流體動(dòng)力學(xué)原理及應(yīng)用匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]十篇流體動(dòng)力學(xué)原理及應(yīng)用范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1.引言

空投滑翔體與飛機(jī)分離一段時(shí)間后滑翔翼展開(kāi)。此時(shí)滑翔體具有較高的水平運(yùn)動(dòng)速度和一定的豎直運(yùn)動(dòng)速度，翼板在展開(kāi)機(jī)構(gòu)和在空氣動(dòng)力的共同作用下迅速展開(kāi)，運(yùn)動(dòng)到極限位置與限位固定鎖緊裝置發(fā)生碰撞并鎖緊。該過(guò)程是一個(gè)及其復(fù)雜的過(guò)程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，明確翼板的展開(kāi)方式，掌握翼板的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)翼板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

本文對(duì)包腹翼展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，建立了動(dòng)力學(xué)模型；通過(guò)對(duì)翼板流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，得到了翼板的流體動(dòng)力方程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ADAMS建立了翼板展開(kāi)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算，得到了翼板在展開(kāi)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 坐標(biāo)系

在分析過(guò)程中，由于開(kāi)翼時(shí)間比較短，忽略系統(tǒng)縱向速度變化，并且假設(shè)滑翔體不動(dòng)，受到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)反方向的氣流，這樣該系統(tǒng)就簡(jiǎn)化成一個(gè)二自由度系統(tǒng)，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系xoy。為了更方便進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，采用廣義坐標(biāo)系θ1、θ2來(lái)描述該系統(tǒng)，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(zhì)心。

3.動(dòng)力學(xué)仿真

在ADAMS中建立模型，如圖3所示。

仿真結(jié)果可以看出，展開(kāi)過(guò)程中翼片2首先開(kāi)始動(dòng)作，繞兩翼片的連接軸旋轉(zhuǎn)展開(kāi)，只到兩翼片限位機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞并鎖定，在此過(guò)程中翼片1保持不動(dòng)，當(dāng)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(zhuǎn)展開(kāi)到位。整個(gè)過(guò)程用時(shí)0.18s，兩翼片所受最大流體力分別為730N和623N，翼片展開(kāi)最大角速度為1336°/s。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)翼片展開(kāi)全過(guò)程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得到了翼板的流體動(dòng)力特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，為翼片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核提供了輸入，對(duì)翼片的設(shè)計(jì)和修改提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也為同類(lèi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了快捷的研究方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李莉，任茶仙，張鐸.折疊翼機(jī)構(gòu)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2007，34（1）：17-21.

篇（2）

關(guān)鍵詞 光電子學(xué)，質(zhì)子照相，綜述，質(zhì)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(guó)的曼哈頓計(jì)劃（Manhattan project），并持續(xù)到現(xiàn)在， 它一直用來(lái)獲取爆轟壓縮過(guò)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(guò)材料的傳播過(guò)程、演變和壓縮場(chǎng)的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過(guò)程非常類(lèi)似于醫(yī)學(xué)X射線對(duì)骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個(gè)顯著特點(diǎn):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(dòng)力學(xué)行為瞬時(shí)變化，要求曝光時(shí)間足夠短.

目前，世界上最先進(jìn)的閃光照相裝置是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺(tái)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(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€(gè)垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個(gè)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(jìn)行多角度多時(shí)刻的輻射照相，獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(wú)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(kuò)展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個(gè)角度多時(shí)刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程圖像.l995年，美國(guó)LANL的科學(xué)家Chris Morris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)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(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長(zhǎng)平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲(chǔ)存環(huán)(PSR)的強(qiáng)脈沖產(chǎn)生中子，中子通量都不足以在流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)短時(shí)間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時(shí)的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人Gerry Garvey聽(tīng)到這種意見(jiàn)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(lái)，利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)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(qiáng)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Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］，以及Nick King 在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的快速成像探測(cè)系統(tǒng)［5］.

高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱(chēng)完美的射線照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過(guò)測(cè)量透過(guò)客體的射線投影圖像來(lái)獲取.如果輻射衰減長(zhǎng)度過(guò)短，則只有客體外部邊界能夠測(cè)量；如果輻射衰減長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則沒(méi)有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.

2 質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制

高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)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(duì)質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過(guò)程進(jìn)行分析研究.

所有質(zhì)子都在被測(cè)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(qiáng)作用力和電磁作用力［6］.強(qiáng)作用力是短程力，質(zhì)子與核的強(qiáng)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(dòng)量，質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用，會(huì)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(xiàn)可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質(zhì)子被吸收，也就是說(shuō)，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(dá)到GeV量級(jí)，質(zhì)子與原子核的強(qiáng)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(cè)物體上的質(zhì)子通量和穿過(guò)被測(cè)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(dá)到GeV量級(jí)，核反應(yīng)截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)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?yàn)橘|(zhì)子在客體中的散射過(guò)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(guò)長(zhǎng)程電磁作用力與物質(zhì)相互作用. 當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)時(shí)，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(kù)侖力作用稱(chēng)為彈性散射，穿過(guò)原子核的每個(gè)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(gè)小散射效應(yīng)可以累積，這種現(xiàn)象叫做多重庫(kù)侖散射. 多重庫(kù)侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫(kù)侖力作用發(fā)生多重庫(kù)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(dòng)量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長(zhǎng)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(kù)侖散射的結(jié)果很重要，特別是對(duì)重物質(zhì)，最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面，因?yàn)镽i與材料的原子序數(shù)有關(guān)，也正是這個(gè)特性使質(zhì)子照相具有識(shí)別材料組分的獨(dú)特能力［7］.

質(zhì)子和電子之間也會(huì)產(chǎn)生庫(kù)侖力作用，通常是非彈性的.因?yàn)殡娮淤|(zhì)量與質(zhì)子相比很小，庫(kù)侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變，而對(duì)質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變. 也就是說(shuō)，質(zhì)子通過(guò)電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子運(yùn)動(dòng)方向大的改變，但會(huì)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(jī)制.能量損失依賴(lài)于質(zhì)子束能量，能量損失速率與它的動(dòng)能成反比.質(zhì)子束穿過(guò)厚度為l的材料時(shí)，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)，dT/dl的值幾乎與動(dòng)能無(wú)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(dòng)量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質(zhì)子通過(guò)物體后損失能量，發(fā)生能量分散.磁透鏡對(duì)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(guò)測(cè)量入射到被測(cè)物體上的粒子束衰減來(lái)確定被測(cè)物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).

由于多重庫(kù)侖散射，穿過(guò)被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向，形成一個(gè)相對(duì)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(yuǎn)不會(huì)被發(fā)掘出來(lái).1995年，Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進(jìn)而消除模糊效應(yīng)，最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的觀點(diǎn)的正確性.后來(lái)， LANL的另一位物理學(xué)家John Zumbro改進(jìn)了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，稱(chēng)為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)客體對(duì)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(gè)匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設(shè)計(jì)使得入射到被測(cè)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(jì)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(xiàng).

剩余的色差項(xiàng)為

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫(kù)侖散射角，δ為動(dòng)量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫(kù)侖散射角和動(dòng)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(duì)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(jià)，根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢(shì)以及大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的精度要求，LANL為先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(dú)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(guò)金屬薄片擴(kuò)散，再經(jīng)過(guò)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(kāi)來(lái)，以便覆蓋整個(gè)物體，避免了使用很厚的金屬作為擴(kuò)束器)，這部分稱(chēng)為照射(illuminator)部分;接著是三個(gè)負(fù)恒等透鏡組，分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級(jí)成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據(jù)庫(kù)侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個(gè)位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開(kāi)來(lái).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(kāi)這個(gè)透鏡后，質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個(gè)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(duì)允許的角度范圍進(jìn)行積分，得到總質(zhì)子通量為

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

第一個(gè)角度準(zhǔn)直器允許通過(guò)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(gè)角度準(zhǔn)直器允許通過(guò)的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

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

角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對(duì)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(duì)比度.通過(guò)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(cè)器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計(jì)分布，面密度的測(cè)量精度要達(dá)到1%，則圖像平面上每個(gè)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)需要獲得12個(gè)角度，每個(gè)角度20幅圖像，則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè).

4 質(zhì)子照相裝置

質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國(guó)LANL被論證以來(lái)，LANL和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國(guó)原子武器研究機(jī)構(gòu)（AWE）合作完成的，直接針對(duì)流體動(dòng)力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題［11］.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行的小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV），小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)主要包括:高能炸藥的爆轟特性實(shí)驗(yàn)、金屬和材料對(duì)強(qiáng)沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗(yàn)證內(nèi)爆過(guò)程后期的材料動(dòng)力學(xué)和材料狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進(jìn)行的用于診斷大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的高能質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進(jìn)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(yàn)證采用質(zhì)子照相進(jìn)行大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的能力，以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對(duì)于厚的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)客體而言，質(zhì)子照相的質(zhì)量遠(yuǎn)好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)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(guò)每秒500萬(wàn)幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(cè)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(tái)能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺(tái)H-直線加速器注入器，一臺(tái)3GeV的增強(qiáng)器和一臺(tái)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(qiáng)器注入50GeV主加速器，經(jīng)過(guò)同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個(gè)子束.最后從多個(gè)方向同時(shí)照射到實(shí)驗(yàn)靶上.質(zhì)子束穿過(guò)實(shí)驗(yàn)靶后，磁透鏡系統(tǒng)對(duì)質(zhì)子束信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)，由探測(cè)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實(shí)驗(yàn).

圖2 LANL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(dá)到50GeV，空間分辨率優(yōu)于1mm，密度分辨率達(dá)到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè)，每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達(dá)到1×1011個(gè);每個(gè)脈沖的間隔最小為 200ns，質(zhì)子到達(dá)靶的前后誤差不超過(guò)15ns;每個(gè)視軸可連續(xù)提供20個(gè)脈沖，視軸數(shù)12個(gè)，覆蓋角度達(dá)165°.這樣，一次流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)可獲得12個(gè)角度，每個(gè)角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計(jì)劃.整個(gè)裝置預(yù)計(jì)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(wàn)美元.裝置的建造時(shí)間需要10到15年，分幾個(gè)階段進(jìn)行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強(qiáng)器（booster）、4個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年，8—12個(gè)軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來(lái)看，原計(jì)劃2007年前完成的任務(wù)沒(méi)能按期完成.因此，這個(gè)計(jì)劃要推遲.最新的研究計(jì)劃未見(jiàn)報(bào)道.

5 質(zhì)子照相與X射線照相的比較

我們通過(guò)與現(xiàn)有最好的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置——DARHT比較來(lái)說(shuō)明質(zhì)子照相的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)［13］.

(1) 三維動(dòng)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(gè)時(shí)刻、多個(gè)方向的三維動(dòng)態(tài)過(guò)程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過(guò)20幅的圖像，這種多幅能力可得到內(nèi)爆運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像. 而DARHT沿一個(gè)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(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強(qiáng)，其穿透深度和流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時(shí)才能達(dá)到最大圖像對(duì)比度，此時(shí)其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10. 質(zhì)子照相能測(cè)定密度細(xì)微變化的另一個(gè)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(jué)上無(wú)背景、對(duì)比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)客體對(duì)X射線形成的大角度散射無(wú)法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質(zhì)子對(duì)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(shí)際上，質(zhì)子散射的利大于弊，它能用于識(shí)別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個(gè)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(jí)成像系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對(duì)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(shí)間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個(gè)脈沖的時(shí)間進(jìn)行曝光.因此，質(zhì)子照相可任意選定曝光時(shí)間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長(zhǎng)的曝光時(shí)間和間隔，對(duì)較慢的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時(shí)，可以縮短曝光時(shí)間.DARHT的脈沖時(shí)間由電路決定，一旦脈沖的時(shí)間間隔和持續(xù)時(shí)間固定，只能以固定的時(shí)間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時(shí)間.

(5)探測(cè)效率高.質(zhì)子是帶電粒子，直接與探測(cè)介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號(hào)，因此，很薄的探測(cè)器就能將質(zhì)子探測(cè)出來(lái).如此薄的探測(cè)介質(zhì)接收不到被探測(cè)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(guò)樣品打到閃爍體或底片成像，沒(méi)有聚焦過(guò)程(事實(shí)上，對(duì)4MeV的X射線還沒(méi)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(huì)引起圖像模糊，但質(zhì)子散射是可控的，可以通過(guò)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(jí)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(jìn)了透鏡系統(tǒng)，消色差提高了圖像品質(zhì).對(duì)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(shí)驗(yàn)已達(dá)到15μm，并有達(dá)到1.2μm的潛力.

6 結(jié)束語(yǔ)

質(zhì)子照相是美國(guó)國(guó)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(guó)防基礎(chǔ)研究共同立項(xiàng)，也絕不會(huì)有如今的發(fā)展.雄厚的武器實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的測(cè)量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié)，多角度照相有利于建立完整的流體動(dòng)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(shí)間變化的情況.近年來(lái)，科學(xué)家們加緊了對(duì)高能質(zhì)子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.

參考文獻(xiàn)

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篇（3）

1 改造原理

流體動(dòng)力密封原理認(rèn)為在動(dòng)態(tài)下，油封與軸的 狹小接觸帶上，有一層液膜具有流體的動(dòng)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(chǎn)生切向變形，從而改善了動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)下相當(dāng)于微小的滑動(dòng)軸承板，動(dòng)態(tài)下將粘性液體帶入楔形間隙，形成流體動(dòng)力液膜，從而起到和密封作用。實(shí)際工作中油封與軸接觸時(shí)，接觸面出現(xiàn)干摩擦、邊界摩擦和流體三種情況，不斷交替變動(dòng)。

由以上分析可以看出提高密封效果和壽命的本質(zhì)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(tài)，避免干摩擦狀態(tài)。

2 改進(jìn)方案

2.1 提高與密封配合的密封環(huán)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(huán)與密封緊密配合下，密封環(huán)的尺寸及表面質(zhì)量在密封系統(tǒng)中起很大作用。

改進(jìn)措施：

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

（2）對(duì)密封環(huán)進(jìn)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(lái)的5mm改為10mm，降低由于裝配而造成的密封損壞。

2.2 運(yùn)用流體力學(xué)密封

2.2.1 密封簡(jiǎn)介

（1）單向流體動(dòng)力學(xué)油封

單向流體動(dòng)力學(xué)油封主要特點(diǎn)是具有回流作用，唇口過(guò)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(dòng)力學(xué)油封的唇口工作面上有若干條螺紋形凸棱，有逆時(shí)針和順時(shí)針兩種。

（2）雙向回流油封

雙向回流油封在密封唇口空氣側(cè)模壓上數(shù)條與唇口成一定角度的凸棱，凸棱互相平行。經(jīng)修整將唇口切削成要求的內(nèi)徑尺寸后，部分凸棱被切斷并與唇口相交，形成兩對(duì)以上的回油腔。這樣在唇口處左右兩半圓形成堆成數(shù)量的、方向相反的凸棱，并呈銳角與唇口相交。當(dāng)油封裝配到軸上時(shí)，這些相交的凸棱變形成銳角接觸區(qū)。當(dāng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)時(shí)，可將滲漏過(guò)唇口的油粒子收集入銳角接觸區(qū)內(nèi)，由于油逐漸增多引起內(nèi)壓增高，變產(chǎn)生樂(lè)一種自動(dòng)向里的推力，使漏出的油重新返回原有腔內(nèi)，從而起到密封防漏的作用。

2.2.2 運(yùn)用方案

（1）將最初的鋼骨架油封改為加布油封并增加進(jìn)油槽，使油可以進(jìn)入密封唇口部位對(duì)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(cè)油封主要起防水防異物進(jìn)入，內(nèi)側(cè)密封起到防止油外泄的作用（圖四）保證了軸承內(nèi)部工作環(huán)境，保證了軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)

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

3 改造效果

流體力學(xué)密封的運(yùn)用和密封系統(tǒng)改造后，密封使用壽命大大延長(zhǎng)，密封效果得到很大提高，軸承因進(jìn)水報(bào)廢的數(shù)量大大減少。

參考文獻(xiàn)：

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

篇（4）

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）48-0039-02

流體力學(xué)是一門(mén)研究流體的受力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的嚴(yán)密科學(xué)，是一門(mén)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)中理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。在流體力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，涉及到的數(shù)學(xué)公式很多，過(guò)程較為復(fù)雜。歷年來(lái)，學(xué)生們普遍認(rèn)為流體力學(xué)課程枯燥無(wú)味，難以學(xué)懂，興趣不大，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。分析材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)現(xiàn)狀可知，目前，該課程體系教學(xué)中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應(yīng)用的有效結(jié)合；另一方面，忽視了課程的基礎(chǔ)作用，片面強(qiáng)調(diào)課程的專(zhuān)業(yè)性。為此，本文結(jié)合材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置，對(duì)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革探索。課堂教學(xué)是提升學(xué)生認(rèn)知的重要手段。筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面來(lái)提高流體力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

縱觀材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的流體力學(xué)課程體系，可將之分為基本理論知識(shí)、基本應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)部分、與其他學(xué)科的交叉內(nèi)容、工程實(shí)際應(yīng)用等方面。在教學(xué)過(guò)程中，筆者認(rèn)為采用模塊化教學(xué)方式能夠達(dá)到較好的效果。所謂模塊化教學(xué)是指根據(jù)學(xué)科或?qū)I(yè)的不同需求選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，將每個(gè)內(nèi)容或環(huán)節(jié)定義為模塊。每個(gè)模塊的目標(biāo)明確，針對(duì)性強(qiáng)，而且學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少，容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。當(dāng)然，各個(gè)模塊之間并不是孤立的，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，模塊是相對(duì)獨(dú)立的，但從課程的整體架構(gòu)上來(lái)說(shuō)又是有機(jī)關(guān)聯(lián)的，步步為營(yíng)，內(nèi)容豐富，難度螺旋式上升，使整個(gè)流體力學(xué)課程具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和完整性。目前，國(guó)內(nèi)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的流體力學(xué)課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學(xué)理想流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)：一元流體相似理論泵與風(fēng)機(jī)。每部分的研究方法較為統(tǒng)一，所形成的體系由簡(jiǎn)到繁、由易到難，并且很容易實(shí)現(xiàn)模塊化處理。例如在講授流體運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)時(shí)，可以先從實(shí)際流體流動(dòng)的基本方程入手，使學(xué)生在本門(mén)課程開(kāi)始就接觸到流體動(dòng)力學(xué)的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動(dòng)力學(xué)及一元流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動(dòng)的條件代入有關(guān)方程，即可得到理想流體、一元流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點(diǎn)，條理清楚。這樣一來(lái)，教師在講完一般形式的方程組后再來(lái)講具體一元流體動(dòng)力學(xué)及理想流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，就可略去大量的公式推導(dǎo)過(guò)程，節(jié)省了大量的課時(shí)，內(nèi)容組織層次感較強(qiáng)，講起來(lái)重點(diǎn)更突出，教學(xué)過(guò)程卻相對(duì)簡(jiǎn)化。

二、更新教材結(jié)構(gòu)

同時(shí)，考慮到材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的特色與應(yīng)用范疇，非常有必要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化處理，根據(jù)材料科學(xué)與工程的課堂要求，淡化一些理論推導(dǎo)過(guò)程，以工程應(yīng)用為根本。從學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律來(lái)看，一般學(xué)生剛學(xué)習(xí)課程的時(shí)候積極性和重視程度都比較高，在學(xué)習(xí)時(shí)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，但隨著課堂內(nèi)容的推進(jìn)，學(xué)生們的興趣減弱，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革與優(yōu)化勢(shì)在必行。材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的流體力學(xué)課程內(nèi)容并不包括本領(lǐng)域的全部專(zhuān)業(yè)知識(shí)，主要講授流體流動(dòng)的基本原理與基本思路，并側(cè)重于工程應(yīng)用。因此，教材的選取要更具科學(xué)性，要根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和需要，結(jié)合學(xué)生興趣與學(xué)習(xí)層次，有針對(duì)性地選取講義，教材要更側(cè)重于基本原理與基本公式的講述與應(yīng)用，做到簡(jiǎn)單易懂，實(shí)用性較強(qiáng)。

三、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在流體力學(xué)教學(xué)的開(kāi)始，教師就應(yīng)該緊緊抓住學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，在緊扣教學(xué)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前熱點(diǎn)問(wèn)題為引導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。因此，在流體力學(xué)教學(xué)的過(guò)程中，如何將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐相結(jié)合，與熱點(diǎn)問(wèn)題相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提升教學(xué)效果的重要措施之一。比如在給學(xué)生上緒論課的時(shí)候，可以通過(guò)一些生動(dòng)的圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)給學(xué)生形象地展示大自然與人類(lèi)生活密切相關(guān)的流體力學(xué)現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的感性認(rèn)識(shí)與興趣，如汽車(chē)為什么要做成流線型的；高爾夫球?yàn)槭裁丛诒砻嬗泻芏嗫樱换鸺秊槭裁茨軌蛏咸欤缓０稙槭裁词腔⌒危粦?zhàn)斗機(jī)為什么頭部是尖的等。這些問(wèn)題是日常生活中經(jīng)常見(jiàn)到的，通過(guò)這些問(wèn)題的設(shè)計(jì)與引導(dǎo)，可以讓學(xué)生們知道本課程的主要學(xué)習(xí)目標(biāo)是什么，能解決什么樣的實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生們帶著疑問(wèn)和興趣去學(xué)習(xí)，效果將事半功倍。

四、改革教學(xué)手段

目前，流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中教學(xué)手段較為豐富，但仍以板書(shū)和多媒體教學(xué)兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書(shū)為輔”的方法。多媒體教學(xué)較為直觀、形象，所傳輸?shù)男畔⒘烤薮蟆Ｍ瑫r(shí)，伴隨著信息網(wǎng)絡(luò)化大形勢(shì)的進(jìn)一步深化，網(wǎng)絡(luò)電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時(shí)間。但這種方式也有不足之處，最主要表現(xiàn)在多媒體授課速度偏快，學(xué)生尚未形成知識(shí)結(jié)構(gòu)體系就一帶而過(guò)，課堂上考慮的時(shí)間不足，很難形成師生之間的互動(dòng)。相對(duì)而言，板書(shū)備課時(shí)間較長(zhǎng)，課堂上書(shū)寫(xiě)時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)于一些較難理解的內(nèi)容，可以給學(xué)生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進(jìn)行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識(shí)點(diǎn)，易于形成師生間的“一問(wèn)一答”式的互動(dòng)關(guān)系。因此，在流體力學(xué)授課過(guò)程中宜采用二者結(jié)合的方式，對(duì)于系統(tǒng)性較差的知識(shí)點(diǎn)來(lái)說(shuō)采用多媒體方式，而對(duì)于重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容則主要采用板書(shū)的形式，真正做到對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的側(cè)重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學(xué)生對(duì)課程既有充足的知識(shí)量，又有重點(diǎn)突出，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

五、重視實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)

流體力學(xué)課是一門(mén)與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的學(xué)科。因此，在課程開(kāi)展的過(guò)程中應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)課與工程教學(xué)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前可以分為演示型和驗(yàn)證型，但教學(xué)方法單一，限制了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；同時(shí)，由于長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從屬于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程教學(xué)的課程建設(shè)與發(fā)展受到了嚴(yán)重制約。因此非常有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)進(jìn)行改革來(lái)適應(yīng)目前高校的培養(yǎng)模式。首先，實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)要注重同專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較多適用于試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境下，是國(guó)家根據(jù)課程規(guī)劃以及人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)需要設(shè)立的，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生們與工程實(shí)踐的有效溝通，因此，可以針對(duì)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)逐步設(shè)立既符合本專(zhuān)業(yè)又具有工程背景的可操作性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用以適應(yīng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的理解與創(chuàng)新需求。其次，有效利用高校科研優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)的發(fā)展。以學(xué)科為依托，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)互補(bǔ)，將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣可以開(kāi)闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。第三，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與個(gè)性實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，開(kāi)展一些更具有研究性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，這樣對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有一個(gè)較為有利的補(bǔ)充，同時(shí)也可以鍛煉學(xué)生們實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、整體規(guī)劃的能力，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。

參考文獻(xiàn)：

篇（5）

in Scientific Computing

2010,780pp

Hardback

ISBN9780521113601

科學(xué)計(jì)算中的進(jìn)展使得建模及模擬成為工程、科學(xué)及公共政策決策過(guò)程中的一個(gè)重要部分。驗(yàn)證和確認(rèn)是建立在定量準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)的概念上的。本書(shū)提供了用于模型和模擬驗(yàn)證和確認(rèn)的基本概念、原理及步驟的全面與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。它的重點(diǎn)放在了利用偏微分方程描述模型和模擬上面。書(shū)中所描述的方法可以應(yīng)用于廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，諸如物理科學(xué)、工程及技術(shù)，以及工業(yè)、環(huán)境管理與安全、產(chǎn)品與設(shè)備安全、金融投資和政府管理中。

本書(shū)共有16章，除第1章外分成5個(gè)部分。1.緒論，內(nèi)容包括建模與模擬的歷史及現(xiàn)代的作用、科學(xué)計(jì)算的可信度、本書(shū)的內(nèi)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(shù)語(yǔ)；3.建模與計(jì)算模擬。第2部分 代碼驗(yàn)證，含第2-3章，4.軟件工程；5.代碼驗(yàn)證；6.正確解法。第3部分 解法驗(yàn)證，含第4-6章，7.解法驗(yàn)證；8.離散化誤差；9.解法適應(yīng)。第4部分 模型的驗(yàn)證與預(yù)測(cè)，含第10-13章，10.模型驗(yàn)證基礎(chǔ)；11.確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與執(zhí)行；12.模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)；13.預(yù)測(cè)能力。第5部分 涉及規(guī)劃、管理及實(shí)施的問(wèn)題，含第14-16章，14.建模與模擬的規(guī)劃與優(yōu)先化；15.建模與模擬的成熟度評(píng)價(jià)；16.驗(yàn)證、確認(rèn)及不確定性量化的開(kāi)發(fā)與責(zé)任。

本書(shū)的第一作者具有在流體動(dòng)力學(xué)、傳熱、飛行動(dòng)力學(xué)及固體力學(xué)領(lǐng)域39年的研究與開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。并且在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)領(lǐng)域工作過(guò)，他教授過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)領(lǐng)域的30門(mén)短課程。現(xiàn)在，他帶著技術(shù)人員的杰出代表的榮譽(yù)已從美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室退休。

本書(shū)的第二作者是弗吉尼亞理工學(xué)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(lái)納州立大學(xué)獲得博士學(xué)位后，作為高級(jí)技術(shù)人員在美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作了5年。他在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域發(fā)表過(guò)許多有關(guān)驗(yàn)證和確認(rèn)的文章。2006年，他因計(jì)算科學(xué)與工程中的驗(yàn)證和確認(rèn)方面的研究工作而獲得美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)（PECASE）。

本書(shū)將會(huì)受到那些尋求改進(jìn)模擬結(jié)果的可信度及可靠性的各個(gè)領(lǐng)域中的研究人員、專(zhuān)業(yè)人員及決策者的熱誠(chéng)歡迎。它的內(nèi)容也適合用作大學(xué)課程或供人們自學(xué)。

胡光華，

退休高工

篇（6）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代人對(duì)家居環(huán)境質(zhì)量的要求日益提高,高噪音的風(fēng)扇空氣壓縮機(jī)等設(shè)備的噪音成為一大困擾,同時(shí)由于全球能源危機(jī)的加劇,特別是在我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的倡導(dǎo)下,摒除傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇做功的新型裝置日益受到研究者關(guān)注。研究表明在電暈放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速離子射流流動(dòng),這種離子射流對(duì)周?chē)黧w流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng),形成附加的流體運(yùn)動(dòng),即所謂的電誘導(dǎo)二次流。離子的高速運(yùn)動(dòng)將會(huì)催動(dòng)空氣的流動(dòng)。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(lái),隨著電流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,在EHD領(lǐng)域的電流體泵機(jī)理成為高壓直流下空氣流動(dòng)的研究基礎(chǔ)。本文將從電流體泵驅(qū)動(dòng)機(jī)理方面定性闡述裝置的理論基礎(chǔ),并提出一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)裝置,即利用單片機(jī)控制的高壓直流電源驅(qū)動(dòng)電暈放電,結(jié)合線板式電極設(shè)計(jì),形成一個(gè)完整的空氣傳輸裝置。

一、EHD原理實(shí)現(xiàn)空氣傳輸?shù)亩ㄐ苑治?/p>

(一)機(jī)理簡(jiǎn)介。EHD(Electrohydrodynamics,電流體動(dòng)力學(xué))作為流體力學(xué) 的一個(gè)重要分支,其研究方向?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)流體介質(zhì)的作用,也被看做是在運(yùn)動(dòng)電介質(zhì)中的電場(chǎng)力學(xué)。介于此,在電場(chǎng)中,空氣作為一種特殊的電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很多重要的現(xiàn)象,其中在強(qiáng)化傳熱方面、電流體泵方面漸漸為各方所重視。本文結(jié)合EHD領(lǐng)域電流體泵機(jī)理,著重討論EHD在空氣傳輸方面的應(yīng)用,其中涉及直流高壓放電下空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)建模計(jì)算。電流體泵有兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)理,一是利用高壓直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)流體,即離子泵拖拽,另一種是高壓行波驅(qū)動(dòng)流體;其介質(zhì)中電荷來(lái)源于高壓電極發(fā)射的單極性離子或是電解質(zhì)分子受電擊所產(chǎn)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(yīng),大量離子帶動(dòng)空氣流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)空氣傳輸?shù)男?yīng)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(qiáng)電場(chǎng)的加速下,碰撞空氣中的中性分子。使空氣分子電離產(chǎn)生電子和正離子,能量足夠大的電子繼續(xù)撞擊中性空氣分子又使其電離產(chǎn)生電子和離子,與此同時(shí)有些能量不夠大的電子吸附在空氣中性分子中產(chǎn)生負(fù)離子,誘導(dǎo)其發(fā)生電子雪崩。空中的正離子在電場(chǎng)的作用加速,于此同時(shí)正離子將所獲得的動(dòng)能傳遞給空氣分子,使其向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空氣流。電暈放電以電暈為特點(diǎn)的一種放電,本裝置是依據(jù)電暈放電而產(chǎn)生離子風(fēng)。在電極制作上,吸取國(guó)內(nèi)外在電暈放電領(lǐng)域的研究成果,通過(guò)大實(shí)驗(yàn)確定電極形狀及間距。電源上,運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(一)電暈放電原理。本作品電極的設(shè)計(jì)基于脈沖電暈放電原理。脈沖電暈放電法脈沖放電產(chǎn)生等離子體的基本物理過(guò)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(xì)的火花通道。電離產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下,以很高的速度向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng),使氣體進(jìn)一步電離,形成電子流,電子流逐步擴(kuò)大以致溝通整個(gè)放電通道,使儲(chǔ)存在電容器上的電能通過(guò)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(dá)每平方厘米數(shù)千安培,因而會(huì)在電極間形成等離子體。

(二)線板式電極結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的脈沖放電等離子體反應(yīng)容器有三種:線――筒(應(yīng)該把―都改成――),線――板和針――板。本裝置中將采用線――板式電極結(jié)構(gòu),線板型電極特性。放電線數(shù)一定時(shí),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(shí),隨著線線間距變化,反應(yīng)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(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)中線線與線板間距大致相當(dāng)時(shí),流光能量較大。線板電極間距一定時(shí),隨放電線間距增加,放電線數(shù)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(shù)少到一定值時(shí)有增加趨勢(shì)。

此為我們?cè)O(shè)計(jì)同性電極間距與異性電極間距及整個(gè)電極排布布局的依據(jù)。

四、驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

電源作為本裝置重要的工作元件,要求具有高頻高壓,穩(wěn)定高效,低成本等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)本裝置的要求――產(chǎn)生電子雪崩效應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求。

首先,鑒于上文所述脈沖電暈放電的相對(duì)直流電暈的優(yōu)點(diǎn),我們選用脈沖電暈放電,即要求脈沖頻率可調(diào),脈沖頻率頻率在1KHz到100KHz可調(diào),電壓上升時(shí)間

結(jié)束語(yǔ):本裝置立意新穎,目前國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域還未有應(yīng)用實(shí)例,其關(guān)鍵在于裝置的實(shí)現(xiàn)難度較大,具體體現(xiàn)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(wěn)定,研究表明電暈放電最穩(wěn)定狀態(tài)為其輝光放電階段。因此,為得到穩(wěn)定的離子風(fēng),將設(shè)法使設(shè)備工作在輝光放電狀態(tài)。要將設(shè)備控制在輝光放電狀態(tài),且使設(shè)備產(chǎn)生的離子風(fēng)最大化,其對(duì)外部電壓及極間距離有相當(dāng)高的要求,而這則是該裝置研究的核心難點(diǎn)所在。

作者單位:浙江理工大學(xué)

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(xù)輸送的機(jī)械，主要應(yīng)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(chē)底盤(pán)上，再裝備可伸縮或屈折的布料桿，而組成的泵車(chē)。混凝土輸送泵的可靠性與使用壽命直接受到系統(tǒng)的控制，尤其是顆粒污染物和粘度等參數(shù)對(duì)其影響重大，本文根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，針對(duì)混凝土泵送設(shè)備兩個(gè)輸送缸交替送料的特性，提出新的雙向系統(tǒng)，并在實(shí)際中的應(yīng)用對(duì)該系統(tǒng)加以分析。

1.傳統(tǒng)泵送系統(tǒng)的特性

混凝土輸送泵在混凝土的輸送過(guò)程中，設(shè)置了油脂系統(tǒng)，以確保輸送砼和缸的絕對(duì)，并且預(yù)防輸送缸內(nèi)的水泥滲入到砼密封體導(dǎo)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(yùn)動(dòng)部件因其負(fù)荷大、運(yùn)動(dòng)頻率高，是重點(diǎn)部位，對(duì)脂的要求也比較高，并且須使用脂泵按照一定的頻率強(qiáng)制加壓。泵送來(lái)的脂直接送入各分配器，推動(dòng)活塞向點(diǎn)供油；該系統(tǒng)的工作原理是：壓力從一個(gè)入口流入，帶動(dòng)脂活塞吸入油脂，當(dāng)油脂從另外一個(gè)入口流入時(shí)，帶動(dòng)脂活塞排出油脂，油脂經(jīng)過(guò)阻尼器到分配閥，再逐步分配到輸送缸各個(gè)點(diǎn)。

以上傳統(tǒng)的泵送系統(tǒng)存在一定的缺陷，其不能準(zhǔn)確的隨動(dòng)砼活塞，而且每次換向，而且油脂在同一缸內(nèi)每次都會(huì)注射在同一個(gè)點(diǎn)上，而另外一個(gè)缸的脂在點(diǎn)處總是注入水中，基于此，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備經(jīng)常在不良的狀態(tài)下工作，加劇設(shè)備的磨損，導(dǎo)致檢修周期縮短，增加維修成本，同時(shí)效果相當(dāng)差，油浪費(fèi)嚴(yán)重。

2.雙向系統(tǒng)的技術(shù)方案

筆者通過(guò)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)上述不足，提出了一種新型的雙向系統(tǒng)解決方案，可以有效的改善混凝土機(jī)械易損件的使用壽命，其原理主要是采用往復(fù)柱塞式脂泵，由液壓油驅(qū)動(dòng)雙液壓缸柱塞，使其做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)并各自獨(dú)立完成吸油和壓油過(guò)程。當(dāng)壓力油從前一個(gè)口進(jìn)入推動(dòng)柱塞時(shí)，帶動(dòng)另一液壓缸柱塞打開(kāi)吸油孔吸油脂，并使液壓缸柱塞向前壓油，油脂從后一個(gè)口進(jìn)入雙向閥。當(dāng)壓力油換向且壓力油從后一個(gè)口進(jìn)入推動(dòng)柱塞時(shí)，帶動(dòng)另一液壓缸柱塞打開(kāi)吸油孔吸油脂，并使液壓缸柱塞向前壓油，油脂從前一個(gè)口進(jìn)入雙向閥。如此往復(fù)，泵的兩個(gè)液壓缸柱塞隨液壓壓力油交替換向工作，同時(shí)交替向雙向閥供油脂。隨著液壓系統(tǒng)的交替換向，實(shí)現(xiàn)兩砼缸活塞定點(diǎn)同步。

3.結(jié)合流體原理，分析雙向系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1.流體基本方程

連續(xù)方程，即質(zhì)量守恒方程，是物理學(xué)質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表現(xiàn)形式，系統(tǒng)中的介質(zhì)在管路中的流動(dòng)服從Reynolds方程，其方程式可寫(xiě)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(yùn)動(dòng)方程，又稱(chēng)動(dòng)量方程，將連續(xù)方程和Navier-Stokes方程聯(lián)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(xiàng)分別為流體油膜里由于壓力梯度所產(chǎn)生的x向和z向的壓力流變化；右邊第1，2項(xiàng)分別表示表面速度引起的剪切流；右邊第3，4，5項(xiàng)為Y向擠壓運(yùn)動(dòng)所引起的流量變化；右邊最后一項(xiàng)為該處密度變化產(chǎn)生的流量變化。所顯示的廣義Reynolds方程是黏性牛頓流體動(dòng)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(jì)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(duì)特性的影響。

3.2.數(shù)值計(jì)算方法

分析力學(xué)問(wèn)題需要求解非線性離散方程組，且劑在變黏度、變密度效應(yīng)下，方程的系數(shù)都不是常數(shù)，整個(gè)方程呈現(xiàn)高度的非線性特征。而對(duì)于非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，方程中含有膜厚的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，既要考慮切向卷吸運(yùn)動(dòng)，又要考慮法向擠壓運(yùn)動(dòng)。本文采用FTCS（時(shí)間向前空間中心）差分格式求解Reynolds方程，并且用Matlab軟件編寫(xiě)程序計(jì)算，考慮到對(duì)稱(chēng)性，砼活塞環(huán)可只分析其圓周長(zhǎng)的四分之一。計(jì)算時(shí)首先給定壓力分布和中心膜厚的初值，依此計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的膜厚、油黏度及油密度等參數(shù)，然后求解Reynolds方程，得到新的壓力分布。如壓力分布不滿(mǎn)足收斂條件，則修正壓力分布進(jìn)行下一次計(jì)算，直到新舊壓力差小于某個(gè)定值，然后由壓力分布積分求解載荷。

由于該問(wèn)題的數(shù)值穩(wěn)定性差，雅可比法的收斂速度是比較慢的，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)較多時(shí)，并不是現(xiàn)實(shí)的解法。采用高斯一塞得爾迭代雖然比雅可比法稍好，但對(duì)于網(wǎng)格數(shù)較大的算例來(lái)說(shuō)，耗時(shí)仍然過(guò)長(zhǎng)。因此這里采用SOR（逐次超松弛法）來(lái)求解上述差分方程，并采用一定的方法來(lái)解決數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題。

3.3.計(jì)算結(jié)果分析

4.雙向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

雙向系統(tǒng)在戶(hù)外施工部門(mén)的使用過(guò)程中，證明雙向系統(tǒng)具有極佳的穩(wěn)定性，在工程機(jī)械領(lǐng)域，沃爾沃、凱斯、詹陽(yáng)動(dòng)力等品牌部分機(jī)型的使用客戶(hù)配置了該系統(tǒng)。

4.1.領(lǐng)先的技術(shù)

雙向系統(tǒng)適合能在低壓下加注到點(diǎn)的高級(jí)脂。脂的加注工作通常在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行，加注時(shí)雙向系統(tǒng)會(huì)保證在準(zhǔn)確的時(shí)間間隔內(nèi)定時(shí)定量地注入脂。這將使脂在軸承支承面達(dá)到最佳分布狀態(tài)，不斷維持良好的密封狀態(tài)同時(shí)使脂的消耗量減 半。雙向系統(tǒng)中含有雙固態(tài)管道系統(tǒng)，并可通過(guò)定量加注器向每一個(gè)點(diǎn)施加脂，這種堅(jiān)固結(jié)構(gòu)可在任何施工環(huán)境下保證過(guò)程中的操作安全性。雙向系統(tǒng)能防止不必要的磨損，減少機(jī)器意外故障的發(fā)生率。

4.2.良好的經(jīng)濟(jì)效益

在連續(xù)活動(dòng)部件的作用下，機(jī)器將保持最佳工作狀態(tài)。雙向系統(tǒng)可使機(jī)器在持續(xù)工作的狀態(tài)下不間斷得到，幫助操作者預(yù)防由機(jī)械損傷及相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)所導(dǎo)致的機(jī)器停工現(xiàn)象的發(fā)生。操作者也可從油漬的、費(fèi)時(shí)的手動(dòng)加注工作中解脫出來(lái)，同時(shí)減少環(huán)境污染，節(jié)約資源。雙向系統(tǒng)可減少液的消耗量達(dá)35%左右。使用雙向系統(tǒng)可減少使用維護(hù)成本，減少運(yùn)動(dòng)件之間的切削磨損，提高密封性能，防潮防腐，有效排除雜質(zhì)。

4.3.友好的用戶(hù)界面

駕駛室內(nèi)顯示器會(huì)顯示所有相關(guān)信息，例如脂罐中脂液位較低。雙向系統(tǒng)泵中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可對(duì)過(guò)程實(shí)施連續(xù)性的監(jiān)控。該系統(tǒng)還將在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有關(guān)控制和診斷方面的操作信息，并通過(guò)操作臺(tái)顯示器通知操作員。

5.結(jié)束語(yǔ)

雙向系統(tǒng)通過(guò)交替換向液壓系統(tǒng)壓力油，實(shí)現(xiàn)了兩砼缸活塞同步準(zhǔn)確定點(diǎn)，不僅延長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效、環(huán)保、節(jié)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(xiàn)：

[1]湯如龍，袁 棟，董旭輝.雙向系統(tǒng)在混凝土輸送泵及泵車(chē)中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械，2011，42：55-57.

篇（8）

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）04-0041-02

流體力學(xué)是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門(mén)科學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)重要分支，已廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門(mén)。工程流體力學(xué)課程在哈工大是機(jī)械類(lèi)、材料類(lèi)、儀器儀表類(lèi)、航空航天類(lèi)、建筑工程類(lèi)、熱能動(dòng)力類(lèi)、流體動(dòng)力工程類(lèi)等專(zhuān)業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì)，又具有鮮明的技術(shù)學(xué)科的特點(diǎn)，既與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)等課程有緊密的聯(lián)系，又是專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)，是一門(mén)理論性和工程實(shí)際意義都較強(qiáng)的課程[1]。哈工大流體力學(xué)教研室成立于1956年，歷來(lái)重視教學(xué)研究及教學(xué)質(zhì)量，不斷積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)教學(xué)思想，在基礎(chǔ)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)設(shè)施、師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，并于2009年被評(píng)為國(guó)家精品課程，目前正在進(jìn)行國(guó)家精品資源共享課程的升級(jí)。雖然取得了一系列的重要成績(jī)，但是仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換觀念，從當(dāng)前社會(huì)的實(shí)際需求出發(fā)，深入進(jìn)行教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容等方面的研究和探索。

一、改革教學(xué)理念

課程建設(shè)的目的是提高教學(xué)質(zhì)量，歸根到底是提高學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量，而學(xué)生質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)則是其綜合素質(zhì)及能力。工程流體力學(xué)課程的特點(diǎn)是抽象概念多，數(shù)學(xué)分量重，理論性較強(qiáng)，許多復(fù)雜的流動(dòng)物理現(xiàn)象難以用言語(yǔ)和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學(xué)課程中有很多較難的知識(shí)點(diǎn)，例如流體微元運(yùn)動(dòng)的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程、邊界層基本方程及近似計(jì)算等，這些知識(shí)點(diǎn)包含了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，往往要占用很多課時(shí)，同時(shí)這些理論知識(shí)的講解又是空洞和死板的，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。即使是多數(shù)教師能夠本著負(fù)責(zé)的態(tài)度將這些知識(shí)難點(diǎn)講解清楚，也往往并不能使學(xué)生對(duì)這些難點(diǎn)留下深刻的印象。這種教學(xué)過(guò)程是事倍功半的，容易引起學(xué)生對(duì)這些知識(shí)做機(jī)械的符號(hào)記憶或者陷入對(duì)推導(dǎo)嚴(yán)密性的過(guò)度鉆研，無(wú)法建立起流體力學(xué)的全局思維方式，進(jìn)而也不能提高學(xué)生的綜合分析應(yīng)用能力。因此，教師在授課過(guò)程中要不斷引導(dǎo)學(xué)生梳理所講授的知識(shí)，使學(xué)生能夠運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合分析。要讓學(xué)生明白，流體力學(xué)的學(xué)習(xí)不是背定理、記公式，而是要通過(guò)學(xué)習(xí)這門(mén)課程，掌握一門(mén)新的科學(xué)知識(shí)，了解它的人文背景，學(xué)習(xí)它的思想和方法，掌握它的原理和應(yīng)用。學(xué)生是課程學(xué)習(xí)的主體，在教學(xué)過(guò)程中需要注意教與學(xué)的同步，授課時(shí)關(guān)注學(xué)生的反映，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)對(duì)授課進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)放慢節(jié)奏或變換講解方法，也可以讓學(xué)生參與討論。學(xué)生有必要參與到深層的學(xué)科知識(shí)應(yīng)用中，因此可以讓同學(xué)參加與學(xué)科相關(guān)的科學(xué)研究，引導(dǎo)同學(xué)應(yīng)用流體計(jì)算模擬軟件，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)[3]。教師對(duì)學(xué)生的實(shí)踐引導(dǎo)可以消減同學(xué)對(duì)流體力學(xué)公式繁多的苦惱，而在實(shí)踐能力不斷提高的過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力將得到很大的鍛煉。實(shí)踐證明，學(xué)生可以完成適當(dāng)?shù)墓こ塘黧w力學(xué)課程內(nèi)容的拓展研究，實(shí)現(xiàn)課程與科研工作的相互促進(jìn)。在積極開(kāi)展第一課堂的同時(shí)，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生參加第二課堂活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生獲取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力。例如科技創(chuàng)新和節(jié)能減排大賽這樣的大學(xué)生科技活動(dòng)是開(kāi)展素質(zhì)教育的重要平臺(tái)，為學(xué)生提供了施展才能、張揚(yáng)個(gè)性的舞臺(tái)，使學(xué)生得以將課本所學(xué)知識(shí)充分的運(yùn)用，并從制作和創(chuàng)新過(guò)程中學(xué)到了比課本更多的知識(shí)，提高了其知識(shí)綜合運(yùn)用能力、實(shí)踐動(dòng)手能力。流體力學(xué)教師應(yīng)該充分利用流體力學(xué)知識(shí)應(yīng)用面廣、基礎(chǔ)性強(qiáng)的特點(diǎn)，引導(dǎo)并指導(dǎo)學(xué)生參與此類(lèi)科技活動(dòng)。另外，流體力學(xué)教師還應(yīng)該經(jīng)常舉行科技講座，豐富學(xué)生的專(zhuān)業(yè)和學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)和科學(xué)精神。

二、課程內(nèi)容調(diào)整

目前所使用的工程流體力學(xué)課程內(nèi)容包括了流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、漩渦理論基礎(chǔ)、理想流體平面勢(shì)流、粘性流體動(dòng)力學(xué)、相似理論基礎(chǔ)、流動(dòng)的阻力與損失、管路的水力計(jì)算、粘性流體繞物體流動(dòng)、氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)翼及葉柵理論、流體要素測(cè)量等內(nèi)容。總的來(lái)說(shuō)涵蓋了流體力學(xué)工程應(yīng)用的多數(shù)情況，但是結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步調(diào)整。首先，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容較多，多年未更新，有些知識(shí)也趨于老化，應(yīng)適當(dāng)?shù)貙?duì)內(nèi)容進(jìn)行增減。2006年專(zhuān)業(yè)調(diào)整后，能源與動(dòng)力工程本科教學(xué)按一級(jí)學(xué)科制定教學(xué)內(nèi)容，在這種體系下，工程流體力學(xué)課程應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)保留的情況下，對(duì)于涉及到工程熱力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行刪減，避免不同課程的內(nèi)容重復(fù)，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學(xué)生利用有限的課時(shí)可以將流體力學(xué)主體結(jié)構(gòu)體系學(xué)得更好。另外，由于工程流體力學(xué)更多的應(yīng)該涉及流體力學(xué)的工程應(yīng)用，所以關(guān)于漩渦理論、理想流體平面勢(shì)流及粘性流體繞物體流動(dòng)章節(jié)內(nèi)涉及的較多理論性知識(shí)且與工程應(yīng)用關(guān)系不大的應(yīng)該適當(dāng)精簡(jiǎn)，減少課時(shí)占用。其次，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)適當(dāng)增加與工程應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容。美國(guó)著名的流體力學(xué)教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實(shí)際的管道流動(dòng)、葉輪機(jī)械流動(dòng)、環(huán)境流體力學(xué)等內(nèi)容，作為經(jīng)典流體力學(xué)主題內(nèi)容的有機(jī)補(bǔ)充[4]。哈工大工程流體力學(xué)課程也應(yīng)該針對(duì)學(xué)校定位及專(zhuān)業(yè)設(shè)置，在廣泛調(diào)研開(kāi)課專(zhuān)業(yè)的需求基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加有普遍性、代表性的工程應(yīng)用知識(shí)。最后，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)更新與近期科技發(fā)展緊密聯(lián)系的內(nèi)容。由于教材不可能年年更新，教師應(yīng)該在教材內(nèi)容基礎(chǔ)之上，適當(dāng)增加與科技進(jìn)展相關(guān)的內(nèi)容，例如流動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)、流體參數(shù)的現(xiàn)代化測(cè)量、流體力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀、流體力學(xué)的最新應(yīng)用情況等，讓學(xué)生了解到流體力學(xué)的科技前沿，開(kāi)拓學(xué)生視野，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)流體力學(xué)的熱情和興趣。

三、改革教學(xué)方法

關(guān)于教學(xué)方法，哈工大流體力學(xué)教師較早地采用了不完全教學(xué)法、潛科學(xué)教學(xué)法、社會(huì)探究法、問(wèn)題教學(xué)法、角度教學(xué)法等創(chuàng)新性教學(xué)法，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體、教師活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)等課堂教學(xué)要素有機(jī)組織起來(lái)，發(fā)揮整體的最大效能。強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)主動(dòng)探求問(wèn)題解決的途徑和方法，培養(yǎng)能力，以展素質(zhì)；并將多媒體技術(shù)的運(yùn)用與傳統(tǒng)教學(xué)手段、教學(xué)形式的改革統(tǒng)一起來(lái)，突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，從而充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。目前多媒體教學(xué)在高等教育中的應(yīng)用越來(lái)越廣，在如何正確使用多媒體教學(xué)的問(wèn)題上目前還有一些爭(zhēng)議和討論。工程流體力學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)多，公式推導(dǎo)多，難度大，對(duì)于具體的知識(shí)點(diǎn)利用板書(shū)詳細(xì)推演在課堂教學(xué)中占用了大量的課時(shí)，同時(shí)也會(huì)影響到學(xué)生對(duì)流體力學(xué)整體思維的把握。由于工程流體力學(xué)課程的特點(diǎn)，很多流動(dòng)現(xiàn)象概念比較抽象，難以用板書(shū)表達(dá)清楚，很顯然傳統(tǒng)教學(xué)方式達(dá)不到理想的教學(xué)效果。利用多種媒體手段可以更好地創(chuàng)設(shè)教學(xué)意境，變抽象為具體，變靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，變黑白為彩色，變無(wú)聲為有聲，通過(guò)豐富的圖例、連貫的動(dòng)畫(huà)以及真實(shí)的實(shí)驗(yàn)錄像，可以使枯燥、乏味的內(nèi)容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內(nèi)容變得直觀生動(dòng)，同時(shí)也豐富了學(xué)生的信息量，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[5]。另外，流體力學(xué)的特點(diǎn)是數(shù)學(xué)分量重、理論性強(qiáng)，所以又不能過(guò)多依賴(lài)多媒體教學(xué)。對(duì)于涉及到重要理論公式推導(dǎo)的內(nèi)容，簡(jiǎn)單地將推導(dǎo)過(guò)程搬到課件上去，并不能使學(xué)生了解重要理論公式的來(lái)龍去脈，也難以加深學(xué)生對(duì)這些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理解程度。這個(gè)時(shí)候需要收起屏幕，用板書(shū)認(rèn)真書(shū)寫(xiě)每個(gè)符號(hào)，推導(dǎo)每個(gè)關(guān)鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書(shū)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此我們可以取其長(zhǎng)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(píng)制度

哈工大工程流體力學(xué)課程作為技術(shù)基礎(chǔ)課，目前采取了綜合性的考評(píng)方法，總成績(jī)由作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試三部分組成，學(xué)生共計(jì)要完成60題左右的作業(yè)，由教師進(jìn)行判分并作為總成績(jī)的10%；共計(jì)要完成11項(xiàng)左右的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)原理和操作技能的掌握及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量情況分為優(yōu)、良、及格、不及格來(lái)評(píng)定成績(jī)，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(shí)驗(yàn)課成績(jī)占課程總成績(jī)的10%。期末考試為閉卷，占總成績(jī)的80%。流體力學(xué)考試的組卷與課堂教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)，課堂教學(xué)如果注重內(nèi)容的應(yīng)用性、靈活性和綜合性，則在組卷時(shí)應(yīng)適當(dāng)減少客觀題，豐富試題類(lèi)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(xué)生臨近考試加班加點(diǎn)應(yīng)付考試的現(xiàn)象。另外，根據(jù)課堂教學(xué)和課外科研實(shí)踐的特點(diǎn)，對(duì)于偏重于工程應(yīng)用的專(zhuān)題，可以探索利用撰寫(xiě)科技論文、提交科研作品的方法進(jìn)行考試，與傳統(tǒng)考試成績(jī)綜合來(lái)建立起更合理、更具實(shí)踐意義的考評(píng)制度。

工程流體力學(xué)課程是面向工程應(yīng)用人才的課程，所以教學(xué)核心始終應(yīng)該是學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為此，在教學(xué)中貫穿流體力學(xué)思維模式和綜合分析解決問(wèn)題能力的鍛煉，使學(xué)生學(xué)有所成、學(xué)有所用，是工程流體力學(xué)課程改革的一個(gè)長(zhǎng)期方向。

參考文獻(xiàn)：

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

篇（9）

1.引言

進(jìn)氣道氣流流動(dòng)狀態(tài)最終直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性以及動(dòng)力性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的理論研究和實(shí)際工程的設(shè)計(jì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究者的重要課題之一。傳統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流程是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上的反復(fù)試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)期長(zhǎng)，耗費(fèi)大，而且較難得到理想的方案。通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的三維數(shù)值模擬計(jì)算，可獲得流量系數(shù)，氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動(dòng)特性（包括流量數(shù)等）的關(guān)系，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

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(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)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(shuō)就是確定針對(duì)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(biāo)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(zhǎng)度為170mm。在進(jìn)氣道進(jìn)口處增加一個(gè)穩(wěn)壓箱，作用時(shí)使進(jìn)氣道入口處的氣流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，這樣便在計(jì)算入口邊界條件中施加了一個(gè)穩(wěn)定的壓力條件。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道如圖2所示，氣缸簡(jiǎn)化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進(jìn)氣道-氣門(mén)-氣缸如圖4所示，最終計(jì)算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網(wǎng)格，在穩(wěn)壓箱及氣缸內(nèi)采用六面體網(wǎng)格，在進(jìn)氣道、氣門(mén)、氣缸蓋處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這樣既節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，又解決了進(jìn)氣道處外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)的網(wǎng)格劃分。將入口、出口、氣缸壁面等分別創(chuàng)建PART，以增加邊界條件；將進(jìn)氣道-氣門(mén)-氣缸蓋所在空間創(chuàng)建BODY命名為L(zhǎng)IVE1并保證該點(diǎn)在各個(gè)棉所圍成的空間內(nèi)，如圖6所示。由于四面體網(wǎng)格生成是以BODY為單位進(jìn)行的，將穩(wěn)壓箱、氣缸部分創(chuàng)建塊，利用約束、拉伸塊等工具創(chuàng)建、分割塊，以適應(yīng)本部分體積結(jié)構(gòu)。并在此部分生成六面體網(wǎng)格，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。生成四面體網(wǎng)格。生成四面體網(wǎng)格時(shí)需要對(duì)邊界處進(jìn)行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數(shù)法有效，如圖7所示。

圖6 創(chuàng)建PART及BODY 圖7 生成的網(wǎng)格

網(wǎng)格數(shù)目、類(lèi)型及體積如表1所示。

4.氣道模擬仿真結(jié)果與分析

圖8是當(dāng)氣門(mén)升程為8mm時(shí)，截面a上的速度分布圖，由圖可知排氣門(mén)處（即圖中1）、喉口位置（即圖中2和3處）及氣門(mén)下方可以很明顯的看見(jiàn)此氣道存在明顯的滯止回流區(qū)，以上地方會(huì)造成缸內(nèi)混合不均勻，極大的影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能機(jī)動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)以上地方進(jìn)行修改。圖中4處氣流與氣門(mén)頭部發(fā)生碰撞，氣流流動(dòng)方向發(fā)生改變，并消耗了氣流流動(dòng)動(dòng)能。其流動(dòng)能的減小與流動(dòng)方向的變化導(dǎo)致4處氣流速度減小。在三維建模時(shí)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(dāng)氣門(mén)升程為8mm時(shí)，截面a的速度等值線云圖。由圖可知在氣門(mén)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(duì)進(jìn)氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進(jìn)氣道其他位置速度要大。氣門(mén)下方有兩個(gè)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(shuō)明上述位置會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的滾流。

圖9 截面a的速度等值線云圖

5.結(jié)論

運(yùn)用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門(mén)-氣缸實(shí)體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門(mén)一氣缸在內(nèi)的計(jì)算域網(wǎng)格，利用Ansys對(duì)Auto CAD建立好的計(jì)算模型劃分網(wǎng)格，進(jìn)行三維模擬計(jì)算。通過(guò)三維數(shù)值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進(jìn)行優(yōu)化，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2]石皓天.GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

篇（10）

當(dāng)前，在“綠色發(fā)展理念”深入人心的時(shí)代背景下，農(nóng)林類(lèi)高校迎來(lái)了很好的歷史發(fā)展機(jī)遇;同時(shí)社會(huì)和企業(yè)對(duì)農(nóng)林類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的需求更加重視質(zhì)量，對(duì)人才的知識(shí)深度、廣度和對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)特色課核心知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用能力，均提出了更高要求。提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生林業(yè)裝備系統(tǒng)總體及其子系統(tǒng)技術(shù)的掌握程度，拓展學(xué)生在林業(yè)裝備系統(tǒng)上運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)特色課中核心知識(shí)的科研能力，是農(nóng)林類(lèi)高教工作者面臨的共同課題［4］。

1課程教學(xué)剖析

1．1課程內(nèi)容

“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”這門(mén)課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)綜合性專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)液壓與氣體傳動(dòng)、泵與風(fēng)機(jī)、林業(yè)機(jī)械等專(zhuān)業(yè)及特色專(zhuān)業(yè)課的重要基礎(chǔ)。課程目標(biāo)包括:掌握工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)第一定律、第二定律、熱工轉(zhuǎn)換的規(guī)律和理想氣體的熱力學(xué)過(guò)程，學(xué)會(huì)基本的理論分析與計(jì)算方法;通過(guò)對(duì)熱量傳遞的三種基本方式、導(dǎo)熱基本理論、對(duì)流換熱基本規(guī)律、黑體輻射基本定律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備對(duì)基本的傳熱學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)的能力;掌握流體的主要物理性質(zhì)和流體靜力學(xué)的基本理論知識(shí)，學(xué)會(huì)流體上的作用力分析，能夠推導(dǎo)流體動(dòng)力學(xué)方程的連續(xù)性方程和伯努利方程，針對(duì)黏性流體，能對(duì)管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷;能夠?qū)Α皞鳠釋W(xué)”“工程流體力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析工程中的現(xiàn)象及問(wèn)題，并得到合理有效的結(jié)論。總體來(lái)看，本課程講授內(nèi)容包括工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及工程流體力學(xué)三大板塊的內(nèi)容，是在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化學(xué)習(xí)，拓展到實(shí)際的工程問(wèn)題，所以本課程不僅理論性強(qiáng)，而且工程應(yīng)用性也很強(qiáng);與機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)其他課程相比，該課程涵蓋了本應(yīng)三門(mén)獨(dú)立開(kāi)設(shè)的課程內(nèi)容，知識(shí)難點(diǎn)聚集、微積分公式眾多、三大知識(shí)板塊思維跨度大、學(xué)生融會(huì)貫通掌握難。但是，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度直接影響后續(xù)專(zhuān)業(yè)特色課程的學(xué)習(xí)情況。

1．2教學(xué)思路

目前，本課程總學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，理論授課42學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)授課6學(xué)時(shí)。三大板塊的教學(xué)內(nèi)容多，理論授課課時(shí)較少，矛盾突出:(1)學(xué)生由固體學(xué)科切換到流體學(xué)科的學(xué)習(xí)需要較長(zhǎng)適應(yīng)期;(2)課程中較多章節(jié)內(nèi)容抽象，且涉及大量公式推導(dǎo)及專(zhuān)業(yè)的概念鋪墊，加之為了跟上教學(xué)進(jìn)度教學(xué)內(nèi)容更新較快，學(xué)生普遍反映課程難度較大;(3)教學(xué)內(nèi)容和后續(xù)專(zhuān)業(yè)及特色專(zhuān)業(yè)課內(nèi)容銜接性不夠緊密;(4)從內(nèi)容的充實(shí)性和課程的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)滿(mǎn)足要求，但是對(duì)接林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域最新技術(shù)，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新思維方面，當(dāng)前的課程建構(gòu)仍無(wú)能為力;(5)由于本課程的學(xué)習(xí)不涉及具體的機(jī)械裝備系統(tǒng)，使得同學(xué)們對(duì)本課程在專(zhuān)業(yè)中的地位認(rèn)知不足，學(xué)習(xí)積極性欠佳，這些現(xiàn)狀使得提升教學(xué)效果難度較大。針對(duì)上述課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合農(nóng)林類(lèi)高校“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況，制定了如下教學(xué)思路:(1)授課時(shí)，使學(xué)生從機(jī)電系統(tǒng)、固體力學(xué)等學(xué)科的思維中切換出來(lái)，將空間觀測(cè)法跟同學(xué)們探討透徹，基于空間觀測(cè)法開(kāi)展“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”的課程教學(xué)。(2)在教學(xué)大綱中刪除過(guò)于抽象、應(yīng)用面較窄的教學(xué)內(nèi)容，深入講解與后續(xù)“液壓與氣體傳動(dòng)”“泵與風(fēng)機(jī)”“林業(yè)機(jī)械”等課程關(guān)聯(lián)度較深的內(nèi)容，為專(zhuān)業(yè)及特色專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)做好扎實(shí)鋪墊。(3)結(jié)合在林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域與“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”緊密關(guān)聯(lián)的科研經(jīng)歷，探索寓教學(xué)于科研、科研反哺教學(xué)的授課模式，強(qiáng)化同學(xué)們對(duì)“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”在“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專(zhuān)業(yè)里占有重要地位的基礎(chǔ)認(rèn)知，顯著提升同門(mén)們自愿學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的熱情。(4)注重思維方式、終身學(xué)習(xí)意識(shí)的培養(yǎng)。教學(xué)過(guò)程中注重切入問(wèn)題角度的講解，使得同學(xué)們?cè)诿靼讍?wèn)題的同時(shí)更養(yǎng)成學(xué)習(xí)思考問(wèn)題方法的習(xí)慣;從固體學(xué)科到流體學(xué)科是一個(gè)較大的跨越，在跨越的過(guò)程中，使同學(xué)們樹(shù)立終身學(xué)習(xí)意識(shí)，為以后培養(yǎng)同學(xué)們提出、解決林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域?qū)W科前沿性、熱點(diǎn)性問(wèn)題的能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2課程構(gòu)建探討

在“碳達(dá)峰、碳中和”的硬性發(fā)展要求及“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念加速推進(jìn)的浪潮之下，農(nóng)林高校“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生在高等教育系統(tǒng)中的地位不斷提升，所以基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課程構(gòu)建更需獲得與之地位匹配的重視。一方面，基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課課程構(gòu)建要體現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)的深度和廣度;另一方面，內(nèi)容要很好銜接并服務(wù)于核心專(zhuān)業(yè)課、特色專(zhuān)業(yè)課，為學(xué)生后期畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生科研深造做好鋪墊。

2．1課程內(nèi)容深度銜接核心專(zhuān)業(yè)課

“林業(yè)機(jī)械”是南京林業(yè)大學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課，內(nèi)容涵蓋林業(yè)動(dòng)力、整地、清理、苗圃、造林、撫育、保護(hù)、防火、采伐、采摘、智能化等機(jī)械。其中，和“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課相關(guān)的包括動(dòng)力、清理、保護(hù)、采摘等板塊。林業(yè)動(dòng)力機(jī)械(包括泵、風(fēng)機(jī))涉及“工程熱力學(xué)”中熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，同時(shí)也涉及“工程流體力學(xué)中”可壓縮混合氣體壓強(qiáng)、溫度變化和裝置的動(dòng)力匹配問(wèn)題;林業(yè)清理機(jī)械涉及“工程流體力學(xué)中”不可壓液態(tài)水在管道內(nèi)部的流動(dòng)，在霧化器內(nèi)的流態(tài)分布、出口后霧化粒徑分布等復(fù)雜多相流問(wèn)題，如圖1所示;林業(yè)保護(hù)機(jī)械中噴霧射程、噴霧穿透涉及“工程流體力學(xué)中”可壓縮流體空氣的外部流動(dòng)及耦合風(fēng)場(chǎng)、霧滴的多相流動(dòng)問(wèn)題，如圖2所示;林業(yè)采摘機(jī)械中，基于負(fù)壓的采摘系統(tǒng)涉及可壓縮流體空氣的管內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題。從銜接核心專(zhuān)業(yè)課的角度來(lái)看，一方面，農(nóng)林類(lèi)高校“熱工基礎(chǔ)及流體力學(xué)”這門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程應(yīng)該深耕“工程熱力學(xué)”和“工程流體力學(xué)”，而“工程流體力學(xué)”應(yīng)該是重點(diǎn)中的重點(diǎn);另一方面，也好兼顧課程內(nèi)容的完整性，“傳熱學(xué)”也要適度調(diào)整。

2．2匹配三大板塊關(guān)系，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)

建議協(xié)調(diào)、平衡三大板塊的課時(shí)占比，同時(shí)明晰課程內(nèi)容的內(nèi)在邏輯關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)。在“工程熱力學(xué)”(熱能的間接應(yīng)用)板塊中，我們將實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的媒介稱(chēng)之為“工質(zhì)”，媒介一般是“單一氣體”或者“混合氣體”，熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)及理想氣體的熱力過(guò)程等課程內(nèi)容和專(zhuān)業(yè)核心課程林業(yè)機(jī)械吻合度較好。“工程流體力學(xué)”中，對(duì)流體的終結(jié)性定義是“抓不起來(lái)的物體”，一般性的定義是“氣體和液體”的總稱(chēng)，但課程內(nèi)容中流體基本概念的鋪墊、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)及黏性流體等課程內(nèi)容都是基于不可壓的液體，同為流體，但氣體和液體的性質(zhì)及研究重點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)，“氣體”這種流體相關(guān)課程內(nèi)容的缺失為后續(xù)專(zhuān)業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)帶來(lái)很大知識(shí)結(jié)構(gòu)缺陷。“傳熱學(xué)”(熱能的直接應(yīng)用)中，對(duì)導(dǎo)熱、對(duì)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(yīng)用等課程內(nèi)容做了比較詳細(xì)的講解，但是后續(xù)專(zhuān)業(yè)核心課程對(duì)傳熱學(xué)中的知識(shí)需求很少，僅僅在脈動(dòng)燃燒技術(shù)這一研究領(lǐng)域有所涉及。總體來(lái)看，不管是“工程熱力學(xué)”中的“工質(zhì)”，還是“工程流體力學(xué)”中的“氣體”，再或者“對(duì)流換熱”中的“流體”，其中“氣體”是課程的“最大公約數(shù)”，也是和林業(yè)機(jī)械這一專(zhuān)業(yè)核心課程相關(guān)的“最大公約數(shù)”。鑒于此，“工程熱力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容總體上可以維持不變，部分章節(jié)可以簡(jiǎn)化，不重要的知識(shí)點(diǎn)減少不必要的推導(dǎo)，側(cè)重理論、公式概念的理解和應(yīng)用，這樣可省出一部分課時(shí)。總課時(shí)不變的情況下可以合理縮減“傳熱學(xué)”的課時(shí)，對(duì)輻射傳熱只做一般性介紹;考慮到相似原理在流體力學(xué)的試驗(yàn)研究中也有重要應(yīng)用，可以在這里對(duì)相似準(zhǔn)則進(jìn)行深入講解，省出較多課時(shí)。將“工程流體力學(xué)”放在最突出的位置，省出來(lái)的課時(shí)分配給這一部分;增加可壓縮流體“漩渦勢(shì)流理論”“相似理論中的量綱分析法”、包括氣體動(dòng)力學(xué)中“擾動(dòng)在外空間流場(chǎng)中的傳播”及“管內(nèi)氣體的流動(dòng)”等內(nèi)容，以匹配林業(yè)機(jī)械核心專(zhuān)業(yè)課。

2．3樹(shù)立自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)意識(shí)

目前，流體力學(xué)板塊中關(guān)于可壓縮流體的課程內(nèi)容匱乏，教學(xué)中會(huì)鼓勵(lì)同學(xué)們?cè)贛OOC上尋找優(yōu)秀資源進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，使同學(xué)們樹(shù)立自主學(xué)習(xí)意識(shí)。通過(guò)工程流體力學(xué)板塊，我們?cè)隗w力學(xué)的范疇內(nèi)將研究運(yùn)動(dòng)的方法由拉格朗日法提升到歐拉法，這是一個(gè)顯著的改變，也是重要的進(jìn)步，通過(guò)這一步，有助于培養(yǎng)同學(xué)們的終身學(xué)習(xí)意識(shí)。