流體動力學原理及應用匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇流體動力學原理及應用范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1.引言

空投滑翔體與飛機分離一段時間后滑翔翼展開。此時滑翔體具有較高的水平運動速度和一定的豎直運動速度，翼板在展開機構和在空氣動力的共同作用下迅速展開，運動到極限位置與限位固定鎖緊裝置發生碰撞并鎖緊。該過程是一個及其復雜的過程，在設計過程中，明確翼板的展開方式，掌握翼板的動力學參數，對翼板的結構設計具有重要指導意義。

本文對包腹翼展開過程進行了動力學分析，建立了動力學模型；通過對翼板流體動力學仿真計算，得到了翼板的流體動力方程。在此基礎上，應用ADAMS建立了翼板展開過程的動力學仿真模型，通過仿真計算，得到了翼板在展開過程中的運動學和動力學參數。

2.系統動力學分析

2.1 坐標系

在分析過程中，由于開翼時間比較短，忽略系統縱向速度變化，并且假設滑翔體不動，受到系統運動反方向的氣流，這樣該系統就簡化成一個二自由度系統，建立如圖1所示的直角坐標系xoy。為了更方便進行動力學分析，采用廣義坐標系θ1、θ2來描述該系統，其中θ1是翼片1的弦與豎直方向的夾角，θ2為翼片2的弦與豎直方向的夾角。A、B分別為翼片1和翼片2的質心。

3.動力學仿真

在ADAMS中建立模型，如圖3所示。

仿真結果可以看出，展開過程中翼片2首先開始動作，繞兩翼片的連接軸旋轉展開，只到兩翼片限位機構發生碰撞并鎖定，在此過程中翼片1保持不動，當兩翼片之間鎖定之后，一起繞翼片1與滑翔體之間的軸旋轉展開到位。整個過程用時0.18s，兩翼片所受最大流體力分別為730N和623N，翼片展開最大角速度為1336°/s。

4.結束語

本文對翼片展開全過程的系統動力學特性進行了研究，得到了翼板的流體動力特性、運動學和動力學特性，為翼片結構的強度校核提供了輸入，對翼片的設計和修改提供了強有力的技術支持，也為同類機構的設計提供了快捷的研究方法。

參考文獻

[1]李莉，任茶仙，張鐸.折疊翼機構展開動力學仿真及優化[J].強度與環境，2007，34（1）：17-21.

篇（2）

關鍵詞 光電子學，質子照相，綜述，質子加速器，磁透鏡 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattan project），并持續到現在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發展的靜止“凍結”圖像.這一過程非常類似于醫學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，要求能量足夠高;其次，客體內的流體動力學行為瞬時變化，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試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應加速器組成的雙軸照相系統，一次實驗能從兩個垂直方向連續拍攝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，這是獲得三維數據的最小視軸數目，最多只能連續拍攝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，束流打到轉換靶上，產生等離子體，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.

研究人員希望實現對流體動力學試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動力學試驗的三維動態過程圖像.l995年，美國LANL的科學家Chris Morris提出用質子代替X射線進行流體動力學試驗透射成像［2］.首次質子照相得到的圖像，其非凡的質量出乎發明者的預料.后續的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據Morris回憶， 20世紀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.Steve Sterbenz從這個思路出發，研究了使用中子照相進行流體動力學試驗診斷的可能性.然而即使使用質子儲存環(PSR)的強脈沖產生中子，中子通量都不足以在流體動力學試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應是“為什么不用質子？” Morris將這些思想統一起來，利用高能質子束實現流體動力學試驗診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質子照相的實施應歸功于現代加速器具有產生高能質子和高強度質子的能力.促使發展質子照相技術最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統［4］，以及Nick King 在武器應用中發展改進的快速成像探測系統［5］.

高能質子束為內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試驗模型的厚度相匹配.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，則沒有投影產生.質子照相為流體動力學試驗提供了一種先進的診斷方法.

2 質子與物質相互作用機制

高能質子與物質相互作用的機制是質子照相原理的基礎.首先，需要從質子與物質的相互作用出發，對質子在物質中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質子都在被測物質內部并與其發生相互作用.質子與物質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子保持其特性和動量，質子因受核力的強大作用，會偏轉很大角度， 這種現象叫做核彈性散射（如果采用角度準直器，這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產生亞原子粒子——π介子.當質子能量達到GeV量級，質子與原子核的強相互作用占主導地位.質子與物質原子核中的質子和中子發生非彈性核相互作用，造成質子束指數衰減，其衰減規律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分別為入射到被測物體上的質子通量和穿過被測物體的質子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當質子能量達到GeV量級，核反應截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質子能量達到GeV量級就足夠了.核反應截面不變有利于質子照相的密度重建，因為質子在客體中的散射過程可能導致質子能量發生變化.

由于質子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質相互作用. 當質子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產生很小的能量損失和方向變化:

質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子，即使和核并不接近，也能導致質子方向發生小的變化，每個小散射效應可以累積，這種現象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀30年代建立.質子與原子核之間的庫侖力作用發生多重庫侖散射，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.多重庫侖散射的結果很重要，特別是對重物質，最終導致圖像模糊.另一方面，因為Ri與材料的原子序數有關，也正是這個特性使質子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質子和電子之間也會產生庫侖力作用，通常是非彈性的.因為電子質量與質子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產生躍變，而對質子的方向和能量只產生緩變. 也就是說，質子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導致質子運動方向大的改變，但會導致質子能量的減少.20世紀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.能量損失依賴于質子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當質子能量達到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關.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)

質子通過物體后損失能量，發生能量分散.磁透鏡對不同能量的質子聚焦位置不同，也將導致模糊，這就是所謂的色差［8］.

3 質子照相原理

質子照相原理與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和幾何結構.

由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質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，需要磁透鏡系統才能成像.如果質子照相的模糊效應持續存在的話，質子照相的潛力可能永遠不會被發掘出來.1995年，Morris發現磁透鏡能使質子聚焦進而消除模糊效應，最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來， LANL的另一位物理學家John Zumbro改進了磁透鏡系統的設計方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優點是它的消色差能力.加速器產生質子束并非是單一能量的束流，實驗客體對質子的散射增加了質子能量的分散，不同能量的質子具有不同的焦距，導致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設計使得入射到被測物體上的質子束具有角度-位置關聯，即質子與透鏡光軸夾角與質子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關聯系數與成像系統磁透鏡的設計有關［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，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，質子束的能量越高越好.高能量意味著大規模和高造價，根據空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學試驗的精度要求，LANL為先進流體動力學試驗裝置 (AHF)建議的質子能量為50GeV.

質子照相技術的關鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統.圖1給出了LANL質子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質子束通過金屬薄片擴散，再經過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質子束在擊中物體前發散開來，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，分別是監控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據庫侖散射角的不同，在透鏡系統的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質子束區分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準直器，可以將某些散射角度的質子束準直掉，對允許的角度范圍進行積分，得到總質子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個角度準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子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準直器的使用增加了圖像的對比度.根據物體的光程調節角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數據，可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數服從泊松統計分布，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子數應為104，每幅圖像大約需要的質子數應為1011. 如果一次流體動力學試驗需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質子總數達3×1013個.

4 質子照相裝置

質子照相技術自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（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學有關的關鍵科學問題［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)上進行的小型動態實驗（質子能量800MeV），小型動態實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復雜響應實驗（包括失效、不穩定性和微噴射等）以及驗證內爆過程后期的材料動力學和材料狀態的實驗；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試驗的高能質子照相實驗（質子能量12GeV或24GeV）.進行高能質子照相的目的是:發展高能質子照相所需技術，驗證采用質子照相進行大尺度流體動力學試驗的能力，以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學試驗客體而言，質子照相的質量遠好于DARHT的照相結果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節，需將其劑量提高100倍.而且比照片質量更重要的是，質子照相具有定量的特性.質子照相因其低劑量、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試驗閃光照相設施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質子照相裝置包括質子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統，圖2給出了質子加速器和分束系統方案［12］.質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.采用快速踢束調制器將質子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器，經過同步傳輸系統和使用分束器將質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.質子束穿過實驗靶后，磁透鏡系統對質子束信號進行分類，由探測系統記錄數據.實驗布局的復雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.

圖2 LANL的質子加速器和分束方案

LANL提出的質子照相裝置的主要指標:質子束能量達到50GeV，空間分辨率優于1mm，密度分辨率達到1%;每次加速的質子總數達3×1013個，每幅圖像的質子數達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續提供20個脈沖，視軸數12個，覆蓋角度達165°.這樣，一次流體動力學試驗可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發展質子照相的研究計劃.整個裝置預計投資20億美元，其中質子加速器系統使用原有的部分設備，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個軸成像系統和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統.從目前的調研情況來看，原計劃2007年前完成的任務沒能按期完成.因此，這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5 質子照相與X射線照相的比較

我們通過與現有最好的流體動力學試驗裝置——DARHT比較來說明質子照相的特點和優勢［13］.

(1) 三維動態照相. 由于質子加速器固有的多脈沖能力和質子束分離技術，因此，質子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態過程圖像.質子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內爆運動過程的動態圖像. 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，質子照相不需要轉換靶，保證了多次連續照相不受影響，而X射線照相由于需要轉換靶，需要考慮束斑的影響.

(2) 精細結構分辨.高能質子穿透能力強，其穿透深度和流體動力學試驗模型達到理想匹配.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子的1/10. 質子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質子散射能得到控制. 散射質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.實際上，質子散射的利大于弊，它能用于識別物質的化學組成.利用兩個相同的磁透鏡系統和不同孔徑準直器串聯組成的兩級成像系統，通過對兩種不同準直孔徑得到的數據進行分析，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.

(4) 曝光時間可調.質子加速器能夠產生持續時間為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，質子照相可任意選定曝光時間和間隔.內爆初期，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式“凍結”照相.當內爆速度變快時，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.質子是帶電粒子，直接與探測介質中的電子相互作用產生信號，因此，很薄的探測器就能將質子探測出來.如此薄的探測介質接收不到被探測客體中產生的中子和 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.質子散射雖然也會引起圖像模糊，但質子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質子，而且能減小次級粒子的模糊效應.但不同能量質子的聚焦不同，也將導致模糊.Zumbro改進了透鏡系統，消色差提高了圖像品質.對于小尺寸物體的靜態質子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質子照相實驗已達到15μm，并有達到1.2μm的潛力.

6 結束語

質子照相是美國國防研究與基礎科學相結合而誕生的高度多用性的發明.質子照相若不是與國防基礎研究共同立項，也絕不會有如今的發展.雄厚的武器實驗基礎能持續提供人員和創新技術.質子照相極大地提高了流體動力學試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內爆壓縮的細節，多角度照相有利于建立完整的流體動力學模型，多幅連續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，科學家們加緊了對高能質子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學試驗的主要設備.總有一天，質子照相將代替X射線照相并對流體動力學試驗進行充分解釋.

參考文獻

［1］ Burns M J， Carlsten B E， Kwan T J T et al. DARHT Accelerators Update and Plans for Initial Operation. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference. New York， 1999.617

［2］ Gavron A， Morris C L， Ziock H J et al. Proton Radiography. Los Alamos National Report， LA-UR-96-420， 1996

［3］ Morris C L. Proton Radiography for an Advanced Hydrotest Facility. Los Alamos National Report， LA-UR-00-5716， 2000

［4］ Mottershead C T， Zumbro J D. Magnetic Optics for Proton Radiography. In: Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. Vancouver B C， 1997. 1397

［5］ King N S P， Ables E， Alrick K R et al.Nucl. Instrum Methods in physics research A， 1999， 424(1): 84

［6］ Fishbine B. Proton Radiography Sharper “X-Ray Vision” for Hydrotests. In:The Winter 2003 Issue of Los Alamos Research Quarterly. Los Alamos National Laboratory， 2003

［7］ Aufderheide III M B， Park HS， Hartouni E P et al. Proton Radiography as a Means of Material Characterization. Lawrence Livermore National Laboratory， UCRL-JC-134595， 1999

［8］ Amann J F， Espinoza C J， Gomez J J et al. The Proton Radiography Concept. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-98-1368， 1998

［9］ Barbara B， Andrew J J. Chromatically Corrected Imaging Systems for Charged-Particle Radiography. In: Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference. Knoxville， 2005. 225

［10］ Andrew J J， David B B， Barbara B et al. Beam-Distribution System for Multi-Axis Imaging at the Advanced Hydrotest Facility. In: Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference. Chicago， 2001. 3374

篇（3）

1 改造原理

流體動力密封原理認為在動態下，油封與軸的 狹小接觸帶上，有一層液膜具有流體的動壓特性（圖1）。這些特性包括使軸與密封件的摩擦力降低，由于該摩擦力使密封間的接觸面上受到沿圓周方向的切向力作用，并產生切向變形，從而改善了動態下的。該液膜有一定的厚度和形狀。密封表面許多微觀隆起與凹陷，在動態下相當于微小的滑動軸承板，動態下將粘性液體帶入楔形間隙，形成流體動力液膜，從而起到和密封作用。實際工作中油封與軸接觸時，接觸面出現干摩擦、邊界摩擦和流體三種情況，不斷交替變動。

由以上分析可以看出提高密封效果和壽命的本質是降低密封唇口磨損，將接觸面保持邊界摩擦和流體兩種狀態，避免干摩擦狀態。

2 改進方案

2.1 提高與密封配合的密封環表面精度

軸承密封形式如下圖2所示

從上圖可以看出軸承是靠密封環與密封緊密配合下，密封環的尺寸及表面質量在密封系統中起很大作用。

改進措施：

（1）從圖2可以看出軸承是靠密封環與密封緊密配合下，密封環的尺寸及表面質量在密封系統中起很大作用。密封環尺寸比如圓度超差密封效果將會大打折扣，表面粗糙度太大會造成密封磨損較快，對軸承危害還較大。

（2）對密封環進行改造，將密封配合出粗糙度由3.2改為1.6，加大端面倒角，由原來的5mm改為10mm，降低由于裝配而造成的密封損壞。

2.2 運用流體力學密封

2.2.1 密封簡介

（1）單向流體動力學油封

單向流體動力學油封主要特點是具有回流作用，唇口過盈量比普通油封小，徑向力降低，減少了摩擦生熱，提高了使用壽命。在單向流體動力學油封的唇口工作面上有若干條螺紋形凸棱，有逆時針和順時針兩種。

（2）雙向回流油封

雙向回流油封在密封唇口空氣側模壓上數條與唇口成一定角度的凸棱，凸棱互相平行。經修整將唇口切削成要求的內徑尺寸后，部分凸棱被切斷并與唇口相交，形成兩對以上的回油腔。這樣在唇口處左右兩半圓形成堆成數量的、方向相反的凸棱，并呈銳角與唇口相交。當油封裝配到軸上時，這些相交的凸棱變形成銳角接觸區。當輥子旋轉時，可將滲漏過唇口的油粒子收集入銳角接觸區內，由于油逐漸增多引起內壓增高，變產生樂一種自動向里的推力，使漏出的油重新返回原有腔內，從而起到密封防漏的作用。

2.2.2 運用方案

（1）將最初的鋼骨架油封改為加布油封并增加進油槽，使油可以進入密封唇口部位對密封起到作用

（2）將密封安裝方式由同向改為背向安裝采用雙筋雙向回流密封，外側油封主要起防水防異物進入，內側密封起到防止油外泄的作用（圖四）保證了軸承內部工作環境，保證了軸承正常運轉

（3）在兩個油封中間增加進油口如上圖（圖四），油通過進油口進入兩個密封唇口中間的空隙中，是接觸面處于流體狀態。大大延長了密封的使用壽命。

3 改造效果

流體力學密封的運用和密封系統改造后，密封使用壽命大大延長，密封效果得到很大提高，軸承因進水報廢的數量大大減少。

參考文獻：

[1]張紹順.鋁帶熱軋機油氣系統應用[J]，有色金屬加工，2011（04）.

[2]蘇凌西.冷軋機軋輥軸承的失效分析和改進措施[J].新疆鋼鐵，2011 （02）.

篇（4）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0039-02

流體力學是一門研究流體的受力與運動規律的嚴密科學，是一門材料科學與工程專業中理論性和實踐性都較強的專業基礎課程。在流體力學的教學過程中，涉及到的數學公式很多，過程較為復雜。歷年來，學生們普遍認為流體力學課程枯燥無味，難以學懂，興趣不大，導致教學效果較差。分析材料科學與工程專業現狀可知，目前，該課程體系教學中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數學推導與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應用的有效結合；另一方面，忽視了課程的基礎作用，片面強調課程的專業性。為此，本文結合材料科學與工程專業的課程設置，對課程的教學環節進行了改革探索。課堂教學是提升學生認知的重要手段。筆者認為可以從以下幾個方面來提高流體力學的教學質量。

一、優化教學內容

縱觀材料科學與工程專業的流體力學課程體系，可將之分為基本理論知識、基本應用、實驗部分、與其他學科的交叉內容、工程實際應用等方面。在教學過程中，筆者認為采用模塊化教學方式能夠達到較好的效果。所謂模塊化教學是指根據學科或專業的不同需求選擇學習內容，將每個內容或環節定義為模塊。每個模塊的目標明確，針對性強，而且學時數相對較少，容易提高學生的學習效率。當然，各個模塊之間并不是孤立的，在教學實施過程中，模塊是相對獨立的，但從課程的整體架構上來說又是有機關聯的，步步為營，內容豐富，難度螺旋式上升，使整個流體力學課程具有較強的系統性和完整性。目前，國內材料科學與工程專業的流體力學課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學理想流體運動動力學實際流體運動：一元流體相似理論泵與風機。每部分的研究方法較為統一，所形成的體系由簡到繁、由易到難，并且很容易實現模塊化處理。例如在講授流體運動學基礎、動力學基礎時，可以先從實際流體流動的基本方程入手，使學生在本門課程開始就接觸到流體動力學的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動力學及一元流體動力學問題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動的條件代入有關方程，即可得到理想流體、一元流動的動力學方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點，條理清楚。這樣一來，教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學及理想流體動力學問題，就可略去大量的公式推導過程，節省了大量的課時，內容組織層次感較強，講起來重點更突出，教學過程卻相對簡化。

二、更新教材結構

同時，考慮到材料科學與工程專業的特色與應用范疇，非常有必要對教材內容進行優化處理，根據材料科學與工程的課堂要求，淡化一些理論推導過程，以工程應用為根本。從學生的學習規律來看，一般學生剛學習課程的時候積極性和重視程度都比較高，在學習時花費時間較長，但隨著課堂內容的推進，學生們的興趣減弱，教學內容和教學方法的改革與優化勢在必行。材料科學與工程專業的流體力學課程內容并不包括本領域的全部專業知識，主要講授流體流動的基本原理與基本思路，并側重于工程應用。因此，教材的選取要更具科學性，要根據專業特點和需要，結合學生興趣與學習層次，有針對性地選取講義，教材要更側重于基本原理與基本公式的講述與應用，做到簡單易懂，實用性較強。

三、激發學習興趣

在流體力學教學的開始，教師就應該緊緊抓住學生們的學習興趣，在緊扣教學計劃的基礎上，以當前熱點問題為引導，充分調動學生們的學習積極性。因此，在流體力學教學的過程中，如何將教學內容與工程實踐相結合，與熱點問題相結合，激發學生的學習興趣是提升教學效果的重要措施之一。比如在給學生上緒論課的時候，可以通過一些生動的圖片、視頻、動畫給學生形象地展示大自然與人類生活密切相關的流體力學現象，增強學生對流體力學的感性認識與興趣，如汽車為什么要做成流線型的；高爾夫球為什么在表面有很多坑；火箭為什么能夠上天；海岸為什么是弧形；戰斗機為什么頭部是尖的等。這些問題是日常生活中經常見到的，通過這些問題的設計與引導，可以讓學生們知道本課程的主要學習目標是什么，能解決什么樣的實際問題，讓學生們帶著疑問和興趣去學習，效果將事半功倍。

四、改革教學手段

目前，流體力學教學過程中教學手段較為豐富，但仍以板書和多媒體教學兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書為輔”的方法。多媒體教學較為直觀、形象，所傳輸的信息量巨大。同時，伴隨著信息網絡化大形勢的進一步深化，網絡電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時間。但這種方式也有不足之處，最主要表現在多媒體授課速度偏快，學生尚未形成知識結構體系就一帶而過，課堂上考慮的時間不足，很難形成師生之間的互動。相對而言，板書備課時間較長，課堂上書寫時間也較長，對于一些較難理解的內容，可以給學生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識點，易于形成師生間的“一問一答”式的互動關系。因此，在流體力學授課過程中宜采用二者結合的方式，對于系統性較差的知識點來說采用多媒體方式，而對于重點、難點內容則主要采用板書的形式，真正做到對該知識點的側重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學生對課程既有充足的知識量，又有重點突出，進而提高學生的學習效率。

五、重視實驗與工程教學

流體力學課是一門與工程實踐結合緊密的學科。因此，在課程開展的過程中應該對實驗課與工程教學進行重點關注。實驗教學目前可以分為演示型和驗證型，但教學方法單一，限制了學生分析問題、解決問題的能力；同時，由于長期以來實驗教學從屬于理論教學，實驗教學與工程教學的課程建設與發展受到了嚴重制約。因此非常有必要對實驗與工程教學進行改革來適應目前高校的培養模式。首先，實驗與工程教學要注重同專業知識相結合。傳統的實驗教學較多適用于試驗臺環境下，是國家根據課程規劃以及人才的知識結構需要設立的，這嚴重阻礙了學生們與工程實踐的有效溝通，因此，可以針對學生所學專業逐步設立既符合本專業又具有工程背景的可操作性較強的實驗項目，用以適應學生對專業領域知識的理解與創新需求。其次，有效利用高校科研優勢，促進實驗與工程教學的發展。以學科為依托，實現科研與教學互補，將科研成果引入實驗教學，這樣可以開闊學生視野，激發學生的創新思維。第三，實現基礎實驗與個性實驗的互補。在基礎實驗訓練的基礎上，開展一些更具有研究性和綜合性的實驗，這樣對理論知識的學習有一個較為有利的補充，同時也可以鍛煉學生們實驗設計、整體規劃的能力，積極調動學生們的學習積極性。

參考文獻：

篇（5）

in Scientific Computing

2010,780pp

Hardback

ISBN9780521113601

科學計算中的進展使得建模及模擬成為工程、科學及公共政策決策過程中的一個重要部分。驗證和確認是建立在定量準確性評價的概念上的。本書提供了用于模型和模擬驗證和確認的基本概念、原理及步驟的全面與系統的發展過程。它的重點放在了利用偏微分方程描述模型和模擬上面。書中所描述的方法可以應用于廣泛的技術領域，諸如物理科學、工程及技術，以及工業、環境管理與安全、產品與設備安全、金融投資和政府管理中。

本書共有16章，除第1章外分成5個部分。1.緒論，內容包括建模與模擬的歷史及現代的作用、科學計算的可信度、本書的內容概括與使用。第1部分 基本概念，含第2-3章，2.基本概念與術語；3.建模與計算模擬。第2部分 代碼驗證，含第2-3章，4.軟件工程；5.代碼驗證；6.正確解法。第3部分 解法驗證，含第4-6章，7.解法驗證；8.離散化誤差；9.解法適應。第4部分 模型的驗證與預測，含第10-13章，10.模型驗證基礎；11.確認實驗的設計與執行；12.模型準確性評價；13.預測能力。第5部分 涉及規劃、管理及實施的問題，含第14-16章，14.建模與模擬的規劃與優先化；15.建模與模擬的成熟度評價；16.驗證、確認及不確定性量化的開發與責任。

本書的第一作者具有在流體動力學、傳熱、飛行動力學及固體力學領域39年的研究與開發經驗。并且在計算和實驗兩個領域工作過，他教授過驗證和確認領域的30門短課程。現在，他帶著技術人員的杰出代表的榮譽已從美國Sandia國家實驗室退休。

本書的第二作者是弗吉尼亞理工學院航空與航天及海洋工程系的副教授。他于1998年從北卡羅來納州立大學獲得博士學位后，作為高級技術人員在美國Sandia國家實驗室工作了5年。他在計算流體動力學領域發表過許多有關驗證和確認的文章。2006年，他因計算科學與工程中的驗證和確認方面的研究工作而獲得美國青年科學家總統獎（PECASE）。

本書將會受到那些尋求改進模擬結果的可信度及可靠性的各個領域中的研究人員、專業人員及決策者的熱誠歡迎。它的內容也適合用作大學課程或供人們自學。

胡光華，

退休高工

篇（6）

隨著科學技術的發展,現代人對家居環境質量的要求日益提高,高噪音的風扇空氣壓縮機等設備的噪音成為一大困擾,同時由于全球能源危機的加劇,特別是在我國建設節約型社會的倡導下,摒除傳統電機驅動風扇做功的新型裝置日益受到研究者關注。研究表明在電暈放電時會產生高速離子射流流動,這種離子射流對周圍流體流動產生強烈的擾動,形成附加的流體運動,即所謂的電誘導二次流。離子的高速運動將會催動空氣的流動。這為我們研究新興空氣傳輸裝置提供了思路。特別是近年來,隨著電流體動力學的發展,在EHD領域的電流體泵機理成為高壓直流下空氣流動的研究基礎。本文將從電流體泵驅動機理方面定性闡述裝置的理論基礎,并提出一種簡單的實現裝置,即利用單片機控制的高壓直流電源驅動電暈放電,結合線板式電極設計,形成一個完整的空氣傳輸裝置。

一、EHD原理實現空氣傳輸的定性分析

(一)機理簡介。EHD(Electrohydrodynamics,電流體動力學)作為流體力學 的一個重要分支,其研究方向為電場對流體介質的作用,也被看做是在運動電介質中的電場力學。介于此,在電場中,空氣作為一種特殊的電介質會產生很多重要的現象,其中在強化傳熱方面、電流體泵方面漸漸為各方所重視。本文結合EHD領域電流體泵機理,著重討論EHD在空氣傳輸方面的應用,其中涉及直流高壓放電下空氣流動的數學建模計算。電流體泵有兩種驅動機理,一是利用高壓直流電場驅動流體,即離子泵拖拽,另一種是高壓行波驅動流體;其介質中電荷來源于高壓電極發射的單極性離子或是電解質分子受電擊所產生的離子。本文正是討論在直流高壓下,由線―線電極放電促成“離子雪崩”效應,大量離子帶動空氣流動,從而實現空氣傳輸的效應。

二、系統總體設計

該系統的基本結構如圖3所示,它由電暈極、直流高壓電源、收集極和氣流通道組成。 其基本原理為,空氣中的電子和離子在強電場的加速下,碰撞空氣中的中性分子。使空氣分子電離產生電子和正離子,能量足夠大的電子繼續撞擊中性空氣分子又使其電離產生電子和離子,與此同時有些能量不夠大的電子吸附在空氣中性分子中產生負離子,誘導其發生電子雪崩。空中的正離子在電場的作用加速,于此同時正離子將所獲得的動能傳遞給空氣分子,使其向前運動產生空氣流。電暈放電以電暈為特點的一種放電,本裝置是依據電暈放電而產生離子風。在電極制作上,吸取國內外在電暈放電領域的研究成果,通過大實驗確定電極形狀及間距。電源上,運用單片機技術保證脈沖頻率及其波形以利于最大限度的電離空氣。

三、電極結構設計

(一)電暈放電原理。本作品電極的設計基于脈沖電暈放電原理。脈沖電暈放電法脈沖放電產生等離子體的基本物理過程如下:在前沿陡峭、脈寬窄的脈沖高電壓作用下,放電電極間的氣體擊穿,形成不均勻的很細的火花通道。電離產生的電子在電場作用下,以很高的速度向陽極運動,使氣體進一步電離,形成電子流,電子流逐步擴大以致溝通整個放電通道,使儲存在電容器上的電能通過放電通道迅速地釋放。由于電容器釋放出較大的能量,脈沖電流很大,可達每平方厘米數千安培,因而會在電極間形成等離子體。

(二)線板式電極結構。常見的脈沖放電等離子體反應容器有三種:線――筒(應該把―都改成――),線――板和針――板。本裝置中將采用線――板式電極結構,線板型電極特性。放電線數一定時,線板電極間距增加,脈沖電壓峰值和直流偏壓增加,單次放電能量減小。線板電極間距一定時,隨著線線間距變化,反應器上放電電壓的峰值、流光能量有一最大值范圍,直流偏壓隨著線線間距的增加而降低并漸趨穩定。本實驗中線線與線板間距大致相當時,流光能量較大。線板電極間距一定時,隨放電線間距增加,放電線數減少,峰值電壓、直流偏壓和流光消耗的能量逐漸減小并趨于平緩。但直流偏壓在放電線數少到一定值時有增加趨勢。

此為我們設計同性電極間距與異性電極間距及整個電極排布布局的依據。

四、驅動電源設計

電源作為本裝置重要的工作元件,要求具有高頻高壓,穩定高效,低成本等優點。針對本裝置的要求――產生電子雪崩效應應滿足以下要求。

首先,鑒于上文所述脈沖電暈放電的相對直流電暈的優點,我們選用脈沖電暈放電,即要求脈沖頻率可調,脈沖頻率頻率在1KHz到100KHz可調,電壓上升時間

結束語:本裝置立意新穎,目前國內在這一領域還未有應用實例,其關鍵在于裝置的實現難度較大,具體體現在電暈放電分為暗流放電、輝光放電、刷狀放電、流注放電、火花放電等情況,而電暈放電較不穩定,研究表明電暈放電最穩定狀態為其輝光放電階段。因此,為得到穩定的離子風,將設法使設備工作在輝光放電狀態。要將設備控制在輝光放電狀態,且使設備產生的離子風最大化,其對外部電壓及極間距離有相當高的要求,而這則是該裝置研究的核心難點所在。

作者單位:浙江理工大學

篇（7）

混凝土輸送泵，又名混凝土泵，由泵體和輸送管組成。是一種利用壓力，將混凝土沿管道連續輸送的機械，主要應用于房建、橋梁及隧道施工。目前主要分為閘板閥混凝土輸送泵和S閥混凝土輸送泵。再一種就是將泵體裝在汽車底盤上，再裝備可伸縮或屈折的布料桿，而組成的泵車。混凝土輸送泵的可靠性與使用壽命直接受到系統的控制，尤其是顆粒污染物和粘度等參數對其影響重大，本文根據流體動力學的基本理論，針對混凝土泵送設備兩個輸送缸交替送料的特性，提出新的雙向系統，并在實際中的應用對該系統加以分析。

1.傳統泵送系統的特性

混凝土輸送泵在混凝土的輸送過程中，設置了油脂系統，以確保輸送砼和缸的絕對，并且預防輸送缸內的水泥滲入到砼密封體導致砼活塞配件磨損而漏漿。砼輸送泵的砼活塞、換向閥和攪拌軸承座等運動部件因其負荷大、運動頻率高，是重點部位，對脂的要求也比較高，并且須使用脂泵按照一定的頻率強制加壓。泵送來的脂直接送入各分配器，推動活塞向點供油；該系統的工作原理是：壓力從一個入口流入，帶動脂活塞吸入油脂，當油脂從另外一個入口流入時，帶動脂活塞排出油脂，油脂經過阻尼器到分配閥，再逐步分配到輸送缸各個點。

以上傳統的泵送系統存在一定的缺陷，其不能準確的隨動砼活塞，而且每次換向，而且油脂在同一缸內每次都會注射在同一個點上，而另外一個缸的脂在點處總是注入水中，基于此，會導致設備經常在不良的狀態下工作，加劇設備的磨損，導致檢修周期縮短，增加維修成本，同時效果相當差，油浪費嚴重。

2.雙向系統的技術方案

筆者通過多年的工作經驗，針對上述不足，提出了一種新型的雙向系統解決方案，可以有效的改善混凝土機械易損件的使用壽命，其原理主要是采用往復柱塞式脂泵，由液壓油驅動雙液壓缸柱塞，使其做往復式運動并各自獨立完成吸油和壓油過程。當壓力油從前一個口進入推動柱塞時，帶動另一液壓缸柱塞打開吸油孔吸油脂，并使液壓缸柱塞向前壓油，油脂從后一個口進入雙向閥。當壓力油換向且壓力油從后一個口進入推動柱塞時，帶動另一液壓缸柱塞打開吸油孔吸油脂，并使液壓缸柱塞向前壓油，油脂從前一個口進入雙向閥。如此往復，泵的兩個液壓缸柱塞隨液壓壓力油交替換向工作，同時交替向雙向閥供油脂。隨著液壓系統的交替換向，實現兩砼缸活塞定點同步。

3.結合流體原理，分析雙向系統的應用

3.1.流體基本方程

連續方程，即質量守恒方程，是物理學質量守恒定律在流體力學中的具體表現形式，系統中的介質在管路中的流動服從Reynolds方程，其方程式可寫成如下形式：

方程式（1）中：p為流體壓力；ρ為流體密度；u，v，w 分別為流體在x，y，z方向上的速度分量。

Navier-Stokes方程是黏性牛頓流體的微分運動方程，又稱動量方程，將連續方程和Navier-Stokes方程聯解，可得出描述流體油膜壓力分布的基本方程，即Reynolds方程：

方程式（2）中，左邊第1，2項分別為流體油膜里由于壓力梯度所產生的x向和z向的壓力流變化；右邊第1，2項分別表示表面速度引起的剪切流；右邊第3，4，5項為Y向擠壓運動所引起的流量變化；右邊最后一項為該處密度變化產生的流量變化。所顯示的廣義Reynolds方程是黏性牛頓流體動力的基本微分方程，方程的待求變量為x向和z向的壓力分布。它允許計及密度和黏度的變化，允許采用不同的膜厚公式，允許考慮固體表面的彈性變形對特性的影響。

3.2.數值計算方法

分析力學問題需要求解非線性離散方程組，且劑在變黏度、變密度效應下，方程的系數都不是常數，整個方程呈現高度的非線性特征。而對于非穩態問題，方程中含有膜厚的時間導數項，既要考慮切向卷吸運動，又要考慮法向擠壓運動。本文采用FTCS（時間向前空間中心）差分格式求解Reynolds方程，并且用Matlab軟件編寫程序計算，考慮到對稱性，砼活塞環可只分析其圓周長的四分之一。計算時首先給定壓力分布和中心膜厚的初值，依此計算各節點處的膜厚、油黏度及油密度等參數，然后求解Reynolds方程，得到新的壓力分布。如壓力分布不滿足收斂條件，則修正壓力分布進行下一次計算，直到新舊壓力差小于某個定值，然后由壓力分布積分求解載荷。

由于該問題的數值穩定性差，雅可比法的收斂速度是比較慢的，當網格數較多時，并不是現實的解法。采用高斯一塞得爾迭代雖然比雅可比法稍好，但對于網格數較大的算例來說，耗時仍然過長。因此這里采用SOR（逐次超松弛法）來求解上述差分方程，并采用一定的方法來解決數值穩定性問題。

3.3.計算結果分析

4.雙向系統的優點

雙向系統在戶外施工部門的使用過程中，證明雙向系統具有極佳的穩定性，在工程機械領域，沃爾沃、凱斯、詹陽動力等品牌部分機型的使用客戶配置了該系統。

4.1.領先的技術

雙向系統適合能在低壓下加注到點的高級脂。脂的加注工作通常在機器啟動時進行，加注時雙向系統會保證在準確的時間間隔內定時定量地注入脂。這將使脂在軸承支承面達到最佳分布狀態，不斷維持良好的密封狀態同時使脂的消耗量減 半。雙向系統中含有雙固態管道系統，并可通過定量加注器向每一個點施加脂，這種堅固結構可在任何施工環境下保證過程中的操作安全性。雙向系統能防止不必要的磨損，減少機器意外故障的發生率。

4.2.良好的經濟效益

在連續活動部件的作用下，機器將保持最佳工作狀態。雙向系統可使機器在持續工作的狀態下不間斷得到，幫助操作者預防由機械損傷及相關安全風險所導致的機器停工現象的發生。操作者也可從油漬的、費時的手動加注工作中解脫出來，同時減少環境污染，節約資源。雙向系統可減少液的消耗量達35%左右。使用雙向系統可減少使用維護成本，減少運動件之間的切削磨損，提高密封性能，防潮防腐，有效排除雜質。

4.3.友好的用戶界面

駕駛室內顯示器會顯示所有相關信息，例如脂罐中脂液位較低。雙向系統泵中的數據管理系統可對過程實施連續性的監控。該系統還將在存儲器中存儲有關控制和診斷方面的操作信息，并通過操作臺顯示器通知操作員。

5.結束語

雙向系統通過交替換向液壓系統壓力油，實現了兩砼缸活塞同步準確定點，不僅延長了輸送泵的使用壽命，有效的改善了輸送泵的效果，還可以減少劑使用量，大大的降低了成本，為今后實現產品高效、環保、節能及深入的理論研究提供了新的方向和很好的解決方案。

參考文獻：

[1]湯如龍，袁 棟，董旭輝.雙向系統在混凝土輸送泵及泵車中的應用[J].工程機械，2011，42：55-57.

篇（8）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0041-02

流體力學是研究流體平衡和運動規律的一門科學，是力學的一個重要分支，已廣泛應用到國民經濟的各部門。工程流體力學課程在哈工大是機械類、材料類、儀器儀表類、航空航天類、建筑工程類、熱能動力類、流體動力工程類等專業必修的技術基礎課程，既有基礎學科的性質，又具有鮮明的技術學科的特點，既與高等數學、大學物理、理論力學等課程有緊密的聯系，又是專業課的基礎，是一門理論性和工程實際意義都較強的課程[1]。哈工大流體力學教研室成立于1956年，歷來重視教學研究及教學質量，不斷積累教學經驗，改進教學思想，在基礎教學與實驗設施、師資隊伍建設、教學質量、教學研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國內領先水平，并于2009年被評為國家精品課程，目前正在進行國家精品資源共享課程的升級。雖然取得了一系列的重要成績，但是仍然存在一些問題，需要進一步轉換觀念，從當前社會的實際需求出發，深入進行教學模式和教學內容等方面的研究和探索。

一、改革教學理念

課程建設的目的是提高教學質量，歸根到底是提高學生培養的質量，而學生質量的衡量標準則是其綜合素質及能力。工程流體力學課程的特點是抽象概念多，數學分量重，理論性較強，許多復雜的流動物理現象難以用言語和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學課程中有很多較難的知識點，例如流體微元運動的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運動微分方程、邊界層基本方程及近似計算等，這些知識點包含了大量的數學推導，往往要占用很多課時，同時這些理論知識的講解又是空洞和死板的，無法激發學生的學習熱情。即使是多數教師能夠本著負責的態度將這些知識難點講解清楚，也往往并不能使學生對這些難點留下深刻的印象。這種教學過程是事倍功半的，容易引起學生對這些知識做機械的符號記憶或者陷入對推導嚴密性的過度鉆研，無法建立起流體力學的全局思維方式，進而也不能提高學生的綜合分析應用能力。因此，教師在授課過程中要不斷引導學生梳理所講授的知識，使學生能夠運用流體力學知識進行綜合分析。要讓學生明白，流體力學的學習不是背定理、記公式，而是要通過學習這門課程，掌握一門新的科學知識，了解它的人文背景，學習它的思想和方法，掌握它的原理和應用。學生是課程學習的主體，在教學過程中需要注意教與學的同步，授課時關注學生的反映，根據學生的反應對授課進行調整，必要時放慢節奏或變換講解方法，也可以讓學生參與討論。學生有必要參與到深層的學科知識應用中，因此可以讓同學參加與學科相關的科學研究，引導同學應用流體計算模擬軟件，實現模擬實驗[3]。教師對學生的實踐引導可以消減同學對流體力學公式繁多的苦惱，而在實踐能力不斷提高的過程中，學生的創新意識和能力將得到很大的鍛煉。實踐證明，學生可以完成適當的工程流體力學課程內容的拓展研究，實現課程與科研工作的相互促進。在積極開展第一課堂的同時，還應該引導學生參加第二課堂活動，激發學生創造熱情，培養學生科學素質和創新精神，提高學生獲取知識、運用知識的能力和創新能力。例如科技創新和節能減排大賽這樣的大學生科技活動是開展素質教育的重要平臺，為學生提供了施展才能、張揚個性的舞臺，使學生得以將課本所學知識充分的運用，并從制作和創新過程中學到了比課本更多的知識，提高了其知識綜合運用能力、實踐動手能力。流體力學教師應該充分利用流體力學知識應用面廣、基礎性強的特點，引導并指導學生參與此類科技活動。另外，流體力學教師還應該經常舉行科技講座，豐富學生的專業和學科知識，培養學生的科研意識和科學精神。

二、課程內容調整

目前所使用的工程流體力學課程內容包括了流體靜力學、流體動力學、漩渦理論基礎、理想流體平面勢流、粘性流體動力學、相似理論基礎、流動的阻力與損失、管路的水力計算、粘性流體繞物體流動、氣體動力學基礎、機翼及葉柵理論、流體要素測量等內容。總的來說涵蓋了流體力學工程應用的多數情況，但是結構仍然需要進一步調整。首先，工程流體力學課程內容較多，多年未更新，有些知識也趨于老化，應適當地對內容進行增減。2006年專業調整后，能源與動力工程本科教學按一級學科制定教學內容，在這種體系下，工程流體力學課程應在主體結構保留的情況下，對于涉及到工程熱力學和空氣動力學的內容進行刪減，避免不同課程的內容重復，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學生利用有限的課時可以將流體力學主體結構體系學得更好。另外，由于工程流體力學更多的應該涉及流體力學的工程應用，所以關于漩渦理論、理想流體平面勢流及粘性流體繞物體流動章節內涉及的較多理論性知識且與工程應用關系不大的應該適當精簡，減少課時占用。其次，工程流體力學課程內容應適當增加與工程應用相關的內容。美國著名的流體力學教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實際的管道流動、葉輪機械流動、環境流體力學等內容，作為經典流體力學主題內容的有機補充[4]。哈工大工程流體力學課程也應該針對學校定位及專業設置，在廣泛調研開課專業的需求基礎上，適當增加有普遍性、代表性的工程應用知識。最后，工程流體力學課程內容應更新與近期科技發展緊密聯系的內容。由于教材不可能年年更新，教師應該在教材內容基礎之上，適當增加與科技進展相關的內容，例如流動的虛擬實驗、流體參數的現代化測量、流體力學的發展現狀、流體力學的最新應用情況等，讓學生了解到流體力學的科技前沿，開拓學生視野，增強其學習流體力學的熱情和興趣。

三、改革教學方法

關于教學方法，哈工大流體力學教師較早地采用了不完全教學法、潛科學教學法、社會探究法、問題教學法、角度教學法等創新性教學法，將教學內容、教學媒體、教師活動、學生活動等課堂教學要素有機組織起來，發揮整體的最大效能。強調學生通過主動探求問題解決的途徑和方法，培養能力，以展素質；并將多媒體技術的運用與傳統教學手段、教學形式的改革統一起來，突出重點，突破難點，從而充分調動和激發學生的學習興趣和積極性。目前多媒體教學在高等教育中的應用越來越廣，在如何正確使用多媒體教學的問題上目前還有一些爭議和討論。工程流體力學課程知識點多，公式推導多，難度大，對于具體的知識點利用板書詳細推演在課堂教學中占用了大量的課時，同時也會影響到學生對流體力學整體思維的把握。由于工程流體力學課程的特點，很多流動現象概念比較抽象，難以用板書表達清楚，很顯然傳統教學方式達不到理想的教學效果。利用多種媒體手段可以更好地創設教學意境，變抽象為具體，變靜態為動態，變黑白為彩色，變無聲為有聲，通過豐富的圖例、連貫的動畫以及真實的實驗錄像，可以使枯燥、乏味的內容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內容變得直觀生動，同時也豐富了學生的信息量，可以更好地激發學習興趣[5]。另外，流體力學的特點是數學分量重、理論性強，所以又不能過多依賴多媒體教學。對于涉及到重要理論公式推導的內容，簡單地將推導過程搬到課件上去，并不能使學生了解重要理論公式的來龍去脈，也難以加深學生對這些關鍵知識點的理解程度。這個時候需要收起屏幕，用板書認真書寫每個符號，推導每個關鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書都有各自的優缺點，因此我們可以取其長而避其短，采用兩者兼顧而又兩者不棄的原則，交互使用，相輔相成。

四、更新考評制度

哈工大工程流體力學課程作為技術基礎課，目前采取了綜合性的考評方法，總成績由作業、實驗、考試三部分組成，學生共計要完成60題左右的作業，由教師進行判分并作為總成績的10%；共計要完成11項左右的實驗，根據學生對每個實驗原理和操作技能的掌握及實驗報告的質量情況分為優、良、及格、不及格來評定成績，若有兩次不及格或者缺席者必須重做否則不得參加期末考試。實驗課成績占課程總成績的10%。期末考試為閉卷，占總成績的80%。流體力學考試的組卷與課堂教學內容息息相關，課堂教學如果注重內容的應用性、靈活性和綜合性，則在組卷時應適當減少客觀題，豐富試題類型，加大理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性成分所占比重較大，而學生臨近考試加班加點應付考試的現象。另外，根據課堂教學和課外科研實踐的特點，對于偏重于工程應用的專題，可以探索利用撰寫科技論文、提交科研作品的方法進行考試，與傳統考試成績綜合來建立起更合理、更具實踐意義的考評制度。

工程流體力學課程是面向工程應用人才的課程，所以教學核心始終應該是學生知識應用能力的培養。為此，在教學中貫穿流體力學思維模式和綜合分析解決問題能力的鍛煉，使學生學有所成、學有所用，是工程流體力學課程改革的一個長期方向。

參考文獻：

[1]陳卓如，金朝銘，等.工程流體力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]趙超.“流體力學”課程教學方法探索.中國冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李巖，孫石.《工程流體力學》課程教學改革與實踐.科教文匯[J].2008，（11）：88-89.

篇（9）

1.引言

進氣道氣流流動狀態最終直接影響發動機經濟性、排放性以及動力性。因此，發動機進氣道的理論研究和實際工程的設計成為發動機研究者的重要課題之一。傳統的進氣道設計流程是經驗設計加穩流試驗臺上的反復試驗。在設計開發中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設計開發期長，耗費大，而且較難得到理想的方案。通過對進氣道內氣體流動的三維數值模擬計算，可獲得流量系數，氣道內壓力、流速等參數的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動特性（包括流量數等）的關系，為汽車發動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

2.工作流程

工作流程如圖1所示。基本控制方程通常包括質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。確定離散化方法。即確定高精度、高效率的離散化方法，具體的說就是確定針對控制方程的離散化法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的離散方法不僅包括微分方程的離散方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。

圖1 工作流程圖

3.模型的建立

氣缸直徑取68mm，氣缸的長度為170mm。在進氣道進口處增加一個穩壓箱，作用時使進氣道入口處的氣流流動狀態穩定，這樣便在計算入口邊界條件中施加了一個穩定的壓力條件。發動機進氣道如圖2所示，氣缸簡化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進氣道-氣門-氣缸如圖4所示，最終計算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網格，在穩壓箱及氣缸內采用六面體網格，在進氣道、氣門、氣缸蓋處采用非結構化網格。這樣既節省了運算時間，又解決了進氣道處外形結構復雜區的網格劃分。將入口、出口、氣缸壁面等分別創建PART，以增加邊界條件；將進氣道-氣門-氣缸蓋所在空間創建BODY命名為LIVE1并保證該點在各個棉所圍成的空間內，如圖6所示。由于四面體網格生成是以BODY為單位進行的，將穩壓箱、氣缸部分創建塊，利用約束、拉伸塊等工具創建、分割塊，以適應本部分體積結構。并在此部分生成六面體網格，對局部網格進行加密，并檢查網格質量。生成四面體網格。生成四面體網格時需要對邊界處進行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數法有效，如圖7所示。

圖6 創建PART及BODY 圖7 生成的網格

網格數目、類型及體積如表1所示。

4.氣道模擬仿真結果與分析

圖8是當氣門升程為8mm時，截面a上的速度分布圖，由圖可知排氣門處（即圖中1）、喉口位置（即圖中2和3處）及氣門下方可以很明顯的看見此氣道存在明顯的滯止回流區，以上地方會造成缸內混合不均勻，極大的影響發動機的排放性能機動力性能，設計時需要對以上地方進行修改。圖中4處氣流與氣門頭部發生碰撞，氣流流動方向發生改變，并消耗了氣流流動動能。其流動能的減小與流動方向的變化導致4處氣流速度減小。在三維建模時盡量增大4處的圓角，這樣就能減小交接處的碰撞。

圖8 截面a處的速度矢

圖9為當氣門升程為8mm時，截面a的速度等值線云圖。由圖可知在氣門喉口位置的速度等值線分布很不均勻。其中速度等值線在喉口位置相對進氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進氣道其他位置速度要大。氣門下方有兩個地方速度比氣道其他地方速度等值線要密（圖中1和2處），其分布是以這兩處為中心成漩渦狀。這也可以說明上述位置會產生很強的滾流。

圖9 截面a的速度等值線云圖

5.結論

運用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門-氣缸實體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門一氣缸在內的計算域網格，利用Ansys對Auto CAD建立好的計算模型劃分網格，進行三維模擬計算。通過三維數值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進行優化，為汽車發動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

參考文獻

[1]周光桐.流體力學[M].北京：高等教育出版社（2版），2000.

[2]石皓天.GDI發動機進氣系統的數值模擬研究[D].天津：天津大學，2008.

篇（10）

當前，在“綠色發展理念”深入人心的時代背景下，農林類高校迎來了很好的歷史發展機遇;同時社會和企業對農林類專業人才的需求更加重視質量，對人才的知識深度、廣度和對專業基礎課、專業特色課核心知識的實踐運用能力，均提出了更高要求。提高機械設計制造及其自動化專業學生林業裝備系統總體及其子系統技術的掌握程度，拓展學生在林業裝備系統上運用專業基礎課、專業特色課中核心知識的科研能力，是農林類高教工作者面臨的共同課題［4］。

1課程教學剖析

1．1課程內容

“熱工基礎及流體力學”這門課程是機械設計制造及其自動化專業的一門綜合性專業基礎課，是后續液壓與氣體傳動、泵與風機、林業機械等專業及特色專業課的重要基礎。課程目標包括:掌握工質的熱力學性質、熱力學第一定律、第二定律、熱工轉換的規律和理想氣體的熱力學過程，學會基本的理論分析與計算方法;通過對熱量傳遞的三種基本方式、導熱基本理論、對流換熱基本規律、黑體輻射基本定律等內容的學習，使學生具備對基本的傳熱學問題進行分析和總結的能力;掌握流體的主要物理性質和流體靜力學的基本理論知識，學會流體上的作用力分析，能夠推導流體動力學方程的連續性方程和伯努利方程，針對黏性流體，能對管內流動狀態進行判斷;能夠對“傳熱學”“工程流體力學”的實驗結果進行分析和解釋，通過實驗數據綜合分析工程中的現象及問題，并得到合理有效的結論。總體來看，本課程講授內容包括工程熱力學、傳熱學以及工程流體力學三大板塊的內容，是在高等數學、大學物理、理論力學、材料力學的基礎上進行深化學習，拓展到實際的工程問題，所以本課程不僅理論性強，而且工程應用性也很強;與機械設計制造及其自動化專業其他課程相比，該課程涵蓋了本應三門獨立開設的課程內容，知識難點聚集、微積分公式眾多、三大知識板塊思維跨度大、學生融會貫通掌握難。但是，學生對課程內容的掌握程度直接影響后續專業特色課程的學習情況。

1．2教學思路

目前，本課程總學時為48學時，理論授課42學時，實驗授課6學時。三大板塊的教學內容多，理論授課課時較少，矛盾突出:(1)學生由固體學科切換到流體學科的學習需要較長適應期;(2)課程中較多章節內容抽象，且涉及大量公式推導及專業的概念鋪墊，加之為了跟上教學進度教學內容更新較快，學生普遍反映課程難度較大;(3)教學內容和后續專業及特色專業課內容銜接性不夠緊密;(4)從內容的充實性和課程的結構上來看，“熱工基礎及流體力學”這門課程的教學內容已經滿足要求，但是對接林業機械領域最新技術，強化學生創新思維方面，當前的課程建構仍無能為力;(5)由于本課程的學習不涉及具體的機械裝備系統，使得同學們對本課程在專業中的地位認知不足，學習積極性欠佳，這些現狀使得提升教學效果難度較大。針對上述課程特點及教學現狀，結合農林類高校“機械設計制造及其自動化”專業的實際情況，制定了如下教學思路:(1)授課時，使學生從機電系統、固體力學等學科的思維中切換出來，將空間觀測法跟同學們探討透徹，基于空間觀測法開展“熱工基礎及流體力學”的課程教學。(2)在教學大綱中刪除過于抽象、應用面較窄的教學內容，深入講解與后續“液壓與氣體傳動”“泵與風機”“林業機械”等課程關聯度較深的內容，為專業及特色專業課的學習做好扎實鋪墊。(3)結合在林業機械領域與“熱工基礎及流體力學”緊密關聯的科研經歷，探索寓教學于科研、科研反哺教學的授課模式，強化同學們對“熱工基礎及流體力學”在“機械設計制造及其自動化”專業里占有重要地位的基礎認知，顯著提升同門們自愿學習、自主學習的熱情。(4)注重思維方式、終身學習意識的培養。教學過程中注重切入問題角度的講解，使得同學們在明白問題的同時更養成學習思考問題方法的習慣;從固體學科到流體學科是一個較大的跨越，在跨越的過程中，使同學們樹立終身學習意識，為以后培養同學們提出、解決林業機械領域學科前沿性、熱點性問題的能力打下堅實基礎。

2課程構建探討

在“碳達峰、碳中和”的硬性發展要求及“綠水青山就是金山銀山”的發展理念加速推進的浪潮之下，農林高校“機械設計制造及其自動化”專業的畢業生在高等教育系統中的地位不斷提升，所以基礎專業課程構建更需獲得與之地位匹配的重視。一方面，基礎專業課課程構建要體現基礎知識的深度和廣度;另一方面，內容要很好銜接并服務于核心專業課、特色專業課，為學生后期畢業設計、研究生科研深造做好鋪墊。

2．1課程內容深度銜接核心專業課

“林業機械”是南京林業大學“機械設計制造及其自動化”專業的核心專業課，內容涵蓋林業動力、整地、清理、苗圃、造林、撫育、保護、防火、采伐、采摘、智能化等機械。其中，和“熱工基礎及流體力學”專業基礎課相關的包括動力、清理、保護、采摘等板塊。林業動力機械(包括泵、風機)涉及“工程熱力學”中熱能和機械能之間的轉化問題，同時也涉及“工程流體力學中”可壓縮混合氣體壓強、溫度變化和裝置的動力匹配問題;林業清理機械涉及“工程流體力學中”不可壓液態水在管道內部的流動，在霧化器內的流態分布、出口后霧化粒徑分布等復雜多相流問題，如圖1所示;林業保護機械中噴霧射程、噴霧穿透涉及“工程流體力學中”可壓縮流體空氣的外部流動及耦合風場、霧滴的多相流動問題，如圖2所示;林業采摘機械中，基于負壓的采摘系統涉及可壓縮流體空氣的管內流動問題。從銜接核心專業課的角度來看，一方面，農林類高校“熱工基礎及流體力學”這門專業基礎課程應該深耕“工程熱力學”和“工程流體力學”，而“工程流體力學”應該是重點中的重點;另一方面，也好兼顧課程內容的完整性，“傳熱學”也要適度調整。

2．2匹配三大板塊關系，優化課程結構

建議協調、平衡三大板塊的課時占比，同時明晰課程內容的內在邏輯關系，在此基礎上進一步優化課程結構。在“工程熱力學”(熱能的間接應用)板塊中，我們將實現熱力學能向機械能轉化的媒介稱之為“工質”，媒介一般是“單一氣體”或者“混合氣體”，熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質熱力學性質及理想氣體的熱力過程等課程內容和專業核心課程林業機械吻合度較好。“工程流體力學”中，對流體的終結性定義是“抓不起來的物體”，一般性的定義是“氣體和液體”的總稱，但課程內容中流體基本概念的鋪墊、流體靜力學、流體運動學、流體動力學及黏性流體等課程內容都是基于不可壓的液體，同為流體，但氣體和液體的性質及研究重點相差甚遠，“氣體”這種流體相關課程內容的缺失為后續專業核心課程的學習帶來很大知識結構缺陷。“傳熱學”(熱能的直接應用)中，對導熱、對流傳熱(混合傳熱，主要是流體和固體之間)、輻射傳熱的基本原理、工程應用等課程內容做了比較詳細的講解，但是后續專業核心課程對傳熱學中的知識需求很少，僅僅在脈動燃燒技術這一研究領域有所涉及。總體來看，不管是“工程熱力學”中的“工質”，還是“工程流體力學”中的“氣體”，再或者“對流換熱”中的“流體”，其中“氣體”是課程的“最大公約數”，也是和林業機械這一專業核心課程相關的“最大公約數”。鑒于此，“工程熱力學”教學內容總體上可以維持不變，部分章節可以簡化，不重要的知識點減少不必要的推導，側重理論、公式概念的理解和應用，這樣可省出一部分課時。總課時不變的情況下可以合理縮減“傳熱學”的課時，對輻射傳熱只做一般性介紹;考慮到相似原理在流體力學的試驗研究中也有重要應用，可以在這里對相似準則進行深入講解，省出較多課時。將“工程流體力學”放在最突出的位置，省出來的課時分配給這一部分;增加可壓縮流體“漩渦勢流理論”“相似理論中的量綱分析法”、包括氣體動力學中“擾動在外空間流場中的傳播”及“管內氣體的流動”等內容，以匹配林業機械核心專業課。

2．3樹立自主學習、終身學習意識

目前，流體力學板塊中關于可壓縮流體的課程內容匱乏，教學中會鼓勵同學們在MOOC上尋找優秀資源進行線上學習，使同學們樹立自主學習意識。通過工程流體力學板塊，我們在體力學的范疇內將研究運動的方法由拉格朗日法提升到歐拉法，這是一個顯著的改變，也是重要的進步，通過這一步，有助于培養同學們的終身學習意識。