1.1　流体力学的研究方法

理论分析方法是在研究流体运动规律的基础上提出各种简化流动模型，建立各类控制方程并在一定条件下经过推导和运算获得问题的解析解。其优点在于各种影响因素清晰可见，所得结果具有普遍性，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是由于其要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解，一般只能研究简单流动模型。对于流体运动的非线性情况，所研究问题的数学模型必须经过很大的简化。在这种条件下得到的解析解的适用范围非常有限，而且能够得到解析解的问题也为数不多，远远不能满足工程设计的需要。

实验研究方法是研究流动机理、分析流动现象、探讨流动新概念，推动流体力学发展的主要研究手段，是获得和验证流动新现象的主要方法，是理论分析和数值方法的基础。其优点是可以借助各种先进仪器设备，给出多种复杂流动的准确、可靠的观测结果，实验结果真实可信，其重要性不容低估。然而，实验常受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时甚至很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等困难。

CFD方法弥补了理论分析和实验研究方法的不足。由于描述流动问题的控制方程一般呈非线性，其自变量多，计算域的几何形状和边界条件十分复杂，很难求得解析解。而采用CFD技术在计算机上实现一个特定的数值模拟计算，就像在计算机上做一次物理实验，可以形象地再现流动情景。其优点是可以选择不同的流动参数进行各种数值实验实现多方案比较，并且不受物理模型和实验模型的限制，具有较好的灵活性，省时省钱，非常经济，还可模拟特殊条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。但是，CFD得到的结果是某一特定流体运动区域内，在特定边界条件和参数的特定取值下的离散数值解。因而，无法预知参数变化对于流体的影响和流场的精确分布情况。因此，它提供的信息不如解析解详尽、完整。

CFD采用数值计算方法求解流体力学控制方程，并通过计算机数值计算和图像显示，得到流场参数在（时间、空间）离散点处的数值，以此预测流体运动规律。CFD的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式对流动方程进行离散，建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。此外，CFD还可与计算机辅助设计（CAD）联合，进行结构优化设计等。

CFD方法与传统的理论分析方法、实验研究方法组成了研究流体流动问题的完整体系，CFD有助于对理论分析和实验研究的结果进行解释和说明，但理论分析和实验研究一直是研究流体问题不可或缺、不可替代的。理论分析、实验研究和CFD三者各有特点，只有有机结合起来，取长补短，灵活应用，才能有效解决各类工程实际问题，从而推动流体力学向前发展。