流体动力学原理及应用汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇流体动力学原理及应用范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

1.引言

空投滑翔体与飞机分离一段时间后滑翔翼展开。此时滑翔体具有较高的水平运动速度和一定的竖直运动速度，翼板在展开机构和在空气动力的共同作用下迅速展开，运动到极限位置与限位固定锁紧装置发生碰撞并锁紧。该过程是一个及其复杂的过程，在设计过程中，明确翼板的展开方式，掌握翼板的动力学参数，对翼板的结构设计具有重要指导意义。

本文对包腹翼展开过程进行了动力学分析，建立了动力学模型；通过对翼板流体动力学仿真计算，得到了翼板的流体动力方程。在此基础上，应用ADAMS建立了翼板展开过程的动力学仿真模型，通过仿真计算，得到了翼板在展开过程中的运动学和动力学参数。

2.系统动力学分析

2.1 坐标系

在分析过程中，由于开翼时间比较短，忽略系统纵向速度变化，并且假设滑翔体不动，受到系统运动反方向的气流，这样该系统就简化成一个二自由度系统，建立如图1所示的直角坐标系xoy。为了更方便进行动力学分析，采用广义坐标系θ1、θ2来描述该系统，其中θ1是翼片1的弦与竖直方向的夹角，θ2为翼片2的弦与竖直方向的夹角。A、B分别为翼片1和翼片2的质心。

3.动力学仿真

在ADAMS中建立模型，如图3所示。

仿真结果可以看出，展开过程中翼片2首先开始动作，绕两翼片的连接轴旋转展开，只到两翼片限位机构发生碰撞并锁定，在此过程中翼片1保持不动，当两翼片之间锁定之后，一起绕翼片1与滑翔体之间的轴旋转展开到位。整个过程用时0.18s，两翼片所受最大流体力分别为730N和623N，翼片展开最大角速度为1336°/s。

4.结束语

本文对翼片展开全过程的系统动力学特性进行了研究，得到了翼板的流体动力特性、运动学和动力学特性，为翼片结构的强度校核提供了输入，对翼片的设计和修改提供了强有力的技术支持，也为同类机构的设计提供了快捷的研究方法。

参考文献

[1]李莉，任茶仙，张铎.折叠翼机构展开动力学仿真及优化[J].强度与环境，2007，34（1）：17-21.

篇（2）

关键词 光电子学，质子照相，综述，质子加速器，磁透镜 

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

高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattan project），并持续到现在， 它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先，照相客体是厚度很大的高密度物质，要求能量足够高;其次，客体内的流体动力学行为瞬时变化，要求曝光时间足够短.

目前，世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统，一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像，并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是，DARHT也仅有两个轴，这是获得三维数据的最小视轴数目，最多只能连续拍摄4幅图像，不能进行多角度多时刻的辐射照相，获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥，电子束不能无限压缩，束流打到转换靶上，产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径，从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm，制约了空间分辨率的提高.

研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照

相，从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年，美国LANL的科学家Chris Morris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像，其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆， 20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程，使其成为闪光照相的理想束源.Steve Sterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子，中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人Gerry Garvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？” Morris将这些思想统一起来，利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］，以及Nick King 在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.

高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短，则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长，则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.

2 质子与物质相互作用机制

高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先，需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.

所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力，质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:

如果是弹性碰撞，以某种角度散射的质子保持其特性和动量，质子因受核力的强大作用，会偏转很大角度， 这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器，这部分贡献可以忽略）；

如果是非弹性碰撞，质子被吸收，也就是说，损失大部分能量分裂核，产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级，质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量; λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级，核反应截面几乎不变，单就穿透能力而言， 质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建，因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.

由于质子带电，它也通过长程电磁作用力与物质相互作用. 当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:

质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射，穿过原子核的每个质子，即使和核并不接近，也能导致质子方向发生小的变化，每个小散射效应可以累积，这种现象叫做多重库仑散射. 多重库仑散射的理论由Enrico Fermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0为多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p为束动量，β是以光速为单位的速度，Ri是材料的辐射长度，其值近似地表示为

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要，特别是对重物质，最终导致图像模糊.另一方面，因为Ri与材料的原子序数有关，也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.

质子和电子之间也会产生库仑力作用，通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小，库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变，而对质子的方向和能量只产生缓变. 也就是说，质子通过电离原子(把电子击出轨道)，损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变，但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量，能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

当质子能量达到GeV量级，dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位，则

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量损失引起的动量分散为

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

质子通过物体后损失能量，发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同，也将导致模糊，这就是所谓的色差［8］.

3 质子照相原理

质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.

由于多重库仑散射，穿过被照物体的质子束有不同的散射方向，形成一个相对于入射方向的锥形束，需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话，质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年，Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应，最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来， LANL的另一位物理学家John Zumbro改进了磁透镜系统的设计方案，称为Zumbro透镜［4］. 

Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流，实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散，不同能量的质子具有不同的焦距，导致图像模糊.基于这样的考虑，Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matching lens)，匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联，即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且，角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］. 这样，可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.

剩余的色差项为

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此，为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响，质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价，根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求，LANL为先进流体动力学试验装置 (AHF)建议的质子能量为50GeV.

质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先，质子束通过金属薄片扩散，再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外，还可以使质子束在击中物体前发散开来，以便覆盖整个物体，避免了使用很厚的金属作为扩束器)，这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组，分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.

Tom Mottershead 和John Zumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面)，可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面，散射角等于0的质子位于中心，散射角越大，半径越大.离开这个透镜后，质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器，可以将某些散射角度的质子束准直掉，对允许的角度范围进行积分，得到总质子通量为

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

第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］，则第一幅图像接收到的质子通量为

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

第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ2cut］，且θ2cut

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

角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围，可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据，可以提供密度和材料组分的信息.

考虑到探测器记数服从泊松统计分布，面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104，每幅图像大约需要的质子数应为1011. 如果一次流体动力学试验需要获得12个角度，每个角度20幅图像，则每次加速的质子总数达3×1013个.

4 质子照相装置

质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来，LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验，其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的，直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV），小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术，验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力，以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言，质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节，需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是，质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.

LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统，图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器，一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器，经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后，磁透镜系统对质子束信号进行分类，由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.

图2 LANL的质子加速器和分束方案

LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV，空间分辨率优于1mm，密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个，每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为 200ns，质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲，视轴数12个，覆盖角度达165°.这样，一次流体动力学试验可获得12个角度，每个角度20幅图像.

2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元，其中质子加速器系统使用原有的部分设备，需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年，分几个阶段进行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年，8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看，原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此，这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.

5 质子照相与X射线照相的比较

我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.

(1) 三维动态照相. 由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术，因此，质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像，这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像. 而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外，质子照相不需要转换靶，保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶，需要考虑束斑的影响.

(2) 精细结构分辨.高能质子穿透能力强，其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下，X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度，此时其穿透能力只有高能质子的1/10. 质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制. 散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.

(3)质子对密度和材料都比较敏感，可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上，质子散射的利大于弊，它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统，通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析，可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感，故分辨不出密度差别不大的两种物质.

(4) 曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”，每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此，质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔，对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时，可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定，一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定，只能以固定的时间间隔照相，研究人员只能指定第一幅图像的时间.

(5)探测效率高.质子是带电粒子，直接与探测介质中的电子相互作用产生信号，因此，很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和 γ光子.

(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像，没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法)，图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊，但质子散射是可控的，可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子，而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同，也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统，消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相，空间分辨率可到100μm，最近的质子照相实验已达到15μm，并有达到1.2μm的潜力.

6 结束语

质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节，多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型，多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来，科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前，X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天，质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.

参考文献

［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

流体动力密封原理认为在动态下，油封与轴的 狭小接触带上，有一层液膜具有流体的动压特性（图1）。这些特性包括使轴与密封件的摩擦力降低，由于该摩擦力使密封间的接触面上受到沿圆周方向的切向力作用，并产生切向变形，从而改善了动态下的。该液膜有一定的厚度和形状。密封表面许多微观隆起与凹陷，在动态下相当于微小的滑动轴承板，动态下将粘性液体带入楔形间隙，形成流体动力液膜，从而起到和密封作用。实际工作中油封与轴接触时，接触面出现干摩擦、边界摩擦和流体三种情况，不断交替变动。

由以上分析可以看出提高密封效果和寿命的本质是降低密封唇口磨损，将接触面保持边界摩擦和流体两种状态，避免干摩擦状态。

2 改进方案

2.1 提高与密封配合的密封环表面精度

轴承密封形式如下图2所示

从上图可以看出轴承是靠密封环与密封紧密配合下，密封环的尺寸及表面质量在密封系统中起很大作用。

改进措施：

（1）从图2可以看出轴承是靠密封环与密封紧密配合下，密封环的尺寸及表面质量在密封系统中起很大作用。密封环尺寸比如圆度超差密封效果将会大打折扣，表面粗糙度太大会造成密封磨损较快，对轴承危害还较大。

（2）对密封环进行改造，将密封配合出粗糙度由3.2改为1.6，加大端面倒角，由原来的5mm改为10mm，降低由于装配而造成的密封损坏。

2.2 运用流体力学密封

2.2.1 密封简介

（1）单向流体动力学油封

单向流体动力学油封主要特点是具有回流作用，唇口过盈量比普通油封小，径向力降低，减少了摩擦生热，提高了使用寿命。在单向流体动力学油封的唇口工作面上有若干条螺纹形凸棱，有逆时针和顺时针两种。

（2）双向回流油封

双向回流油封在密封唇口空气侧模压上数条与唇口成一定角度的凸棱，凸棱互相平行。经修整将唇口切削成要求的内径尺寸后，部分凸棱被切断并与唇口相交，形成两对以上的回油腔。这样在唇口处左右两半圆形成堆成数量的、方向相反的凸棱，并呈锐角与唇口相交。当油封装配到轴上时，这些相交的凸棱变形成锐角接触区。当辊子旋转时，可将渗漏过唇口的油粒子收集入锐角接触区内，由于油逐渐增多引起内压增高，变产生乐一种自动向里的推力，使漏出的油重新返回原有腔内，从而起到密封防漏的作用。

2.2.2 运用方案

（1）将最初的钢骨架油封改为加布油封并增加进油槽，使油可以进入密封唇口部位对密封起到作用

（2）将密封安装方式由同向改为背向安装采用双筋双向回流密封，外侧油封主要起防水防异物进入，内侧密封起到防止油外泄的作用（图四）保证了轴承内部工作环境，保证了轴承正常运转

（3）在两个油封中间增加进油口如上图（图四），油通过进油口进入两个密封唇口中间的空隙中，是接触面处于流体状态。大大延长了密封的使用寿命。

3 改造效果

流体力学密封的运用和密封系统改造后，密封使用寿命大大延长，密封效果得到很大提高，轴承因进水报废的数量大大减少。

参考文献：

[1]张绍顺.铝带热轧机油气系统应用[J]，有色金属加工，2011（04）.

[2]苏凌西.冷轧机轧辊轴承的失效分析和改进措施[J].新疆钢铁，2011 （02）.

篇（4）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）48-0039-02

流体力学是一门研究流体的受力与运动规律的严密科学，是一门材料科学与工程专业中理论性和实践性都较强的专业基础课程。在流体力学的教学过程中，涉及到的数学公式很多，过程较为复杂。历年来，学生们普遍认为流体力学课程枯燥无味，难以学懂，兴趣不大，导致教学效果较差。分析材料科学与工程专业现状可知，目前，该课程体系教学中存在着较大弊端：一方面，太偏重于数学推导与公式的理解，忽视了课程理论的物理意义与工程应用的有效结合；另一方面，忽视了课程的基础作用，片面强调课程的专业性。为此，本文结合材料科学与工程专业的课程设置，对课程的教学环节进行了改革探索。课堂教学是提升学生认知的重要手段。笔者认为可以从以下几个方面来提高流体力学的教学质量。

一、优化教学内容

纵观材料科学与工程专业的流体力学课程体系，可将之分为基本理论知识、基本应用、实验部分、与其他学科的交叉内容、工程实际应用等方面。在教学过程中，笔者认为采用模块化教学方式能够达到较好的效果。所谓模块化教学是指根据学科或专业的不同需求选择学习内容，将每个内容或环节定义为模块。每个模块的目标明确，针对性强，而且学时数相对较少，容易提高学生的学习效率。当然，各个模块之间并不是孤立的，在教学实施过程中，模块是相对独立的，但从课程的整体架构上来说又是有机关联的，步步为营，内容丰富，难度螺旋式上升，使整个流体力学课程具有较强的系统性和完整性。目前，国内材料科学与工程专业的流体力学课程体系基本按照如下形式贯穿：流体静力学理想流体运动动力学实际流体运动：一元流体相似理论泵与风机。每部分的研究方法较为统一，所形成的体系由简到繁、由易到难，并且很容易实现模块化处理。例如在讲授流体运动学基础、动力学基础时，可以先从实际流体流动的基本方程入手，使学生在本门课程开始就接触到流体动力学的总的轮廓和最基本的理论方程，后面的理想流体动力学及一元流体动力学问题作为其特殊情况处理，将理想流体、一元流动的条件代入有关方程，即可得到理想流体、一元流动的动力学方程。建立的这种模块体系具有由一般到特殊的特点，条理清楚。这样一来，教师在讲完一般形式的方程组后再来讲具体一元流体动力学及理想流体动力学问题，就可略去大量的公式推导过程，节省了大量的课时，内容组织层次感较强，讲起来重点更突出，教学过程却相对简化。

二、更新教材结构

同时，考虑到材料科学与工程专业的特色与应用范畴，非常有必要对教材内容进行优化处理，根据材料科学与工程的课堂要求，淡化一些理论推导过程，以工程应用为根本。从学生的学习规律来看，一般学生刚学习课程的时候积极性和重视程度都比较高，在学习时花费时间较长，但随着课堂内容的推进，学生们的兴趣减弱，教学内容和教学方法的改革与优化势在必行。材料科学与工程专业的流体力学课程内容并不包括本领域的全部专业知识，主要讲授流体流动的基本原理与基本思路，并侧重于工程应用。因此，教材的选取要更具科学性，要根据专业特点和需要，结合学生兴趣与学习层次，有针对性地选取讲义，教材要更侧重于基本原理与基本公式的讲述与应用，做到简单易懂，实用性较强。

三、激发学习兴趣

在流体力学教学的开始，教师就应该紧紧抓住学生们的学习兴趣，在紧扣教学计划的基础上，以当前热点问题为引导，充分调动学生们的学习积极性。因此，在流体力学教学的过程中，如何将教学内容与工程实践相结合，与热点问题相结合，激发学生的学习兴趣是提升教学效果的重要措施之一。比如在给学生上绪论课的时候，可以通过一些生动的图片、视频、动画给学生形象地展示大自然与人类生活密切相关的流体力学现象，增强学生对流体力学的感性认识与兴趣，如汽车为什么要做成流线型的；高尔夫球为什么在表面有很多坑；火箭为什么能够上天；海岸为什么是弧形；战斗机为什么头部是尖的等。这些问题是日常生活中经常见到的，通过这些问题的设计与引导，可以让学生们知道本课程的主要学习目标是什么，能解决什么样的实际问题，让学生们带着疑问和兴趣去学习，效果将事半功倍。

四、改革教学手段

目前，流体力学教学过程中教学手段较为丰富，但仍以板书和多媒体教学两种方法为主。更多采用“多媒体为主，板书为辅”的方法。多媒体教学较为直观、形象，所传输的信息量巨大。同时，伴随着信息网络化大形势的进一步深化，网络电子资源更加丰富，这样大大缩短了教师们的备课时间。但这种方式也有不足之处，最主要表现在多媒体授课速度偏快，学生尚未形成知识结构体系就一带而过，课堂上考虑的时间不足，很难形成师生之间的互动。相对而言，板书备课时间较长，课堂上书写时间也较长，对于一些较难理解的内容，可以给学生们足够的思考空间，并在课堂上按照既定授课思路进行，这样能够涵盖较为琐碎的知识点，易于形成师生间的“一问一答”式的互动关系。因此，在流体力学授课过程中宜采用二者结合的方式，对于系统性较差的知识点来说采用多媒体方式，而对于重点、难点内容则主要采用板书的形式，真正做到对该知识点的侧重讲解，疏而不漏。只有这样才能使学生对课程既有充足的知识量，又有重点突出，进而提高学生的学习效率。

五、重视实验与工程教学

流体力学课是一门与工程实践结合紧密的学科。因此，在课程开展的过程中应该对实验课与工程教学进行重点关注。实验教学目前可以分为演示型和验证型，但教学方法单一，限制了学生分析问题、解决问题的能力；同时，由于长期以来实验教学从属于理论教学，实验教学与工程教学的课程建设与发展受到了严重制约。因此非常有必要对实验与工程教学进行改革来适应目前高校的培养模式。首先，实验与工程教学要注重同专业知识相结合。传统的实验教学较多适用于试验台环境下，是国家根据课程规划以及人才的知识结构需要设立的，这严重阻碍了学生们与工程实践的有效沟通，因此，可以针对学生所学专业逐步设立既符合本专业又具有工程背景的可操作性较强的实验项目，用以适应学生对专业领域知识的理解与创新需求。其次，有效利用高校科研优势，促进实验与工程教学的发展。以学科为依托，实现科研与教学互补，将科研成果引入实验教学，这样可以开阔学生视野，激发学生的创新思维。第三，实现基础实验与个性实验的互补。在基础实验训练的基础上，开展一些更具有研究性和综合性的实验，这样对理论知识的学习有一个较为有利的补充，同时也可以锻炼学生们实验设计、整体规划的能力，积极调动学生们的学习积极性。

参考文献：

篇（5）

in Scientific Computing

2010,780pp

Hardback

ISBN9780521113601

科学计算中的进展使得建模及模拟成为工程、科学及公共政策决策过程中的一个重要部分。验证和确认是建立在定量准确性评价的概念上的。本书提供了用于模型和模拟验证和确认的基本概念、原理及步骤的全面与系统的发展过程。它的重点放在了利用偏微分方程描述模型和模拟上面。书中所描述的方法可以应用于广泛的技术领域，诸如物理科学、工程及技术，以及工业、环境管理与安全、产品与设备安全、金融投资和政府管理中。

本书共有16章，除第1章外分成5个部分。1.绪论，内容包括建模与模拟的历史及现代的作用、科学计算的可信度、本书的内容概括与使用。第1部分 基本概念，含第2-3章，2.基本概念与术语；3.建模与计算模拟。第2部分 代码验证，含第2-3章，4.软件工程；5.代码验证；6.正确解法。第3部分 解法验证，含第4-6章，7.解法验证；8.离散化误差；9.解法适应。第4部分 模型的验证与预测，含第10-13章，10.模型验证基础；11.确认实验的设计与执行；12.模型准确性评价；13.预测能力。第5部分 涉及规划、管理及实施的问题，含第14-16章，14.建模与模拟的规划与优先化；15.建模与模拟的成熟度评价；16.验证、确认及不确定性量化的开发与责任。

本书的第一作者具有在流体动力学、传热、飞行动力学及固体力学领域39年的研究与开发经验。并且在计算和实验两个领域工作过，他教授过验证和确认领域的30门短课程。现在，他带着技术人员的杰出代表的荣誉已从美国Sandia国家实验室退休。

本书的第二作者是弗吉尼亚理工学院航空与航天及海洋工程系的副教授。他于1998年从北卡罗来纳州立大学获得博士学位后，作为高级技术人员在美国Sandia国家实验室工作了5年。他在计算流体动力学领域发表过许多有关验证和确认的文章。2006年，他因计算科学与工程中的验证和确认方面的研究工作而获得美国青年科学家总统奖（PECASE）。

本书将会受到那些寻求改进模拟结果的可信度及可靠性的各个领域中的研究人员、专业人员及决策者的热诚欢迎。它的内容也适合用作大学课程或供人们自学。

胡光华，

退休高工

篇（6）

随着科学技术的发展,现代人对家居环境质量的要求日益提高,高噪音的风扇空气压缩机等设备的噪音成为一大困扰,同时由于全球能源危机的加剧,特别是在我国建设节约型社会的倡导下,摒除传统电机驱动风扇做功的新型装置日益受到研究者关注。研究表明在电晕放电时会产生高速离子射流流动,这种离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动,形成附加的流体运动,即所谓的电诱导二次流。离子的高速运动将会催动空气的流动。这为我们研究新兴空气传输装置提供了思路。特别是近年来,随着电流体动力学的发展,在EHD领域的电流体泵机理成为高压直流下空气流动的研究基础。本文将从电流体泵驱动机理方面定性阐述装置的理论基础,并提出一种简单的实现装置,即利用单片机控制的高压直流电源驱动电晕放电,结合线板式电极设计,形成一个完整的空气传输装置。

一、EHD原理实现空气传输的定性分析

(一)机理简介。EHD(Electrohydrodynamics,电流体动力学)作为流体力学 的一个重要分支,其研究方向为电场对流体介质的作用,也被看做是在运动电介质中的电场力学。介于此,在电场中,空气作为一种特殊的电介质会产生很多重要的现象,其中在强化传热方面、电流体泵方面渐渐为各方所重视。本文结合EHD领域电流体泵机理,着重讨论EHD在空气传输方面的应用,其中涉及直流高压放电下空气流动的数学建模计算。电流体泵有两种驱动机理,一是利用高压直流电场驱动流体,即离子泵拖拽,另一种是高压行波驱动流体;其介质中电荷来源于高压电极发射的单极性离子或是电解质分子受电击所产生的离子。本文正是讨论在直流高压下,由线―线电极放电促成“离子雪崩”效应,大量离子带动空气流动,从而实现空气传输的效应。

二、系统总体设计

该系统的基本结构如图3所示,它由电晕极、直流高压电源、收集极和气流通道组成。 其基本原理为,空气中的电子和离子在强电场的加速下,碰撞空气中的中性分子。使空气分子电离产生电子和正离子,能量足够大的电子继续撞击中性空气分子又使其电离产生电子和离子,与此同时有些能量不够大的电子吸附在空气中性分子中产生负离子,诱导其发生电子雪崩。空中的正离子在电场的作用加速,于此同时正离子将所获得的动能传递给空气分子,使其向前运动产生空气流。电晕放电以电晕为特点的一种放电,本装置是依据电晕放电而产生离子风。在电极制作上,吸取国内外在电晕放电领域的研究成果,通过大实验确定电极形状及间距。电源上,运用单片机技术保证脉冲频率及其波形以利于最大限度的电离空气。

三、电极结构设计

(一)电晕放电原理。本作品电极的设计基于脉冲电晕放电原理。脉冲电晕放电法脉冲放电产生等离子体的基本物理过程如下:在前沿陡峭、脉宽窄的脉冲高电压作用下,放电电极间的气体击穿,形成不均匀的很细的火花通道。电离产生的电子在电场作用下,以很高的速度向阳极运动,使气体进一步电离,形成电子流,电子流逐步扩大以致沟通整个放电通道,使储存在电容器上的电能通过放电通道迅速地释放。由于电容器释放出较大的能量,脉冲电流很大,可达每平方厘米数千安培,因而会在电极间形成等离子体。

(二)线板式电极结构。常见的脉冲放电等离子体反应容器有三种:线――筒(应该把―都改成――),线――板和针――板。本装置中将采用线――板式电极结构,线板型电极特性。放电线数一定时,线板电极间距增加,脉冲电压峰值和直流偏压增加,单次放电能量减小。线板电极间距一定时,随着线线间距变化,反应器上放电电压的峰值、流光能量有一最大值范围,直流偏压随着线线间距的增加而降低并渐趋稳定。本实验中线线与线板间距大致相当时,流光能量较大。线板电极间距一定时,随放电线间距增加,放电线数减少,峰值电压、直流偏压和流光消耗的能量逐渐减小并趋于平缓。但直流偏压在放电线数少到一定值时有增加趋势。

此为我们设计同性电极间距与异性电极间距及整个电极排布布局的依据。

四、驱动电源设计

电源作为本装置重要的工作元件,要求具有高频高压,稳定高效,低成本等优点。针对本装置的要求――产生电子雪崩效应应满足以下要求。

首先,鉴于上文所述脉冲电晕放电的相对直流电晕的优点,我们选用脉冲电晕放电,即要求脉冲频率可调,脉冲频率频率在1KHz到100KHz可调,电压上升时间

结束语:本装置立意新颖,目前国内在这一领域还未有应用实例,其关键在于装置的实现难度较大,具体体现在电晕放电分为暗流放电、辉光放电、刷状放电、流注放电、火花放电等情况,而电晕放电较不稳定,研究表明电晕放电最稳定状态为其辉光放电阶段。因此,为得到稳定的离子风,将设法使设备工作在辉光放电状态。要将设备控制在辉光放电状态,且使设备产生的离子风最大化,其对外部电压及极间距离有相当高的要求,而这则是该装置研究的核心难点所在。

作者单位:浙江理工大学

篇（7）

混凝土输送泵，又名混凝土泵，由泵体和输送管组成。是一种利用压力，将混凝土沿管道连续输送的机械，主要应用于房建、桥梁及隧道施工。目前主要分为闸板阀混凝土输送泵和S阀混凝土输送泵。再一种就是将泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，而组成的泵车。混凝土输送泵的可靠性与使用寿命直接受到系统的控制，尤其是颗粒污染物和粘度等参数对其影响重大，本文根据流体动力学的基本理论，针对混凝土泵送设备两个输送缸交替送料的特性，提出新的双向系统，并在实际中的应用对该系统加以分析。

1.传统泵送系统的特性

混凝土输送泵在混凝土的输送过程中，设置了油脂系统，以确保输送砼和缸的绝对，并且预防输送缸内的水泥渗入到砼密封体导致砼活塞配件磨损而漏浆。砼输送泵的砼活塞、换向阀和搅拌轴承座等运动部件因其负荷大、运动频率高，是重点部位，对脂的要求也比较高，并且须使用脂泵按照一定的频率强制加压。泵送来的脂直接送入各分配器，推动活塞向点供油；该系统的工作原理是：压力从一个入口流入，带动脂活塞吸入油脂，当油脂从另外一个入口流入时，带动脂活塞排出油脂，油脂经过阻尼器到分配阀，再逐步分配到输送缸各个点。

以上传统的泵送系统存在一定的缺陷，其不能准确的随动砼活塞，而且每次换向，而且油脂在同一缸内每次都会注射在同一个点上，而另外一个缸的脂在点处总是注入水中，基于此，会导致设备经常在不良的状态下工作，加剧设备的磨损，导致检修周期缩短，增加维修成本，同时效果相当差，油浪费严重。

2.双向系统的技术方案

笔者通过多年的工作经验，针对上述不足，提出了一种新型的双向系统解决方案，可以有效的改善混凝土机械易损件的使用寿命，其原理主要是采用往复柱塞式脂泵，由液压油驱动双液压缸柱塞，使其做往复式运动并各自独立完成吸油和压油过程。当压力油从前一个口进入推动柱塞时，带动另一液压缸柱塞打开吸油孔吸油脂，并使液压缸柱塞向前压油，油脂从后一个口进入双向阀。当压力油换向且压力油从后一个口进入推动柱塞时，带动另一液压缸柱塞打开吸油孔吸油脂，并使液压缸柱塞向前压油，油脂从前一个口进入双向阀。如此往复，泵的两个液压缸柱塞随液压压力油交替换向工作，同时交替向双向阀供油脂。随着液压系统的交替换向，实现两砼缸活塞定点同步。

3.结合流体原理，分析双向系统的应用

3.1.流体基本方程

连续方程，即质量守恒方程，是物理学质量守恒定律在流体力学中的具体表现形式，系统中的介质在管路中的流动服从Reynolds方程，其方程式可写成如下形式：

方程式（1）中：p为流体压力；ρ为流体密度；u，v，w 分别为流体在x，y，z方向上的速度分量。

Navier-Stokes方程是黏性牛顿流体的微分运动方程，又称动量方程，将连续方程和Navier-Stokes方程联解，可得出描述流体油膜压力分布的基本方程，即Reynolds方程：

方程式（2）中，左边第1，2项分别为流体油膜里由于压力梯度所产生的x向和z向的压力流变化；右边第1，2项分别表示表面速度引起的剪切流；右边第3，4，5项为Y向挤压运动所引起的流量变化；右边最后一项为该处密度变化产生的流量变化。所显示的广义Reynolds方程是黏性牛顿流体动力的基本微分方程，方程的待求变量为x向和z向的压力分布。它允许计及密度和黏度的变化，允许采用不同的膜厚公式，允许考虑固体表面的弹性变形对特性的影响。

3.2.数值计算方法

分析力学问题需要求解非线性离散方程组，且剂在变黏度、变密度效应下，方程的系数都不是常数，整个方程呈现高度的非线性特征。而对于非稳态问题，方程中含有膜厚的时间导数项，既要考虑切向卷吸运动，又要考虑法向挤压运动。本文采用FTCS（时间向前空间中心）差分格式求解Reynolds方程，并且用Matlab软件编写程序计算，考虑到对称性，砼活塞环可只分析其圆周长的四分之一。计算时首先给定压力分布和中心膜厚的初值，依此计算各节点处的膜厚、油黏度及油密度等参数，然后求解Reynolds方程，得到新的压力分布。如压力分布不满足收敛条件，则修正压力分布进行下一次计算，直到新旧压力差小于某个定值，然后由压力分布积分求解载荷。

由于该问题的数值稳定性差，雅可比法的收敛速度是比较慢的，当网格数较多时，并不是现实的解法。采用高斯一塞得尔迭代虽然比雅可比法稍好，但对于网格数较大的算例来说，耗时仍然过长。因此这里采用SOR（逐次超松弛法）来求解上述差分方程，并采用一定的方法来解决数值稳定性问题。

3.3.计算结果分析

4.双向系统的优点

双向系统在户外施工部门的使用过程中，证明双向系统具有极佳的稳定性，在工程机械领域，沃尔沃、凯斯、詹阳动力等品牌部分机型的使用客户配置了该系统。

4.1.领先的技术

双向系统适合能在低压下加注到点的高级脂。脂的加注工作通常在机器启动时进行，加注时双向系统会保证在准确的时间间隔内定时定量地注入脂。这将使脂在轴承支承面达到最佳分布状态，不断维持良好的密封状态同时使脂的消耗量减 半。双向系统中含有双固态管道系统，并可通过定量加注器向每一个点施加脂，这种坚固结构可在任何施工环境下保证过程中的操作安全性。双向系统能防止不必要的磨损，减少机器意外故障的发生率。

4.2.良好的经济效益

在连续活动部件的作用下，机器将保持最佳工作状态。双向系统可使机器在持续工作的状态下不间断得到，帮助操作者预防由机械损伤及相关安全风险所导致的机器停工现象的发生。操作者也可从油渍的、费时的手动加注工作中解脱出来，同时减少环境污染，节约资源。双向系统可减少液的消耗量达35%左右。使用双向系统可减少使用维护成本，减少运动件之间的切削磨损，提高密封性能，防潮防腐，有效排除杂质。

4.3.友好的用户界面

驾驶室内显示器会显示所有相关信息，例如脂罐中脂液位较低。双向系统泵中的数据管理系统可对过程实施连续性的监控。该系统还将在存储器中存储有关控制和诊断方面的操作信息，并通过操作台显示器通知操作员。

5.结束语

双向系统通过交替换向液压系统压力油，实现了两砼缸活塞同步准确定点，不仅延长了输送泵的使用寿命，有效的改善了输送泵的效果，还可以减少剂使用量，大大的降低了成本，为今后实现产品高效、环保、节能及深入的理论研究提供了新的方向和很好的解决方案。

参考文献：

[1]汤如龙，袁 栋，董旭辉.双向系统在混凝土输送泵及泵车中的应用[J].工程机械，2011，42：55-57.

篇（8）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）04-0041-02

流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门科学，是力学的一个重要分支，已广泛应用到国民经济的各部门。工程流体力学课程在哈工大是机械类、材料类、仪器仪表类、航空航天类、建筑工程类、热能动力类、流体动力工程类等专业必修的技术基础课程，既有基础学科的性质，又具有鲜明的技术学科的特点，既与高等数学、大学物理、理论力学等课程有紧密的联系，又是专业课的基础，是一门理论性和工程实际意义都较强的课程[1]。哈工大流体力学教研室成立于1956年，历来重视教学研究及教学质量，不断积累教学经验，改进教学思想，在基础教学与实验设施、师资队伍建设、教学质量、教学研究与改革等方面都取得一系列成果，居于国内领先水平，并于2009年被评为国家精品课程，目前正在进行国家精品资源共享课程的升级。虽然取得了一系列的重要成绩，但是仍然存在一些问题，需要进一步转换观念，从当前社会的实际需求出发，深入进行教学模式和教学内容等方面的研究和探索。

一、改革教学理念

课程建设的目的是提高教学质量，归根到底是提高学生培养的质量，而学生质量的衡量标准则是其综合素质及能力。工程流体力学课程的特点是抽象概念多，数学分量重，理论性较强，许多复杂的流动物理现象难以用言语和具体图像清晰地表述[2]。工程流体力学课程中有很多较难的知识点，例如流体微元运动的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流体的运动微分方程、边界层基本方程及近似计算等，这些知识点包含了大量的数学推导，往往要占用很多课时，同时这些理论知识的讲解又是空洞和死板的，无法激发学生的学习热情。即使是多数教师能够本着负责的态度将这些知识难点讲解清楚，也往往并不能使学生对这些难点留下深刻的印象。这种教学过程是事倍功半的，容易引起学生对这些知识做机械的符号记忆或者陷入对推导严密性的过度钻研，无法建立起流体力学的全局思维方式，进而也不能提高学生的综合分析应用能力。因此，教师在授课过程中要不断引导学生梳理所讲授的知识，使学生能够运用流体力学知识进行综合分析。要让学生明白，流体力学的学习不是背定理、记公式，而是要通过学习这门课程，掌握一门新的科学知识，了解它的人文背景，学习它的思想和方法，掌握它的原理和应用。学生是课程学习的主体，在教学过程中需要注意教与学的同步，授课时关注学生的反映，根据学生的反应对授课进行调整，必要时放慢节奏或变换讲解方法，也可以让学生参与讨论。学生有必要参与到深层的学科知识应用中，因此可以让同学参加与学科相关的科学研究，引导同学应用流体计算模拟软件，实现模拟实验[3]。教师对学生的实践引导可以消减同学对流体力学公式繁多的苦恼，而在实践能力不断提高的过程中，学生的创新意识和能力将得到很大的锻炼。实践证明，学生可以完成适当的工程流体力学课程内容的拓展研究，实现课程与科研工作的相互促进。在积极开展第一课堂的同时，还应该引导学生参加第二课堂活动，激发学生创造热情，培养学生科学素质和创新精神，提高学生获取知识、运用知识的能力和创新能力。例如科技创新和节能减排大赛这样的大学生科技活动是开展素质教育的重要平台，为学生提供了施展才能、张扬个性的舞台，使学生得以将课本所学知识充分的运用，并从制作和创新过程中学到了比课本更多的知识，提高了其知识综合运用能力、实践动手能力。流体力学教师应该充分利用流体力学知识应用面广、基础性强的特点，引导并指导学生参与此类科技活动。另外，流体力学教师还应该经常举行科技讲座，丰富学生的专业和学科知识，培养学生的科研意识和科学精神。

二、课程内容调整

目前所使用的工程流体力学课程内容包括了流体静力学、流体动力学、漩涡理论基础、理想流体平面势流、粘性流体动力学、相似理论基础、流动的阻力与损失、管路的水力计算、粘性流体绕物体流动、气体动力学基础、机翼及叶栅理论、流体要素测量等内容。总的来说涵盖了流体力学工程应用的多数情况，但是结构仍然需要进一步调整。首先，工程流体力学课程内容较多，多年未更新，有些知识也趋于老化，应适当地对内容进行增减。2006年专业调整后，能源与动力工程本科教学按一级学科制定教学内容，在这种体系下，工程流体力学课程应在主体结构保留的情况下，对于涉及到工程热力学和空气动力学的内容进行删减，避免不同课程的内容重复，使课程之间的界线更加明晰。这样的好处就是，学生利用有限的课时可以将流体力学主体结构体系学得更好。另外，由于工程流体力学更多的应该涉及流体力学的工程应用，所以关于漩涡理论、理想流体平面势流及粘性流体绕物体流动章节内涉及的较多理论性知识且与工程应用关系不大的应该适当精简，减少课时占用。其次，工程流体力学课程内容应适当增加与工程应用相关的内容。美国著名的流体力学教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）选取了贴近工程实际的管道流动、叶轮机械流动、环境流体力学等内容，作为经典流体力学主题内容的有机补充[4]。哈工大工程流体力学课程也应该针对学校定位及专业设置，在广泛调研开课专业的需求基础上，适当增加有普遍性、代表性的工程应用知识。最后，工程流体力学课程内容应更新与近期科技发展紧密联系的内容。由于教材不可能年年更新，教师应该在教材内容基础之上，适当增加与科技进展相关的内容，例如流动的虚拟实验、流体参数的现代化测量、流体力学的发展现状、流体力学的最新应用情况等，让学生了解到流体力学的科技前沿，开拓学生视野，增强其学习流体力学的热情和兴趣。

三、改革教学方法

关于教学方法，哈工大流体力学教师较早地采用了不完全教学法、潜科学教学法、社会探究法、问题教学法、角度教学法等创新性教学法，将教学内容、教学媒体、教师活动、学生活动等课堂教学要素有机组织起来，发挥整体的最大效能。强调学生通过主动探求问题解决的途径和方法，培养能力，以展素质；并将多媒体技术的运用与传统教学手段、教学形式的改革统一起来，突出重点，突破难点，从而充分调动和激发学生的学习兴趣和积极性。目前多媒体教学在高等教育中的应用越来越广，在如何正确使用多媒体教学的问题上目前还有一些争议和讨论。工程流体力学课程知识点多，公式推导多，难度大，对于具体的知识点利用板书详细推演在课堂教学中占用了大量的课时，同时也会影响到学生对流体力学整体思维的把握。由于工程流体力学课程的特点，很多流动现象概念比较抽象，难以用板书表达清楚，很显然传统教学方式达不到理想的教学效果。利用多种媒体手段可以更好地创设教学意境，变抽象为具体，变静态为动态，变黑白为彩色，变无声为有声，通过丰富的图例、连贯的动画以及真实的实验录像，可以使枯燥、乏味的内容变得趣味盎然，使抽象、晦涩的内容变得直观生动，同时也丰富了学生的信息量，可以更好地激发学习兴趣[5]。另外，流体力学的特点是数学分量重、理论性强，所以又不能过多依赖多媒体教学。对于涉及到重要理论公式推导的内容，简单地将推导过程搬到课件上去，并不能使学生了解重要理论公式的来龙去脉，也难以加深学生对这些关键知识点的理解程度。这个时候需要收起屏幕，用板书认真书写每个符号，推导每个关键公式，并解释其中的物理概念和意义。多媒体和板书都有各自的优缺点，因此我们可以取其长而避其短，采用两者兼顾而又两者不弃的原则，交互使用，相辅相成。

四、更新考评制度

哈工大工程流体力学课程作为技术基础课，目前采取了综合性的考评方法，总成绩由作业、实验、考试三部分组成，学生共计要完成60题左右的作业，由教师进行判分并作为总成绩的10%；共计要完成11项左右的实验，根据学生对每个实验原理和操作技能的掌握及实验报告的质量情况分为优、良、及格、不及格来评定成绩，若有两次不及格或者缺席者必须重做否则不得参加期末考试。实验课成绩占课程总成绩的10%。期末考试为闭卷，占总成绩的80%。流体力学考试的组卷与课堂教学内容息息相关，课堂教学如果注重内容的应用性、灵活性和综合性，则在组卷时应适当减少客观题，丰富试题类型，加大理解性和综合性题目的分量，避免记忆性成分所占比重较大，而学生临近考试加班加点应付考试的现象。另外，根据课堂教学和课外科研实践的特点，对于偏重于工程应用的专题，可以探索利用撰写科技论文、提交科研作品的方法进行考试，与传统考试成绩综合来建立起更合理、更具实践意义的考评制度。

工程流体力学课程是面向工程应用人才的课程，所以教学核心始终应该是学生知识应用能力的培养。为此，在教学中贯穿流体力学思维模式和综合分析解决问题能力的锻炼，使学生学有所成、学有所用，是工程流体力学课程改革的一个长期方向。

参考文献：

[1]陈卓如，金朝铭，等.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]赵超.“流体力学”课程教学方法探索.中国冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李岩，孙石.《工程流体力学》课程教学改革与实践.科教文汇[J].2008，（11）：88-89.

篇（9）

1.引言

进气道气流流动状态最终直接影响发动机经济性、排放性以及动力性。因此，发动机进气道的理论研究和实际工程的设计成为发动机研究者的重要课题之一。传统的进气道设计流程是经验设计加稳流试验台上的反复试验。在设计开发中存在着较大的盲目性与局限性，不仅设计开发期长，耗费大，而且较难得到理想的方案。通过对进气道内气体流动的三维数值模拟计算，可获得流量系数，气道内压力、流速等参数的空间分布，并建立气道形状、安装位置与气体流动特性（包括流量数等）的关系，为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。

2.工作流程

工作流程如图1所示。基本控制方程通常包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。确定离散化方法。即确定高精度、高效率的离散化方法，具体的说就是确定针对控制方程的离散化法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的离散方法不仅包括微分方程的离散方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等。

图1 工作流程图

3.模型的建立

气缸直径取68mm，气缸的长度为170mm。在进气道进口处增加一个稳压箱，作用时使进气道入口处的气流流动状态稳定，这样便在计算入口边界条件中施加了一个稳定的压力条件。发动机进气道如图2所示，气缸简化为圆柱体，气缸盖如图3所示，进气道-气门-气缸如图4所示，最终计算用模型如图5所示。

本文采用六面体和四面体的混合网格，在稳压箱及气缸内采用六面体网格，在进气道、气门、气缸盖处采用非结构化网格。这样既节省了运算时间，又解决了进气道处外形结构复杂区的网格划分。将入口、出口、气缸壁面等分别创建PART，以增加边界条件；将进气道-气门-气缸盖所在空间创建BODY命名为LIVE1并保证该点在各个棉所围成的空间内，如图6所示。由于四面体网格生成是以BODY为单位进行的，将稳压箱、气缸部分创建块，利用约束、拉伸块等工具创建、分割块，以适应本部分体积结构。并在此部分生成六面体网格，对局部网格进行加密，并检查网格质量。生成四面体网格。生成四面体网格时需要对边界处进行加密，以便观察近壁面处，且确保壁面函数法有效，如图7所示。

图6 创建PART及BODY 图7 生成的网格

网格数目、类型及体积如表1所示。

4.气道模拟仿真结果与分析

图8是当气门升程为8mm时，截面a上的速度分布图，由图可知排气门处（即图中1）、喉口位置（即图中2和3处）及气门下方可以很明显的看见此气道存在明显的滞止回流区，以上地方会造成缸内混合不均匀，极大的影响发动机的排放性能机动力性能，设计时需要对以上地方进行修改。图中4处气流与气门头部发生碰撞，气流流动方向发生改变，并消耗了气流流动动能。其流动能的减小与流动方向的变化导致4处气流速度减小。在三维建模时尽量增大4处的圆角，这样就能减小交接处的碰撞。

图8 截面a处的速度矢

图9为当气门升程为8mm时，截面a的速度等值线云图。由图可知在气门喉口位置的速度等值线分布很不均匀。其中速度等值线在喉口位置相对进气道等其他地方要密，表明喉口位置速度比进气道其他位置速度要大。气门下方有两个地方速度比气道其他地方速度等值线要密（图中1和2处），其分布是以这两处为中心成漩涡状。这也可以说明上述位置会产生很强的滚流。

图9 截面a的速度等值线云图

5.结论

运用三维造型软件Auto CAD，建立气道-气门-气缸实体模型，利用Ansys，建立包括气道一气门一气缸在内的计算域网格，利用Ansys对Auto CAD建立好的计算模型划分网格，进行三维模拟计算。通过三维数值模拟找出了气道几何不合理的部分，采用CAD/CFD进行优化，为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。

参考文献

[1]周光桐.流体力学[M].北京：高等教育出版社（2版），2000.

[2]石皓天.GDI发动机进气系统的数值模拟研究[D].天津：天津大学，2008.

篇（10）

当前，在“绿色发展理念”深入人心的时代背景下，农林类高校迎来了很好的历史发展机遇;同时社会和企业对农林类专业人才的需求更加重视质量，对人才的知识深度、广度和对专业基础课、专业特色课核心知识的实践运用能力，均提出了更高要求。提高机械设计制造及其自动化专业学生林业装备系统总体及其子系统技术的掌握程度，拓展学生在林业装备系统上运用专业基础课、专业特色课中核心知识的科研能力，是农林类高教工作者面临的共同课题［4］。

1课程教学剖析

1．1课程内容

“热工基础及流体力学”这门课程是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业基础课，是后续液压与气体传动、泵与风机、林业机械等专业及特色专业课的重要基础。课程目标包括:掌握工质的热力学性质、热力学第一定律、第二定律、热工转换的规律和理想气体的热力学过程，学会基本的理论分析与计算方法;通过对热量传递的三种基本方式、导热基本理论、对流换热基本规律、黑体辐射基本定律等内容的学习，使学生具备对基本的传热学问题进行分析和总结的能力;掌握流体的主要物理性质和流体静力学的基本理论知识，学会流体上的作用力分析，能够推导流体动力学方程的连续性方程和伯努利方程，针对黏性流体，能对管内流动状态进行判断;能够对“传热学”“工程流体力学”的实验结果进行分析和解释，通过实验数据综合分析工程中的现象及问题，并得到合理有效的结论。总体来看，本课程讲授内容包括工程热力学、传热学以及工程流体力学三大板块的内容，是在高等数学、大学物理、理论力学、材料力学的基础上进行深化学习，拓展到实际的工程问题，所以本课程不仅理论性强，而且工程应用性也很强;与机械设计制造及其自动化专业其他课程相比，该课程涵盖了本应三门独立开设的课程内容，知识难点聚集、微积分公式众多、三大知识板块思维跨度大、学生融会贯通掌握难。但是，学生对课程内容的掌握程度直接影响后续专业特色课程的学习情况。

1．2教学思路

目前，本课程总学时为48学时，理论授课42学时，实验授课6学时。三大板块的教学内容多，理论授课课时较少，矛盾突出:(1)学生由固体学科切换到流体学科的学习需要较长适应期;(2)课程中较多章节内容抽象，且涉及大量公式推导及专业的概念铺垫，加之为了跟上教学进度教学内容更新较快，学生普遍反映课程难度较大;(3)教学内容和后续专业及特色专业课内容衔接性不够紧密;(4)从内容的充实性和课程的结构上来看，“热工基础及流体力学”这门课程的教学内容已经满足要求，但是对接林业机械领域最新技术，强化学生创新思维方面，当前的课程建构仍无能为力;(5)由于本课程的学习不涉及具体的机械装备系统，使得同学们对本课程在专业中的地位认知不足，学习积极性欠佳，这些现状使得提升教学效果难度较大。针对上述课程特点及教学现状，结合农林类高校“机械设计制造及其自动化”专业的实际情况，制定了如下教学思路:(1)授课时，使学生从机电系统、固体力学等学科的思维中切换出来，将空间观测法跟同学们探讨透彻，基于空间观测法开展“热工基础及流体力学”的课程教学。(2)在教学大纲中删除过于抽象、应用面较窄的教学内容，深入讲解与后续“液压与气体传动”“泵与风机”“林业机械”等课程关联度较深的内容，为专业及特色专业课的学习做好扎实铺垫。(3)结合在林业机械领域与“热工基础及流体力学”紧密关联的科研经历，探索寓教学于科研、科研反哺教学的授课模式，强化同学们对“热工基础及流体力学”在“机械设计制造及其自动化”专业里占有重要地位的基础认知，显著提升同门们自愿学习、自主学习的热情。(4)注重思维方式、终身学习意识的培养。教学过程中注重切入问题角度的讲解，使得同学们在明白问题的同时更养成学习思考问题方法的习惯;从固体学科到流体学科是一个较大的跨越，在跨越的过程中，使同学们树立终身学习意识，为以后培养同学们提出、解决林业机械领域学科前沿性、热点性问题的能力打下坚实基础。

2课程构建探讨

在“碳达峰、碳中和”的硬性发展要求及“绿水青山就是金山银山”的发展理念加速推进的浪潮之下，农林高校“机械设计制造及其自动化”专业的毕业生在高等教育系统中的地位不断提升，所以基础专业课程构建更需获得与之地位匹配的重视。一方面，基础专业课课程构建要体现基础知识的深度和广度;另一方面，内容要很好衔接并服务于核心专业课、特色专业课，为学生后期毕业设计、研究生科研深造做好铺垫。

2．1课程内容深度衔接核心专业课

“林业机械”是南京林业大学“机械设计制造及其自动化”专业的核心专业课，内容涵盖林业动力、整地、清理、苗圃、造林、抚育、保护、防火、采伐、采摘、智能化等机械。其中，和“热工基础及流体力学”专业基础课相关的包括动力、清理、保护、采摘等板块。林业动力机械(包括泵、风机)涉及“工程热力学”中热能和机械能之间的转化问题，同时也涉及“工程流体力学中”可压缩混合气体压强、温度变化和装置的动力匹配问题;林业清理机械涉及“工程流体力学中”不可压液态水在管道内部的流动，在雾化器内的流态分布、出口后雾化粒径分布等复杂多相流问题，如图1所示;林业保护机械中喷雾射程、喷雾穿透涉及“工程流体力学中”可压缩流体空气的外部流动及耦合风场、雾滴的多相流动问题，如图2所示;林业采摘机械中，基于负压的采摘系统涉及可压缩流体空气的管内流动问题。从衔接核心专业课的角度来看，一方面，农林类高校“热工基础及流体力学”这门专业基础课程应该深耕“工程热力学”和“工程流体力学”，而“工程流体力学”应该是重点中的重点;另一方面，也好兼顾课程内容的完整性，“传热学”也要适度调整。

2．2匹配三大板块关系，优化课程结构

建议协调、平衡三大板块的课时占比，同时明晰课程内容的内在逻辑关系，在此基础上进一步优化课程结构。在“工程热力学”(热能的间接应用)板块中，我们将实现热力学能向机械能转化的媒介称之为“工质”，媒介一般是“单一气体”或者“混合气体”，热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质及理想气体的热力过程等课程内容和专业核心课程林业机械吻合度较好。“工程流体力学”中，对流体的终结性定义是“抓不起来的物体”，一般性的定义是“气体和液体”的总称，但课程内容中流体基本概念的铺垫、流体静力学、流体运动学、流体动力学及黏性流体等课程内容都是基于不可压的液体，同为流体，但气体和液体的性质及研究重点相差甚远，“气体”这种流体相关课程内容的缺失为后续专业核心课程的学习带来很大知识结构缺陷。“传热学”(热能的直接应用)中，对导热、对流传热(混合传热，主要是流体和固体之间)、辐射传热的基本原理、工程应用等课程内容做了比较详细的讲解，但是后续专业核心课程对传热学中的知识需求很少，仅仅在脉动燃烧技术这一研究领域有所涉及。总体来看，不管是“工程热力学”中的“工质”，还是“工程流体力学”中的“气体”，再或者“对流换热”中的“流体”，其中“气体”是课程的“最大公约数”，也是和林业机械这一专业核心课程相关的“最大公约数”。鉴于此，“工程热力学”教学内容总体上可以维持不变，部分章节可以简化，不重要的知识点减少不必要的推导，侧重理论、公式概念的理解和应用，这样可省出一部分课时。总课时不变的情况下可以合理缩减“传热学”的课时，对辐射传热只做一般性介绍;考虑到相似原理在流体力学的试验研究中也有重要应用，可以在这里对相似准则进行深入讲解，省出较多课时。将“工程流体力学”放在最突出的位置，省出来的课时分配给这一部分;增加可压缩流体“漩涡势流理论”“相似理论中的量纲分析法”、包括气体动力学中“扰动在外空间流场中的传播”及“管内气体的流动”等内容，以匹配林业机械核心专业课。

2．3树立自主学习、终身学习意识

目前，流体力学板块中关于可压缩流体的课程内容匮乏，教学中会鼓励同学们在MOOC上寻找优秀资源进行线上学习，使同学们树立自主学习意识。通过工程流体力学板块，我们在体力学的范畴内将研究运动的方法由拉格朗日法提升到欧拉法，这是一个显著的改变，也是重要的进步，通过这一步，有助于培养同学们的终身学习意识。