導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

[關(guān)鍵詞]流體動(dòng)力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 考核方式 改革 橋梁作用

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）06-0117-02

流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展動(dòng)力是生產(chǎn)的發(fā)展和需要，它的任務(wù)就是解決科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的有關(guān)流體流動(dòng)的問(wèn)題。因此，流體動(dòng)力學(xué)涉及的技術(shù)部門(mén)較多，除了航空、水利之外，還涉及機(jī)械、動(dòng)力、航海、冶金、建筑、環(huán)境等技術(shù)部門(mén)。[1]同樣，流體動(dòng)力學(xué)作為高等學(xué)校一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論課程，所涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域也較多，對(duì)各專(zhuān)業(yè)的多門(mén)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都有著重要的影響。流體動(dòng)力學(xué)具有理論不易掌握、概念多而抽象、難以理解、易混淆、對(duì)高等數(shù)學(xué)知識(shí)要求高等特點(diǎn)。如果學(xué)生的高等數(shù)學(xué)知識(shí)薄弱，更容易造成“教師難教，學(xué)生難學(xué)”的現(xiàn)象。[2] [3]國(guó)內(nèi)外學(xué)者在流體動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)方法改革方面做了較多的探討和研究。[4] [5] [6] 而且，流體動(dòng)力學(xué)理論性較強(qiáng)，但并非純理論課程，它與工程實(shí)際是息息相關(guān)的?；诖?，筆者根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)教學(xué)、設(shè)計(jì)及科研經(jīng)驗(yàn)，就流體動(dòng)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及考核方法方面的改革進(jìn)行了研究。

針對(duì)流體動(dòng)力學(xué)課程的特點(diǎn)以及教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，本文首先明確了流體動(dòng)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及考核方法改革的目標(biāo)：各高校應(yīng)該根據(jù)自身辦學(xué)等條件，注意優(yōu)化整合教學(xué)資源，注重理論教學(xué)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法手段、考核方式方面，應(yīng)在一定程度上突出學(xué)生的主體作用，建立良好教學(xué)氛圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、積極創(chuàng)新的思想和素質(zhì)，真正使流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程起到從基礎(chǔ)理論到工程實(shí)際應(yīng)用的橋梁作用，為學(xué)生后續(xù)的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）理論教學(xué)內(nèi)容

在理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，可以將理論教學(xué)內(nèi)容分為基本理論模塊、專(zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)模塊、理論拓展模塊、創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊四個(gè)模塊。這四個(gè)模塊分別具有以下的含義：

（1）基本理論模塊：由流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程中最基本的理論、技能構(gòu)成，具有通識(shí)性。

（2）專(zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)模塊：由流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程中與專(zhuān)業(yè)直接關(guān)聯(lián)內(nèi)容，或者與后續(xù)的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)的，利用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問(wèn)題的理念和方法構(gòu)成，是體現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程，起到從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用橋梁作用的主要模塊。

（3）理論拓展模塊：由流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程中與本專(zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小，但是概念更抽象、難度更大，有利于拓寬學(xué)生知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力的內(nèi)容構(gòu)成。

（4）創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊：由流體動(dòng)力學(xué)這門(mén)課程中有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的思維、創(chuàng)新的技能、創(chuàng)新的理論研究方法，甚至有利于人文素質(zhì)教育的內(nèi)容構(gòu)成。

模塊的劃分應(yīng)細(xì)化到每一個(gè)章節(jié)，并且明確在每個(gè)章節(jié)的權(quán)重，這樣可使教師明確地把握每一個(gè)章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)。同時(shí)，學(xué)生也能夠掌握每一個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。如果學(xué)生在某一章節(jié)學(xué)習(xí)上出現(xiàn)問(wèn)題，教師和學(xué)生能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)是在哪個(gè)模塊上出現(xiàn)了問(wèn)題，這有利于教師及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方法，學(xué)生及時(shí)改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，及時(shí)解決問(wèn)題，不至于出現(xiàn)問(wèn)題堆積，影響學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)的情況。而且，我們也應(yīng)注意到，針對(duì)教材而言，每一章節(jié)的內(nèi)容與內(nèi)容之間都有著承上啟下、相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，當(dāng)然，各章節(jié)之間也有一定聯(lián)系，在理論以及涉及的概念的深度方面也是逐步遞增的。因此，在講授過(guò)程中，還應(yīng)注意同一內(nèi)容多模塊化，以及模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，明確模塊之間的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，而不能將模塊孤立化，往往造成只見(jiàn)樹(shù)木、不見(jiàn)森林的不良后果，使學(xué)生對(duì)每一部分的內(nèi)容都了解得透徹，但由于不了解相互之間的關(guān)系，從而限制本課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的理論拓展。例如：在講授“描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法”的過(guò)程中，涉及兩個(gè)內(nèi)容：拉格朗日法和歐拉法?；诒疚牡慕虒W(xué)內(nèi)容模塊化思想，其模塊化形式如圖1所示：

圖1 模塊構(gòu)建示意圖

從圖中可以看到，“拉格朗日法”內(nèi)容構(gòu)成基本理論模塊，而“歐拉法”內(nèi)容具有兩種模塊形式：基本理論模塊和創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊。其構(gòu)成的原因有：（1） “歐拉法”不研究個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算，它是流體動(dòng)力學(xué)理論研究和工程應(yīng)用的基礎(chǔ);（2） “歐拉法”的提出是創(chuàng)新思想的體現(xiàn)，因?yàn)樗搅顺Ｒ?guī)的描述固體運(yùn)動(dòng)的思維方法，“歐拉法”是基于“拉格朗日法”的換位思考，而它的意義卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了“拉格朗日法”。在這部分內(nèi)容的講授中，要注意模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，明確“拉格朗日法”與 “歐拉法”的關(guān)系，使學(xué)生能深入地理解“歐拉法”的思想以及相關(guān)的概念，為課程后續(xù)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。另一方面，可以針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)，借助“歐拉法”的換位思考法，起到培養(yǎng)學(xué)生人文素質(zhì)的作用，引導(dǎo)學(xué)生采用換位思考方法，正確地面對(duì)人生的問(wèn)題，使自己的人生觀和道德觀得到升華。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

由于流體動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種，其中實(shí)驗(yàn)是學(xué)生應(yīng)用理論解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步加深對(duì)概念理解的重要環(huán)節(jié)。因此，在流體動(dòng)力學(xué)的理論教學(xué)中，應(yīng)注意融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想?；诖?，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為必做實(shí)驗(yàn)?zāi)K、選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K三個(gè)模塊。這三個(gè)模塊分別具有以下的含義：

（1）必做實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由傳統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

（2）選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，或者與流體動(dòng)力學(xué)課程相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

（3）自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

其中，在選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)施過(guò)程中，關(guān)鍵是注意了解學(xué)校與流體動(dòng)力學(xué)課程相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和主要的科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。針對(duì)大部分高?，F(xiàn)有的條件，在自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)施過(guò)程中具有一定的難度，但是可考慮利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“虛擬實(shí)驗(yàn)”，或者采用針對(duì)個(gè)別學(xué)生實(shí)施這部分實(shí)驗(yàn)，然后再增加學(xué)生人數(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)?zāi)K的教學(xué)。

二、教學(xué)方法手段

理論教學(xué)過(guò)程中以多媒體教學(xué)手段為主，多媒體課件的制作應(yīng)結(jié)合本課程的教學(xué)規(guī)律，符合實(shí)際需要，將理論問(wèn)題形象化，并注意將理論教學(xué)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)值模擬的思想。

例如，“雷諾實(shí)驗(yàn)”這部分內(nèi)容的理論教學(xué)中，多媒體的制作可采用動(dòng)畫(huà)的形式演示實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程和結(jié)果，將層流和紊流兩種流態(tài)形象地表現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，可以借助實(shí)際工程中的數(shù)值模擬結(jié)果，更形象地反映這兩種流態(tài)的特點(diǎn)和工程實(shí)際的應(yīng)用。這樣既說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬之間相輔相成，又將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)值模擬的思想融入理論教學(xué)中，由此起到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力的作用。

三、考核方式方法

由于考核的目的在于助學(xué)和改進(jìn)教學(xué)方法。因此，本課程的考核應(yīng)在一定程度能夠發(fā)揮學(xué)生的主體作用，這樣有利于良好教學(xué)氛圍的營(yíng)造，有利于師生雙向的交流。具體的考核方式有多種，綜合的考核方式應(yīng)該更合理，但操作起來(lái)也更復(fù)雜，可以采用先試點(diǎn)后鋪開(kāi)的途徑。目前，大多數(shù)高校主要采用平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)綜合考核的方法。平時(shí)成績(jī)通常包括考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)。平時(shí)成績(jī)的考核應(yīng)是考核中最重要的內(nèi)容，它是教師及時(shí)了解學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)狀況、把握教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。其中作業(yè)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和要求是不可忽視的，例如，可以采用必做題、選做題，不是盲目地采用題海戰(zhàn)術(shù)，這有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)使學(xué)生對(duì)每一章節(jié)的學(xué)習(xí)有的放矢。對(duì)作業(yè)中的解題步驟和圖的繪制都應(yīng)該有明確的要求，這樣有利于工程師卓越素質(zhì)的培養(yǎng)?？傊綍r(shí)成績(jī)的考核注重調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)工程師卓越素質(zhì)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用知識(shí)分析問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，在考核內(nèi)容設(shè)計(jì)方面應(yīng)該是考核目的的體現(xiàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

流體動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)是非常重要的，作為一名優(yōu)秀的教師，應(yīng)該在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，不斷地總結(jié)、反思所授的課程，而且要注意針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)，不斷改進(jìn)和完善教學(xué)方法，幫助學(xué)生學(xué)好課程，同時(shí)還應(yīng)起到育人的作用。

[ 注 釋 ]

[1] 莫乃榕.工程流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[2] 閔春華.流體力學(xué)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)[J].消費(fèi)導(dǎo)刊，2009（18）：199.

[3] 吳光林.《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革的思考[J].科技信息（科技教研），2008（14）：172-173.

[4] 于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].裝備與制造技術(shù)，2011（11）：205-207.

[5] 王峰，王宏燕.建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)《流體力學(xué)》課程的教學(xué)改革[J].中國(guó)建設(shè)教育，2008（10）：12-12.

[6] 周滔.熱能動(dòng)力專(zhuān)業(yè)《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》課程改革的基本思路[J].電力職業(yè)技術(shù)學(xué)刊，2009（4）：41-42.

[收稿時(shí)間]2014-12-28

篇2

基礎(chǔ)研究往往需要經(jīng)歷從原理到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)實(shí)現(xiàn)再到工業(yè)化產(chǎn)品的漫長(zhǎng)過(guò)程，最終才能造就重大創(chuàng)新。作為此次獲得一等獎(jiǎng)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，“纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究”便經(jīng)歷了化繭成蝶的漫長(zhǎng)蛻變。該項(xiàng)目由東華大學(xué)紡織學(xué)院郁崇文教授及其團(tuán)隊(duì)潛心研究16年完成，16年磨一劍，為紡織技術(shù)創(chuàng)新固本強(qiáng)基。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，高速氣流在紡織行業(yè)內(nèi)逐漸得到廣泛應(yīng)用，但業(yè)內(nèi)對(duì)纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究還相對(duì)薄弱，難以為高速氣流技術(shù)的紡織應(yīng)用提供有力的支撐。在這種背景下，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)于1995年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部和上海市等科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。目前，該項(xiàng)目已通過(guò)評(píng)審驗(yàn)收，研究工作的總體水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，形成了數(shù)項(xiàng)自主創(chuàng)新成果，主要表現(xiàn)為以下4 個(gè)方面。

針對(duì)纖維/氣流兩相流動(dòng)中的剛性圓柱桿和橢圓形顆粒模型無(wú)法體現(xiàn)纖維柔性和彈性特征的不足，構(gòu)建與完善了基于柔彈性特征的“珠-桿”鏈?zhǔn)嚼w維模型和基于有限單元法的纖維模型，新模型不僅可合理描述纖維的位置與取向，同時(shí)可有效表征纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等變形情況。

實(shí)現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場(chǎng)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。國(guó)內(nèi)最早采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)紡織工藝中（如噴氣紡紗噴嘴內(nèi)）高速氣流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并通過(guò)激光多普勒（LDV）技術(shù)和同粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)以及高速攝影等實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法進(jìn)行了測(cè)試，獲得的結(jié)果更加真實(shí)、可靠。

揭示了纖維在高速氣流場(chǎng)中的耦合作用特性與運(yùn)動(dòng)變形規(guī)律。采用拉格朗日-歐拉法構(gòu)建了纖維/氣流的耦合動(dòng)力學(xué)模型，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬，獲得了纖維運(yùn)動(dòng)、變形特征及其與高速氣流場(chǎng)的相互作用規(guī)律。

理論成果的應(yīng)用研究。借助基礎(chǔ)研究成果，對(duì)噴氣紡與噴氣渦流紡加捻成紗工藝進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，并研究了氣流噴嘴減少紗線(xiàn)毛羽的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成紗質(zhì)量的預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的紡紗噴嘴；模擬了熔噴聚合物纖維在高速氣流場(chǎng)中拉伸成形過(guò)程，并設(shè)計(jì)出新型熔噴非織造模頭。

篇3

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；空氣動(dòng)力；計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）20-0180-03

流體力學(xué)是人們?cè)诶昧黧w的過(guò)程中逐漸形成的一門(mén)學(xué)科，它起源于阿基米德對(duì)浮力的研究，由于數(shù)理學(xué)科和流體工程學(xué)科相互推動(dòng)而得到發(fā)展[1]?，F(xiàn)如今已經(jīng)成為航空航天、車(chē)輛、機(jī)械、環(huán)境生物等工程學(xué)科的基礎(chǔ)之一。通過(guò)對(duì)流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，結(jié)合汽車(chē)工況，發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用。

汽車(chē)自19世紀(jì)末誕生至今，汽車(chē)工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。當(dāng)今21世紀(jì)科技突飛猛進(jìn)，汽車(chē)工業(yè)已成為與人類(lèi)生活息息相關(guān)的時(shí)代驕子。近年來(lái)，國(guó)家加大交通設(shè)施的投資建設(shè)，高速公路、高架橋等交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)，不僅縮短了城市之間的距離，更極大地改善了人的日常生活。為減少汽車(chē)的能耗、汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性以及改善汽車(chē)的動(dòng)力性，對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)中的安全性、環(huán)保性提出了更高的要求[2]。為此，本文以流體力學(xué)基本理論，對(duì)汽車(chē)行駛時(shí)的空氣阻力、汽車(chē)表面受到的壓力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)力等不可忽視的關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析，探討流體力學(xué)在汽車(chē)研究方面的應(yīng)用。

一、基于流體力學(xué)的汽車(chē)空氣阻力分析

汽車(chē)直線(xiàn)行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱(chēng)為空氣阻力。空氣阻力主要分為摩擦阻力和壓力阻力，期中壓力阻力約占空氣阻力的91%，成為汽車(chē)阻力的主要作用?？諝庾鳛榱黧w，具有粘性，根據(jù)牛頓定律，粘性流體在流動(dòng)過(guò)程中層與層之間存在相互作用，空氣在車(chē)身表面產(chǎn)生的切向力即為摩擦阻力，這是合力在行駛方向的分力；而作用在汽車(chē)車(chē)身表面上的法向壓力的合力稱(chēng)之為壓力阻力，可分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。其中，形狀阻力是壓力阻力的主要部分，并與車(chē)身形狀有直接關(guān)系，是影響空氣阻力的主要因素；干擾阻力是車(chē)身表面凸起物引起的氣流干擾而產(chǎn)生的阻力，只占?jí)毫ψ枇Φ?4%；內(nèi)循環(huán)阻力（12%）是空氣流經(jīng)車(chē)體內(nèi)部時(shí)構(gòu)成的阻力；誘導(dǎo)阻力（7%）也叫壓差力，是由于流經(jīng)車(chē)頂?shù)臍饬魉俣却笥诹鹘?jīng)車(chē)底的氣流速度，使得車(chē)底的空氣壓力大于車(chē)頂，從而空氣作用在車(chē)身上的垂直方向的壓力形成壓力差[3，4]，如圖1所示。

空氣阻力是影響燃油消耗的重要因素。最大限度地減小整車(chē)空氣阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同時(shí)也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。因此，減小空氣阻力主要依賴(lài)于空氣阻力系數(shù)的減小[4]。目前，汽車(chē)空氣阻力的計(jì)算或仿真多以流體仿真為基礎(chǔ)，從動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)，利用相應(yīng)的物理模型，建立相關(guān)流體運(yùn)動(dòng)模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來(lái)，PowerFLOW分析軟件是汽車(chē)行業(yè)中空氣動(dòng)力學(xué)的重要工具。利用此軟件可以分析整車(chē)的總體空氣阻力數(shù)據(jù)外，也可以充分利用流場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究環(huán)繞整個(gè)車(chē)身的空氣流體動(dòng)力學(xué)行為，研究阻力的細(xì)化、量化等，以此來(lái)指導(dǎo)汽車(chē)設(shè)計(jì)并優(yōu)化[5]。

二、基于流體力學(xué)的汽車(chē)表面壓力分析

汽車(chē)行駛時(shí)，前方氣流首先與車(chē)身前部作用，使氣流受阻，降低速度，在氣流壓力作用下，車(chē)頭前部形成一個(gè)正壓區(qū)，汽車(chē)周?chē)膲簭?qiáng)分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股，一部分通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、駕駛室頂向后流去；另一部分，通過(guò)車(chē)身下部，向車(chē)尾流去，如圖2 b）中所示。流向上方的這股氣流在流經(jīng)車(chē)頭上緣時(shí)，由于緣角半徑相對(duì)較小，氣流來(lái)不及轉(zhuǎn)折，導(dǎo)致局部分離，所以在上緣角附近存在很大的吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上。

傳統(tǒng)的汽車(chē)外形設(shè)計(jì)、壓力分析等以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究為主，實(shí)驗(yàn)成本極高[4，6]，對(duì)汽車(chē)外形的氣動(dòng)特性研究十分困難。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，以計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展為基礎(chǔ)，是流體力學(xué)理論分析、計(jì)算科學(xué)及數(shù)值計(jì)算方法共同發(fā)展的產(chǎn)物。伴隨著CFD方法的不斷發(fā)展、進(jìn)步，利用CFD軟件分析汽車(chē)氣動(dòng)性能成為可能。采用這一軟件對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，能夠較為精確地分析汽車(chē)三維外流場(chǎng)，準(zhǔn)確的研究汽車(chē)表面壓力，可以幫助工程技術(shù)人員直觀、深入地分析汽車(chē)氣動(dòng)特性；更重要的是相對(duì)于實(shí)驗(yàn)分析，CFD軟件研究可以縮短汽車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)周期、降低成本。

三、基于流體力學(xué)在氣動(dòng)升力分析中的應(yīng)用

汽車(chē)氣動(dòng)升力的來(lái)源與機(jī)翼類(lèi)似，由于汽車(chē)是在地面上行駛，地面效應(yīng)是影響汽車(chē)氣動(dòng)升力的重要因素。汽車(chē)氣動(dòng)升力包括壓差升力和粘性升力，其中壓差升力占主要部分。壓差升力一方面是由于汽車(chē)上下表面曲率不同，形成上下表面壓差產(chǎn)生；另一方面是由于地面效應(yīng)，汽車(chē)底部和地面之間形成了一個(gè)類(lèi)似于漸縮噴管的氣流通道，使得汽車(chē)底部形成負(fù)升力。

研究表明，當(dāng)汽車(chē)速度超過(guò)70km/h，車(chē)身所受的氣動(dòng)力成為影響汽車(chē)性能的主要因素之一[7]。汽車(chē)在行駛中，氣動(dòng)升力隨車(chē)速的提高，對(duì)汽車(chē)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。氣動(dòng)升力的存在降低了汽車(chē)輪胎對(duì)地面的壓力，影響了汽車(chē)的動(dòng)力性和制動(dòng)性能；同時(shí)，氣動(dòng)升力的存在降低了輪胎的側(cè)向附著力和側(cè)偏剛度，從而影響了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性[8]。

當(dāng)汽車(chē)高速行駛時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)汽車(chē)各性能的影響占主要地位。隨著汽車(chē)速度的增加，汽車(chē)的滾動(dòng)阻力受氣動(dòng)升力的影響逐漸減小；而汽車(chē)的氣動(dòng)阻力則隨著車(chē)速的增加迅速提高。研究表明，當(dāng)汽車(chē)車(chē)速為70km/h左右時(shí)，汽車(chē)所受的氣動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力幾乎相同。當(dāng)汽車(chē)車(chē)速大于150km/h后，所受的氣動(dòng)阻力是滾動(dòng)阻力的2―3倍。顯然，汽車(chē)高速行駛時(shí)，氣動(dòng)升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全，對(duì)高速行駛時(shí)的氣動(dòng)升力提出了更高的要求[9]。

空氣作為汽車(chē)受力分析中的主要流體，在流過(guò)汽車(chē)車(chē)身的整個(gè)過(guò)程都受流體質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等流體力學(xué)的支配。計(jì)算流體力學(xué)就是通過(guò)這些基本的控制方程來(lái)分析汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)中空氣的運(yùn)動(dòng)。在理論方面，對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力的研究是根據(jù)伯努利提出的“路徑理論”為基礎(chǔ)進(jìn)行分析[10]，這一理論基礎(chǔ)便是流體動(dòng)力學(xué)，理論中要充分考慮雷諾數(shù)、流態(tài)等基本流體動(dòng)力學(xué)要素；在數(shù)值計(jì)算上，也主要是基于氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的流體模型進(jìn)行分析。當(dāng)今社會(huì)，車(chē)輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車(chē)速度越來(lái)越快，所以解決高速行駛時(shí)發(fā)飄的問(wèn)題是非常有必要而且是保障駕駛安全的重要舉措。

四、流體力學(xué)在氣動(dòng)側(cè)力分析中的作用

危險(xiǎn)不一定來(lái)自背后，危險(xiǎn)也會(huì)來(lái)自側(cè)面。在高速下發(fā)生的交通事故，除了氣動(dòng)升力的作用外，還有相當(dāng)一部分是由于氣動(dòng)側(cè)力的作用。當(dāng)氣流與汽車(chē)的縱對(duì)稱(chēng)面平行時(shí)，是不存在氣動(dòng)側(cè)向力的。但在汽車(chē)實(shí)際行駛中，氣流不會(huì)總是與汽車(chē)的縱對(duì)稱(chēng)面平行，當(dāng)氣流與汽車(chē)存在橫偏角時(shí)，汽車(chē)都會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)側(cè)向力。也就是說(shuō)側(cè)向力的來(lái)源就是由于受到了側(cè)向氣流的作用。在實(shí)際h境中側(cè)向來(lái)流的來(lái)源比較復(fù)雜，如自然界陣風(fēng)、汽車(chē)駛過(guò)大橋、車(chē)輛超車(chē)等情況。

氣動(dòng)側(cè)力對(duì)汽車(chē)性能影響的研究是一個(gè)較廣泛的領(lǐng)域，而且對(duì)汽車(chē)主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車(chē)受側(cè)向風(fēng)時(shí)，在車(chē)身側(cè)板處就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流。這一氣流的存在不但破壞了駕駛室與車(chē)身之間正常的小渦流狀態(tài)，而且還會(huì)形成旋渦稠密氣流區(qū)，增大車(chē)身正前方的阻力，使汽車(chē)相對(duì)原直線(xiàn)行駛方向發(fā)生偏移，造成潛在危險(xiǎn)[12]，因此，氣動(dòng)側(cè)力也是汽車(chē)設(shè)計(jì)中必須分析的一個(gè)重要因素之一。

自然界中的側(cè)向風(fēng)變化非常復(fù)雜，側(cè)風(fēng)的方向、波長(zhǎng)的變化等都對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響，所以氣動(dòng)側(cè)力的分析相對(duì)更加復(fù)雜。采用復(fù)雜的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法可以對(duì)側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，但利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)汽車(chē)遇到側(cè)風(fēng)的復(fù)雜工況是非常困難的。而采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法研究瞬態(tài)側(cè)風(fēng)是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態(tài)變化信息，可對(duì)實(shí)際行駛過(guò)程中的汽車(chē)氣動(dòng)性能進(jìn)行更深入的研究[13]。

五、結(jié)語(yǔ)

流體力學(xué)相關(guān)理論及對(duì)應(yīng)的軟件在汽車(chē)研究設(shè)計(jì)中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，不但可以節(jié)約成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，相關(guān)軟件的使用也使設(shè)計(jì)更科學(xué)、安全、環(huán)保和人性化。現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)中，車(chē)輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車(chē)速度越來(lái)越快，空氣阻力是影響車(chē)輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等汽車(chē)性能的重要影響因素，汽車(chē)的安全性能是當(dāng)今人們高質(zhì)量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學(xué)在汽車(chē)空氣阻力、壓力、氣動(dòng)力等方面的應(yīng)用來(lái)提高車(chē)輛各方面的性能。流體力學(xué)與汽車(chē)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)的交叉，將對(duì)汽車(chē)實(shí)車(chē)造型與分析評(píng)價(jià)產(chǎn)生重大影響，逐漸成為汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)的主要理論知識(shí)。

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篇4

【關(guān)鍵詞】理想流體 伯努利方程 穩(wěn)定流動(dòng)

一、概述

伯努利方程是理想流體作穩(wěn)定流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，意為流體在忽略粘性損失的流動(dòng)中，流管中任意截面位置處的動(dòng)壓和靜壓之和為一個(gè)常量。這個(gè)理論是由瑞士數(shù)學(xué)家D.（Bernoulli，Daniel）在1738年提出的，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為伯努利原理。后人又將重力場(chǎng)中歐拉方程在定常流動(dòng)時(shí)沿流線(xiàn)的積分稱(chēng)為伯努利積分，將重力場(chǎng)中無(wú)粘性流體定常絕熱流動(dòng)的能量方程稱(chēng)為伯努利定理。這些統(tǒng)稱(chēng)為伯努利方程，是流體動(dòng)力學(xué)基本方程之一。

對(duì)于重力場(chǎng)中的不可壓縮均質(zhì)流體，伯努利方程為：

式中p、ρ、v分別為流管中任一截面處流體的壓強(qiáng)、密度以及流速；h為截面所處的高度；g重力加速度。

從能量的角度來(lái)理解伯努利方程，則上式等式左邊從左向右依次表示為單位體積流體的壓強(qiáng)能、動(dòng)能和重力勢(shì)能，在沿流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，總和保持不變，即總能量守恒。顯然，二、推導(dǎo)思路及注意的問(wèn)題

（一）推導(dǎo)思路

從作功和能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系出發(fā)，結(jié)合圖1，假設(shè)流體從左往右流（圖1所示為從下往上）對(duì)伯努利方程的推導(dǎo)思路總結(jié)如下：

1.首先，需要對(duì)研究對(duì)象（一段流體）進(jìn)行受力分析，如果用功能原理來(lái)推導(dǎo)，則重力當(dāng)成是內(nèi)力不需考慮，但若用動(dòng)能定理來(lái)推導(dǎo)的話(huà)，則需要考慮重力，它是屬于外力范疇的。很明顯，除了重力以外，流體還受到了來(lái)自周?chē)黧w或管壁的壓力及前后流體的壓力作用。

2.接著在1的基礎(chǔ)上，再對(duì)各力的作功情況進(jìn)行分析，即在所有的外力中，哪些力是作功的，哪些是不作功的，由于功是有正負(fù)之分的，所以在作了功的外力中，還要分清楚哪些力是作正功的，哪些是作負(fù)功的。在圖1中，重力作負(fù)功，周?chē)蚬鼙谒┑膲毫Υ怪庇诹鞴艿膫?cè)面，因此是不作功的；來(lái)自后面流體的壓力起到推動(dòng)流體往前流動(dòng)的作用，因此作正功，而前面流體起到阻礙流動(dòng)的作用，因此其施加的壓力在流動(dòng)的過(guò)程中是作負(fù)功的。

3.接著在完成步驟2后，把每個(gè)外力作功的結(jié)果用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來(lái)，即可得出“凈功Δw”，注意它是所有外力所作功的“代數(shù)和”。

4.根據(jù)功能原理或動(dòng)能定理寫(xiě)出最后的結(jié)果。

（二）需注意的一些問(wèn)題

1.我們?cè)诶硐肓黧w流動(dòng)的空間中取出一段流管，為什么假設(shè)流體是從下往上流而不是從上往下流的呢？因?yàn)槿绻〕蓮纳贤铝鞯脑?huà)，很明顯，由于流體是理想流體，在流動(dòng)的過(guò)程中，流體之間是不存在摩擦力的，這樣勢(shì)必會(huì)存在一個(gè)往下的加速度，從而使得流體加速流動(dòng)，也就是說(shuō)，這樣的結(jié)果是為：不能保證在同一個(gè)位置不同的流體粒子前后不同時(shí)刻經(jīng)過(guò)該位置時(shí)，保持流速是不變的。換句話(huà)說(shuō)，這樣的流動(dòng)并不是穩(wěn)定流動(dòng)。

2.運(yùn)用動(dòng)能定理的時(shí)候要注意，Δw=Ek2-Ek1，其中（Ek2-Ek1）表示的是該段流體末初兩狀態(tài)的動(dòng)能差，圖中所示的v2和v1分別表示的是y和x這兩個(gè)位置處的截面處的平均流速，它們不能代表整段研究流體的總的末初兩態(tài)的平均流速，所以不能直接利用動(dòng)能的定義式 來(lái)表示該段流體所具有的初末兩態(tài)的動(dòng)能。但是（Ek2-Ek1）最終寫(xiě)成與 是相等時(shí)，而這里的m則表示的不是整段流體的質(zhì)量，而僅表示為xx′或yy′段流體的質(zhì)量，這兩段流體的質(zhì)量和體積都是相等的。

3.圖中所示的h1和h2表示的是x和y兩個(gè)位置截面所處的高度，它們并不能代表所研究的這段流體的初態(tài)和末態(tài)的重心高度。所以寫(xiě)重力作功表達(dá)式的時(shí)候得注意，不能直接利用重力勢(shì)能的定義式mgh來(lái)表示初末態(tài)的重力勢(shì)能。但重力所做的功的最終結(jié)果表示為（mgh1-mgh2），這里的m與上2中的意思相同。

三、結(jié)束語(yǔ)

伯努利方程在流體動(dòng)力學(xué)中非常重要，雖然它的對(duì)象是針對(duì)理想流體的，是理想流體就需滿(mǎn)足兩個(gè)絕對(duì)化的條件：①絕對(duì)不可壓縮；②完全沒(méi)有粘性。而對(duì)于實(shí)際的流體而言，并不完全滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件，但是在壓縮性和粘性都很小的情況下，實(shí)際的液體或氣體可近似看成是理想流體，當(dāng)它們作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，伯努利方程同樣是可以用來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。文章針對(duì)伯努利方程的推導(dǎo)思路進(jìn)行了分析總結(jié)，并從細(xì)節(jié)方面對(duì)需注意的地方進(jìn)行了探討。

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篇5

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)理念；內(nèi)容調(diào)整；教學(xué)方法；教學(xué)改革

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?？偟膩?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(xiàn)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.

[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.

篇6

[關(guān)鍵詞]混合時(shí)間 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬 攪拌槳

中圖分類(lèi)號(hào)：F426.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）07-0292-01

1.模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法對(duì)液體的混合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬[1]，研究混合池內(nèi)混合液的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)與混合時(shí)間。利用FLUENT軟件中標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon雙方程模型對(duì)均勻轉(zhuǎn)速為300r/min攪拌槳混合由無(wú)機(jī)相與有機(jī)相組成的混合液的混合時(shí)間進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析層間距為131mm，133mm，135mm，137mm，139mm，141mm，143mm，145mm，147mm，151mm時(shí)混合池內(nèi)液體的混合時(shí)間，確定混合時(shí)間最短時(shí)的層間距。攪拌槳如圖1所示的雙層槳葉結(jié)構(gòu)，底層槳葉距混合池底部為40cm，上層平直槳葉長(zhǎng)150mm，高70mm，厚度8mm，底層圓直徑140mm，軸直徑40mm，混合池的有效容積為150L。

2.模擬的方法

2.1 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用FLUENT中的兩相流模型，以水作為無(wú)機(jī)相與萃取劑P507作為有機(jī)相組成混合液模擬混合過(guò)程。P507是一種酸性磷型萃取劑，為無(wú)色或油狀透明液體，分子式是（C8H17）2HPO3，分子量為306.4，燃點(diǎn)為228 C，低毒，密度（20C）=（930～960）kg/m3，粘度=36±3mPa.s。將整個(gè)模型計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的槳葉區(qū)域和靜止的槳外區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格單元（Elements）為T(mén)et/Hybrid，劃分方式（Type）為T(mén)Grid（四面體混合網(wǎng)格），槳葉區(qū)的網(wǎng)格間距大?。↖nterval size）為13mm，槳外區(qū)的為26mm。整個(gè)混合池的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 加入示蹤劑

模擬計(jì)算時(shí)通過(guò)測(cè)量某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示蹤劑濃度值達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所用的時(shí)間來(lái)表示混合時(shí)間。用FLUENT模擬計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，目前的計(jì)算方法有兩種[2]：一種方法是在非穩(wěn)態(tài)下同時(shí)求解所有的數(shù)值方程，這種方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，占用內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間大；另一種方法是將動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程分開(kāi)單獨(dú)求解。這兩種方法雖然計(jì)算過(guò)程有所不同，但所得到的結(jié)果卻是一致的，本文考慮到第二種方法可以大大地縮短計(jì)算時(shí)間，所以采用第二種方法。具體的做法是：首先在穩(wěn)態(tài)下解算流動(dòng)場(chǎng)方程，待流動(dòng)場(chǎng)穩(wěn)定后，再鎖定動(dòng)量、湍流變量等數(shù)值方程，單獨(dú)求解濃度場(chǎng)方程。一般情況下選取能與水互溶的NaCl或KCl[3]作為示蹤劑，本文選取NaCl作為示蹤劑。

2.3 條件與模型的設(shè)置

確定好示蹤劑的加入點(diǎn)位置后，就可定義示蹤劑的初始濃度，利用FLUENT軟件初始化功能中的打補(bǔ)丁功能（Patch）。具體的做法是：定義球體內(nèi)示蹤劑初始濃度值為1，定義混合池內(nèi)其余位置示蹤劑濃度值為0。檢測(cè)某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示蹤劑濃度值變化，混合時(shí)間為當(dāng)濃度值達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所用的時(shí)間。

模擬混合過(guò)程時(shí)還要啟用FLUENT軟件中的物質(zhì)傳遞模型（Species Model），激活組分運(yùn)輸項(xiàng)（Species Transport）計(jì)算示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化，進(jìn)行單純的混合時(shí)不激活反應(yīng)項(xiàng)（Reactions）。

2.4 收斂殘差設(shè)置

在解算方程時(shí)，用殘差表示模擬計(jì)算得到的近似值與精確值之間的誤差，根據(jù)需要，設(shè)置示蹤劑濃度的收斂殘差為10-5。

設(shè)置好收斂殘差后就可設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)混合過(guò)程模擬的需要選擇合適得到時(shí)間步長(zhǎng)以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，步長(zhǎng)太大會(huì)導(dǎo)致解算方程不收斂，太小則占內(nèi)存且計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。有許多學(xué)者的研究結(jié)果表明，時(shí)間步長(zhǎng)與攪拌槳轉(zhuǎn)速及混合液流動(dòng)的循環(huán)時(shí)間有關(guān)，并且與攪拌槳轉(zhuǎn)速的倒數(shù)存在一定的比例關(guān)系，一般小于轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1/10[4]。本次模擬混合過(guò)程時(shí)攪拌槳的轉(zhuǎn)速是300r/min，因此時(shí)間步長(zhǎng)取0.0002s。

3.結(jié)果分析

3.1層間距改變時(shí)混合時(shí)間比較

液體的混合過(guò)程是在完全湍流狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)制擴(kuò)散過(guò)程，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌槳葉輪把機(jī)械能傳遞給混合液，使混合液發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制擴(kuò)散由三個(gè)過(guò)程組成：主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散。轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪帶動(dòng)液體形成全池范圍內(nèi)的“宏觀流動(dòng)”稱(chēng)為主體對(duì)流擴(kuò)散。高速流動(dòng)的液體通過(guò)靜止或者速度比其較低的液體時(shí)，使分界面上的液體受到強(qiáng)烈的剪切，導(dǎo)致這部分液體速度變化非?？?，形成大量的漩渦迅速向周?chē)鷶U(kuò)散，即渦流擴(kuò)散。主體對(duì)流擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散都不能使液體達(dá)到完全意義上分子的均勻混合，只有分子擴(kuò)散才能使液體達(dá)到完全混合均勻的狀態(tài)。

表1給出了攪拌槳不同層間距時(shí)在底部FB加料，P2檢測(cè)時(shí)的混合時(shí)間。層間距的改變直接影響到液體的混合時(shí)間，層間距為141mm時(shí)，示蹤劑擴(kuò)散速率最快，混合時(shí)間最短，由此可以得到本次模擬所用的攪拌槳有一個(gè)對(duì)應(yīng)混合時(shí)間最短的最佳層間距是141mm。需要指出的是，混合時(shí)間只是在特定條件下的模擬值，除了與攪拌槳轉(zhuǎn)速有關(guān)之外還與模擬時(shí)所選的湍流模型、變量的離散方法等有關(guān)，用多重參考系法和標(biāo)準(zhǔn)模型模擬的混合時(shí)間比試驗(yàn)值大20%左右[6]。但是同等條件下的模擬結(jié)果還是能夠反映攪拌槳的混合速率。

4.結(jié)論

本文利用FLUENT中的MRF方法和標(biāo)準(zhǔn)模型模擬研究了雙層槳攪拌池內(nèi)的混合過(guò)程，得到如下結(jié)論：

（1）模擬了10組層間距不同時(shí)雙層槳的混合過(guò)程，模擬結(jié)果表明：層間距不僅能夠影響池內(nèi)液體的流場(chǎng)分布狀態(tài)，而且對(duì)加入的示蹤劑擴(kuò)散速率也有很大影響，也就是說(shuō)直接影響液體的混合時(shí)間。

（2）選取了層間距為131mm和141mm時(shí)的攪拌槳在同一加料點(diǎn)不同時(shí)刻同一時(shí)間點(diǎn)的示蹤劑濃度分布圖，從圖中可以直觀看到示蹤劑在不同時(shí)刻的擴(kuò)散狀態(tài)。對(duì)比同一時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)槳池內(nèi)的濃度分布圖，可以直觀地看到層間距為141mm時(shí)，示蹤劑濃度擴(kuò)散速率更快，混合過(guò)程更迅速。

（3）對(duì)比FLUENT模擬得到的幾組數(shù)據(jù)可知：攪拌槳層間距為141mm時(shí)的混合時(shí)間最短，即最佳層間距為141mm，這個(gè)層間距的攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)液體產(chǎn)生連接流，上下兩層槳葉的干擾最小，液體混合效果最好。

參考文獻(xiàn)

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[5] 毛德明.多層槳攪拌釜內(nèi)流動(dòng)與混合的基礎(chǔ)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，1998

篇7

HyperWorks是Altair公司CAE核心軟件，是一套杰出的企業(yè)級(jí)CAE仿真平臺(tái)解決方案，它整合了一系列一流的工具，包括建模、分析、優(yōu)化、可視化、流程自動(dòng)化和數(shù)據(jù)管理等解決方案，在線(xiàn)性、非線(xiàn)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。作為平臺(tái)技術(shù)，HyperWorks始終遵循開(kāi)放系統(tǒng)理念的承諾，在其平臺(tái)基礎(chǔ)上堅(jiān)持為客戶(hù)提供最為廣泛的商用CAD和CAE軟件交互接口。同時(shí)，Altair獲得專(zhuān)利的按需使用的靈活的軟件授權(quán)模式，為用戶(hù)增加軟件使用的靈活性和投資價(jià)值。

目前，HyperWorks包含的產(chǎn)品模塊主要有：HyperMesh/HyperView/HyperGraphHyper Crash、MotionView、HyperMath、solidThinking、SimLab、RADIOSS、AcuSolve、OptiStruct、HyperStudy、MotionSolve、HyperForm、HyperXtrude等。

1.HyperMesh

HyperMesh是全球知名的頂級(jí)CAE前處理工具，問(wèn)世20多年來(lái)得到不斷的豐富和完善，適應(yīng)日新月異的硬件環(huán)境和日益增長(zhǎng)的模型規(guī)模需求，其開(kāi)放、靈活的特性受到廣泛認(rèn)可。現(xiàn)在，HyperMesh作為市場(chǎng)占有率最大的高端前處理工具，被汽車(chē)、航空航天、鐵道、電子、船舶、重型機(jī)械、包裝和土木工程等眾多行業(yè)認(rèn)可，同時(shí)也為生物醫(yī)學(xué)、納米材料乃至文物保護(hù)等基礎(chǔ)研究科學(xué)提供了杰出的工具。

2.HyperView

HyperView是目前全球圖形驅(qū)動(dòng)速度最快的CAE仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理可視化環(huán)境之一。它擁有全面的圖形處理和數(shù)據(jù)處理功能，可以用于處理有限元分析、多體系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)視頻的結(jié)果可視化，并支持對(duì)實(shí)驗(yàn)及仿真等工程數(shù)據(jù)進(jìn)行各類(lèi)處理。其驚人的三維圖形處理性能和開(kāi)放的接口，為CAE后處理的速度和集成性建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。

3.HyperGraph

HyperGraph是一款非常成熟的數(shù)據(jù)分析和繪圖工具。其強(qiáng)大的工程數(shù)據(jù)分析和處理工具幫助用戶(hù)從海量的仿真或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)中挖掘出最有價(jià)值的信息，并為其提供豐富的可視化報(bào)表。

4.HyperCrash

HyperCrash是一款專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)創(chuàng)建碰撞分析和安全評(píng)估中所需要的高精度模型而設(shè)計(jì)的前處理軟件。通過(guò)流程驅(qū)動(dòng)的工作流和自動(dòng)化的模型檢查和修正工具，提高了安全性仿真部門(mén)的工作效率和仿真結(jié)果的精度，幫助用戶(hù)為最復(fù)雜的碰撞和安全分析建立高質(zhì)量的模型。

5.MotionView

MotionView為分析師和設(shè)計(jì)者們提供了一個(gè)直觀而強(qiáng)大的接口來(lái)研究機(jī)械系統(tǒng)。作為多體動(dòng)力學(xué)仿真市場(chǎng)上唯一的獨(dú)立于求解器的建模環(huán)境，其開(kāi)放系統(tǒng)設(shè)計(jì)幫助最終用戶(hù)簡(jiǎn)化了定制和自動(dòng)化的工作，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化或交互式建模。

6.HyperMath

HyperMath是一個(gè)通用的數(shù)值計(jì)算環(huán)境，使用戶(hù)方便地開(kāi)發(fā)和執(zhí)行定制的數(shù)值操作于不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，包括與CAE前后處理相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。它包含一個(gè)強(qiáng)大的和靈活的編程語(yǔ)言，全面的數(shù)學(xué)和工具庫(kù)，集成的代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)可視化和通用數(shù)據(jù)格式的直接支持。

7.solidThinking

solidThinking是一款專(zhuān)為設(shè)計(jì)師打造的三維設(shè)計(jì)/造型軟件，它幫助用戶(hù)輕松、快速、低成本地探索、評(píng)估新創(chuàng)意。目前它已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品、首飾配飾、產(chǎn)品包裝、家具設(shè)計(jì)、建筑工程等領(lǐng)域。其中Inspire模塊更是面向設(shè)計(jì)工程師的快速概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，其清晰的用戶(hù)界面及優(yōu)異的易用性使得幾乎沒(méi)有CAE背景的工程師可以快速掌握，被行業(yè)稱(chēng)為“綠色設(shè)計(jì)精靈”。

8.SimLab

SimLab是面向工作流程、基于先進(jìn)的特征識(shí)別和映射技術(shù)的有限元建模軟件，可以幫助用戶(hù)快速而精確地模擬復(fù)雜幾何體和復(fù)雜裝配模型的工程行為，減少有限元建模中的人為錯(cuò)誤以及手工創(chuàng)建有限元模型和解釋結(jié)果中的巨大時(shí)間消耗。

9.RADIOSS

RADIOSS是精確而可靠的多學(xué)科求解器，為企業(yè)提品在真實(shí)使用環(huán)境下的性能虛擬仿真，幫助提升產(chǎn)品的剛度、強(qiáng)度、耐用性、NVH特性、碰撞安全性能、可制造性等，并降低物理實(shí)驗(yàn)的成本，提升整體研發(fā)效率和質(zhì)量。RADIOSS融合了線(xiàn)性與非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)有限元求解技術(shù)、多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)和流固耦合仿真技術(shù)。

10.AcuSolve

AcuSolve是一款領(lǐng)先的基于有限元的通用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）求解器。它以超凡的穩(wěn)健性、快速和高精度著稱(chēng)。AcuSolve簡(jiǎn)單的操作界面，方便各層次研發(fā)人員使用，既可作為獨(dú)立的產(chǎn)品使用也可以無(wú)縫集成到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和分析工具中。

11.OptiStruct

OptiStruct于1993年問(wèn)世并在次年即獲得《IndustryWeek》年度技術(shù)獎(jiǎng)，隨后在過(guò)去的近20年中不斷證明了其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域革命性的創(chuàng)新意義。在航空業(yè)，包括Airbus A380、A350、Boeing 787、Dornier 728和F35及國(guó)產(chǎn)商業(yè)飛機(jī)等最新機(jī)型的研發(fā)全部采用了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能提升和減重及復(fù)合材料部件優(yōu)化設(shè)計(jì)。在汽車(chē)、機(jī)械和軌道交通領(lǐng)域，OptiStruct則被廣泛用于輕量化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度提升、降噪和減振。在建筑與土木工程領(lǐng)域，OptiStruct則被用于尋找最佳的結(jié)構(gòu)布局。在電子和消費(fèi)品行業(yè)，其帶來(lái)了更輕便和耐用的產(chǎn)品。

12.HyperStudy

HyperStudy是一個(gè)開(kāi)放的多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)，以其強(qiáng)大的優(yōu)化引擎調(diào)用各類(lèi)FEA、MBD、CFD求解器，甚至Matlab或Excel等非CAE軟件實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的多學(xué)科全局優(yōu)化。其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，上至“Aurora”火星登陸器，下至各類(lèi)快速消費(fèi)品和體育用品。它幫助工程師和設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行“Whatif”研究、對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性研究、優(yōu)化復(fù)雜的多學(xué)科設(shè)計(jì)問(wèn)題以及評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的可靠性和魯棒性。

13.MotionSolve

MotionSolve采用一種新的具有革命性意義的多體動(dòng)力學(xué)表述技術(shù)，代表著新一代的多體動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)。它為分析人員和設(shè)計(jì)者提供了豐富的建模要素，可以用最少的假設(shè)條件準(zhǔn)確地建立復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)模型。

14.HyperForm

HyperForm是功能全面的基于有限元的金屬鈑金沖壓成型和液壓成型仿真工具，其功能涵蓋從工藝過(guò)程設(shè)計(jì)到模具和零件設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

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關(guān)鍵詞：《液壓傳動(dòng)》；教學(xué)；心得體會(huì)

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）53-0202-02

《液壓傳動(dòng)》是機(jī)械工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)該門(mén)課程的掌握情況將直接影響到學(xué)生對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后從事與機(jī)械相關(guān)的工作也有很大的影響，因此，本門(mén)課程在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系中占有特別重要的地位。筆者在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，常常發(fā)現(xiàn)很多學(xué)過(guò)《液壓傳動(dòng)》的學(xué)生對(duì)《液壓傳動(dòng)》的相關(guān)知識(shí)掌握地并不扎實(shí)，甚至有些學(xué)生對(duì)液壓傳動(dòng)的基本概念都不清楚，學(xué)生普遍反應(yīng)《液壓傳動(dòng)》是一門(mén)比較難學(xué)的課程。其實(shí)，《液壓傳動(dòng)》的理論基礎(chǔ)就是流體靜力學(xué)和《流體動(dòng)力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)相對(duì)難理解一些，但本科的《液壓傳動(dòng)》教學(xué)涉及到流體動(dòng)力學(xué)的地方很少，這部分內(nèi)容課堂上一帶而過(guò)即可，流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)就是帕斯卡定律，學(xué)理工的學(xué)生都很容易掌握，所以《液壓傳動(dòng)》應(yīng)該說(shuō)并不難學(xué)，學(xué)生之所以沒(méi)學(xué)好，我認(rèn)為是這門(mén)課程有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即實(shí)踐性強(qiáng)，而學(xué)生恰恰沒(méi)有這方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致理解困難，因而教師在教授這門(mén)課程時(shí)，必須要采用與課程特點(diǎn)相適用的教學(xué)方法才能讓學(xué)生容易理解并提高對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣[1]。下面分享幾點(diǎn)筆者從事多年《液壓傳動(dòng)》課程教學(xué)的心得體會(huì)。

一、講好緒論

緒論這一講開(kāi)好頭，對(duì)后續(xù)的教學(xué)有極大地促進(jìn)作用，在這一講要達(dá)到以下幾點(diǎn)教學(xué)效果：（1）讓學(xué)生掌握液壓傳動(dòng)的基本概念和基本原理；（2）了解液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)、發(fā)展和應(yīng)用；（3）提起學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的興趣。

在講液壓傳動(dòng)的基本概念和原理時(shí)，我首先告訴學(xué)生傳動(dòng)的三種類(lèi)型，即機(jī)械傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)是流體傳動(dòng)的一種，是目前工程實(shí)際普遍應(yīng)用的一種形式，這樣學(xué)生對(duì)本門(mén)課程就有了一個(gè)總體上的概念，然后通過(guò)“液壓千斤頂”這個(gè)簡(jiǎn)單的例子把液壓傳動(dòng)的基本原理講清楚、講透。通過(guò)液壓傳動(dòng)基本原理的講解，引出液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及其發(fā)展和應(yīng)用，特別是在工程機(jī)械、智能機(jī)械等學(xué)生比較熟悉和感興趣的領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，指出機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電液一體化的發(fā)展趨勢(shì)。為了讓學(xué)生了解液壓產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者在課堂上登陸了力士樂(lè)、阿托斯等代表國(guó)際先進(jìn)液壓水平的知名廠商的網(wǎng)站，瀏覽其產(chǎn)品。由于學(xué)生對(duì)工程機(jī)械相對(duì)了解一些，便以工程機(jī)械的行走馬達(dá)、操作閥等關(guān)鍵元件的國(guó)內(nèi)外價(jià)格差距和質(zhì)量差距為例，指出國(guó)內(nèi)與國(guó)外先進(jìn)液壓技術(shù)水平的差距，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

二、注重實(shí)驗(yàn)和聯(lián)系工程實(shí)際

《液壓傳動(dòng)》是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而學(xué)生基本沒(méi)有相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因而在課程教學(xué)中要尤其重視實(shí)驗(yàn)課，注重與科研和實(shí)際的結(jié)合，這樣學(xué)生才能對(duì)所學(xué)內(nèi)容有感性的認(rèn)識(shí)，明白所學(xué)知識(shí)的用途。在講“壓力單位兆帕”時(shí)，為了讓學(xué)生有一個(gè)直觀的概念，給他們看了一個(gè)用10MPa高壓水切割巖石和水泥的實(shí)驗(yàn)照片（如圖1所示），并提醒學(xué)生在以后從事液壓實(shí)際工作時(shí)，要注意安全，切記要先讓系統(tǒng)卸壓再維修。再比如，講“滑閥中位機(jī)能”時(shí)，要讓學(xué)生深刻理解不同種類(lèi)滑閥中位機(jī)能的特點(diǎn)、作用及正確選用，因此舉了一個(gè)滑閥機(jī)能選用不當(dāng)導(dǎo)致液壓元件損壞的例子：學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)大慣量飛輪的液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，馬達(dá)的換向和停止采用一個(gè)三位四通電磁換向閥，做了幾天實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)液壓馬達(dá)漏油嚴(yán)重，剛開(kāi)始還以為是馬達(dá)的質(zhì)量問(wèn)題，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閾Q向閥選了“O”型中位機(jī)能，換向閥由左位或右位打到中位時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出油口被封死，轉(zhuǎn)動(dòng)的大慣量飛輪也被迫停止，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的液壓沖擊，馬達(dá)密封被破壞，發(fā)生了漏油現(xiàn)象。筆者所在學(xué)校――中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的各專(zhuān)業(yè)都有很強(qiáng)的礦業(yè)特色，在講“典型液壓系統(tǒng)”時(shí)，一般都是結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，補(bǔ)充兩個(gè)典型煤礦機(jī)械的液壓系統(tǒng)，以開(kāi)拓學(xué)生的視野，同時(shí)為后續(xù)《采掘機(jī)械》等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)[2]。

上實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生能夠見(jiàn)到液壓元件實(shí)物并自己動(dòng)手操作和驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)的主要途徑，因而要特別重視實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，作為任課教師必須至少要帶一組實(shí)驗(yàn)。為了提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，我要求學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)課前要認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題，在課堂上預(yù)先講解，這樣學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)原理就比較清楚了，否則在實(shí)驗(yàn)課上教師怎么說(shuō)學(xué)生就怎么做，會(huì)使學(xué)生不知其所以然，實(shí)驗(yàn)課的效果就大打折扣了。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生及時(shí)做實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)批改，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中反映出來(lái)的共性和難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)講解，必要時(shí)把關(guān)鍵問(wèn)題在下次實(shí)驗(yàn)課上再進(jìn)行驗(yàn)證。回路組合實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生自己動(dòng)手組裝回路的實(shí)驗(yàn)，我要求每個(gè)學(xué)生都要?jiǎng)邮郑谧鐾陮?shí)驗(yàn)后，誰(shuí)的手上沒(méi)粘液壓油，則該次實(shí)驗(yàn)不合格，從而鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室搭建并驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)。

由于本門(mén)課程是大約一百名同學(xué)的大班課，把課堂教學(xué)放到實(shí)驗(yàn)室不現(xiàn)實(shí)，而實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)又不充裕，為了讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有直觀地認(rèn)識(shí)，我每次講新的內(nèi)容時(shí)，都從實(shí)驗(yàn)室拿幾件相應(yīng)的液壓元件到課堂上，課前讓學(xué)生先觀察，課堂上再對(duì)照具體實(shí)物進(jìn)行講解，有效彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)學(xué)時(shí)不足的問(wèn)題。

三、有效利用多媒體教學(xué)手段

本門(mén)課程和工程實(shí)際結(jié)合緊密，因而在教學(xué)中要盡量的把所講內(nèi)容具象化。在講“液壓傳動(dòng)的應(yīng)用”時(shí)，給學(xué)生展示各領(lǐng)域液壓設(shè)備的照片，有的還播放了視頻；講“各種液壓元件”時(shí)，我也會(huì)播放相應(yīng)典型產(chǎn)品的照片和視頻。

液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理在課程中占有很大的比重，這部分內(nèi)容講不好學(xué)生會(huì)感到枯燥無(wú)味，難以理解。對(duì)這部分內(nèi)容，筆者一般結(jié)合液壓元件的結(jié)構(gòu)圖和工作原理動(dòng)畫(huà)來(lái)講解，利用結(jié)構(gòu)圖總結(jié)出液壓元件的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，再結(jié)合動(dòng)畫(huà)講解其工作過(guò)程和工作原理，這樣學(xué)生就很容易理解了，而且也提高了講課效率。

如果學(xué)生對(duì)液壓基本元件部分的知識(shí)掌握地不夠扎實(shí)，液壓基本回路和典型液壓系統(tǒng)這部分內(nèi)容就不容易理解，即使有的學(xué)生對(duì)液壓元件部分學(xué)地比較好，對(duì)于復(fù)雜液壓系統(tǒng)各基本回路間的相互關(guān)系和元件動(dòng)作過(guò)程也不容易搞清楚，這部分內(nèi)容我都用Fluidsim進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)模擬。Fluidsim軟件是由德國(guó)FESTO公司和PADERBORN大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于液壓、氣壓傳動(dòng)教學(xué)培訓(xùn)的軟件[3]。利用Fluidsim做的液壓基本回路和典型液壓系統(tǒng)仿真程序能夠直觀地顯示液流過(guò)程和對(duì)元件的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，這樣，不管液壓系統(tǒng)多么復(fù)雜，其工作過(guò)程和原理都能直觀地展示出來(lái)，不需要學(xué)生再想象各元件的動(dòng)作和狀態(tài)，對(duì)所講內(nèi)容很容易理解。

四、考核方法多樣，注重過(guò)程考核

要讓學(xué)生學(xué)好一門(mén)課程，一方面要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也要加強(qiáng)督促，公平、合理考核。本門(mén)課程筆者采用了結(jié)課考試、實(shí)驗(yàn)、小設(shè)計(jì)和平時(shí)成績(jī)綜合考核的方式。

為了引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視，提高動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定不僅僅看實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還要看學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上的表現(xiàn)，比如對(duì)動(dòng)手能力強(qiáng)、清楚實(shí)驗(yàn)過(guò)程、獨(dú)自設(shè)計(jì)液壓回路并組裝和驗(yàn)證的學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)要給高分。除了平時(shí)布置作業(yè)，我一般還會(huì)安排兩次過(guò)程考核，作為平時(shí)成績(jī)的主要組成部分，一次是在課程中期利用一節(jié)課的時(shí)間安排一次小測(cè)驗(yàn)，一次是在課程即將結(jié)束時(shí)布置一次小的課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)以分組的形式進(jìn)行，一組一個(gè)設(shè)計(jì)題目，設(shè)計(jì)的內(nèi)容一般結(jié)合科研和工程實(shí)際，要求學(xué)生課后查閱資料，按照要求設(shè)計(jì)好后做出PPT，課堂上以小組答辯的形式考核，這種方式增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，很受歡迎。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述教學(xué)手段和方法在《液壓傳動(dòng)》課程中的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生能更加直觀地學(xué)習(xí)本門(mén)課程的內(nèi)容，理解得更深刻，學(xué)習(xí)不再感覺(jué)枯燥，在學(xué)好本門(mén)課程的同時(shí)，也為畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴(lài)云英.液壓傳動(dòng)課程教學(xué)方法淺析[J].中等職業(yè)教育，2012，（7）：40-42.

篇9

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；教學(xué)改革；創(chuàng)新實(shí)踐；能力培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）12-0064-02

一、現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。一方面，要求產(chǎn)品品質(zhì)高、價(jià)格低，且具有創(chuàng)新性；另一方面要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)周期短，以節(jié)約人力、物力和財(cái)力。國(guó)內(nèi)外研究表明：CFD技術(shù)是解決這一要求的最好途徑。實(shí)際上，CFD技術(shù)是解決工程中復(fù)雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的一種有效手段，同時(shí)也是一門(mén)新型的獨(dú)立學(xué)科。讓廣大設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，是提高其設(shè)計(jì)水平的具體途徑。目前，國(guó)內(nèi)有多所高校為本科生開(kāi)設(shè)CFD技術(shù)課程，集中講授20世紀(jì)直至本世紀(jì)CFD技術(shù)方面的最新成就，具有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)。我們?cè)诮迥甑慕虒W(xué)過(guò)程中深深體會(huì)到：學(xué)生要學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，一方面要學(xué)好CFD技術(shù)的基本原理，另一方面還要進(jìn)行大量的自主實(shí)踐。更重要的是，要在自主實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。而在目前的教學(xué)中，大多強(qiáng)化基本原理的講授，缺少對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析和處理，從而造成大學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題能力的欠缺。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們認(rèn)為構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)，提高大學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)

基于CFD技術(shù)課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，我們提出構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)。具體內(nèi)容包括：組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，組織教師編寫(xiě)教材、建設(shè)軟件平臺(tái)以及引導(dǎo)學(xué)生參與科研實(shí)踐等四個(gè)方面。對(duì)于組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，這是構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)最為重要的一件事情。通過(guò)各學(xué)科方向教師自愿報(bào)名，教研室推薦，學(xué)院公開(kāi)選拔的方式，組建一支高水平、高素質(zhì)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。這樣就可以確保承當(dāng)CFD技術(shù)課程的教學(xué)工作的各位教師是學(xué)院各個(gè)學(xué)科專(zhuān)業(yè)方向的優(yōu)秀教師。因?yàn)榇蠹抑?，只有高水平高素質(zhì)的教師，才能更好地引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。對(duì)于教材的編寫(xiě)，現(xiàn)有的關(guān)于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方面的教材有很多種，但大多以介紹基本原理和計(jì)算理論為主，缺乏相關(guān)軟件的應(yīng)用及實(shí)例的介紹，不能滿(mǎn)足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。對(duì)此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要重新制定CFD技術(shù)課程大綱，廣泛收集國(guó)內(nèi)外CFD技術(shù)的最新科技成果，編寫(xiě)反映科研與教學(xué)相結(jié)合的特色，重點(diǎn)、難點(diǎn)突出，并具有自身特色的教材。對(duì)于軟件平臺(tái)的建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)根據(jù)能源動(dòng)力類(lèi)各專(zhuān)業(yè)方向所使用的CFD軟件情況，從眾多商用CFD軟件中挑選出適合能源動(dòng)力類(lèi)本科生學(xué)習(xí)和使用的軟件，同時(shí)建設(shè)一個(gè)可容納30人以上的計(jì)算機(jī)機(jī)房，并通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)連接建立一個(gè)交互式的軟件平臺(tái)，供廣大學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)踐。軟件平臺(tái)由學(xué)生實(shí)行自主維護(hù)、自主管理，教學(xué)團(tuán)隊(duì)只需安排任課教師不定期通過(guò)軟件平臺(tái)引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新。對(duì)于科研實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要安排任課教師組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實(shí)踐中來(lái)，讓學(xué)生通過(guò)科研實(shí)踐的鍛煉，提高自身的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。讓學(xué)生參與基礎(chǔ)研究，可以從深度方面提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解能力，為培養(yǎng)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力作鋪墊、打基礎(chǔ)；讓學(xué)生參與應(yīng)用研究，則可以從廣度方面提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，為今后在實(shí)踐中進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

三、利用CFD技術(shù)平臺(tái)培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力

目前，教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立，分別由來(lái)自五個(gè)學(xué)科方向的、具有一定教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師組成，他們集中代表能源動(dòng)力各學(xué)科的發(fā)展動(dòng)向。教學(xué)團(tuán)隊(duì)定期召開(kāi)教學(xué)會(huì)議，對(duì)構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力過(guò)程中出現(xiàn)的各方面問(wèn)題進(jìn)行研討，大家共同協(xié)商，尋找解決方案。與此同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)編寫(xiě)了一本適用于能源動(dòng)力類(lèi)本科生的教材《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用》，該教材最大的特點(diǎn)是理論與實(shí)踐并重。該教材不但講述CFD技術(shù)的基本理論，而且還提供了大量的CFD技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，幫助學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐。該教材已于2011年1月由華中科技大學(xué)出版社正式出版發(fā)行。在編寫(xiě)教材的同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還利用學(xué)院現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)機(jī)房（擁有50臺(tái)電腦），建立了一個(gè)CFD技術(shù)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)擁有多種CFD軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，現(xiàn)已成為廣大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)踐CFD技術(shù)的優(yōu)良場(chǎng)所。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)學(xué)生的需求，安排任課教師不定期地通過(guò)軟件平臺(tái)為學(xué)生解惑答疑，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新。與此同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實(shí)踐中來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。比如，引導(dǎo)學(xué)生將CFD技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目中，優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片翼型，模擬計(jì)算小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，使得風(fēng)力機(jī)輸出功率和效率大為提升。同時(shí)，該項(xiàng)目榮獲2010年第三屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排科技創(chuàng)新作品一等獎(jiǎng)。再比如，學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行自主創(chuàng)新，應(yīng)用CFD軟件對(duì)水力渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使原來(lái)的水輪機(jī)組效率提高1%，每年增加的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)百萬(wàn)元之多。還有，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下研究格子Boltzmann算法，將之與IP算法、DSMC算法對(duì)比，分析不同算法之間的優(yōu)劣，對(duì)格子Boltzmann算法進(jìn)行改進(jìn)。具體成果體現(xiàn)在，學(xué)生以第一作者在能源動(dòng)力學(xué)科領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇。

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。大學(xué)生不僅需要扎實(shí)掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，更要具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。目前，高等學(xué)校在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面還有待加強(qiáng)，為此，本文提出了通過(guò)構(gòu)建CFD技術(shù)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力，并給出了實(shí)施過(guò)程中的一些具體措施和經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]潘云霞.培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的幾點(diǎn)思考[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，（11）：17-18.

[5]劉光復(fù).加強(qiáng)工科大學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[J].中國(guó)青年科技，2005，（3）：18-19.

[6]夏玉顏，王責(zé)成.高校工科專(zhuān)業(yè)人才創(chuàng)新素質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與思考[J].高校教育管理，2010，（2）：79-83.

篇10

Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.

P鍵詞：CFD技術(shù)；液力透平；葉輪；綜述

Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0106-04

0 引言

液力透平是針對(duì)高壓余能進(jìn)行能量回收并具有長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能裝置。伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，由于存在能源利用率低下、資源消耗過(guò)渡的現(xiàn)狀，節(jié)能裝置的開(kāi)發(fā)利用作用更較突顯出來(lái)。近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展[1]，在能量回收領(lǐng)域關(guān)于液力透平設(shè)計(jì)的發(fā)展有了較大突破，得益于人們對(duì)CFD技術(shù)的借鑒和應(yīng)用，人們已從原始數(shù)據(jù)測(cè)量和真機(jī)實(shí)驗(yàn)延伸到數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)上，為水力設(shè)計(jì)帶來(lái)更有效的研究手段。設(shè)計(jì)人員伴隨CFD技術(shù)的進(jìn)一步完善，可以通過(guò)流場(chǎng)特性分析得到的數(shù)據(jù)，針對(duì)液力透平特點(diǎn)進(jìn)行有效修改，完善透平裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，豐富了液力透平設(shè)計(jì)的理論和辦法。

1 CFD技術(shù)概述

1.1 CFD技術(shù)介紹

CFD技術(shù)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡(jiǎn)稱(chēng)[2]，CFD技術(shù)的迅速崛起與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展密切相關(guān)，研發(fā)人員經(jīng)過(guò)幾十年的探索與開(kāi)發(fā)，使得今天CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中，是一門(mén)在包含流體力學(xué)分析、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖形處理分析的綜合技術(shù)[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流體運(yùn)動(dòng)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬。從而通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果來(lái)近似模擬模型流動(dòng)區(qū)域的流體流動(dòng)情況。CFD技術(shù)由4部分構(gòu)成，即：數(shù)值建模、網(wǎng)格劃分、CFD求解和后處理。數(shù)值建模是CFD技術(shù)的基礎(chǔ)，在液力透平設(shè)計(jì)中以基本參數(shù)為參考建立幾何模型并計(jì)算分析模擬結(jié)果得到了直觀的參數(shù)分析因素，能夠真實(shí)模擬液力透平內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜的流動(dòng)情況，并提供可視化效果，使其科研人員更方便的進(jìn)行流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)分析，完善設(shè)計(jì)中的缺陷。

在流體流動(dòng)問(wèn)題的研究中，新興的CFD技術(shù)與過(guò)去傳統(tǒng)理論分析分析方法、實(shí)驗(yàn)校核測(cè)量分析方法相結(jié)合組成一套完整體系[4]。理論分析方法計(jì)算結(jié)果雖具有普遍性，但通常是在經(jīng)驗(yàn)公式和理論的基礎(chǔ)上獲得的結(jié)果，因此所得結(jié)果不能保證在各種情況下結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)測(cè)量方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證問(wèn)題，所得到的試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，從而為理論分析和數(shù)值方法的研究奠定了基礎(chǔ)。然而，試驗(yàn)多受到外界條件限制，所得結(jié)果很難與實(shí)驗(yàn)理想目標(biāo)相統(tǒng)一。而CFD技術(shù)恰好能有效的解決兩者缺陷并在有效時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究和分析，并能精確的描述設(shè)備與過(guò)程，解決了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的單一性。

利用CFD研究流體運(yùn)動(dòng)，對(duì)液力透平內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，是泵行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且應(yīng)用到工程實(shí)際中需要一定周期，因此開(kāi)展此項(xiàng)工作必須建立在總結(jié)以往的設(shè)計(jì)方法、經(jīng)驗(yàn)和科研成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)研究并理論聯(lián)系實(shí)際，反復(fù)研究整理才能得到合理的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。

1.2 CFD技術(shù)商業(yè)性軟件

近些年，CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，使得其在流體力學(xué)中應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用，人們意識(shí)到在處理相關(guān)問(wèn)題時(shí)，它的作用不容忽視。常用的CFD軟件有兩類(lèi)，一類(lèi)是以有限體積法為核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一類(lèi)是以有限元法為核心，如FIDAP。還有的是將兩類(lèi)方法結(jié)合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理論的有限體積法。目前在水力機(jī)械中使用最廣泛的CFD軟件是FLUENT、CFX―TASCflow和STAR-CD[5]。

而CFD技術(shù)經(jīng)過(guò)四十年發(fā)展，出現(xiàn)多種數(shù)值解法。FEM的并行是當(dāng)前和將來(lái)應(yīng)用的一個(gè)不錯(cuò)的方向。對(duì)于水力機(jī)械，還可計(jì)算得到任意兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝骈g的水力損失、泵的揚(yáng)程，預(yù)測(cè)葉輪上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技術(shù)精度問(wèn)題一直困擾研究人員，準(zhǔn)確判斷其準(zhǔn)確性和正確性是有待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因在處理同一物理問(wèn)題上所采用的建立幾何模型和計(jì)算方法的不同，而得到不同的計(jì)算結(jié)果。

在處理流體流動(dòng)問(wèn)題上，商業(yè)軟件的廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用極大的推動(dòng)了針對(duì)泵技術(shù)研究和優(yōu)化問(wèn)題，有效的縮短在實(shí)驗(yàn)研究階段因?qū)Ρ脙?nèi)部流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)手段不足而限制研究進(jìn)度，進(jìn)而增強(qiáng)設(shè)計(jì)研發(fā)人員的主觀能動(dòng)性。

1.3 CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前對(duì)液力透平的研究，仍多以泵反轉(zhuǎn)式透平為主，由于反轉(zhuǎn)泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊軍虎、袁亞飛等在泵反轉(zhuǎn)做透平以及結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)液力透平的研究為泵技術(shù)的理論成果提供了大量技術(shù)資料與經(jīng)驗(yàn)，其中通過(guò)對(duì)葉片泵增加導(dǎo)葉和優(yōu)化葉片等措施，實(shí)現(xiàn)了不同工況條件的液力透平效率的改善。國(guó)外學(xué)者則通過(guò)對(duì)水輪機(jī)的研究，利用CFD技術(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)液力透平及透平泵的改進(jìn)提出了可貴意見(jiàn)。

由于CFD技術(shù)可以結(jié)合目前三維軟件模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)三位實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分與求解，在CFD后處理軟件中可以通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與可視化操作，將液力透平的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全新的系統(tǒng)升級(jí)，改善了以往實(shí)驗(yàn)型結(jié)果分析單一性，大大縮短了在設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)間與物力人力消耗。王福軍在CFD軟件原理與應(yīng)用中詳細(xì)介紹了CFD技術(shù)在當(dāng)前各領(lǐng)域的運(yùn)用與擴(kuò)展。袁壽其、劉厚林等學(xué)者通過(guò)總結(jié)泵類(lèi)流體機(jī)械研究進(jìn)展與展望，對(duì)現(xiàn)代泵理論的研究具有重要意義[6]。

目前在湍流模型的選擇中，F(xiàn)LUENT軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)的k～ε模型、k～ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM），不同的湍流分析應(yīng)選擇則合適的湍流模型[7]。而在流體分析計(jì)算中由于計(jì)算流體力學(xué)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究難度和耗費(fèi)均比較大，因此在有些使用過(guò)程中不能對(duì)計(jì)算結(jié)果和計(jì)算精度做出深入研究，而是修正驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，所以使CFD計(jì)算的準(zhǔn)確缺乏可信度。另外在CFD使用過(guò)程中缺少認(rèn)識(shí)和深入理解，無(wú)法針對(duì)軟件缺陷提出可靠性建議，在軟件二次研發(fā)上不能有所突破。目前使用的網(wǎng)格主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格等[8]。并且在劃分網(wǎng)格的使用中，針對(duì)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的流體粘性解決辦法不能有效解決，是當(dāng)前CFD技術(shù)應(yīng)用面臨的困難問(wèn)題。

2 葉輪設(shè)計(jì)分析

2.1 建立方程和建模

第三步如圖3所示進(jìn)行網(wǎng)格化分，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，其節(jié)點(diǎn)為120598，單元數(shù)有153386，并在ICEM CFD中進(jìn)行邊界設(shè)置，主要以進(jìn)出口與壁面為主。

完成相關(guān)操作后，在FLUENT中進(jìn)行計(jì)算求解，本模型選擇穩(wěn)定性好與計(jì)算精度高的標(biāo)準(zhǔn)k～ε模型，選擇介質(zhì)為清水，給定進(jìn)口速度為4.5m/s，進(jìn)口初始?jí)毫?.8MPa，出口壓力為10MPa。

如圖4所示設(shè)置求解參數(shù)，并選擇SIMPLE算法，初始化流場(chǎng)參數(shù)，保存文件并進(jìn)行迭代計(jì)算，觀察分析結(jié)果并保存數(shù)據(jù)。

由以上迭代殘差圖分析可得，計(jì)算500步后各項(xiàng)數(shù)據(jù)大致趨于收斂。如圖5～圖7所示分別為葉輪內(nèi)部速度大小與矢量，葉輪內(nèi)部動(dòng)壓力和總壓力分布情況。從圖7中分析可得，葉輪內(nèi)部流速均勻，未產(chǎn)生壓力過(guò)大產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象。

2.3 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)高揚(yáng)程液力透平葉輪數(shù)值建模分析，得出在設(shè)計(jì)高揚(yáng)程液力透平過(guò)程中，需要對(duì)葉輪模型的葉片形狀、進(jìn)出口安放角、葉片厚度做出合理設(shè)計(jì)[11]，并通過(guò)改善液力透平模型的進(jìn)出口角度以及葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液力透平回收效率，改善高揚(yáng)程液力透平性能[12]。

進(jìn)行液力透平設(shè)計(jì)必須要對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，通過(guò)觀測(cè)表明，水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)在多數(shù)情況下處于湍流狀態(tài)，流場(chǎng)由各種不同尺度的湍流渦疊合而成[13]。這些渦具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的[14，15]。由于湍流的復(fù)雜性，很難通過(guò)試驗(yàn)來(lái)掌握水力機(jī)械內(nèi)部的湍流狀態(tài)，而近幾年快速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）理論和方法，給我們認(rèn)識(shí)水力機(jī)械湍流流動(dòng)提供了一種新的途徑，對(duì)揭示水力機(jī)械流場(chǎng)流動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性間的復(fù)雜關(guān)系，具有潛在的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)CFD技術(shù)發(fā)展格局，更多面向解決工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，優(yōu)化計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬和流體分析運(yùn)算有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的優(yōu)化，完成對(duì)工藝設(shè)備的優(yōu)化升級(jí)，在液力透平研究中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能裝置的產(chǎn)業(yè)信息化，提升二次能源利用率；建立高效、實(shí)用、精確、便捷的復(fù)雜網(wǎng)格化分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算在CFD技術(shù)中的有效應(yīng)用，將是未來(lái)CFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；發(fā)展CFD集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其與CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE無(wú)縫銜接，建立一體化平臺(tái)，針對(duì)不同物理量的分析運(yùn)算建立不同分析模塊，提高應(yīng)用效率；為了提高CFD技術(shù)在液力透平研究與設(shè)計(jì)的應(yīng)用，應(yīng)逐步建立評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 結(jié)語(yǔ)

CFD技術(shù)發(fā)展趨于多元化、高精度、高適應(yīng)性、集成化與模塊化、建立統(tǒng)一的應(yīng)用發(fā)展平臺(tái)勢(shì)在必行，在計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展大勢(shì)影響下，CFD技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用在不斷投入實(shí)踐，是為社會(huì)實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的科研實(shí)踐提供有效措施，逐步帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)信息化處理產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。通過(guò)對(duì)高揚(yáng)程液力透平葉輪設(shè)計(jì)分析得出在針對(duì)特定工況要求下液力透平關(guān)鍵部件研究為改善能量回收效率及透平發(fā)電中有建設(shè)性論據(jù)，為流體分析計(jì)算提供良好的解決方案不斷優(yōu)化科研實(shí)踐中難題。

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