關於實驗流體力學

01-29

作者：balipoyu

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。

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。

（為什麼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！）

（順便提下：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。

美國人Vision2030了，相應的歐洲也有ADIGMA和IDIHOM計劃。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。