流体力学的研究方法

与其他学科一样，研究流体力学的方法一般是实验研究、理论分析和数值模拟三种。

首先，流体力学的研究离不开科学实验。流体力学理论的发展，在相当程度上取决于实验观测的水平。流体力学的实验研究主要在以下三个方面:(1)原型观测，对工程实际中的流体流动直接进行观测;(2)系统实验，在实验室内对人工造成的某种特定条件下的流动现象进行系统观测研究;(3)模型实验，在实验室内，以相似理论为指导，模拟实际工程的条件，在模型上预演和重演相应的流动现象，并进行研究。这三个方面各有其特点，在实验研究中起着不同的作用，在一定的范围内，可以相互配合、补充和验证。

其次，在对流体流动的观察和实验的基础上，根据机械运动的普遍原理，结合流体运动的特点，运用数理分析方法建立流体运动的系统理论，并用于指导生产实践，同时在生产实践过程中加以检验、完善和发展。由于流体流动的复杂性，单纯依靠由数理分析得到分析解很难解决工程实际问题，因此需要采用数理分析和实验研究相结合的方法。从以往的研究和发展来看，流体力学中用理论解决实际问题有以下几种情况:(1)先推导理论公式再用经验系数加以修正;(2)根据实验现象和理论推理提出半经验半理论公式;(3)先进行定性分析，然后直接给出经验公式。

另外，还有相当多的流动问题，若仅仅依靠理论分析和各类实验还是不能满足生产实践的要求。对这一类的问题，目前可以通过数值模拟来解决。随着计算机技术及其应用的进步与发展，这一方面已形成流体力学的一个重要分支——计算流体力学和计算水力学。这种研究方法是运用流体力学的系统理论结合各种实验所获得的成果，针对各个具体流动问题建立数学模型，然后通过计算机编程计算，在计算机虚拟空间内再现所模拟的流动现象，从而解决所模拟的工程实际问题。数值模拟计算的步骤是，对需模拟计算的工程实际问题，运用描述流体流动的基本方程和具体的初始条件和边界条件建立数值模型，组成这些数值模型的方程一般是线性偏微分方程或非线性偏微分方程，使用有限差分法、有限元法、有限解析法以及谱方法等离散这些组成数值模型的线性偏微分方程或非线性偏微分方程，利用计算机的计算技术编程计算和进行虚拟空间的模拟显示，重复或再现实际已发生或即将发生的复杂流动现象，从而得到问题的解。虽然数值模拟计算结果是近似的，但一般能达到实际工程中所要求的精度。

相对于计算机虚拟空间的数值模拟计算来说，实际的系统实验和模型实验一般称之为物理模拟实验或物理模型实验。一般来说数值模拟较物理模拟在人力和物力上节省，而且还具有不同于物理模拟受相似律的限制的优点。但数值模型必须建立在物理概念正确和力学概念明确的基础上，而且一定要受实验和原型观测的检验。因此，对于一些重要的流体力学问题的研究，还要采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的途径。本书主要介绍理论分析和实验研究两方面的内容，没有涉及数值模拟方面的内容，有兴趣的读者可以参阅相关计算流体力学或计算水力学方面的书籍。