式又不靠譜，實驗成了解決某些問題僅有的手段。流體力學實驗的瓶頸同樣制約水力學，比如流速測量，但對於從實際工程中發展而來的水力學，實驗手段已經夠用了；要突破制約實驗流體力學的天花板，水力學恐怕沒有這樣的追求。

水力學畢竟是個工科。

我就煩這些科研打工仔裡面的甜黨和咸黨互撕。

都是一個學科，互相拆什麼台。術業有專攻，一把鑰匙開一把鎖，小學老師就教你們。結果前天fortran黨和c++黨互撕，今天實驗黨和計算黨互撕。格局真low。

反對北大 @陳二喜的部分內容。

根據你的回答內容，目測你缺乏實際工程經驗。

1.計算和實驗用時和花費問題。

DNS這破玩意根本沒有工程實用化！！！

寫程序？誰給你寫程序？都是拿現成的程序拿湍流模型算。

實驗模型從加工到整個變攻角吹完就兩天，你的模型就是個規則二維幾何體/三維旋成體么？實際的模型設計加工周期加上測量裝置的布置起碼都是月的量級。

2.近壁PIV這個我是很佩服北大的成果的，給跪。

3.天地換算問題。其實這個是最大的坑，因為換算根本就不靠譜啊！北大那個風洞就Φ300，你自己算吹個x51的整機模型你得縮比多少倍。

風洞實驗和數值計算也就是個互相補充互相驗證的關係。

最終只有實飛數據是靠譜的。

比如即便是工業上不太實用的les在湍流熱穿計算上還和實驗有20%左右的差距，雷諾平均模型基本都在50%到200%

手動感謝邀請。

這個問題擺明了就是讓做實驗的跟做計算的互撕。在空氣動力學領域，做實驗的跟做計算的就是相互看不慣對方，都覺得對方做的東西是rubbish。這是實話。所以這個問題，本身就不友好。

其實，我挺反對樓上某博士的高票答案的。反對的內容我後面再說，先回答一下問題。順帶給我的高中生小粉絲們科普了。

自然科學中，研究問題的方法主要分三種，分別是理論分析，數值模擬計算以及實驗研究。

實驗研究：

當年歐姆給小燈泡通電，得到了電壓，電阻和電流三者的關係都滿足:電阻=電壓/電流。提出了歐姆定律。這個發現就屬於實驗研究。同樣，牛頓第二定律 $F=ma$ 也是實驗研究得出的理論。

理論分析：

理論分析就是我坐在辦公室，盯著牛頓定律發獃，突然靈光閃現，發現， $F=ma=mfrac{v}{t}$ ,移項以後發現 $Ft=mv$ ，於是我提出了衝量定理。

數值模擬：

有一天，人們突發奇想，想模擬人從多高的地方摔下來不會骨折，但是沒辦法找人來驗證，於是，把牛頓定律輸入電腦，把動量定理告訴電腦，又告訴電腦人的骨骼硬度等一系列條件，讓電腦來計算人類從5米高的地方掉下來會不會骨折。這個過程就是數值模擬。

理論分析就是人類解方程。

數值模擬就是計算機解方程。

實驗研究就是大自然解方程。

好了，回到這個問題：計算機迅速發展的今天，實驗手段有何前景。

首先說的一點就是，數值計算的前題是人類給計算機預先輸入的各種已經發展成熟的理論，因為計算機本身不會思考，人類必須先教它。所以，人類必須得有成熟的理論。然而，空氣動力學，尤其是超聲速以後，以及高超聲速階段，成熟的理論很少，別以為超聲速飛行器都上天幾十年了，不管你信不信，但事實的確是我們在這方面沒有成熟的理論。當年靠的是就是實驗啊。

還有一點就是，數值計算出來的結果無法判定其準確性。當然，實驗都有誤差，但是這個誤差不會引起質變，我們使用實驗結果的時候，自然會考慮到誤差，但是計算結果最恐怖的一點就是，有可能是完全錯誤的結果，但我們不太確定。所以，你發射個火箭，造個戰鬥機，不在風洞里吹風實驗敢上天嗎？

就問你，只有數值計算的結果就發射衛星上天，你怕不怕。

所以，只要流體力學還有飯吃，只要空氣動力學還有飯吃，做實驗的肯定就有飯吃。實驗才是檢驗實際的唯一標準。

愛因斯坦的厲害吧，愛因斯坦場方程線性化，得到平面引力波解，這個理論推導的漂亮吧，然而還是得靠實驗真正探測到引力波才能夠算數。目前，人類只認實驗。

針對某博士的答案中，有幾處我是持有不同意見的。

1，他說風洞試驗燒錢。

的確燒錢，但是數值計算的手段，令人信服的DNS也燒錢好嘛。那計算量大的，對計算機要求多高啊。模擬加熱狀態下不同攻角下的吹風，沒個20W下不來。而且算上寫程序的時間，算上跑程序的時間，怎麼也得個把月吧。在我們風洞一吹，20秒搞定，算上準備模型的時間，以及反覆的實驗驗證，這實驗兩天也就搞定了。

2，他說PIV實驗不能解決近壁問題

先說說什麼是PIV實驗，照顧一下沒有聽過的小夥伴。PIV是Particle Image Velocimetry的簡稱，就是在流場中放入細小的熒光粒子，在激光照射下，粒子發出熒光，通過拍攝兩個時刻粒子的狀態，從而獲得整個流場的速度場。

因為時間間隔特別短，用於拍攝的高速相機快門特別快，所以進光量特別少，為此，要用激光照明，但是激光打到流場邊緣的時候，會反光，導致近壁區域模糊，無法算出速度場，導致PIV不能解決近壁問題。

偷偷告訴你，近壁問題已經解決啦，相關文獻名字記不清，請去 Journal of Experiments in Fluid Mechanics 檢索作者Y D zhu，作者單位是北京大學湍流與複雜系統國家重點實驗室。

如果你不信我們真正解決了這個問題的話，那再告訴你，我們實驗室在AIAA上有很多高超聲速邊界層的PIV實驗結果。如果近壁問題解決不了，根本沒辦法做邊界層實驗，對吧。

3，他說「天地換算」問題導致實驗更燒錢

說的沒錯。但是算賬不是這麼算的。

我先解釋一下天地換算的問題。意思是說，在地面吹風的話，不能完全模擬飛行器在天上飛的情況。因為天上飛的話，湍流度很低，來流雜訊很低。完全模擬這種環境的話，對風洞要求很高。滿足要求的風洞叫做「高超聲速靜風洞」，核心技術就是「靜」字。這種風洞，全世界有三座，美國有倆，分別位於普渡大學和德克薩斯大學。中國有一個，位於北京大學。（歡迎報考北京大學航空航天系）

這種靜風洞，的確高端，高端只是技術難，並非燒錢。攻克了技術問題，建個靜風洞跟建個普通風洞花錢差不多。

而且，風洞建成了，可以做很多很多實驗，對吧。平均下來，使用靜風洞並不比使用DNS燒錢。

作實驗的做出來東西自己不信別人信

做理論的做出來東西別人不信自己信

做計算的做出來東西，自己不信別人更不信。

我的導師有一次開玩笑說的，大家自己體會。。。

嗯。做了一年的piv, siv, psv和高速攝影機的實驗流體力學小白飄過。

首先，simulation本身的局限性。我做過的實驗流體力學的東西有氣泡在水中的分布和生成實驗，這個在現階段是根本沒有合理的物理模型的。超空泡實驗，組裡同時有人在做模擬，相同的環境參數設置下，僅空泡長度，模擬的結果是實驗結果得出的兩倍。而且模擬跑一個工況大約需要兩天，而實驗做一個工況五分鐘即可。

其二，新的流體力學問題搭建過程。比如，多個大型風電機組組成的風電場風機之間互相干涉的問題，就需要利用空氣中的有效粒子來進行piv，給出這個問題的基本概念。

手機編輯的，先提出這兩點，等用電腦再進行修改和擴展。

實驗和模擬是相輔相成的關係，實際工程科研都離不開這兩者。對於大工程而言，實驗的核心是模化，也就是將縮比的結果用於真實尺寸的預測。模擬可以直接模擬真實尺寸。個人認為實驗和模擬沒有誰可以替代誰的關係，會長期和諧並存發展。但是趨勢是模擬正在逐漸加快工程設計的周期。

CFD永遠不能取代實驗！CFD永遠不能取代實驗！！CFD永遠不能取代實驗！！！實在不明白某些CFD黨何來的優越感，說白了CFD就是個手段，本質上連計算器乃至算盤都不如，其理論基礎連發展CFD的老祖宗尚不能自圓其說，又怎麼可能在所有的流體學科佔據主流。所以樓上的那個博士生，等你哪天敢拍著胸脯說你算出來的所有結果都是正確的時候再出來咬人吧！

引用丁仲禮先生的一句話，數值模擬不過是魔術師的水晶球。如果憑著個水晶球就能招搖撞騙，那流體力學真的沒救了！

最淺顯易懂的道理：cfd計算再怎麼牛逼，也是以理論為前提的。計算機的性能不斷增強只是提高了運算能力而已，計算機本身不會提出或者修正現有的理論。而科學理論無論再怎麼牛逼，與實際不符就是扯淡，如何判定與實際是否相符合？實驗。當然了，如果只涉及工業生產而不是科研，從成本上看cfd確實比實驗要便宜，畢竟老師曾經說過，做實驗不是拿模型放在實驗段，而是拿大把大把的鈔票放在實驗段，一吹，就沒了。

其實僅僅考慮很多湍流問題，就不可以用模擬了，根據Komogorov turbulence theorem, 你可以算出來那些網格的大小，然後一個1m的立方體在高雷諾數下基本就已經算到飛起了，不然也不會用那麼多近似模型做模擬了吧。其實在傳統流體力學裡頭，還有很多模擬結果跟實驗結果不同的，可以看看法國那些科學家最近玩得東西。

同問