我將問題分析一下，看是不是想問這麼一個問題：流體力學已經發展了這麼多年，空氣動力學中對於飛機的設計，為什麼還要進行風洞實驗？是不是靠理論設計或者數值模擬就可以很好的設計出飛機的翼型？

說到流體力學，不得不說的一個方程就是納維-斯托克斯方程（N-S方程），N-S方程是一組描述像液體和空氣這樣的流體物質的方程。這些方程建立了流體的粒子動量的改變率（力）和作用在液體內部的壓力的變化和耗散粘滯力（類似於摩擦力）以及重力之間的關係。

N-S方程最重要的性質之一就是非線性：納維－斯托克斯方程在大多數實際情況下是非線性的偏微分方程。在某些情況下，一維流和斯托克斯流方程可以簡化為線性方程組，但是更多的情況下是無法簡化為線性方程組的，這其中就包括飛機翼型設計等。

線性方程是能夠得到解析解的，但是由於流體力學N-S方程中存在的非線性項，大多數情況下，是無法得到精確的解析解，或許可以透過數值模擬得到一些數值解，但是正是由於非線性項的存在使得很多的問題很難或者沒法解決，非線性的特質是動盪方程組模型的重要影響因素。非線性是由於對流加速（與點速度變化相關聯的加速度），因此，任何對流無論湍流與否都會涉及非線性。

其中最經典的案例就是圓柱擾流問題。

卡門渦街

其次，需要提到的是，大多數科學研究中（至少在工程科學中是這樣），科學研究的手段有三種：理論研究，數值模擬，實驗研究，這三種研究手段的重要性相當，相輔相成，缺一不可。

風洞實驗，是空氣動力學的研究工具。風洞是一種產生人造氣流的管道，用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應。風洞除了主要應用於汽車、飛行器、導彈（尤其是巡航導彈、空對空導彈等）設計領域，也適用於建築物、高速列車、船艦的空氣阻力、耐熱與抗壓試驗等。它主要利用的是相似性原理，透過縮比模型在風洞中實驗獲得的實驗資料，來例證數值模擬的結果，以便更好的對模型進行最佳化，需要指出的是，風洞實驗結果大多數情況下與現地風場的觀測結果比較接近，因此可以可以在大多數的工程科學問題中進行採用，同時也可以用來研究極端環境（激波問題等）。

以上僅為對流體力學及風洞實驗的簡單介紹，如有存在不夠翔實或是謬誤之處，還望批評指正。

首先，流體力學難在哪兒？

其實流體力學的精髓就在於求解N-S方程，全稱叫做Navier-Stokes方程。方程的表示式如下：

↑N-S方程↑

不要看這個方程表達形式很簡單，但是這跟普通人理解的方程（也就是我們在初高中看到的那些方程）是完全不一樣的。因為這是一個偏微分方程。

偏微分方程的意思就是，這個方程有好多個變數，並且我們已知的東西是方程的因變數對這些變數的導數，同時我們知道的關係都是區域性的一個點的性質。所以即便我們很容易把一個多元函式的偏導數求出來——這個對於一個學過高數的人綽綽有餘，但是反過來透過一個函式的偏導數來求解原來的函式，是非常困難的。

舉個例子，我手上有一片山區的3D地圖，我可以指出來那個地方是山峰、哪個地方是山谷，哪個地方的地形是什麼樣的，但是如果我現在走在山裡，我可以知道每個地方的地形，但是很難畫出來整個山區的3D地圖。

這些所有的困難加到一起，就構成了求解這個方程的困難。事實上，對於絕大部分的偏微分方程都沒有解析解——也就是我們可以寫成公式的解。

實際上，我們不需要非常準確的、可以寫成表示式的解就可以設計出很好的飛機，於是所謂的數值解法就被提出了，比如說對於固體力學的有限元法，還有針對流體力學的計算流體力學。

↑計算流體力學↑

這些方法其實求出來的都不是準確解，而是近似解。對於很多情況下，這些解可以反應真實情況。並且，這些計算結果看起來真的很酷。

↑火箭飛行過程中的流體力學模擬↑

只要是簡化的解法，都是跟現實有差距的。而對於流體力學，這個現象尤其明顯。

比如說我們原來上大學物理課的時候，物理老師說他原先還沒有戒菸、學校也不完全是禁菸區的時候，講到流體的性質的時候都會拿出來一個煙點上，隨著煙氣的上升，很快煙的形狀就由平滑變得紊亂，而且就算你完全不動，煙的形狀也不是穩定。這個東西就叫做“紊流”。

↑煙氣產生的“紊流”↑

紊流的意思就是，這種流動是紊亂的、複雜的，而且是及其敏感的，即便是人眼看不到的一點點的變化都會讓整個流體流動的形狀發生巨大的改變。所以對於計算流體力學來說，相關的研究人員都會在心裡打鼓：你怎麼知道你做的那些簡化不會引起結果的天翻地覆的變化？

所以說試驗在流體力學中幾乎是必須的。一方面，你要透過試驗驗證你的計算結果是不是對的。另一方面，你在計算流體力學中做出來的一些簡化是需要你去用試驗來標定的，也就是確定你的簡化方法中的一些常數。從而保證你的計算結果跟現實是相符的。

↑風洞試驗↑

↑中國的超音速風洞↑

那麼，既然要做試驗，為什麼還要計算呢？

這個問題問的很好，我覺得可以分成兩個層次：

1，計算是為了可以不用做那麼多的試驗；

飛機的形狀是可以千變萬化的，但是哪一種才是最好的？要知道，一次超音速風洞試驗，耗費的資源和資金都是天價（有些風洞，僅僅風洞的耗電量就需要一個葛洲壩水電站提供），甚至於兩位數的試驗次數都是奢侈至極，所以我們就需要先透過計算來得到一個我們認為比較好的結果，然後再做試驗，如果計算結果跟試驗結果差不多，那太好了，我們甚至於都不用做第二次試驗了，如果差得多，那麼我們可以修正計算用的模型，爭取第二次、第三次成功。

2，做試驗是為了做更少的、甚至於不做試驗。

我們可以透過試驗來確定一種計算模型，並且可以透過試驗來修正計算模型、來讓一個計算模型變得更準確，一旦試驗證明，這種計算方法是有道理的、能反映真實的情況的，那麼就太好了。

比如說一個飛機我們設計機翼的角度，於是我提出來一個計算模型，然後透過一兩次試驗分別驗證機翼是30°和60°情況下的飛機周邊氣體的流動情況，並且根據試驗結果修正這個計算模型。然後下面就方便了，我們可以隨便在計算模型裡面調整機翼的角度，35、45、55……隨便調，反正是用電腦算，肯定比真正地做試驗便宜太多了，然後算出來，47.5°的時候飛機效能最好，那麼我再做一次試驗，發現果然效能跟我預測的一樣，那麼我一共用三次試驗就得到了最優解，而如果我沒有這個計算方法，只是靠試驗，我要做多少次試驗？所以你說划算不划算？

↑計算流體力學和試驗都是研究流體力學的手段↑

因為計算與實際有誤差。實際的工程中，一個流體力學問題是很複雜的，比如我要算飛機飛的時候，機翼做成什麼形狀，升阻比最大，他可能會有十幾個變數。有些簡單的可以計算，有些複雜的，能計算，但誤差大，可能誤差在±20%（在流體力學，傳熱學裡，有些公式能有20%的誤差已經算很精確了）。還有些，只能靠實驗測定，然後得出一個公式，在溫度10-50度時用這個公式，在50-100度用那個公式。但是，這些都有誤差，而且你的工作條件可能跟公式的那個不一樣。所以就需要做實驗，驗證一下誤差大不大，大，修改，再做，還大，再改，好，這回可以了。把結論記下，比如這個公式什麼條件下要乘修正係數1.236，什麼條件下要乘0.753。還有一些，根本沒法計算，比如有4個未知數，但你只能列3個方程，那你肯定無法得出解析解。如果不做風洞，也可以驗證，造個真飛機飛去，那麼，萬一你算得誤差比較大，就可能飛一半掉下來，粉身碎骨。

此外，風洞還有個最大的好處，就是省錢，安全。比如我算出來，機翼角度27.5度是最好的，角度小了效果差。但同時我又算出，機翼超過28度會有危險，很可能摔。那我到底取多少？可能我27.5算得不準，也可能28算得不準。前面說了，這些領域裡，誤差20%都算精確了，所以實際跟理論會差很遠。如果有風洞我就做個模型吹一下，看看27.5度到底會不會摔。一吹，發現到30度才會摔，那我就取27.5，如果不行，那取低點。反正摔的只是模型。如果沒有風洞，要麼保守點，直接取小角度，要麼你不怕死做個真飛機去試。所以現在的飛機，航天器，沒有強大的風洞做支撐，你是做不好的。自己想想，c919，運20這樣的，用真飛機去摔，你再有錢，造飛機的時間就擺在那呢，你摔得起嗎？日本的心神就是這個結果，別看他汽車相機牛逼，沒有風洞，他只能做個教練機。

客觀來講，常規的汽車，飛機，火箭，核爆武器設計完全可以利用計算流體力學代替風洞試驗(當然核爆無法風洞試驗，但是用高效能計算流體力學模擬即可以了，由於是破壞性的武器，殺傷效能計算誤差稍微大點問題不大，計算殺死100萬實際殺死80萬不會是問題，另外20萬幸存了也是活死人，還可以消耗敵國資源)，當今五大國全面停止了核爆並非完全是為了世界和平，而是因為高效能的計算機模擬完全可以代替核爆試驗了，核武器的研發並不是隨著核試驗停止而停止，看看俄羅斯最近秀的肌肉就明白了。

從流體力學物理原理來講，汽車的繞流與核爆衝擊波的控制方程是完全一樣的，區別在於速度不同；飛機與火箭繞流滿足同樣的物理原理，差別也是速度，當今的高效能計算機模擬技術已經發展到了完全可以代替風洞試驗的地步了，為什麼還要搞風洞試驗呢？原因有以下幾點：

1.責任問題，雖然計算機模擬可以代替風洞試驗，但是工業品設計一般有責任追究問題，萬一計算遇上了黑天鵝，導致大量投入損失，或者要追加大量經費修改設計，這個責任將會導致主要設計管理人員的烏紗帽受到危害，因此多搞一套試驗風險更低，至少看起來更加保險，上級領導也會更加支援。

2.認知問題，當今工業設計的主管人員，真正決策人員一般年紀較大，他們一般並不太真正瞭解或者說不願意甚至鄙視高效能計算機模擬的進展，認知停留在他們大學學習階段的狀況，而且真正搞高效能計算機模擬的科研人員一般難以坐到工業品設計主管和決策的位置上，主管或者決策人不信任虛擬的東西，因為代溝和專業知識差異。

3.利益問題，風洞試驗相關的機構和人員十分龐大，前期投入也是極其龐大，製造了一個利益團體，如果完全不用或者大幅度減少風洞試驗將會造成他們的飯碗危機，他們當然會以風洞硬體設施打壓計算機模擬技術，儘管歐洲某些風洞已經鏽跡斑斑，國內依然會有新的風洞建設，可以以此向國家要求追加大量經費，硬體和軟體的博弈一直持續，硬體利益團體似乎佔據上風，而軟體團體也是不太爭氣，完全敗給國外軟體公司，核心技術一直不過關，或者處於閉門造車，假冒偽劣以次充好狀況。

4.人才問題，計算流體力學本就是一個較為冷僻的專業，掙錢不多工作還累，國內大學優秀人才首先不會選擇這個專業，選了這個專業的優秀人才出國了換專業了，或者幫歐美帝國主義搞設計去了，國內留在這個行業的難以抵擋國外專業軟體公司的商業滲透，根本沒有勝算；但是搞風洞試驗的不同，尤其是工業級風洞試驗，這基本是壟斷性，還有國家支援，並且國外技術封鎖神助攻(下達封鎖命令的外國政客同樣並不是真正瞭解風洞，隨便一個政治理由就行)，因而更顯重要了。

對於宏觀複雜實體環境的數學模擬，從來都是被簡化的更加便於計算的理想化模型。可能有很多人類認識不到或數學模型無法表達的影響因素。比如說是否存在微觀層面暗物質的影響？就算是風洞吹風也不是全能的，這也是為啥需要有試飛員實際飛行測試研發階段的戰鬥機！