来源:FESIM有限元分析,作者:飞赛团队。
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。