引論：我們?yōu)槟砹?3篇流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
計算流體動力學(xué)即Computational Fluid Dynamics ，簡稱為CFD，是伴隨著計算機技術(shù)與數(shù)值計算技術(shù)發(fā)展而來的一種先進技術(shù)，可以實現(xiàn)對流體流動及換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)，可以對小區(qū)建筑物是空氣流動、室內(nèi)通風(fēng)、室內(nèi)供熱制冷設(shè)備布置、建筑物與外界環(huán)境換熱等狀況進行模擬與研究，從而提高建筑設(shè)計方案的科學(xué)性及合理性，打造宜居環(huán)境。
（一）計算流體動力學(xué)分析方法
計算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，是在計算機基礎(chǔ)上，對實際流體流動狀況進行模擬仿真。其技術(shù)實現(xiàn)的基本原理為：通過數(shù)值求解控制流體流動微分方程，獲得流體流動流場在區(qū)域范圍內(nèi)離散分布狀況。計算流體動力學(xué)技術(shù)分析方法主要分為三個環(huán)節(jié)，分別為數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建、數(shù)值算法求解與結(jié)果可視化。
1.數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建。針對所需要研究的流動問題，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)物理模型進行描述與研究。在建筑環(huán)境領(lǐng)域，其流體流動問題主要是進行不可壓流體粘性流體流動控制微分方程求解，為此，可以建立湍流模型并進行數(shù)值求解。如下公式為粘性流體流動控制微分方程：
在方程中，S代表源項，Γ代表擴散系數(shù)，p代表密度，其變量φ所代表的物理量不同，其方程含義不同。在應(yīng)用該方程的基礎(chǔ)上，可以進行建筑工程環(huán)境中溫度、濃度、流場速度等物理量分布。
2.數(shù)值算法求解。考慮到粘性流體流動控制微分方程具有較強的非線性特征，只能應(yīng)用數(shù)值方法進行求解。為此，應(yīng)對求解區(qū)域進行離散處理，一般采取有限元、有限差分、有限容積等離散形式。在進行不可壓流動與傳熱問題研究時所采取有限容積法進行離散。通過離散，可以獲得代數(shù)方程并進行求解，獲得流場離散分布。
3.結(jié)果可視化。單純進行方程求解無法讓一般工作人員進行理解，應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)將速度場、溫度場等進行模擬描述，通過計算機圖形，直觀表達出模擬結(jié)果。在可視化處理后，可以將復(fù)雜數(shù)值以直觀圖像進行顯示，便于非專業(yè)工作人員理解。當(dāng)前，應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)，可以生成靜態(tài)速度圖、靜態(tài)溫度場圖，并可以描繪出流場軌跡。
（二）計算流體動力學(xué)技術(shù)優(yōu)勢
在建筑環(huán)境工程中，其建筑群風(fēng)環(huán)境預(yù)測、室內(nèi)熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、設(shè)備性能等均是通過試驗方式來實現(xiàn)，如進行風(fēng)洞試驗等，其試驗存在著一定缺陷，且試驗周期較長。應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)進行計算機仿真模擬，其成本較低，速度較快，且模擬真實度較高，其模擬準(zhǔn)確性有保障。應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)可以生成可視化結(jié)果，可以為建筑設(shè)計及優(yōu)化發(fā)揮指導(dǎo)意義。
二、計算流體動力學(xué)在建筑環(huán)境工程中的應(yīng)用
（一）建筑外環(huán)境分析設(shè)計。在建筑工程中，其外環(huán)境對建筑內(nèi)居住者生活存在著很大影響，尤其是建筑設(shè)計較為密集的區(qū)域，其小區(qū)熱環(huán)境問題與二次風(fēng)問題逐漸受到人們的重視。應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)，可以對建筑外環(huán)境進行仿真模擬，為建筑設(shè)計提供依據(jù)，實現(xiàn)建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計的合理性與科學(xué)性。在仿真模擬建筑外環(huán)境風(fēng)流動分布狀況的基礎(chǔ)上，還可以對建筑內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計提出意見。按照模擬獲得風(fēng)速大小，進行住宅建筑風(fēng)荷載承受值計算，有助于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（二）通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計。通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織是建筑環(huán)境設(shè)計的重要內(nèi)容，其空調(diào)空間氣流組織直接關(guān)系著通風(fēng)空調(diào)效果，如空調(diào)空間氣流組織質(zhì)量較好，則室內(nèi)空調(diào)溫度及速度能夠滿足建筑環(huán)境設(shè)計的要求，反之，則不能實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)。為此，在進行建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計施工之前，應(yīng)進行空調(diào)空間氣流組織的設(shè)計與預(yù)測。在傳統(tǒng)方法中，多是選擇典型送回風(fēng)方式的氣流組織狀況研究，其精度及應(yīng)用范圍難以滿足設(shè)計要求。應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)，可以通過模擬仿真對建筑物內(nèi)部空氣氣流分布及溫度分布情況進行描述，可以實現(xiàn)對室內(nèi)通風(fēng)效果及空氣質(zhì)量的評價，指導(dǎo)通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計工作。
（三）建筑物及外環(huán)境傳熱計算。在建筑工程中，其建筑圍護結(jié)構(gòu)所具備的熱工性能會對室內(nèi)熱環(huán)境造成直接影響。如隔熱保溫性較差的圍護結(jié)構(gòu)其建筑室內(nèi)熱環(huán)境表現(xiàn)為冬冷夏熱。為此，在工程施工中應(yīng)綜合分析室內(nèi)與室外熱交換等情況。通過應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)，結(jié)合數(shù)值傳熱學(xué)，可以對建筑流固耦合進行傳熱計算，根據(jù)研究結(jié)果，合理選擇建筑圍護材料，有效控制建筑室內(nèi)熱環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能目的。
（四）建筑設(shè)備性能研究。在建筑工程施工中，會應(yīng)用到多種設(shè)備，如風(fēng)機、空調(diào)等，其設(shè)備運行均是通過流體工質(zhì)流動來實現(xiàn)，流體流動狀況直接影響著設(shè)備性能，如流道設(shè)置良好，其流體流動阻力較小，可以降低設(shè)備噪音，節(jié)約能耗等。應(yīng)用計算流體動力學(xué)，可以對設(shè)備內(nèi)部流體流動狀況進行模擬研究，在研究結(jié)果上分析設(shè)備性能，改進設(shè)備結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用的綜合效益。
三、結(jié)語
計算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)流體流動與換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。計算流體動力學(xué)技術(shù)分析主要分為數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建、數(shù)值算法求解與結(jié)果可視化三個環(huán)節(jié)，在實際應(yīng)用中展示出較大優(yōu)勢。從建筑外環(huán)境分析設(shè)計、通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計、建筑物與外環(huán)境傳熱計算、建筑設(shè)備性能研究四個方面對建筑環(huán)境工程中計算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用進行了研究。實踐證明，通過計算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高建筑環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)建筑施工綜合效益。
參考文獻：
[1]李康吉. 建筑室內(nèi)環(huán)境建模、控制與優(yōu)化及能耗預(yù)測[D].浙江大學(xué)，2013.
篇2
Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens
1引言
高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattanproject）,并持續(xù)到現(xiàn)在,它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先,照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì),要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時變化,要求曝光時間足夠短.
目前,世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯•阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實驗?zāi)軓膬蓚€垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像,不能進行多角度多時刻的輻射照相,獲得流體動力學(xué)試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無限壓縮,束流打到轉(zhuǎn)換靶上,產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑,從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm,制約了空間分辨率的提高.
研究人員希望實現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照
相,從而獲得流體動力學(xué)試驗的三維動態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學(xué)家ChrisMorris提出用質(zhì)子代替X射線進行流體動力學(xué)試驗透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實驗也確認了這項技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強子的長平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進行流體動力學(xué)試驗診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體動力學(xué)試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時的洛斯•阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責(zé)人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來,利用高能質(zhì)子束實現(xiàn)流體動力學(xué)試驗診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進的快速成像探測系統(tǒng)［5］.
高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短,則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長,則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動力學(xué)試驗提供了一種先進的診斷方法.
2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機制
高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進行分析研究.
所有質(zhì)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力,質(zhì)子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:
如果是彈性碰撞,以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動量,質(zhì)子因受核力的強大作用,會偏轉(zhuǎn)很大角度,這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器,這部分貢獻可以忽略）；
如果是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說,損失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,質(zhì)子與原子核的強相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為
NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)
其中N0,N分別為入射到被測物體上的質(zhì)子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)子能量達到GeV量級就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因為質(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.
由于質(zhì)子帶電,它也通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:
質(zhì)子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射,穿過原子核的每個質(zhì)子,即使和核并不接近,也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化,每個小散射效應(yīng)可以累積,這種現(xiàn)象叫做多重庫侖散射.多重庫侖散射的理論由EnricoFermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:
dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)
式中θ0為多次散射角的均方根值,可用下式表示:
θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)
式中p為束動量,β是以光速為單位的速度,Ri是材料的輻射長度,其值近似地表示為
Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)
其中A是原子量,Z是原子序數(shù).多重庫侖散射的結(jié)果很重要,特別是對重物質(zhì),最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面,因為Ri與材料的原子序數(shù)有關(guān),也正是這個特性使質(zhì)子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.
質(zhì)子和電子之間也會產(chǎn)生庫侖力作用,通常是非彈性的.因為電子質(zhì)量與質(zhì)子相比很小,庫侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變,而對質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變.也就是說,質(zhì)子通過電離原子(把電子擊出軌道),損失小部分能量.這種作用不會導(dǎo)致質(zhì)子運動方向大的改變,但會導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量,能量損失速率與它的動能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為
ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)
當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,dT/dl的值幾乎與動能無關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位,則
E=T+1,E2=P2+1.(6)
因此,能量損失引起的動量分散為
δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)
質(zhì)子通過物體后損失能量,發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同,也將導(dǎo)致模糊,這就是所謂的色差［8］.
3質(zhì)子照相原理
質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).
由于多重庫侖散射,穿過被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向,形成一個相對于入射方向的錐形束,需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話,質(zhì)子照相的潛力可能永遠不會被發(fā)掘出來.1995年,Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進而消除模糊效應(yīng),最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來,LANL的另一位物理學(xué)家JohnZumbro改進了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計方案,稱為Zumbro透鏡［4］.
Zumbro透鏡的主要優(yōu)點是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流,實驗客體對質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散,不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距,導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮,Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matchinglens),匹配透鏡的設(shè)計使得入射到被測物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián),即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且,角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計有關(guān)［9］.這樣,可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.
剩余的色差項為
x=-x0+Cxθ0δ,(8)
式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此,為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響,質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價,根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學(xué)試驗的精度要求,LANL為先進流體動力學(xué)試驗裝置(AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.
質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先,質(zhì)子束通過金屬薄片擴散,再經(jīng)過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外,還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開來,以便覆蓋整個物體,避免了使用很厚的金屬作為擴束器),這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負恒等透鏡組,分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.
TomMottershead和JohnZumbro論證了可以根據(jù)庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面),可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開來.在傅里葉平面,散射角等于0的質(zhì)子位于中心,散射角越大,半徑越大.離開這個透鏡后,質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準(zhǔn)直器,可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉,對允許的角度范圍進行積分,得到總質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)
第一個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］,則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)
第二個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)
角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍,可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù),可以提供密度和材料組分的信息.
考慮到探測器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計分布,面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104,每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011.如果一次流體動力學(xué)試驗需要獲得12個角度,每個角度20幅圖像,則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個.4質(zhì)子照相裝置
質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國LANL被論證以來,LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗,其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯•利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構(gòu)（AWE）合作完成的,直接針對流體動力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態(tài)實驗（質(zhì)子能量800MeV）,小型動態(tài)實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實驗（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗證內(nèi)爆過程后期的材料動力學(xué)和材料狀態(tài)的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學(xué)試驗的高能質(zhì)子照相實驗（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù),驗證采用質(zhì)子照相進行大尺度流體動力學(xué)試驗的能力,以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(xué)試驗客體而言,質(zhì)子照相的質(zhì)量遠好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節(jié),需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是,質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學(xué)試驗閃光照相設(shè)施的必然選擇.
LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng),圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器,一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器,經(jīng)過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質(zhì)子束穿過實驗靶后,磁透鏡系統(tǒng)對質(zhì)子束信號進行分類,由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實驗布局的復(fù)雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.
圖2LANL的質(zhì)子加速器和分束方案
LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達到50GeV,空間分辨率優(yōu)于1mm,密度分辨率達到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個,每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為200ns,質(zhì)子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖,視軸數(shù)12個,覆蓋角度達165°.這樣,一次流體動力學(xué)試驗可獲得12個角度,每個角度20幅圖像.
2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計劃.整個裝置預(yù)計投資20億美元,其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備,需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年,分幾個階段進行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年,8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看,原計劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此,這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.
5質(zhì)子照相與X射線照相的比較
我們通過與現(xiàn)有最好的流體動力學(xué)試驗裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點和優(yōu)勢［13］.
(1)三維動態(tài)照相.由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù),因此,質(zhì)子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過20幅的圖像,這種多幅能力可得到內(nèi)爆運動過程的動態(tài)圖像.而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外,質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶,保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶,需要考慮束斑的影響.
(2)精細結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強,其穿透深度和流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ瓦_到理想匹配.相比之下,X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度,此時其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10.質(zhì)子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質(zhì)子散射能得到控制.散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.
(3)質(zhì)子對密度和材料都比較敏感,可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實際上,質(zhì)子散射的利大于弊,它能用于識別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級成像系統(tǒng),通過對兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進行分析,可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感,故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).
(4)曝光時間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”,每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此,質(zhì)子照相可任意選定曝光時間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔,對較慢的運動進行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時,可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定,一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定,只能以固定的時間間隔照相,研究人員只能指定第一幅圖像的時間.
(5)探測效率高.質(zhì)子是帶電粒子,直接與探測介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號,因此,很薄的探測器就能將質(zhì)子探測出來.如此薄的探測介質(zhì)接收不到被探測客體中產(chǎn)生的中子和γ光子.
(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像,沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法),圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會引起圖像模糊,但質(zhì)子散射是可控的,可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子,而且能減小次級粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同,也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進了透鏡系統(tǒng),消色差提高了圖像品質(zhì).對于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相,空間分辨率可到100μm,最近的質(zhì)子照相實驗已達到15μm,并有達到1.2μm的潛力.
6結(jié)束語
質(zhì)子照相是美國國防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國防基礎(chǔ)研究共同立項，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實驗基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動力學(xué)試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內(nèi)爆壓縮的細節(jié),多角度照相有利于建立完整的流體動力學(xué)模型,多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來,科學(xué)家們加緊了對高能質(zhì)子照相的研究.目前,X射線照相仍然是流體動力學(xué)試驗的主要設(shè)備.總有一天,質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗進行充分解釋.
參考文獻
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篇3
紡織氣流問題是紡織科學(xué)中的重要基礎(chǔ)性課題。自上世紀(jì)80年代高速氣流在噴氣織機、噴氣紡紗機得到商業(yè)化應(yīng)用以來，在陸續(xù)產(chǎn)生了變形絲、網(wǎng)絡(luò)絲、空氣捻接、熔噴非織造和噴氣渦流紡紗等現(xiàn)代紡織新技術(shù)中，高速氣流技術(shù)已成為現(xiàn)代紡織加工的主流技術(shù)之一。
高速氣流與其加工對象——纖維或紗線之間的耦合作用特性是這些技術(shù)共有的基本特征。但是，國內(nèi)外的相關(guān)研究還主要局限在低速氣流，纖維/高速氣流兩相流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術(shù)的紡織應(yīng)用提供有力的支撐。
項目研究團隊于1995年起，在國家自然科學(xué)基金委、教育部和上海市等科研計劃項目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學(xué)開展了系統(tǒng)的研究工作，實現(xiàn)了五個方面的技術(shù)創(chuàng)新。
作為項目組成員之一，東華大學(xué)教授曾泳春為我們做了更加詳細的介紹。首先，構(gòu)建了基于柔彈性特征的纖維模型。“珠—桿”鏈?zhǔn)胶突谟邢迒卧ǖ睦w維模型，將纖維的柔彈性物理特征納入其中，實現(xiàn)了纖維在高速氣流中位置、取向及變形的合理描述。二是揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運動變形規(guī)律。在國際上首次實現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動的數(shù)值模擬，獲得了纖維運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。三是實現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實驗測試。四是對纖維，高速氣流兩相流體動力學(xué)理論研究成果在高速氣流紡紗中進行應(yīng)用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線毛羽的機理，設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紡紗噴嘴，實現(xiàn)了工藝的系統(tǒng)優(yōu)化與成紗質(zhì)量的精確預(yù)測。五是將纖維，高速氣流兩相流體動力學(xué)模型拓展應(yīng)用于超細纖維紡絲拉伸技術(shù)中。
篇4
中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0130-02
一、環(huán)境類工程流體力學(xué)的學(xué)科特色分析
環(huán)境類專業(yè)涉及流體力學(xué)的內(nèi)容廣泛，而且與機械、熱能動力、水利等傳統(tǒng)學(xué)科對流體力學(xué)的要求有明顯不同。[1-3]河北工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）環(huán)境工程專業(yè)采用聞德蓀先生編著的《工程流體力學(xué)》教材，由高等教育出版社出版，分上下兩冊，上冊為《理論流體力學(xué)基礎(chǔ)》，下冊為《應(yīng)用流體力學(xué)》。該教材與其它傳統(tǒng)學(xué)科所采用的流體力學(xué)教材相比區(qū)別較大：由于人類生活和生產(chǎn)主要局限在生物圈，生物圈中水和氣是無處不在的，環(huán)境類專業(yè)主要圍繞水和氣，因此，上冊《理論流體力學(xué)基礎(chǔ)》的覆蓋面極大，包括靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、恒定平面勢流、流動相似原理、流動阻力和能力損失等模塊；下冊《應(yīng)用流體力學(xué)》包括孔口和管嘴出流、有壓管流、明渠流、堰流、滲流等模塊。下冊以水為主，旁及氣體，實際上是水力學(xué)基礎(chǔ)。但是，與傳統(tǒng)水力學(xué)又有著明顯的不同，這一不同并不是教材主要內(nèi)容的差異，而是學(xué)科體系的構(gòu)建不同。傳統(tǒng)水力學(xué)在學(xué)科構(gòu)建上有著鮮明的學(xué)科特色，而環(huán)境類專業(yè)所學(xué)習(xí)的《應(yīng)用流體力學(xué)》（教材下冊）是采用更加簡單的方式初步介紹水力學(xué)。換言之，是上冊《理論流體力學(xué)》的動力學(xué)在幾種特殊邊界流場中的具體應(yīng)用，這些特殊流場的研究對于設(shè)計和計算環(huán)境類的反應(yīng)器、構(gòu)筑物的形式和尺寸，以及流體輸配具有重要意義。
工程流體力學(xué)與三大力學(xué)（理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）相比，其主要概念和原理幾乎沒有相似之處，[4-6]與大學(xué)物理學(xué)相比也無相似之處。[7]換言之，在工程流體力學(xué)中涉及的概念和原理對本科生來說幾乎是全新的。工程流體力學(xué)建立在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)基礎(chǔ)上，是通過牛頓經(jīng)典力學(xué)和高等數(shù)學(xué)知識對流體靜止和運動規(guī)律進行研究，通過歐拉法或拉格朗日法對流動現(xiàn)象建立數(shù)學(xué)模型，從而用微積分等高等數(shù)學(xué)方法解決流體流動問題。該學(xué)科的基本概念和原理在三大力學(xué)或大學(xué)物理學(xué)中幾乎是從未提及過的。
可見，工程流體力學(xué)的學(xué)科特點鮮明，是環(huán)境類專業(yè)的重要骨干課程。筆者從事工程流體力學(xué)教學(xué)7年有余，并主動向老教師或其他同行學(xué)習(xí)探討，發(fā)現(xiàn)除了要把握好該課程的學(xué)科特點外，對教學(xué)難點也要廣泛篩選、收集和研究，并結(jié)合教學(xué)方法進行探討論證，[8-12]具體分析見表1及下文。
表1 若干教學(xué)難點與教材章節(jié)對應(yīng)一覽表
序號 教學(xué)難點 教材章節(jié)[1]
1 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 第一章緒論
2 隔離體受力分析 第一章緒論
3 流體相對平衡 第二章流體靜力學(xué)
4 流體靜力學(xué)基本方程、阿基米德原理 第二章流體靜力學(xué)
5 拉格朗日法、歐拉法 第三章流體運動學(xué)
6 亥姆霍茲速度分解定理 第三章流體運動學(xué)
7 理想流體動力學(xué)、實際流體動力學(xué) 第四章理想流體動力學(xué)和平面勢流、第五章實際流體動力學(xué)基礎(chǔ)
8 牛頓一般相似原理、單項力相似準(zhǔn)則 第六章量綱分析和相似原理
9 普朗特混和長度理論 第七章流動阻力和能量損失
10 孔口、管嘴出流和有壓管流 第九章有壓管流和孔口、管嘴出流
11 堰流 第十章明渠流和閘孔出流及堰流
12 滲流 第十一章滲流
二、環(huán)境類工程流體力學(xué)的教學(xué)難點與教學(xué)方法銜接技巧分析
連續(xù)介質(zhì)假設(shè)（序號1）是工程流體力學(xué)的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻，但是作為一門新課程的開始，學(xué)生往往很難接受這樣的模型假設(shè)。因此，宜采用討論法處理該問題，討論法的難點是避免討論課的無計劃性。質(zhì)點的概念對于研究流體運動是至關(guān)重要的，但是有大半學(xué)生掌握不到要領(lǐng)。具體體現(xiàn)在，把流體質(zhì)點的概念與物理學(xué)剛體質(zhì)點的概念混淆，覺得二者完全一致，沒有特殊涵義。面對這一問題，與學(xué)生針對兩個“質(zhì)點”概念進行詳細的機理分析是很必要的。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的核心理念是流體質(zhì)點概念的提出，流體質(zhì)點是這樣定義的：流體質(zhì)點是指尺度大小同一切流動空間（流場）相比微不足道又含有大量分子，具有一定質(zhì)量的流體微元；物理學(xué)中的剛體如果只發(fā)生平移運動的話，該剛體可簡化成質(zhì)點處理，即用一個質(zhì)點代替剛體，使物理運算變得很方便。因此，這兩個“質(zhì)點”概念有著不同的涵義，流體的主要特點之一就是易流動性，流場的形狀受制于邊界條件，流場在流動過程中，邊界形狀不斷變化，所以，流場形狀也在不斷變化，因此，流體質(zhì)點不能替代流場，而是由大量的流體質(zhì)點組成連續(xù)介質(zhì)，填充整個流場。
工程流體力學(xué)本質(zhì)上講是力學(xué)問題，需要在解題前進行受力分析（序號2）。在中學(xué)物理學(xué)中，受力分析貫穿始終，為中學(xué)生所熟知。所以，該部分的學(xué)習(xí)推薦采用自學(xué)指導(dǎo)法和對比分析法，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。由于流場形狀受制于邊壁，流體的受力分析規(guī)律性不明顯，這與中學(xué)物理學(xué)的剛體受力分析區(qū)別較大。流體受力分析，均可從兩個方面進行，即質(zhì)量力和表面力。質(zhì)量力包括重力和慣性力，屬于遠程力，作用在整個流場的所有質(zhì)點上，其中，慣性力的存在與否取決于坐標(biāo)系的選擇。如果選擇慣性坐標(biāo)系，則慣性力肯定不存在；如果選擇非慣性坐標(biāo)系，則慣性力肯定存在。表面力包括切應(yīng)力和壓應(yīng)力，概念的內(nèi)涵與剛體的表面力相似，切應(yīng)力和壓應(yīng)力之間的區(qū)別在于作用力方向的不同。
很多學(xué)生不了解學(xué)習(xí)流體相對平衡（序號3）的意義何在，根據(jù)該知識的特點，可采用探究發(fā)現(xiàn)法處理該部分內(nèi)容。流體相對平衡的意義，在于將特殊的運動問題轉(zhuǎn)化成相對靜止的問題，從而使計算得到簡化。當(dāng)整個流場與固體邊壁無相對運動時，選擇非慣性坐標(biāo)系，根據(jù)達朗貝爾原理引入慣性力，可用相對平衡條件來處理該問題，即對隔離體采用受力平衡條件，可使計算過程大大簡化。
中學(xué)物理學(xué)所熟悉的流體靜力學(xué)基本方程（）和阿基米德原理（F浮=ρgV排），二者如何從流體靜力學(xué)的角度來重新定義（序號4），也是這一章的難點。該難點的講解宜采用啟發(fā)性談話法，該方法一定要注意談話內(nèi)容的設(shè)計合理性，以期對整個談話過程有的放矢。流體靜力學(xué)基本方程的限定條件是質(zhì)量力僅有重力，也就是說，坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系。如果將其推廣到非慣性坐標(biāo)系，則計算方法應(yīng)為歐拉平衡微分方程的積分式，歐拉平衡微分方程是建立在牛頓第二定律基礎(chǔ)上的。該部分需要學(xué)生將流體靜力學(xué)基本方程與歐拉平衡微分方程積分式進行對照。阿基米德原理是計算浮力的基本原理為中學(xué)生所熟知，在中學(xué)物理中往往解釋成由實驗研究獲得，實際上在大學(xué)工程流體力學(xué)中可以解釋成曲面所受靜壓力的合效應(yīng)使其意義更廣泛。
流動現(xiàn)象如何用數(shù)學(xué)語言描述，這是流體力學(xué)建立的基礎(chǔ)，該難點的處理宜采用講授法。描述流體運動的方法有兩種，即拉格朗日法和歐拉法（序號5）。拉格朗日法是從流場中選擇關(guān)鍵性流體質(zhì)點組成流體質(zhì)點系，跟蹤每一個流體質(zhì)點，研究其運動規(guī)律，進而總結(jié)出質(zhì)點系運動規(guī)律，從而推演出整個流場運動規(guī)律，該方法概念清晰，但是分析和計算過程復(fù)雜。歐拉法是從流場中選擇有代表性的空間點，分析這些空間點的運動規(guī)律，從而總結(jié)出整個流場運動規(guī)律。在計算流體力學(xué)中，常常采用拉格朗日法，在工程流體力學(xué)中常常采用歐拉法。
流體微元運動的基本形式包括平移、轉(zhuǎn)動、角變形、線變形等。在流體微元內(nèi)部，如果已知其中一點的運動要素，在微元內(nèi)其他空間點的運動要素可以用已知點的運動要素表達出來，該定理稱為亥姆霍茲速度分解定理（序號6）。很多學(xué)生對該定理存在疑問：微元內(nèi)部這兩個空間點之間怎么會存在聯(lián)系？該問題適合采用探究發(fā)現(xiàn)法進行介紹，教師可首先將其轉(zhuǎn)化成高等數(shù)學(xué)的模型，提示學(xué)生用微積分的方法來處理，具體而言，二者之間的聯(lián)系是通過高等數(shù)學(xué)中的泰勒公式建立的。
理想流體動力學(xué)和實際流體動力學(xué)（序號7）在工程流體力學(xué)中是可以合并講授的，采用系統(tǒng)講授法更合適，這樣更有利于知識的完整性。流體動力學(xué)主要涉及三大方程的后兩個，即能量方程和動量方程。首先介紹理想流體運動微分方程和實際流體運動微分方程，前者也稱為歐拉運動微分方程，后者也稱為N-S方程，這兩個重要方程均由牛頓第二定律推導(dǎo)獲得，二者可作為計算流體力學(xué)基礎(chǔ)，由此也可推導(dǎo)出能量方程。另一點需要注意，能量方程有兩種形式，理想流體能量方程和實際流體能量方程，前者可以統(tǒng)一到后者中去，由于實際流體存在粘滯力，可產(chǎn)生能量損失，即單位重量流體從計算斷面1-1運動到計算斷面2-2時的平均能量損失；如果是理想流體，則粘滯力不存在，產(chǎn)生的能量損失為0。
量綱分析和相似原理主要涉及到（動力）相似準(zhǔn)則里的牛頓一般相似原理和單項力相似準(zhǔn)則之間的辯證關(guān)系（序號8）。該部分知識瑣碎，宜采用講授法。兩個流動，即原型和模型流動，如果要實現(xiàn)流動相似，幾何相似和初始條件、邊界條件相似是基礎(chǔ)，動力相似是保證，運動相似是目標(biāo)。如果要實現(xiàn)動力相似，需要對應(yīng)空間點處各個同名力方向相同，大小成固定比例，這稱為牛頓一般相似原理。但如果在幾何相似和牛頓一般相似原理都成立的前提下，原型和模型的幾何形狀和大小完全一致，失去了模型實驗可縮小原型幾何尺寸的意義。正是基于此，所以提出單項力相似準(zhǔn)則，在流動中起主導(dǎo)作用的力往往只有一種，這是流動現(xiàn)象的特點，所以如果在原型和模型中，起主導(dǎo)作用的力相似的話，可認為二者的動力相似已實現(xiàn)。
普朗特混和長度理論（序號9）是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，大多數(shù)學(xué)生感覺該部分不知所云。比如說，該半經(jīng)驗理論的意義是什么，問題從何而來？該部分宜采用討論法。流體處于湍流狀態(tài)時，運動參數(shù)可以分為時均流速和脈動流速，時均流速產(chǎn)生時均切應(yīng)力，脈動流速產(chǎn)生附加切應(yīng)力，時均切應(yīng)力的計算采用牛頓內(nèi)摩擦定律，附加切應(yīng)力計算采用脈動流速計算，即，其中脈動流速ux’和uy’計算困難，需要通過普朗特混和長度理論進行計算，該理論通過將湍流脈動與理想氣體自由程理論進行類比，提出自由程概念，從而將脈動速度與時均速度建立聯(lián)系，實現(xiàn)了附加切應(yīng)力的計算可行性。
孔口、管嘴出流和有壓管流（序號10）是研究水力設(shè)備和輸配水管網(wǎng)的基礎(chǔ)，這一部分的模型主要涉及孔口、管嘴、短管、長管、管網(wǎng)，對這些模型的深入研究需要采用上冊流體動力學(xué)的連續(xù)性方程和能量方程，在深入分析流動規(guī)律后，可得最一般的規(guī)律性，即流量和斷面平均流速的計算公式。這部分可以看成針對幾種特殊邊界應(yīng)用動力學(xué)方程來求解計算題，所以在介紹了孔口或短管以后，其他形式的邊界流動由學(xué)生通過練習(xí)法和討論法來自學(xué)，最后由教師進行總結(jié)。
在緩流中，為控制水位和流量而設(shè)置的頂部溢流的障壁稱為堰，緩流經(jīng)堰頂溢流的局部水流現(xiàn)象稱為堰流（序號11）。在環(huán)境類專業(yè)中，堰是常用的溢流集水設(shè)備和量水設(shè)備，在一確定的堰流中，流量與其它特征量的關(guān)系明確。薄壁堰可在環(huán)境類構(gòu)筑物中作為出水設(shè)施，如二次沉淀池出水等。該部分內(nèi)容生疏，宜采用演示法和講授法。
滲流（序號12）是指流體在孔隙介質(zhì)中流動，該流動狀態(tài)在地下水中廣泛存在，對地下取水井的設(shè)計往往要采用該模型的相關(guān)理論。該部分多在研究生階段深入學(xué)習(xí)。
三、結(jié)語
工程流體力學(xué)在環(huán)境類專業(yè)中的現(xiàn)實意義和理論意義重大，在注冊環(huán)保工程師基礎(chǔ)考試中份額可觀。該課程學(xué)習(xí)難點頗多，對于本科生來說學(xué)習(xí)的壓力較大，需要教師在知識點梳理、難點篩選、師生溝通、教學(xué)方法總結(jié)等方面多做工作，筆者通過對環(huán)境類專業(yè)工程流體力學(xué)教學(xué)的自身體會完成此文，希望對教學(xué)一線的教師有所幫助。
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篇5
本書對有經(jīng)驗的工程師、科學(xué)家和學(xué)生都很有用，將成為工作在石油工程上游領(lǐng)域的地質(zhì)師、工程師和學(xué)生的必備書。
本書共分12章：1.活動帶的含油區(qū)中的流體動力學(xué)；2.在阿爾卑斯活動帶盆地的地質(zhì)和油氣顯示；3.阿爾卑斯活動帶盆地的水溫地球化學(xué)場；4.阿爾卑斯活動帶盆地的地壓場；5.阿爾卑斯活動帶盆地的地溫場；6.阿爾卑斯活動帶盆地今日的地球-流體-動力學(xué)；7.南里海盆地的碳氫生成、遷移和集聚；8.阿爾卑斯活動帶盆地的油氣顯示的形成、地點和預(yù)報中的地球-流體-動力學(xué)機理和因素；9.阿爾卑斯活動帶盆地的商業(yè)性油氣顯示的定性標(biāo)準(zhǔn)和定量特性；10.阿爾卑斯活動帶盆地的油氣顯示的地質(zhì)-數(shù)學(xué)模型；11.局部構(gòu)造和油氣顯示主要區(qū)域中油氣顯示的地球-流體-動力學(xué)參數(shù)；12.進行區(qū)域情況分析的企圖，在勘探和估價作業(yè)（以南里海盆地為例）的計劃和行動中戰(zhàn)略決策的概念性估價和步驟。
M. Z. Rachinsky是俄羅斯自然科學(xué)研究院的教授，曾獲2006Kapitsa杰出科學(xué)成就獎；曾經(jīng)是阿塞拜疆州石油研究院油氣地質(zhì)系的教授。
篇6
0 引言
嬰兒培養(yǎng)箱是一種嬰幼兒保育設(shè)備，采用“空氣對流熱調(diào)節(jié)”的循環(huán)方式，維持嬰兒艙內(nèi)域流場參數(shù)的穩(wěn)定性。在空氣流動循環(huán)過程中，路程較長，過程復(fù)雜，空氣流動狀態(tài)比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態(tài)。本文以計算流體動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，利用CFD計算機流體仿真軟件，對嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場進行的可視化模擬研究。
1 嬰兒培養(yǎng)箱空氣流動循環(huán)原理
目前，多數(shù)廠家生產(chǎn)的嬰兒培養(yǎng)箱是由風(fēng)扇驅(qū)動，采用“縱向空氣對流熱調(diào)節(jié)”方式，維持內(nèi)部空氣往復(fù)循環(huán)的過程。通過空氣入口，補充在循環(huán)過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計，控制空氣流場的分布狀態(tài)等。其空氣循環(huán)通道結(jié)構(gòu)主要包括風(fēng)扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內(nèi)襯板、上內(nèi)襯板、后內(nèi)襯板、嬰兒床等。如圖1。
2 CFD建模與仿真
基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場仿真模型，利用CFD計算機流體仿真軟件進行仿真，并對仿真結(jié)果進行參數(shù)化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場循環(huán)過程[1]。
建立三維仿真模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格的劃分方法進行網(wǎng)格劃分，采用瞬態(tài)模擬，設(shè)置流體計算域和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)計算域。計算域介質(zhì)為理想空氣，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域的運動模式為旋轉(zhuǎn)模式，旋轉(zhuǎn)速度為100rad/s。空氣進口溫度設(shè)為環(huán)境溫度25℃，出口溫度設(shè)置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設(shè)置為絕熱條件。
參照GB 11243-2008，在模型中設(shè)置五個監(jiān)控點，分別命名為A、B、C、D、E，分別監(jiān)控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據(jù)求解器收斂情況，判斷程序求解運行過程是否正常，及確認求解結(jié)束。
3 仿真結(jié)果分析
利用CFD軟件的后處理器對計算的數(shù)據(jù)結(jié)果進行參數(shù)化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點的速度和溫度進行分析，與樣機實測數(shù)據(jù)相比較，驗證仿真結(jié)果的合理性。如表1，2。
由表中數(shù)據(jù)可以看出，計算值與實測值的分布狀態(tài)一致，并且五個監(jiān)控點速度平均值均在0.1m/s以下，監(jiān)控點溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標(biāo)不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流動狀態(tài)分析使用參數(shù)要求，因此可以確認仿真結(jié)果是合理的。
4 總結(jié)
基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流動狀態(tài)，得到嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)部空氣流動特性。經(jīng)過仿真結(jié)果后處理分析，能夠進行全方位的視覺觀察嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)部空氣的整個循環(huán)過程和流動特性，并提供詳細和完整的數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)了仿真模型的形象化，可視化，參數(shù)化，彌補理論分析的抽象化、簡單化和實驗分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進一步開展的系統(tǒng)研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面提供參考數(shù)據(jù)。
參考文獻：
篇7
“工程流體力學(xué)”課程是以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、工程熱力學(xué)為基礎(chǔ)，集概念、公式、實際應(yīng)用于一體的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程基本概念抽象，公式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際應(yīng)用眾多，尤其在石油行業(yè)尤為突出。石油工業(yè)中的許多問題都要采用流體力學(xué)理論解決，諸如鉆井液循環(huán)壓力和流速的設(shè)計，套管強度的校核，采油過程中油井采出的流體在泵或井筒內(nèi)的流動規(guī)律分析，地面管線的布設(shè)，管徑設(shè)計，管線強度的校核，壓差與流量之間關(guān)系的確定，輸液泵的選擇和安裝位置的確定，儲油罐強度的校核，油品裝卸時間的計算，油品和天然氣的計量，氣蝕和水擊等現(xiàn)象的預(yù)防等。解決這些問題，要求從事石油工程技術(shù)的科學(xué)工作者必須具備“工程流體力學(xué)”知識，以便在石油工程的建設(shè)和管理中更好地發(fā)揮作用。為了使學(xué)生能夠更好地學(xué)習(xí)掌握該課程的內(nèi)容，教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要。對如何設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，本文主要從以下四個方面加以說明。
一、教學(xué)由多媒體與板書共同完成
教學(xué)板書是教師教學(xué)思路的整體反映，是教師在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解和記憶，以及啟發(fā)學(xué)生思考的重要手段，是教學(xué)過程中不可缺少的組成部分。教學(xué)板書以文字、符號、圖表等手段將教學(xué)內(nèi)容直接訴諸學(xué)生的視覺，豐富了學(xué)生的感知表象，有助于學(xué)生吸收和掌握知識信息。在授課過程中，筆者把學(xué)生對使用板書和多媒體的意見進行調(diào)查，90%的學(xué)生更傾向于使用板書教學(xué)。
由于“工程流體力學(xué)”課程，基本概念多、難理解，公式復(fù)雜難懂，采用板書邊寫邊講解，給學(xué)生留有足夠的時間去理解，去認知，接受起來更容易一些。但是流體本身運動復(fù)雜，沒有固定的形狀，在外力作用下，流體流動狀態(tài)、流動規(guī)律是什么樣的，在板書上表達起來可能不夠準(zhǔn)確，不夠形象、逼真；而采用多媒體[1]，將其制作成圖片或動畫課件，則直觀明了，生動具體，給學(xué)生在視覺上以新穎的感覺，在頭腦里的印象會更深刻一些。比如：講工程流體力學(xué)的發(fā)展史，單純講授枯燥無味。此時，制作多媒體課件展示給大家， 比如弧線球也稱香蕉球，找一個足球明星踢弧線球的視頻放里面，邊放映邊講解，學(xué)生很感興趣，還學(xué)到了知識，同時也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，起到了很好的引導(dǎo)效果。
二、將計算流體動力學(xué)軟件融入到理論教學(xué)中
“工程流體力學(xué)”一般采用理論方法、實驗方法和數(shù)值計算三種方法研究，其中，數(shù)值計算就是使用計算流體動力學(xué)軟件計算[2]，是當(dāng)今比較常用也比較流行的方法。計算流體動力學(xué)（簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD可以看作是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。CFD方法克服了理論方法和實驗方法的局限性，在計算機上實現(xiàn)一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。例如，機翼的繞流，通過計算機并將其結(jié)果在屏幕上顯示，就可以看到流場的各種細節(jié)；如激波的運動、強度、渦的生成與傳播、流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動情景，與做實驗沒有區(qū)別。
目前，CFD軟件中比較著名的就是Fluent軟件。所以可以在教學(xué)中使用Fluent軟件模擬，給學(xué)生展示流動規(guī)律和流動結(jié)果。例如：馮?卡門渦街，不同形狀物體繞流使用Fluent進行模擬，既直觀又能清楚地展現(xiàn)流動規(guī)律，同時對流體本身產(chǎn)生無限的向往，對“工程流體力學(xué)”課程充滿了期待和興趣，為學(xué)生以后學(xué)習(xí)軟件打下了基礎(chǔ)。
三、實施雙語教學(xué)
隨著我國與世界的接軌，隨著世界一體化進程，迫切需要大量精通兩種以上語言的人才，作為一種培養(yǎng)國際化人才的有效手段，雙語教學(xué)勢在必行。高等教育作為教育的前沿陣地，也要同國際接軌。雙語教學(xué)本身就是我國高等教育國際化趨勢的客觀要求，對高校來講，可以加強國內(nèi)高校和國外高校的教學(xué)合作，高校之間的合作項目越來越多，有助于國內(nèi)外專業(yè)領(lǐng)域知識體系的統(tǒng)一和完善；對教師來說，可以促進國內(nèi)高校教師同國外高校教師的學(xué)術(shù)交流，國內(nèi)高校教師可從中了解到很多世界前沿知識，并有效地傳遞給學(xué)生；從學(xué)生自身來看，打破了語言障礙，學(xué)生能夠在專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)較好地將母語和英語這兩種語言之間根據(jù)交際對象和工作環(huán)境的需要進行切換，有效地開展交流與合作，并且多掌握一種語言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先進世界的途徑，多一份機會。雙語教學(xué)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生運用外語解決實際問題的能力，而且有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握、精通一門外語（主要是英語），能夠多一種思維方式，學(xué)會從多種角度，用不同觀點看問題，進而提升競爭能力，同時也為培養(yǎng)“復(fù)合型”人才奠定了基礎(chǔ)。
現(xiàn)今實施“雙語教學(xué)”，既符合與時俱進的要求，又能夠提升教學(xué)水平，這意味著在教學(xué)中實施“雙語教學(xué)”勢在必行。在“工程流體力學(xué)”專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中改變使用單純母語（漢語）的教學(xué)方式，將外語（主要是英語）運用于其教學(xué)的全過程之中，使之與母語教學(xué)互相融合、互相促進，既體現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的特色和針對性的同時，又能夠全面提高學(xué)生的外語應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，使教學(xué)更好地適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中推行雙語教學(xué)，使學(xué)生在雙語教學(xué)課堂中提高英語水平，學(xué)會用英語表達專業(yè)知識，繼而過渡到用英語去思維、求知、交流，以便熟練地用外語來解決實際問題。這種教學(xué)模式既符合經(jīng)濟迅速發(fā)展對涉外人才基本素質(zhì)的要求，也符合大學(xué)各專業(yè)交叉融合的發(fā)展方向，是教學(xué)改革的重要內(nèi)容。
根據(jù)“工程流體力學(xué)”課程的特點，在其教學(xué)中可以使用綜合型教學(xué)模式。即對一些基本概念、基本理論，比較好理解的，可以采用浸入型；而對一些公式的推導(dǎo)，專業(yè)性比較強的，難于理解的采用過渡型。另外，將一些流體發(fā)展的歷史、實例用多媒體教學(xué)手段進行授課，達到直觀的效果。
四、注重實驗環(huán)節(jié)
“工程流體力學(xué)”也是一門實驗科學(xué)[3]。很多流體力學(xué)理論都是以實驗為基礎(chǔ)建立起來的，理論分析得出的結(jié)果需要通過實驗來驗證，而實驗的進行又需要用分析得出的理論來指導(dǎo)。因此，實驗是“工程流體力學(xué)”課程的重要組成部分，是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。它不僅是為了驗證理論，有助于學(xué)生學(xué)好流體力學(xué)，而且是培養(yǎng)學(xué)生進行科學(xué)研究、提高獨立工作和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。
隨著大學(xué)教育的普及，受教育的人數(shù)迅猛增長，而實驗教學(xué)設(shè)備與人數(shù)增長不成比例，導(dǎo)致教學(xué)和實驗的間隔周期較長，使得實驗前，有些學(xué)生并沒有做好充分的準(zhǔn)備，并且缺乏必要的理論復(fù)習(xí)，對即將做的實驗相關(guān)知識沒概念，致使理論和實驗嚴(yán)重脫節(jié)，實驗效果不佳。但是對學(xué)生的考核僅僅是一份實驗報告，導(dǎo)致有些報告抄襲嚴(yán)重，甚至有些學(xué)生做實驗，看別人怎么做就怎么做。這樣，學(xué)生的動手能力、實踐能力怎么能培養(yǎng)出來？更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和發(fā)散思維。實驗課是教學(xué)的必要環(huán)節(jié)，也是重要環(huán)節(jié)，不容忽視。
1.實驗前，回顧與實驗相關(guān)的知識點，讓學(xué)生在短時間內(nèi)了解本次實驗和相關(guān)理論，這里的相關(guān)理論不是本實驗的結(jié)論，實驗結(jié)論應(yīng)該由學(xué)生通過做實驗總結(jié)出來；也可以將本實驗過程錄制成一段視頻，讓學(xué)生提前看一下，熟悉一下實驗過程，視覺在人心中留的印象會更深刻一些，做到心中有數(shù)，這樣真正自己動手做實驗就不會茫然。
2.由于時間和設(shè)備的限制，實驗只能就某一種情況進行操作，對其他條件變化時會有什么樣的規(guī)律不能面面俱到，這時在實驗教學(xué)中應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件演示也會收到很好的教學(xué)效果。所以，計算流體動力學(xué)軟件不僅在教學(xué)中，在實驗中的作用也是顯著的。
3.在實驗課教學(xué)改革的同時，實驗課考核的方法也應(yīng)該相應(yīng)地加以整改。通過純粹的書面實驗報告和出勤率進行考核，學(xué)生互相抄襲，敷衍了事，實驗做完后真正的原理還沒弄明白。為了避免此類情況的發(fā)生，一方面，考核每個學(xué)生親自動手做實驗，邊做實驗邊講解，不僅能夠鍛煉學(xué)生動手的實驗?zāi)芰ΓZ言表達能力相應(yīng)地也有所提高，為此應(yīng)該增加實驗教師的人數(shù)；另一方面，除了增加實驗課在最終成績的比例（10%）外，還要在期末試卷中增加實驗內(nèi)容，以檢驗學(xué)生對實驗的理解能力和掌握情況。
為了使學(xué)生能夠更好地掌握“工程流體力學(xué)”課程的內(nèi)容，教學(xué)需要改革，這就要求當(dāng)代大學(xué)教師不斷地嘗試、不斷地探索新的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本文針對“工程流體力學(xué)”這門專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點，提出了幾點教學(xué)建議，希望對工作在一線的流體力學(xué)教師有點幫助。
參考文獻：
篇8
本書主要討論在科學(xué)研究及工程實踐中遇到的流體問題中偏微分方程的變換與求解問題，書中所討論的內(nèi)容在航空航天、生物力學(xué)、化學(xué)、機械工程、流體力學(xué)及地球物理學(xué)流動等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。
本書一共分為8章。1，介紹了復(fù)數(shù)的基本知識、解析函數(shù)、積分與柯西定理、實積分的應(yīng)用等內(nèi)容；2，介紹了Gamma函數(shù)，一些用微分方程定義的函數(shù)如Legend-re函數(shù)、Bessel函數(shù)、超幾何函數(shù)、cheby―shev函數(shù)和airy函數(shù)等特殊函數(shù)及部分函數(shù)的積分；3，特征值問題與特征函數(shù)展開。內(nèi)容包括Rayleigh判據(jù)，Sturm―Li―ouville問題，特征函數(shù)展開及應(yīng)用實例，非標(biāo)準(zhǔn)特征值問題，F(xiàn)ourier-Bessel級數(shù)；4，格林函數(shù)邊值問題，介紹源項與基本解、有源項的球殼導(dǎo)熱問題、格林函數(shù)一階與高階問題、伴隨與自伴問題、一階系統(tǒng)：格林矩陣、特征函數(shù)展開及實例；5，主要介紹Laplace變換及逆變換、雙邊Laplace變換；6，F(xiàn)ourier變換及逆變換、Mellin變換。7，主要介紹了背風(fēng)波、遠場動量尾跡、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定度、平板Couette流動穩(wěn)定性等物理問題中的微風(fēng)方程的應(yīng)用；8，積分的漸進展開，主要介紹漸進展開基本知識、部分積分法、Laplace積分、Watson引理、最速下降法、穩(wěn)相法及Kelvin結(jié)果等內(nèi)容。
本書兩位作者曾多年從事相關(guān)領(lǐng)域研究生課程教學(xué)工作，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗，書中很多內(nèi)容就是在教學(xué)筆記的基礎(chǔ)上整理編寫出來的。I.H.赫倫教授曾在哈佛大學(xué)任教，美國西北大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國Los Alamos國家實驗室等單位進行訪問研究，現(xiàn)在任職于倫斯勒理工學(xué)院，主要從事流體流動穩(wěn)定性理論研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大學(xué)榮譽退休教授，曾在里海大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、鄧迪大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)等進行訪問研究，目前是倫斯勒理工學(xué)院兼職教授，獲得過多個教學(xué)和科研獎項，是《流體動力學(xué)》、《流體物理學(xué)》、《力學(xué)學(xué)報季刊》和《應(yīng)用數(shù)學(xué)》等國際雜志的審稿人，專業(yè)是理論流體動力學(xué)。
本書結(jié)構(gòu)清晰，各種概念、定理解釋透徹，書中結(jié)合實際物理問題安排了大量實例，十分便于讀者理解理論知識，既可以作為非數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生運用數(shù)學(xué)方法研究流體力學(xué)課程的教科書，也可以作為數(shù)學(xué)專業(yè)的輔助課程參考書，同時還可以作為相關(guān)領(lǐng)域研究人員的參考資料。
篇9
現(xiàn)有研究氣流脈動較為成熟的方法大多基于平面波動理論[1]或一維非定常流動理論[2]，它們均未考慮流體流動時湍流的影響，同時對緩沖器、孔板、冷卻器、分離器等管路元件的氣流脈動計算精度也較差。隨著計算機速度的提高和近年來CFD技術(shù)的發(fā)展，選用有限元方法[3，4]及有限容積法[5]計算管系的氣流脈動取得了一定的成效。CFD方法[6]應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)的工業(yè)流場模擬已有較多的報道，但對非穩(wěn)態(tài)的脈動流場研究較少。
本文基于CFD方法建立管道系統(tǒng)流體動力學(xué)模型。在考慮湍流的情況下[7]，模擬了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系統(tǒng)非定常流動時氣流脈動及流場特性。通過和實驗數(shù)據(jù)對比驗證了CFD方法計算管道系統(tǒng)氣流脈動的合理性及準(zhǔn)確性。
一、CFD模擬計算理論
目前廣泛用于計算流體力學(xué)的數(shù)值方法有有限差分法、有限元法、有限體積法等，其目的都是將控制方程離散化，本文用到的CFD軟件FLUENT[8-9]采用有限體積法將非線性偏微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格單元上的線性代數(shù)方程，然后通過求解線性方程組得出流場的解。因此對于所有流動，F(xiàn)LUENT都求解質(zhì)量和動量守恒方程；對于包含傳熱或可壓性流動，還需要增加能量守恒方程；如果是湍流問題，還有相應(yīng)的輸運方程需要求解；我們稱以上各方程為控制方程。根據(jù)模型特點，本文所用FLUENT中的標(biāo)準(zhǔn) 湍流模型對低速可壓管流問題有良好的表現(xiàn)。
1.統(tǒng)一控制方程形式
式中， 為通用變量，可以代表 ， ， ， 等求解變量； 為廣義擴散系數(shù)； 為廣義源項 ，式中各項依次為瞬態(tài)項（transient term）、對流項（convective term）、擴散項（diffusive term）和源項（source term）。
2.標(biāo)準(zhǔn) 方程
標(biāo)準(zhǔn) 模型需要求解湍動能 和耗散率 方程。該模型假設(shè)流體流動為完全湍流，忽略分子的粘性影響。該模型的湍動能 和耗散率 方程為：
-由于平均速度梯度引起的湍動能；
-由于浮力影響引起的湍動能；
-可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；
-湍流粘性系數(shù)， 。
此模型中的各個常數(shù)在FLUENT中的默認值為 ，
，湍動能 和 耗散率 的湍流普朗特數(shù)分別為： ，
該模型適合對完全湍流流動的模擬。
二、氣流壓力脈動實驗及管道系統(tǒng)計算模型
1.孔板消減氣流脈動實驗
為了對管道系統(tǒng)氣流脈動的模擬結(jié)果進行驗證，依照圖1搭建了往復(fù)式壓縮機管道系統(tǒng)壓力脈動測試實驗平臺。測試系統(tǒng)主要由一臺往復(fù)式壓縮機、變頻器、與其相連的管道系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、壓力傳感器、示波器、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)組成。
2.管道系統(tǒng)的計算模型
根據(jù)搭建的管道系統(tǒng)實驗平臺，在不影響模擬結(jié)果的前提下，為提高計算效率采用如圖2所示（尺寸單位為mm）的二維計算模型。將模型導(dǎo)入Gambit中劃分單元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)化（Pave）
的四邊形網(wǎng)格（Quad），共得到17644個單元。最后在Gambit中對管道系統(tǒng)添加邊界條件，入口邊界條件采用非定常壓力入口邊界條件，出口邊界條件為壓力出口邊界。
三、氣流脈動模擬及實驗分析
1.模擬分析
將在Gambit中化分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，在Fluent中根據(jù)管道內(nèi)部介質(zhì)的性質(zhì)采用基于密度（耦合式）的隱式2ddp（二維雙精度）求解器，并指定其計算模式為非穩(wěn)態(tài)；計算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)
雙方程湍流模型；流體類材料為理想空氣。根據(jù)現(xiàn)場實驗條件，出口邊界條件采用非定常壓力邊界條件： （根據(jù)其公式用C語言編譯非定常速度UDF函數(shù)）即施加一個頻率為7.3Hz（模擬轉(zhuǎn)速為438r·min-1壓縮機）、壓力不均勻度為24%的脈動壓力條件，入口邊界條件采用定常壓力邊界條件（由儲氣罐上的背壓閥控制），文中設(shè)定為101325Pa。圖3為未加孔板時緩沖器前后壓力脈動曲線圖，由圖可以看出緩沖器對消減氣流脈動有一定的作用；圖4為加入孔徑比為0.5的孔板后緩沖器前后壓力脈動曲線圖，對比圖4發(fā)現(xiàn)孔板對消減氣流脈動有明顯的作用效果，但在加入孔板時需要選擇適當(dāng)?shù)目讖奖龋蓤D可知0.5的孔徑比衰減效果很理想。
2.實驗測試結(jié)果
圖5為當(dāng)壓縮機以438 r？min-1轉(zhuǎn)速運行時，添加孔徑比為0.5，厚度為8mm的孔板后，孔板前后主管線上壓力脈動的對比圖；與模擬結(jié)果 （圖4所示曲線）十分吻合。從二者對比結(jié)果可看出利用CFD的方法計算管道系統(tǒng)的脈動壓力具有直觀、形象、準(zhǔn)確的特點。
四、結(jié)論
1.基于CFD技術(shù)，通過利用FLUENT軟件對管道系統(tǒng)內(nèi)部流場的計算，直觀形象的驗證了緩沖器、孔板等管路原件對氣流脈動的消減作用。
2.通過與實驗數(shù)據(jù)的對照，發(fā)現(xiàn)利用CFD技術(shù)計算氣流脈動更加可靠、準(zhǔn)確。
參考文獻
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[7] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
篇10
近年來，隨著采、掘機械化程度的提高，工作面粉塵濃度成倍增長，大量的粉塵不僅危害井下工人身體健康，而且大多數(shù)粉塵具有爆炸性，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。為了降低采、掘工作面粉塵濃度、防止職業(yè)病的發(fā)生、保障工人的身體健康、避免粉塵爆炸等事故發(fā)生，結(jié)合流體動力學(xué)等相關(guān)理論，提出了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵理論與技術(shù)。通過工業(yè)性試驗，測定了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置的實際效果，為煤礦粉塵防治工作提供了新的思路和方法，取得了良好的效果。
目前使用的噴霧系統(tǒng)裝置主要是霧化噴頭，地面靜壓水池防塵水通過防塵水管與霧化噴頭連接，通過閥門控制噴霧，噴頭上的噴嘴多為塑料材質(zhì)，且有一段軟管與防塵硬管連接，該裝置存在以下缺點：噴頭的噴霧嘴容易堵塞，造成不出水；噴霧嘴容易損壞，造成不霧化或霧化效果不好；噴頭噴霧效果不好，噴霧范圍小，不能覆蓋巷道全斷面；由于噴霧裝置距離工作面迎頭較近，噴霧裝置堅固性不足，容易被放炮崩壞；噴霧系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)達不到優(yōu)化配套的要求，導(dǎo)致噴霧降塵效果不理想。經(jīng)過在實踐中摸索研究，在流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上研制了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)，利用風(fēng)-水兩相流體，以風(fēng)為主，以水為輔，形成立體霧化范圍，通過隔塵、降塵等一系列過程，能夠有效降低工作面粉塵濃度，保障從業(yè)人員身體健康，避免粉塵爆炸等事故發(fā)生。
2 風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵原理
將防塵水管中的防塵水從噴霧頭的斜側(cè)方向引入噴霧頭內(nèi)，將壓風(fēng)管中的壓風(fēng)從噴霧頭的后部以直線方向引入噴霧頭內(nèi)，當(dāng)風(fēng)力射流噴霧噴嘴在同時接通承壓水和高壓氣流時，承壓水和高壓氣流在射流噴嘴的噴嘴腔內(nèi)混合，依靠風(fēng)的高壓動力將引入的承壓水加以霧化，通過噴嘴噴出，一股高壓氣流使得水流鋪開并迅速破碎利用風(fēng)的壓力，使進入的防塵水分裂成許多小水滴，并在風(fēng)力射流噴嘴的噴頭處噴成霧狀，通過對稱噴嘴邊壁周邊向外噴射形成噴射物流，形成有利于降塵和隔塵的噴霧體，噴射物流隨著氣流的擴散而擴散并變成湍流，霧流在高速氣流的沖擊下分散度非常好，
由于高壓引射噴霧的速度大于塵粒運動速度，霧粒將塵粒捕捉、吸附，高壓氣流噴霧的霧粒直徑很小，對以擴散運動為主的塵粒具有非常好的降塵效果，當(dāng)塵粒被捕捉，濕潤的塵粒互相凝結(jié)變成質(zhì)量較大的塵粒而沉降。風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置示意圖如圖1所示，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
3風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵特點
1、噴管利用長度1.5米左右的1寸鋼管上鉆出8-10個圓錐形噴嘴，采用快壓接頭的方式與防塵水管及壓風(fēng)水管連接。制作及使用都非常簡單，易于操作。該裝置全部采用鋼管制作，堅固耐用，能夠承受放炮的沖擊。該裝置取消了傳統(tǒng)噴霧頭的噴嘴，提高了噴霧的可靠性。
2、噴管上8-10個噴嘴，都能夠形成錐形噴霧狀，立體的噴霧空間能夠覆蓋巷道迎頭全斷面，防塵效果好。
3、該裝置的管狀架體結(jié)構(gòu)增加了其堅固性而且易于吊掛，采用快壓接頭的方式與防塵水管及壓風(fēng)水管連接，接設(shè)簡便易行。安裝閥門控制風(fēng)量、水量，以達到最好的降塵效果。
4、對水壓及風(fēng)壓要求不高，適應(yīng)性強。經(jīng)現(xiàn)場測試：水壓大于2KPa，風(fēng)壓大于0.5MPa即能取得良好的噴霧效果。
5、噴霧直噴工作面迎頭，可以帶動風(fēng)流，降低工作面瓦斯?jié)舛龋乐钩蕖?/p>
6、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)用水量極少，對比傳統(tǒng)噴霧技術(shù)，節(jié)約用水70%以上，經(jīng)濟效果顯著。
7、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
4 風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)工業(yè)試驗
測點1布置在興山煤礦1202煤掘工作面在煤掘工作面，測點2布置在距回風(fēng)口20米處，巷道掘進距離75m，供風(fēng)量310m3/min，平均風(fēng)速0.47m/s。利用GH100型礦用直讀式粉塵濃度測定儀，濾膜稱重法得出測點的全塵濃度，如表1所示。
5 結(jié)論
1、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)符合流體動力學(xué)等相關(guān)原理，噴嘴制作較為簡單，錐形噴霧面積大，能夠有效隔離粉塵，進而通過一系列的沉降，達到除塵的目的。
2 、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)，具有傳統(tǒng)除塵方法無法比擬的優(yōu)點，現(xiàn)場降塵效果良好，用水量極小，經(jīng)濟效益十分顯著，必將成為煤礦降塵方法的主要選擇。
篇11
（一）區(qū)域成礦學(xué)的基本研究內(nèi)容
近幾十年來，地質(zhì)專家、學(xué)者們提出來了一系列區(qū)域成礦理論和觀點。隨著區(qū)域成礦學(xué)理論的不斷深入發(fā)展，它在地質(zhì)礦產(chǎn)找礦過程中發(fā)揮的作用也越來越大。區(qū)域成礦學(xué)的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：區(qū)域地層、構(gòu)造、巖漿和變質(zhì)作用及地質(zhì)發(fā)展；含礦巖石建造的種類、形成與分布；區(qū)域地球化學(xué)特征；區(qū)域地質(zhì)流體；已知礦種、礦床類型和成礦條件，成礦模式及成礦特征；區(qū)域地質(zhì)異常；區(qū)內(nèi)的成礦系統(tǒng)；礦產(chǎn)信息庫的建立，區(qū)域成礦規(guī)律和成礦預(yù)測圖的編制；總結(jié)區(qū)域成礦規(guī)律與特征，明確進一步研究的問題與方法；區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力評價。通過以上研究工作獲取對地質(zhì)作用過程的基本認識，最后進行地質(zhì)構(gòu)造綜合研究工作，分析有利于成礦的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，編制綜合地質(zhì)構(gòu)造圖件，進一步說明地質(zhì)構(gòu)造特征，分析有利于成礦的地質(zhì)構(gòu)造。
（二）地質(zhì)構(gòu)造特征的研究工作是礦產(chǎn)預(yù)測工作的基礎(chǔ)
成礦作用是地質(zhì)作用的組成部分，也是地質(zhì)作用的產(chǎn)物。區(qū)域成礦學(xué)主要研究：成礦作用與地質(zhì)作用的關(guān)系，最終把成礦作用的研究有效地融合到地質(zhì)作用研究過程中去。現(xiàn)代成礦學(xué)研究表明，成礦作用在空間上經(jīng)常產(chǎn)生于各類地質(zhì)構(gòu)造的邊緣部位以及變異部位。重要的礦產(chǎn)主要分布在板塊與板塊不同組成部位的結(jié)合帶或者邊界地帶。在時間上一般與地質(zhì)構(gòu)造轉(zhuǎn)換階段密切相關(guān)，礦產(chǎn)地一般成群、成帶分布，成礦帶的規(guī)模和地質(zhì)構(gòu)造邊緣帶和變異帶相當(dāng)。因此地質(zhì)構(gòu)造特征的研究工作是礦產(chǎn)預(yù)測工作的基礎(chǔ)，也是必需的途徑。
二、區(qū)域成礦學(xué)研究發(fā)展趨勢
隨著對礦產(chǎn)資源需求規(guī)模和種類的擴大，成礦預(yù)測和找礦工作將繼續(xù)受到重視。同時，由于地球科學(xué)整體進步、前沿領(lǐng)域研究取得突破性成就，成礦學(xué)研究也必將取得較快進展，我國區(qū)域成礦研究發(fā)展中，以下兩方面最受關(guān)注。
（一） 成礦動力學(xué)研究
在地質(zhì)科學(xué)的許多研究領(lǐng)域中動力學(xué)研究是一個大方向，而成礦學(xué)與動力學(xué)的結(jié)合使區(qū)域成礦研究達到一個新的水平。它主要從以下兩方面展開：
1、開展單一礦床成礦過程的動力學(xué)機制研究。即對構(gòu)造成礦流體運移及產(chǎn)生物質(zhì)之間反應(yīng)和交換的動力學(xué)研究。主要集中在對構(gòu)造成礦流體運移中地球化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)模型的建立，成礦物質(zhì)形成和分布規(guī)律的反演和預(yù)測，把整個構(gòu)造成礦流體動力學(xué)變量的變化特征進行研究。
2、開展區(qū)域成礦動力學(xué)的數(shù)值模擬研究
研究形成礦床集中區(qū)的地球動力學(xué)背景，目前仍以造山帶和盆地為突破口。它以巖石圈變形研究為基礎(chǔ)，要求深入研究巖漿作用發(fā)生及發(fā)展的動力機制，加強研究構(gòu)造演化過程中流體的遷移和分布，探索大規(guī)模成礦作用的動力環(huán)境合成礦規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，區(qū)域成礦動力學(xué)機制的研究已由定性變?yōu)槎浚o態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，進行數(shù)值模擬成礦過程中的構(gòu)造作用過程，完全數(shù)值模擬整個構(gòu)造成礦的形成過程和動力學(xué)的過程成為可能。這久突破了構(gòu)造地質(zhì)作用過程中時空背景及環(huán)境條件復(fù)雜性的約束，對成礦的預(yù)測和礦產(chǎn)資源的勘查有十分重要的意義！成礦動力學(xué)機制的研究最終體現(xiàn)的是地球各圈層相互之間作用的過程，也是今后成礦流體動力學(xué)所要反映的核心問題。
（二）區(qū)域成礦構(gòu)造研究
陳國達提出了“多因復(fù)成礦床”成礦學(xué)理論，而區(qū)域成礦的研究正是在此基礎(chǔ)上開展。區(qū)域上成礦主要進行以下兩方面的研究：
1、對礦床成礦類型的研究。在成礦構(gòu)造研究中，以構(gòu)造為主要線索，劃分礦床的成礦類型，這些類型反映成礦物質(zhì)來源的多樣性和成礦過程的長期性及復(fù)雜性。2、對區(qū)域成礦作用過程研究。開展區(qū)域構(gòu)造一熱動力條件、主成礦期、礦床類型等研究，強調(diào)多成礦階段、多控礦因素、多物質(zhì)來源的研究，特別是構(gòu)造巖漿作用的研究。3、對不同級別的大地構(gòu)造單元控制著不同級別的成礦構(gòu)造域、成礦構(gòu)造區(qū)的劃分、成礦專屬性的研究。同時注重對不同構(gòu)造系進行不同級別的劃分，以利于正確劃分成礦構(gòu)造域、成礦區(qū)，順利開展礦產(chǎn)資源預(yù)測和評估。
三、區(qū)域成礦不可忽視的問題
區(qū)域地質(zhì)成礦是地質(zhì)作用的一部分，其研究受到中外地質(zhì)學(xué)家、礦床學(xué)家高度重視。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)找礦工作也逐漸向定量方面展開。但目前此項工作依舊還很薄弱。當(dāng)前地質(zhì)找礦工作中，針對不同礦種形成于不同的地質(zhì)條件并受物理化學(xué)條件制約形成于不同深度，分門別類在同一地區(qū)不同深度上尋找不同礦種就成為一個不可忽視的問題。因為以往的地質(zhì)找礦深度研究只注意從微量元素含量、元素共生組合進行研究，或使用礦物溫度計、礦物壓力計及氫、氧穩(wěn)定同位素等研究成礦深度，卻忽視了同一礦種或緊密伴生礦種在成礦深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地區(qū)乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和對比。這樣就使得地質(zhì)找礦缺少針對性和有效性，并造成人力、物力、財力的浪費，乃至對環(huán)境的嚴(yán)重破壞，盲目施工、盲目開采。
因為地質(zhì)成礦在水平方向上和垂直方向上是有規(guī)律性的。舉例來說河北淶源縣王安鎮(zhèn)雜巖體多金屬，它的成礦規(guī)律：水平方向上，由巖體接觸帶向圍巖，成礦由含銅磁鐵礦礦化向鉛鋅礦化轉(zhuǎn)變，礦床類型由接觸交代型熱液型；垂直方向上，成礦也表現(xiàn)為有序性：早期形成溫壓較高的含銅磁鐵礦礦化，晚期形成溫壓較低的鉛鋅礦化。這說明鉛鋅礦化無論在水平方向還是垂直方向上均表現(xiàn)為一定的差異性，尤其是在垂直方向上的成礦深度表現(xiàn)為一定的深度范圍。然而，在地質(zhì)成礦過程中，其它金屬成礦同樣具有這種現(xiàn)象和規(guī)律。這就要求我們在當(dāng)前地質(zhì)成礦中，除注重研究有關(guān)礦種的成礦系列、成礦規(guī)律、成礦條件、成礦構(gòu)造環(huán)境，更要注重研究有關(guān)礦種形成的區(qū)域成礦深度及相關(guān)地質(zhì)體剝蝕深度。只有這樣才能使地質(zhì)找礦具有針對性、可比性，減少盲目性，提高找礦效率，并將取得較大的或重大的經(jīng)濟效益，同時保護了生態(tài)環(huán)境。
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篇12
1 資料與方法
1.1一般資料 懸吊式腹腔鏡下子宮肌瘤剔除術(shù)女性患者20例，年齡30～50歲，體重45～64kg，ASA I或II級， 排除高血壓、冠心病、哮喘、慢性心功能不全等疾病，經(jīng)B超證實均為單純子宮肌瘤，瘤數(shù)3～5，直徑
1.2方法 禁食禁飲12h，無術(shù)前用藥，入室后開放靜脈通路，靜滴鈉鉀鎂鈣葡萄糖注射液10ml/kg，測定BP、ECG、HR、SpO2。全麻誘導(dǎo)，靜注右美托咪定0.4μg/kg，10min。注完，然后依次舒芬太尼4μg/kg，丙泊酚2mg/kg，羅庫溴銨0.6mg/kg，地塞米松10mg，3min后在光棒輔助下氣管內(nèi)插管。術(shù)中維持用1%丙泊酚20～25ml/h，瑞芬太尼1.2μg?kg-1min-1，同時0.6～0.8%七氟烷吸入，每1h追加半量羅庫溴銨維持肌松。全身麻醉后，患者取頭低腳高位30°，剔瘤前，經(jīng)腹腔穿剌針于瘤體周圍子宮肌層內(nèi)分點注入垂體后葉素（南京新百藥業(yè)有限公司，批號：110101）10U溶于10ml生理鹽水，使局部變成蒼白色。
1.3觀察指標(biāo) 記錄注藥前和后30s、1min、3min、10min和20min的血壓和心率。同時記錄手術(shù)出血量和手術(shù)時間。
1.4統(tǒng)計方法 所得數(shù)據(jù)用以（x±s）表示 ，SPPS 13.0軟件統(tǒng)計分折。處理組間采用ANOVA單因素分析，差別有意義時再作多重比較。P
2 結(jié)果
注入垂體后葉素后各時點血壓的變化經(jīng)方差分析有顯著性差異，各點間比較30s內(nèi)BP急劇下降，較基礎(chǔ)血壓降低30～50%，與使用前有顯著性統(tǒng)計學(xué)意義（P0.05），平均出血量（60.50±11.91）ml，手術(shù)時間（2.22±0.53）h。見表1。
3 討論
子宮肌瘤是女性的常見婦科疾病，常見于30～50歲，絕大多數(shù)子宮肌瘤是良性的，但由于子宮肌瘤傾向于多發(fā)，在育齡女性，隨著年齡增長，肌瘤也增大增多，因此常需要手術(shù)治療。
垂體后葉素（Hypophysine），由垂體后葉分泌的一種激素，含有縮宮素和抗利尿激素二種成份，縮宮素又稱催產(chǎn)素，小劑量可增強妊娠期子宮的節(jié)律性收縮，增大劑量可產(chǎn)生子宮強直性收縮，壓迫肌層下血管， 抗利尿激素又稱加壓素，有直接收縮小動脈，升高血壓，還有抗利尿作用，廣泛用于消化、呼吸、生殖等臟器出血的止血。一般于切割瘤體周圍子宮肌層內(nèi)注入垂體后葉素，可明顯減少術(shù)中出血，縮短手術(shù)時間，本文觀察出血量和手術(shù)時間均與文獻報道一致[3]。
垂體后葉素對子宮內(nèi)血管有直接和間接的收縮作用，吸收后對全身血液動力學(xué)也有一定的影響，趙會新[4]等報道舒張壓變化不大，收縮壓在注射后15min，上升最明顯，30～45min后恢復(fù)正常，馮建萍[5]等報道注入后血壓和心率先下降，后上升，1h后恢復(fù)到正常水平，范海霞[6]等報道156例注入垂體后葉素12μ后發(fā)生5例心率下降繼后心跳驟停，經(jīng)及時處理恢復(fù)，無死亡。本研究發(fā)現(xiàn)，局部分點注入后，血壓波動較大，先出現(xiàn)劇急下降，幅度達基礎(chǔ)壓的30～50%，1～2min以后又緩慢上升，3～10min達高峰，幅度達50%左右，且難以自行下降，所有病例均需使用降壓藥，1h后才能恢復(fù)正常。因此，提醒我們要嚴(yán)格掌握垂體后葉素的用量，常用量為6～10μ/5～10ml生理鹽水，稀釋后注入，對并存有高血壓、心肌缺血、心律失常等患者應(yīng)慎用。
總之，子宮肌瘤剔除術(shù)中使用垂體后葉素會引起血壓上升，高而持久，須多次使用降壓藥物，應(yīng)密切觀察血壓、脈率的變化，防止意外發(fā)生。
參考文獻：
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篇13
【摘要】流體力學(xué)作為工科院校的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性強，內(nèi)容豐富，知識點多，難度系數(shù)大，學(xué)生不易理解和接受。結(jié)合教學(xué)實踐與學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)要求，從師資隊伍建設(shè)、教學(xué)大綱改革、緒論課講解和完善實驗教學(xué)環(huán)節(jié)等方面對專科教學(xué)中的流體力學(xué)課程改革進行了探討。
關(guān)鍵詞 流體力學(xué)；專科教學(xué)；課程改革
The Exploration on the Specialised Teaching of the Course of Hydromechanics
FANG Fei1.2LI You－bing2JI Min－min2
(1.Xinjiang Institute of Engineering,Department of Mechanical Engineering Urumqi, Urumqi Xinjiang 830092, China;
2.Anhui University of science and Technology, School of Materials Science and Engineering, Huainan Anhui 232001, China)
【Abstract】As a professional basic course in engineering colleges,hydromechanics is difficult for students because of its strong theory , rich content, more knowledge points and a large degree of difficulty coefficient.According to teaching practice and professionalism training requirements for students ,this paper explores the construction of the faculty, curriculum reform, teaching to introduction and improvement of the experiment teaching of the course of hydromechanics.
【Key words】Hydromechanics; Specialized teaching; Reform of teaching;
流體力學(xué)是一門綜合性的專業(yè)方向必修課，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程使學(xué)生掌握流體平衡與運動的基本理論、基本知識和基本技能，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程和掌握專業(yè)知識以及為今后解決工程實際問題奠定初步的流體力學(xué)理論基礎(chǔ)。本科壓縮型的專科生在理論知識掌握成熟度上不如本科生, 而實踐動手操作能力和到基層的吃苦敬業(yè)精神不如中專生。為了適應(yīng)社會形式的發(fā)展和面臨教學(xué)對象的不同，專科教學(xué)中的流體力學(xué)課程改革勢在必行。為此，我們結(jié)合教學(xué)實踐與學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)要求，認為可以從以下幾個方面進行課程教學(xué)改革。
1加強師資隊伍建設(shè)
流體力學(xué)課程目前的任課教師隊伍基本分為兩類，一類是專門研究流體的科研人員，另一類則是相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課教師。而實踐反應(yīng)出的問題是，這兩類教師在教學(xué)過程中都存在著各自的缺陷。前者本身確實有很堅實的理論基礎(chǔ)，但是缺乏對所授學(xué)生相應(yīng)專業(yè)的了解，以至于在課堂上無法列舉出與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相關(guān)的工程實踐實例，這必然導(dǎo)致學(xué)生無法學(xué)以致用，與后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)脫節(jié)，在某種程度上可能造成學(xué)生認為學(xué)習(xí)該門課程是否必要。后者可以很好的彌補前者專業(yè)知識的匱乏，但是一般專業(yè)老師在自身學(xué)習(xí)流體力學(xué)的時候也是作為專業(yè)基礎(chǔ)課程來對待，因此對于基礎(chǔ)知識的掌握同樣存在著明顯的不足。對于任課教師的選擇，我們提出的建議是加強學(xué)科交叉。在學(xué)校邀請資深專家做學(xué)術(shù)報告和專題講座時，可以組織該專業(yè)所有任課老師都參加，加深他們對所授學(xué)生專業(yè)的了解，以便在課堂上講解時能結(jié)合專業(yè)實際，從而打造出一支理論基礎(chǔ)知識扎實，專業(yè)性強的師資隊伍。
2改革教學(xué)大綱內(nèi)容
2.1模塊化教學(xué)內(nèi)容
所謂模塊化，即將流體力學(xué)劃分為流體物理學(xué)性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、理想流體動力學(xué)、 粘性流體動力學(xué)、 流動阻力相關(guān)計算、 壓縮氣體管路、 管路系統(tǒng)水力計算等幾個模塊。根據(jù)不同的專業(yè)要求, 進行不同的取舍和組合[3]。比如給排水專業(yè)可以將明渠流部分作為學(xué)習(xí)重點，而熱能動力專業(yè)則需要將氣體部分作為重點學(xué)習(xí)內(nèi)容。由于教師在專業(yè)基礎(chǔ)課上有針對性的教學(xué)，學(xué)生在后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)中就能輕松做到理論聯(lián)系實際，達到預(yù)期的教學(xué)效果。
2.2多樣化教學(xué)手段
積極推行多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)的板書授課方法相結(jié)合的手段。隨著計算機科技的發(fā)展和普及，多媒體教學(xué)方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種課堂教學(xué)中。同樣，通過多媒體演示功能，能夠生動、具體、形象、直觀的解決流體力學(xué)教學(xué)進程中的一些抽象的難點部分。但傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)效果不能因此被忽視，尤其在理論分析、公式推導(dǎo)上，仍然是教師利用板書進行教學(xué)的方法占明顯優(yōu)勢。教師通過傳統(tǒng)的教學(xué)方法，一方面能夠很好的把握課程節(jié)奏，與學(xué)生互動；另一方面也便于學(xué)生做好筆記，易于知識點的消化吸收。
2.3變更考核方式
目前我校的專科考核方式與本科一致，統(tǒng)一采用的都是閉卷考試成績占70%，考勤、作業(yè)、實驗占30%，而實際實驗部分只占了10%。但從專科學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)素養(yǎng)要求來看，既要重理論，又要重實踐。因此，對于流體力學(xué)這類專業(yè)基礎(chǔ)課的考核方式要做到兩手都要抓。我們建議的考核方式是閉卷考試成績占60%，實驗占30%，考勤、作業(yè)占10%。
3把握緒課講解
經(jīng)過多年的教學(xué)總結(jié)，學(xué)生反饋回來的信息是流體力學(xué)難度太大，部分專業(yè)術(shù)語太抽象。甚至部分學(xué)生在還沒有開始學(xué)習(xí)的時候，就已經(jīng)產(chǎn)生了退怯心里，這對接下來的學(xué)習(xí)極為不利，以至?xí)缯n的現(xiàn)象普遍。流體力學(xué)雖然理論性較強, 但卻是一門及其貼近生活的學(xué)科。然而緒論作為一本教材的概述，是學(xué)生最先接觸到的部分，是對教材整體內(nèi)容的高度濃縮和概括，貫穿整個教學(xué)過程，更對學(xué)生的學(xué)習(xí)起到引領(lǐng)、提示和導(dǎo)向等作用，所以講好一堂緒論課至關(guān)重要。物質(zhì)包括固液氣三項，而流體就占液體和氣體兩項，可見流體占據(jù)了我們生活中的大部分空間。教師在講課時，應(yīng)側(cè)重于多列舉一些生活中的實例來說明流體力學(xué)基本理論知識及其應(yīng)用。比如，我們每天呼吸的空氣，喝的水，都是流體；而我們能呼吸到新鮮的空氣，喝到水，這體現(xiàn)流體具有流動性的特點。另外教師在講授緒論課時，務(wù)必要介紹整本書的內(nèi)容綱要，以實用為目的，以必須、夠用為度，以掌握概念、強化應(yīng)用為原則，并列舉工程實際中可能遇到的需要用教材理論知識解決的問題。在此基礎(chǔ)上學(xué)生能對要學(xué)什么知識、能解決什么樣的問題做到心中有數(shù)，能積極調(diào)動學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)的興趣。這樣的方式也可以用在后續(xù)課程講解上，教師在每堂課結(jié)束前留下懸疑，并隨著課程的進展逐步解開疑問，層層遞進，一邊解決問題一邊學(xué)習(xí)新的知識點，一舉兩得。
4完善實驗教學(xué)環(huán)節(jié)
專科學(xué)生畢業(yè)后一般都工作在相關(guān)專業(yè)的一線崗位，這就注重學(xué)生的實操能力。要做到理論與實際融會貫通，實驗課的教學(xué)環(huán)節(jié)不容忽視。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式基本都是驗證實驗，以班級為單位，分組進行，部分實驗甚至只由老師進行演示，負面的抑制了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。當(dāng)然，驗證實驗的開設(shè)非常必要，而且要與課程內(nèi)容形成很好的銜接。但是除此之外，還應(yīng)開展一些拓展學(xué)生發(fā)散能力和創(chuàng)新思維的實驗，讓很多有想法的學(xué)生自主實驗，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。另外，教師要嚴(yán)格要求學(xué)生端正實驗態(tài)度，尊重實驗結(jié)果，讓其養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灹?xí)慣，才能對以后專業(yè)中的流體力學(xué)現(xiàn)象做出科學(xué)的定性分析及精確的定量計算，才能正確地解決工程中所遇到的流體力學(xué)方面的設(shè)計和計算問題。
5結(jié)束語
目前，隨著各本科院校逐年擴招，每年大批應(yīng)屆畢業(yè)生流向社會，我國當(dāng)前就業(yè)形勢普遍嚴(yán)峻。從技術(shù)可信度來講，用人單位會優(yōu)先錄用本科生；從崗位穩(wěn)定性的角度出發(fā)，用人單位則會優(yōu)先錄用中專生，這一直是專科畢業(yè)生面臨的挑戰(zhàn)。本文從強化師資隊伍，改正教學(xué)方法，多種教學(xué)手段的有機結(jié)合以及實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的完善等方面進行教學(xué)改革，以提高專科學(xué)生專業(yè)能力競爭力，適應(yīng)人才市場的需求。
參考文獻
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