流體的力學特性精選(九篇)

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第1篇：流體的力學特性范文

【關鍵詞】 粒細胞; 流行病學研究; 感染

epidemiological characteristic of epidemic situation about the human?infected granulocytic anaplasmosis in southern anhui cheng zhou?xiang1, yang xiao?xiang1, li qun2, he jian?gang1, dou zheng?dong1, wu jia?bing3, yu yan?lin4, wang fei1. 1.wuhu center for disease control and prevention, wuhu 241000, china; 2.office for disease control and emergency response, chinese center for disease control and prevention, beijing 100050, china; 3.anhui center for disease control and prevention, hefei 230061, china; 4.yijishan hospital of wannan medical college, wuhu 241001, china

【abstract】 objective to describe the epidemiological and clinical characteristics of epidemic situation about the human?infected granulocytic anaplasmosis. methods the whole cases were collected which had occurred in this epidemic. then the epidemiological and clinical characteristics were analyzed by descriptive epidemiology, compared with the clinical characteristic of previous tick?infected human granulocytic anaplasmosis. at the same time, the risk factor of infection was analyzed. results the cases had the typical clinical characteristic, such as hyperpyrexia, progressive falling of wbc and plt. the fever process was 1～6 days, the incubation period being 4～13 days and its median 7. the infection rate of the persons who had close contact with the first case during his or her illness was 14.3%. the attack cases among the persons who had close contact with the first case when he or she was in a critical condition were 23.1%. the blood sample from 8 secondary attack cases was tested positive about the 16s rrna gene of granulocytic anaplasma. the specific serum antibody was seroconversion in convalescence and its titer was 1∶64～1∶128. conclusions this is not only the first report about human?infected granulocytic anaplasmosis but also the first one that granulocytic anaplasmosis can result in iatrogenic infection. there is even no infectiousness in the early light situation of disease, but the possibility of infection increases if people have close contact with patients when their illness is serious. therefore, isolation and protection have to be practiced.

【key words】 granulocytes; epidemiologic studies; infection

“人粒細胞無形體病”(human granulocytic anaplasmosis，hga)(以前稱“人粒細胞埃立克體病”[1])是一種人類新發(fā)傳染病。1994年在美國明尼蘇達州杜魯士首次發(fā)現(xiàn)一種不同于查菲埃立克體的感染，病原體主要侵犯中性粒細胞，被命名為人粒細胞埃立克體(human granulocytic ehrlichiosis,hge)[2]，此后美國[3]、斯洛文尼亞[4]、比利時[5]、澳大利亞[6]、意大利[7]、瑞典[8]、德國[9]等歐美國家都有病例報道或有流行病學資料證實該病原體感染。2001年高東旗等[10]在大興安嶺地區(qū)開展人群埃立克體感染的調查，結果首次在亞洲從人血中擴增出人粒細胞埃立克體16s rrna基因片段。初步認為我國大興安嶺地區(qū)存在人粒細胞埃立克體感染人群。但以上報道所有的病例或感染者都有蜱叮咬史，傳染源是野外動物。2006年11月安徽省蕪湖市y醫(yī)院收治10例“人粒細胞無形體病”病例，由于其中后9例均是與首例病人有密切接觸的醫(yī)務人員或陪護親屬，且無蜱叮咬史等可能的傳播途徑，目前認為這起疫情是全球首次發(fā)現(xiàn)的人傳“人粒細胞無形體病”疫情。使人類對人粒細胞無形體病的流行病學特征又有了進一步了解和認識?，F(xiàn)將這起疫情的流行病學和臨床特征做一描述。

1 對象與方法

1.1 病例臨床資料 來源于蕪湖市y醫(yī)院。

1.2 現(xiàn)場流行病學調查

1.2.1 病例定義 因急性發(fā)病，發(fā)熱(t≥38 ℃)，外周血白細胞(white blood cell,wbc)和血小板(platelet count,plt)均下降的病人，可合并多臟器功能損害，具有可疑動物或首例病例接觸史并發(fā)病的病人，以及與這些病例在診療過程中接觸并具有以上類似病癥的病例，實驗室檢驗結果符合粒細胞埃立克體感染特征[11]。

1.2.2 個案調查 根據(jù)以上病例定義搜索病例，并對符合定義的10例病人或其家屬開展調查，調點內容為發(fā)病前可能的暴露因素、發(fā)病經(jīng)過、診療過程、接觸者、接觸方式、接觸時間、個人防護情況、年齡、職業(yè)、生活環(huán)境和首例病人可能的動物接觸史。

1.2.3 病例密切接觸者調查 內容基本與病例相同。

1.2.4 病例資料描述性流行病學分析 發(fā)病時間分布，病例的性別、年齡、職業(yè)分布，地區(qū)分布。

1.3 樣品采集和實驗室檢驗

1.3.1 首例病人(死亡病例)血清 送安徽省疾病預防控制中心，免疫熒光法檢測流行性出血熱igg。

1.3.2 繼發(fā)病例和對照樣本 繼發(fā)病例病后每隔3 d采取抗凝血2.5 ml和不抗凝血5 ml，采取病例早期咽拭子樣3 ml，病程中后期尿液2 ml。密切接觸者血清標本216人份(153人)，自然人群血清標本40份(40人)，檢測特異抗體和核酸。送安徽省疾病預防控制中心和中國疾病預防控制中心進行病原學檢測。

1.3.3 病例白細胞形態(tài)學檢查 吉姆薩染色觀察白細胞內包涵體。

2 結果

2.1 臨床特征

2.1.1 臨床癥狀 所有病例均有畏寒和發(fā)熱，最高體溫都超過39 ℃，如果不進行對癥處理，則高熱不退。大多體溫39.5 ℃，最高40 ℃。病例的熱程在1～6 d，中位數(shù)為4 d。大多數(shù)病例(7/10)有腹瀉。在發(fā)病后1～4 d出現(xiàn)，多為1～2 d,大多數(shù)每天腹瀉3～4次，多的有5～6次。見表1。1例進展成急性呼吸窘迫綜合征(aucte respiratory distress syndrome,ards)，合并彌散性血管內凝血(disseminated intravascular coagulation,dic)死亡。表1 皖南地區(qū)人粒細胞無形體病疫情臨床癥狀出現(xiàn)頻次

2.1.2 臨床檢驗結果 所有病例均先出現(xiàn)血液系統(tǒng)的改變，wbc和plt均出現(xiàn)進行性下降，wbc多為2.0×109/l～3.0×109/l、中性粒細胞比例減少多見 ，部分可見異形細胞，plt多為30×109/l左右;尿常規(guī)檢查4例尿蛋白陽性，可有血尿和顆粒管型;7例出現(xiàn)酶學改變，肌酶和肝酶升高，如乳酸脫氫酶、轉氨酶(alt和ast)異常，心肌酶譜升高(同工酶正常)等;腎功能異常出現(xiàn)較晚，且不是很嚴重(包括死亡病例)。

2.2 流行病學調查資料分析

2.2.1 發(fā)病時間分布 首例病人10月18日發(fā)現(xiàn)自己被野兔身上的草蜱咬傷右踝關節(jié)內側，10月21日上午在家衣櫥中捕殺一窩老鼠，并清理和清洗部分被老鼠污染的衣物。10月30日晚20：00發(fā)病，10月31日在該村衛(wèi)生室就診，11月3日晚21:00到x縣人民醫(yī)院治療，11月4日中午轉往蕪湖市y醫(yī)院就診，初步診斷為“流行性出血熱(少尿期)”。11月5日凌晨患者存在多臟器衰竭，11月5日6：55死亡。

從11月9日起陸續(xù)出現(xiàn)新病例，在12日出現(xiàn)發(fā)病高峰(4例)，后逐漸下降，見圖1。

2.2.2 性別、年齡、職業(yè)分布 10例病例中，男性6例，女性4例。職業(yè)為：農(nóng)民5例，醫(yī)務人員4例，教師1例。年齡在25～67歲之間，其中20～年齡組4例，30～歲組3例，40～、50～、60～年齡組各1例。

2.2.3 地區(qū)分布 10例病例中，宣城市x縣新杭鎮(zhèn)6例，蕪湖市y醫(yī)院4例。

2.2.4 密切接觸者情況 經(jīng)宣城、蕪湖兩市疾病預防控制中心對所有密切接觸者進行追蹤、隔離觀察及醫(yī)學觀察，結果共搜索與死亡病例(首例病人)病后有過密切接觸人員共63人，親屬21人，醫(yī)護人員42人(y醫(yī)院24人、x縣醫(yī)院16人、村醫(yī)2人)，其中9人陸續(xù)發(fā)病，4人為y醫(yī)護人員，5人為病人親屬，感染率14.3%。在y醫(yī)院有過密切接觸者39人中，發(fā)病9人，發(fā)病率為23.1%。與首例病人僅在病情尚不危重，未轉入y醫(yī)院之前密切接觸者24人沒有發(fā)現(xiàn)續(xù)發(fā)病例(χ2=4.7,p<0.05)。提示此階段病人不具備傳染性或傳染性不強，在y醫(yī)院與死亡病例危重時有過密切接觸是發(fā)病的危險因素。

與9例續(xù)發(fā)病例的密切接觸人員有90人，其中親屬朋友48人，醫(yī)護人員42人(y醫(yī)院20人、x縣醫(yī)院22人)。所有密切接觸者經(jīng)醫(yī)學觀察14 d，未再發(fā)現(xiàn)類似病例。

2.2.5 潛伏期估計 首例病人10月18日被蜱叮咬,21日接觸老鼠,30日發(fā)病。因為人粒細胞無形體病通常是蜱傳疾病，所以推算潛伏期為12 d。

9例續(xù)發(fā)病例在y醫(yī)院與死亡病例危重時有過密切接觸時間在11月4日或5日，發(fā)病在此接觸后4～13 d之間，中位數(shù)為7 d，主要集中在7～9 d，占66.7%(6/9)，見圖2。

2.3 實驗室結果

2.3.1 首例病人(死亡病例)血清流行性出血熱免疫熒光抗體igg(-)

2.3.2 繼發(fā)病例實驗室結果

2.3.2.1 排除可能的病原體感染的有關檢驗 11月15日～17日共5例病人血清標本流行性出血熱igm抗體陰性(elisa法)。11月17日采集的7例患者血清除一人流感igg(+)外，檢測sars、流感、副流感、柯薩奇、呼吸道合胞病毒、腺病毒、支原體、衣原體igm、igg抗體，均為陰性。7例患者咽拭子樣本流感通用型、b型、h5核酸檢測均陰性。斑疹傷寒、斑點熱、恙蟲病核酸檢測均無特異條帶擴增。 能引起出血熱的病毒如沙粒病毒屬、絲狀病毒(埃博拉病毒、馬爾堡病毒)、黃病毒、布尼亞病毒(漢坦病毒、cchf病毒、立夫特谷熱 )核酸和抗體均陰性。

2.3.2.2 病原體特異檢測 11月24日，9位患者早期(發(fā)病后3～5 d)血清抗粒細胞無形體igm(1∶20)、igg(1∶64)抗體檢測均為陰性，病后3 w對其中的5例病人恢復期血清進行了特異抗體igg檢測，5例病人血清igg抗體均為陽性,其中3人陽性滴度1∶64，2人陽性滴度1∶128(呈4倍增高)。8位患者的血標本的無形體和埃立克體屬16s rrna基因檢測陽性,pcr產(chǎn)物經(jīng)過測序分析驗證與嗜粒細胞無形體16s rrna序列100%同源。白細胞形態(tài)學檢查，1例病人白細胞內可見嗜粒細胞無形體桑椹包涵體。

3 討論

3.1 這起疫情是嗜粒細胞無形體感染引起的 從臨床特征上分析，10例病人均有急性起病、寒戰(zhàn)、高熱、體溫超過39 ℃、相對緩脈、乏力不適、外周血wbc計數(shù)下降、plt下降，部分患者出現(xiàn)腹瀉、肝功能損害、腎功能損害，少見皮疹。符合嗜粒細胞無形體病臨床特點[2，12，13]。實驗室檢測排除斑疹傷寒、斑點熱、恙蟲病、能引起出血熱的一些病毒等病原體感染。繼發(fā)病例早期血清抗粒細胞無形體抗體陰性，恢復期轉為陽性,血標本的嗜粒細胞無形體16s rrna基因檢測陽性,pcr產(chǎn)物經(jīng)過測序分析驗證與嗜粒細胞無形體16s rrna序列100%同源。病人白細胞內可見特異性桑椹包涵體。這些資料表明這些病人符合嗜粒細胞無形體病的診斷標準[11]。雖然首例病人在早期臨床上診斷為“流行性出血熱”，也沒有實驗室結果支持為嗜粒細胞無形體病，但該患者有蜱叮咬史，潛伏期為12 d，符合該病潛伏期7～14 d(平均9 d)的特征[12～14]。其病程發(fā)展符合該病臨床特點。與其密切接觸者發(fā)生與其臨床特點相符的病癥?？梢酝茢嗍桌∪艘矐撌鞘攘＜毎麩o形體感染。

3.2 這起疫情是一次罕見的、首次發(fā)現(xiàn)的人傳嗜粒細胞無形體病疫情和醫(yī)源性感染暴發(fā) 在此以前，嗜粒細胞無形體病已確認是蜱叮咬傳播的人畜共患的新發(fā)傳染病[1，8，13]。傳播媒介是硬蜱屬的一些蜱種[12，15]。在我國已經(jīng)報道過的嗜粒細胞無形體病(埃立克體病)病例或流行病學調查發(fā)現(xiàn)的感染者中，也都有蜱叮咬史[10，14]。皖南這起疫情的9例續(xù)發(fā)病例都沒有蜱叮咬史，也沒有其他野生動物接觸史，只是與首例病人在醫(yī)院中有過密切接觸，且發(fā)生醫(yī)務人員感染。由此來看，嗜粒細胞無形體病的傳染源可以是病人，傳播途徑可以是與危重病人近距離接觸而非一定是蜱傳。

3.3 人傳嗜粒細胞無形體病臨床特征和潛伏期與蜱傳嗜粒細胞無形體病基本相同 這起疫情病人臨床表現(xiàn)和體征以及實驗室檢驗結果與以往報道蜱傳嗜粒細胞無形體病沒有特異性。病人潛伏期多為7～9 d，以往報道蜱傳嗜粒細胞無形體病潛伏期為7～14 d(平均9 d)。病原體不同侵入部位和方式所引起的病理過程是否有差異有待研究。與危重病人近距離接觸傳播最可能的侵入途徑是吸入或沾染粘膜和破損皮膚，而蜱叮咬多在四肢暴露部位。

3.4 病人作為嗜粒細胞無形體病的傳染源的傳染力大小因其處在不同病程階段而不同 這起疫情與死亡病例(首例病人)病后有過密切接觸人員感染率14.3%。但其中與首例病人僅在病情尚不危重，未轉入y醫(yī)院之前密切接觸者24人沒有發(fā)現(xiàn)續(xù)發(fā)病例。與病人在危重時有過密切接觸者發(fā)病率為23.1%。提示這類病人在危重時應嚴格隔離，禁止病房內陪護，醫(yī)務人員應加強衛(wèi)生防護。

【參考文獻】

[1] oteo ja, brouqui p. ehrlichiosis and human anaplasmosis [j]. enferm infecc microbiol clin, 2005,23(6):375?380.

[2] 曹務春. 人埃立克體病的發(fā)現(xiàn)與研究進展 [j]. 中國共患病雜志, 1997,13(4):57?60.

[3] gardner sl, holman rc, krebs jw, et al. national surveillance for the human ehrlichioses in the united states, 1997?2001, and proposed methods for evaluation of data quality [j]. ann n y acad sci, 2003,990:80?89.

[4] lotric?furlan s, petrovec m, avsic?zupanc t, et al. human granulocytic ehrlichiosis in slovenia [j]. ann n y acad sci, 2003,990:279?284.

[5] heyman p, cochez c, bigaignon g, et al. human granulocytic ehrlichiosis in belgium: an underestimated cause of disease [j]. j infect, 2003,47(2):129?132.

[6] walder g, falkensammer b, aigner j, et al. first documented case of human granulocytic ehrlichiosis in austria [j]. wien klin wochenschr, 2003 ,115(7?8):263?266.

[7] ruscio m, cinco m. human granulocytic ehrlichiosis in italy: first report on two confirmed cases [j]. ann n y acad sci， 2003，990:350?352.

[8] strle f. human granulocytic ehrlichiosis in europe [j]. int j med microbiol, 2004，293:27?35.

第2篇：流體的力學特性范文

關鍵詞 流體力學;連續(xù)介質;分子動力學;Boltzmann方程

中圖分類號O19 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708(2010)24-0134-01

流體力學是一門研究流體宏觀運動的學科。雖然流體的微觀運動在時間和空間上都非常復雜,具有不均勻性、離散型、隨機性,但是流體的宏觀運動一般總是呈現(xiàn)出均勻性,連續(xù)性,確定性。流體的宏觀運動和其他性質是流體分子微觀運動的平均結果。在連續(xù)介質假設基礎上,流體的宏觀運動可以用Navier-Stokes方程來描述,盡管連續(xù)介質是一種假設,但由于在很多情況下這一假設都可以成立。所以這種觀點已經(jīng)被流體力學廣泛地采用,并獲得了很大的成功;另一方面,近些年,人們提出從微觀的角度來理解宏觀流體力學的概念和現(xiàn)象,能夠深刻地揭示宏觀現(xiàn)象的本質,對于更好的認識這些現(xiàn)象具有重要的意義。

本文著重介紹下通常研究流體力學的幾種數(shù)學模型,分析一下它們的理論及優(yōu)劣。

首先,我們先來看大家所熟悉的流體運動的連續(xù)模型,在這里,流體可以看作是充滿整個流場的連續(xù)介質,可以在流場中的每一個空間點定義留意的密度、速度、溫度,壓力等物理量,并建立一系列的偏微分方程來描述流體的運動。連續(xù)介質假設是流體力學中的一個基本假設,是對流體結構的一種近似,當研究對象的尺度比粒子結構尺度大得多時,這一假設就成立,這一假設對于日常生活和工程中的絕大多數(shù)情況是合理的,依賴于這一假設,研究獲得了很大的成功,比如飛機在空氣中的運動,輪船在水中的運動,由于其特征尺度遠大于粒子的結構尺度,所以,空氣和水都可以被認為是連續(xù)介質,但是對于一些特殊情況,比如血液在動脈中的運動,高空稀薄氣體中物體的運動時,就不能當做連續(xù)介質。此外由于描述此運動的Navier-Stokes方程的復雜性,除了少數(shù)非常簡單的情況,一般情況是得不到方程的解析解,所以,以傳統(tǒng)的解方程的方法來解決流體問題暫時是行不通的,所以利用計算機利用數(shù)值方法找近似解是常見的方法,這就是計算流體力學,隨著計算機技術和相關數(shù)學的發(fā)展,計算流體力學的應用也越來越廣泛,現(xiàn)在很多工業(yè)部門及研究單位,這是采用得比較普遍的一種方法,而且隨著計算機的發(fā)展,相應的也出現(xiàn)了很多應用軟件,可以這樣說,以往通過理論和實驗解決不了流體的問題,現(xiàn)在很大程度上可以通過計算機去解決。

其次,我們再來了解下從微觀方面來描述流體運動的分子動力學模型,因為從物理上來說,流體是由分子構成的,流體的宏觀運動時微觀分子熱運動的平均結果,如果我們知道了分子的微觀運動,通過統(tǒng)計平均這種方法就可以得到流體的宏觀物理量。分子動力學模型可以是確定性的,也可以是隨機性的。在分子動力學模型中,分子遵循經(jīng)典的牛頓運動方程,所以,通過求解方程就可以確定任意分子在任意時刻的速度和位置。由于分子動力學模擬是基于分子最基本的運動規(guī)律,所以原則上可以模擬任意流體系統(tǒng)。利用計算機對這種模型進行模擬是其一個重要的特點,由于計算機的飛速發(fā)展,這種模型也得到了很大的發(fā)展,它也應用于物理、生物、化學等各個學科上,雖然分子動力學模擬方法有這樣的優(yōu)點,但由于在模擬過程中,對一個流體系統(tǒng)而言,其分子的數(shù)量非常巨大,而且在每一個步長中,每個分子的新位置和新速度都要重新計算,所以這需要很大的計算量和存儲量,因此,這種模型現(xiàn)在只能用于二維運動,對于三維復雜流動進行模擬幾乎是不可能的,它的進一步發(fā)展及推廣決定于計算機的發(fā)展。

第三,類模型是從介觀的角度來描述流體,稱為氣體動理論。而此時我們用Boltzmann方程來描述流體,這個方程是統(tǒng)計力學中描述非平衡態(tài)分布函數(shù)演化規(guī)律的方程,這個方程的基本想法是不去確定每個分子的運動狀態(tài),而是求出每一個分子處在某一狀態(tài)下的概率,通過統(tǒng)計方法得到系統(tǒng)的宏觀參數(shù),Boltzmann方程是基于二體碰撞,分子混沌性假設及沒有外力的影響而得到的,但這個方程也是一個非常復雜的積分微分方程,所以直接求解也不可能。因此,人們提出了很多的簡化的模型,比如對碰撞算子做一些近似,如著名的BGK模型,這個近似使得碰撞算子線性化,從而簡化方程,利用這個模型來求解流體的宏觀物理量的方法我們稱為格子Boltzmann方法,實際上,格子Boltzmann方程可以看做是連續(xù)的Boltzmann的方程的一種特殊的離散格式,在格子方法中,流體被抽象為大量的微觀粒子,并且根據(jù)一些簡單的方式在規(guī)則的格子上碰撞和遷移,通過粒子運動進行統(tǒng)計,就可以得到流體的宏觀特性。從離散的網(wǎng)格說,這種方法具有Euler方法的特性,從離散的粒子來說,這種說法又有Langrange方法的特性,而且,格子方法還具有一些常規(guī)數(shù)值方法所沒有的優(yōu)點,如物理圖像清晰,邊界條件處理簡單,程序易于實施,計算具有并行性,所以,從格子Boltzmann方法剛誕生起,就引起了物理學家,數(shù)學家,計算機學家和其他領域的科學家的關注,現(xiàn)在它被認為是最有前途的數(shù)值模擬方法之一。格子Boltzmann方法除了在一般的流體力學中有比較好的應用外,在多相流、滲流、粒子懸浮流等相關領域也得到了相關的應用,所以,也必將成為大家研究的熱點。

參考文獻

第3篇：流體的力學特性范文

關鍵詞：計算流體力學；Fluent；外流場；網(wǎng)格劃分；數(shù)值模擬

引言

汽車在行駛的過程中不可避免的要與周邊空氣發(fā)生相互作用，隨著車速的增加，這種相互作用會愈加的劇烈?？諝鈱υ谛旭傊械钠囀┘恿土兀瑥亩绊懫嚨男旭?。所以，在汽車開發(fā)過程中，研究并優(yōu)化汽車的空氣動力性能非常重要。另外，汽車的空氣動力學性能不僅影響著汽車的燃油經(jīng)濟性，同時也對汽車的動力性、穩(wěn)定性和操作性等方面有著巨大的影響，所以現(xiàn)代汽車設計越來越關注汽車的空氣動力性能研究。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，對汽車結構分析的技術已基本成熟，且對更為復雜的流動問題的模擬計算也在不斷的發(fā)展，其中計算流體力學（Computational Fluid Dynamics 簡稱CFD）受到了越來越多的關注。計算流體力學已從定性的分析發(fā)展到定量的計算，其應用也從最初的航空領域不斷的擴展到包括汽車在內的多個領域[1-3]。新車型的開發(fā)過程中，空氣動力性能分析是必不可少的。利用數(shù)值模擬的方法對汽車行駛中的外流場進行分析能夠用來預測或解決一些理論及實驗都無法處理的復雜流動問題，并能取代部分實驗環(huán)節(jié)。但要求對問題的物理特性有足夠的了解，才能建立合適的數(shù)學方程及相應的初始、邊界條件等，這些都離不開實驗和理論方法的支持。目前，數(shù)值方法主要是應用歐拉方程和納維-斯托克斯方程。在汽車設計的研究分析領域，數(shù)值方法與傳統(tǒng)的研究方法相結合， 能夠有效地改善汽車性能、節(jié)約研究資金、提高研究效率。汽車車身外流場計算模型及仿真是計算流體力學在汽車外流場分析方面的應用研究之一[4-8]。本文通過建立汽車車身外流場的計算模型，利用計算流體力學方法和適當?shù)木仃嚧鷶?shù)算法，基于Fluent仿真平臺，分析研究汽車車身的空氣動力性能。

1 汽車車身繞流的數(shù)學模型

流場運動中，流場運動基本方程是根據(jù)基本物理定律質量守恒、動量守恒、能量守恒定律按一定的流體流動模型推導的。對于空氣來說，當風速小于三分之一聲速時，也就是風速小于408km/h，可以認為是不可壓縮氣體。而對汽車來說，最高速度一般都小于400km/h，因此汽車空氣動力學研究可以把周圍的氣體考慮成不可壓縮的。轎車繞流問題一般為定常、等溫、不可壓縮的三維流場，由于復雜外形會引起氣流的分離，由于計算機技術的限制，目前還不能實現(xiàn)，現(xiàn)在工程中應用最廣泛的方程是雷諾時均N-S方程，為使方程封閉這里采用可實行的K-？著模型。

汽車外流場的控制方程如下：

式中，u0為流體動力粘性系數(shù)；ut為渦粘性系數(shù)；i，j=1，2，3；X1=x；X2=y；X3=z；u1=U；u2=V；u3=W；G主要取決于流場的渦流特性，是流場空間位置的函數(shù)。

2 汽車模型K-？著參數(shù)確定

由數(shù)模可以得到車長L=3.916m；車速定為v=20m/s；雷諾數(shù)Re= =5.21×106（其中空氣在20℃時的密度？籽=1.205kg/m3，動力粘性系數(shù)？滋=1.81×10-5kg/ms）。根據(jù)雷諾準則，這是一個雷諾數(shù)問題，適用于K-？著模型。

3 Fluent求解

在Fluent中選擇合適求解小車外流場的求解器。選擇基于壓力的求解器，這適合于不可壓縮的流動。同時選擇隱式求解器，網(wǎng)格單元內的未知量用臨近單元的已知量和未知量來計算。因此，每個未知量會不只在一個方程中出現(xiàn)，這些方程必須同時求解才能解出未知量。另外，通過設置，確定選擇的是三維穩(wěn)態(tài)的計算模型，速度場是絕對的，并且按壓力梯度計算。

然后設置求解控制參數(shù)，進一步確定使用SIMPLE型求解器，在求解過程中聯(lián)立流動方程和湍流方程，求解方法采用“求解壓力耦合方程組的半隱式求法”。為了提高計算結果的可靠性，我們選擇二階離散精度。事實上，為了使結果盡快收斂，前半部分使用一階離散精度，迭代330次后，使用二節(jié)離散精度，繼續(xù)求解。對于欠松弛因子，選用默認值即可。

設置收斂判據(jù)，選中Check Convergence復選框，表示當每個變量的值到達Convergence Criterion文本框中的規(guī)定的值時，求解器就認為計算已經(jīng)收斂。

圖1 Fluent的求解的收斂過程

圖1中，在迭代到330次時，改為二階迎風離散精度，繼續(xù)求解。最終在445次迭代時收斂。

4 汽車風阻系數(shù)和升力系數(shù)

該輛小轎車在20m/s的速度下行駛，受到的空氣阻力由Fluent計算得到Fп=170.28N，其迎風面積S=2.25m2，根據(jù)求解空氣阻力系數(shù)的公式：

同樣，由Fluent計算得到，該輛小轎車在20m/s的速度下行駛，受到的空氣升力為FT=14.95N。根據(jù)如下求解空氣阻力系數(shù)的公式：

5 車外流場的后處理及分析

對Fluent求解器得到的數(shù)據(jù)，只是對應于每個網(wǎng)格的相關物理量的數(shù)值大小和方向等信息。為了整體的把握小轎車外流場的特點和直觀地呈現(xiàn)出計算結果，需要對其進行后處理，轉化為圖像來描述結果。

由圖2可知，在汽車頭部，氣流受到垂直方向的阻滯，速度降為零，氣流壓力升高。在發(fā)動機罩和擋風玻璃之間存在一個比較大的正壓區(qū)；同時，在擋風玻璃與汽車頂蓋以及汽車頂蓋與后窗之間存在一個絕對值比較大的負壓區(qū)；而汽車底盤下面為一個變化緩慢的負壓區(qū)域。前輪外側邊緣有一絕對值很大的負壓區(qū)，不過面積不大。

Fluent在車頂蓋的最大流速為26.4m/s，求得的速度最小值都在車頭和車尾，約為0。接近流場速度的數(shù)值模擬求得的極值。由于汽車底部的氣流離開尾部后，就迅速上揚和來自汽車后擋風玻璃的氣流相互沖撞，導致汽車尾部形成漩渦，產(chǎn)生能量耗散。

6 結束語

本文利用計算流體力學方法，使用Fluent軟件平臺分析研究了汽車的空氣動力性能，包括汽車周圍流速、壓力等的分布情況，從而確定了汽車的氣動特性與參數(shù)。仿真分析結果表明該方法在分析研究汽車空氣動力特性，輔助和優(yōu)化汽車車身設計方面的有效性。

參考文獻

[1]張奇，趙又群，楊國權.基于CFD的汽車外流場數(shù)值模擬的發(fā)展概述[D].南京：南京航空航天大學能源與動力學院，2005.

[2]師奇威，賈代勇，賈建偉.CFD簡介及其應用研究[J].北京：理工大學，2007.

[3]沈俊，傅立敏，黎妹紅，王靖宇.CFD軟件及其在汽車領域的應用[D].吉林：吉林工業(yè)大學，2000.

[4]黃向東.汽車空氣動力學與車身造型[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]寧燕，辛 .汽車外流場的數(shù)值模擬[J].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2004.

[6]呂明忠，高敦岳，傅立敏.計算機數(shù)值仿真在汽車外流場分析方面的應用研究[N].北京：人民交通出版社，2002.

[7]賈海慶，王成玲.汽車流場數(shù)值模擬[J].北京：國家計算流體力學實驗室，2007.

第4篇：流體的力學特性范文

【關鍵詞】軸承；密封改造；方案

1 改造原理

流體動力密封原理認為在動態(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，在動態(tài)下相當于微小的滑動軸承板，動態(tài)下將粘性液體帶入楔形間隙，形成流體動力液膜，從而起到和密封作用。實際工作中油封與軸接觸時，接觸面出現(xiàn)干摩擦、邊界摩擦和流體三種情況，不斷交替變動。

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

2 改進方案

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)的尺寸及表面質量在密封系統(tǒng)中起很大作用。

改進措施：

（1）從圖2可以看出軸承是靠密封環(huán)與密封緊密配合下，密封環(huán)的尺寸及表面質量在密封系統(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大打折扣，表面粗糙度太大會造成密封磨損較快，對軸承危害還較大。

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

2.2 運用流體力學密封

2.2.1 密封簡介

（1）單向流體動力學油封

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

（2）雙向回流油封

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

2.2.2 運用方案

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

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

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

3 改造效果

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

參考文獻：

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

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

[3]王海威，范強，蘇軍偉.全密封軋輥軸承密封結構的改進[J].軸承，2012（06）

第5篇：流體的力學特性范文

Abstract： Hydromechanics is a course combining theory with practice and has abstract concept. The traditional teaching method is difficult to achieve good teaching effect. Based on the practice and exploration in the teaching process of Hydromechanics， this paper proposes some suggestions and measures for the teaching reform.

關鍵詞：流體力學；過程裝備與控制；教學改革

Key words： Hydromechanics；process equipment and control；teaching reform

0 引言

《流體力學》課程主要描述自然環(huán)境中的流體運動的一般規(guī)律及特定條件下流動機理。其內容涉及基本概念的理解、公式推導、計算方法等?？紤]到大二學生尚未接觸實際工程問題，因此教學雙方對流體力學的學習過程均存在困惑。本文針對流體力學課程的特點及教學過程中遇見的問題，對《流體力學》教學改革進行相關探索，總結教學過程中積累的經(jīng)驗，提出相應改進方案。

1 合理運用現(xiàn)代化教學手段與技術

首先，以《流體力學》教材中所采用的大量流場圖片為例，對流場理解的正確與否決定其學習流體力學的興趣與積極性，傳統(tǒng)的教學方法多采用授課教師手繪流線等方法來說明流體的流動過程，在講解的過程中，由于流場僅僅是枯燥的曲線靜態(tài)分布，無法有效吸引學生注意力，使學生對流動機理有進一步深刻認識和理解，從而降低教師的教學效率和教學效果。

在《流體力學》教學中采用多媒體課件，通過制作一些流體運動的Flash動畫演示把流動的特性形象地展示在學生眼前，表現(xiàn)形式相對新穎、活潑、再加上圖文并茂的效果，使學生可以直觀地觀察有趣的物理流體現(xiàn)象，通過這一環(huán)節(jié)的改進，可以主動改變沉悶的教學過程，創(chuàng)造出生動活潑的教學場景，激發(fā)學生的學習興趣，調動學生的學習積極性。

其次，《流體力學》教材中涉及了大量的基本概念、假設、原理及公式推導等，據(jù)統(tǒng)計大量公式的推導過程占據(jù)板書時間的較大比例，這有可能造成教師無法在有效課時完成教學大綱規(guī)定的教學內容，降低教學效率。在《流體力學》教學中的應用PPT多媒體技術，復雜繁瑣的公式推導可以較形象地展現(xiàn)在學生面前，對學生理解公式有較大好處。一旦形成這樣的教學場景，那么在規(guī)定的課堂時間內必將可以細致透徹地完成教學任務，達到事半功倍的教學效果。

靈活采用各種PPT制作技術在一定程度上可以避免“多媒體”變成“單媒體”，在《流體力學》教學中對多媒體的使用多集中于流體運動學與動力學基礎、圓管流動、薄厚壁孔口出流、縫隙流動及氣體動力學基礎等。

此外，考慮到多媒體教學蘊含的信息較大，合理分配PPT播放時間對教師的課堂教學掌控能力是一個挑戰(zhàn)。如果“整個教學過程從頭到尾充斥著大量復雜的信息、不停轉動的畫面，而沒有充分考慮學生的思維水平和思維速度，像電視或電影畫面那樣一閃而過，不斷向學生灌輸，這樣的‘填鴨’式教學形式會引起學生的‘消化不良’，扼殺了學生創(chuàng)作的機會”。

2 建立新的教學手段模型，提高考試成績

本文所建立的教學模型如圖1所示，為提高教學效果及學生考試成績，采用立體式的教學手段。該模型包括以下四項內容：情景式啟發(fā)，多媒體技術，工程實例講解，動態(tài)視頻輔助。

情景式啟發(fā)屬于現(xiàn)代教學論范疇，創(chuàng)造一定的“休閑、放松、特色”的學習環(huán)境。通過營造啟發(fā)式學習的氛圍，讓學生獲得更加美好的學習體驗。這種方式能充分調動學生的學習積極性，對激發(fā)學生的學習熱情和學習需要能夠產(chǎn)生有效的激勵作用。

工程實例講解是以學生常見的工程問題作為引入點，但同時大部分同學對該類問題理解不深或是出現(xiàn)偏頗。結合該類問題，解釋其中所蘊含的流體力學定理，加深學生對該問題及相關定理的認識，無疑有利于學生學習流體力學。

動態(tài)視頻輔助是一些在實際生活中難以見到，但又屬于流體力學理論范圍的現(xiàn)象再現(xiàn)，通過這些視頻可以加深學生對流體力學相關理論的理解。

最后可以發(fā)現(xiàn)：采用先進教學手段的班級，無論是考試的優(yōu)良率還是平均分數(shù)均比采用傳統(tǒng)教學方法講解的班級高出約15%左右，從而達到提高教學效果的目的。

3 重組教學內容，調整知識布局

根據(jù)《流體力學》課程的教學大綱，借鑒國內外對本課程改革的成果，按照當前教學改革發(fā)展的要求對教材內容進行調整，以流體的流動為主線，將相關內容有機地融合在一起最終形成能夠相互促進的教學模式，如圖2所示。

課程體系分為三個部分：第一部分是不動的液體，主要講述流體基本概念與流體靜力學內容；第二部分是運動的液體，使學生掌握流體運動學及動力學規(guī)律，對簡單的管道流動及縫隙流動有定性及定量的認識；第三部分是運動的氣體，可以把這章內容采用視頻播放加師生互動方式講解，來培養(yǎng)學生獨立自學的能力。

4 加強實踐教學，提高學生認知能力

《流體力學》實驗是學生職業(yè)技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，因為它的實驗課題是以流體運動為背景的，如畢托管測速實驗，雷諾實驗等典型實驗。通過選取典型的實驗現(xiàn)象給學生展示實驗結果，加深學生對流動原理、流場結構特點等信息的了解。同時教師在指導流體力學實驗過程中可對部分操作手段進行相應改進，也可設計并提出一些新的實驗內容。合理利用已有條件培養(yǎng)學生理論與實踐相結合的能力，做到學以致用。

5 結束語

《流體力學》教學改革是一項艱巨、長期的工作，本文從合理運用現(xiàn)代化教學手段與技術，建立新的教學手段模型，提高考試成績，重組教學內容調整知識布局、加強實踐教學，提高學生認知能力等三個方面論述了相關經(jīng)驗和具體的實施手段。雖然在一些方面探索出若干經(jīng)驗并取得了一定的效果，但還相對薄弱。改進教學手段，引入多種教學方法，因材施教等均可提高學生的學習和接受能力，為以后學習專業(yè)課及工作奠定堅實的基礎。

參考文獻：

第6篇：流體的力學特性范文

基礎研究往往需要經(jīng)歷從原理到實驗室技術實現(xiàn)再到工業(yè)化產(chǎn)品的漫長過程，最終才能造就重大創(chuàng)新。作為此次獲得一等獎的基礎研究項目，“纖維/高速氣流兩相流體動力學及其應用基礎研究”便經(jīng)歷了化繭成蝶的漫長蛻變。該項目由東華大學紡織學院郁崇文教授及其團隊潛心研究16年完成，16年磨一劍，為紡織技術創(chuàng)新固本強基。

自上世紀80年代以來，高速氣流在紡織行業(yè)內逐漸得到廣泛應用，但業(yè)內對纖維/高速氣流兩相流體動力學的基礎研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術的紡織應用提供有力的支撐。在這種背景下，項目研究團隊于1995年起，在國家自然科學基金委、教育部和上海市等科研計劃項目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學開展了系統(tǒng)的研究工作。目前，該項目已通過評審驗收，研究工作的總體水平達到國際先進，形成了數(shù)項自主創(chuàng)新成果，主要表現(xiàn)為以下4 個方面。

針對纖維/氣流兩相流動中的剛性圓柱桿和橢圓形顆粒模型無法體現(xiàn)纖維柔性和彈性特征的不足，構建與完善了基于柔彈性特征的“珠-桿”鏈式纖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，同時可有效表征纖維的彎曲、扭轉、拉伸等變形情況。

實現(xiàn)了紡紗噴嘴內高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實驗測試。國內最早采用計算流體動力學（CFD）技術對紡織工藝中（如噴氣紡紗噴嘴內）高速氣流場特性進行數(shù)值模擬研究，并通過激光多普勒（LDV）技術和同粒子成像測速（PIV）技術以及高速攝影等實驗流體力學方法進行了測試，獲得的結果更加真實、可靠。

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

理論成果的應用研究。借助基礎研究成果，對噴氣紡與噴氣渦流紡加捻成紗工藝進行了系統(tǒng)優(yōu)化，并研究了氣流噴嘴減少紗線毛羽的機理，實現(xiàn)了對成紗質量的預測，設計開發(fā)了具有自主產(chǎn)權的紡紗噴嘴；模擬了熔噴聚合物纖維在高速氣流場中拉伸成形過程，并設計出新型熔噴非織造模頭。

第7篇：流體的力學特性范文

關鍵詞：CFD 湍流特性 數(shù)值模擬 棒束通道

一、ANSYS CFD軟件簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics計算流體力學）是計算機技術、數(shù)值計算技術、流體實驗、計算機模擬實驗為一體的模擬軟件?；驹硎菙?shù)值求解控制流動的微分方程，得出流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬出流動情況。

CFD模擬是利用計算機求解各種守恒控制偏微分方程組的技術。涉及流體力學（湍流力學）、數(shù)值方法乃至計算機圖形學等多學科。且會因所要解決問題的不同，建立的模型方程與數(shù)值方法也會有所不同，如可壓縮氣體的亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。

二、棒束通道內的湍流流動理論基礎

粘性流體的運動存在兩種完全不同的流動狀態(tài)：層流狀態(tài)和湍流（紊流）狀態(tài)。1883年雷諾通過實驗方法觀察到了這兩種不同的流動狀態(tài)。

層流流線之間沒有相互交叉，呈現(xiàn)出一種十分有規(guī)律的分布，不存在橫向的交混流動。湍流組是一種十分復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉的不規(guī)則流動[1]，不僅有軸向流動，還會伴有很強橫向流動和漩渦流。

眾所周知，流體的流動狀態(tài)和雷諾數(shù)有很大關系，這是由雷諾通過進行大量的試驗總結出由層流到湍流的轉變是由Re決定的，當Re大于一定數(shù)值時，流動就由層流過渡到湍流。Rec一般取為2000。本文所研究的棒束通道內的流動流體的Re在2.85×104到1.64×105之間，同時存在橫向交混流動，所以為強烈的湍流流動。

在湍流流動中流體的各種物理參數(shù)，都會隨著時間和空間的變化不斷的隨機的改變。一般把湍流流動當成是由各種不同的渦旋疊合而成的流動狀態(tài)，然而這些渦旋的尺寸及旋轉軸的方向都是不確定的有很強的隨機性。大尺度渦主要由流動的邊界條件決定，其尺寸可以與流場的大小相比擬，主要是受慣性影響而存在，是引起低頻脈動的原因；小尺度的渦主要由粘性力決定，其尺寸可能只有流場尺度的千分之一的量級，是引起高頻脈動的原因[2]。

三、渦粘性模型

（1）標準k-ε模型

標準的k-ε模型是由湍動能k方程和ε的方程組成，這樣便形成了標準k-ε模型，標準的k-ε模型在1972年是由Launder以及Spalding提出的[3]。

各向均同性的小漩渦的機械能轉變?yōu)闊崮艿乃俾?，也就是紊流中單位質量的流體湍動能的耗散率，定義式由下式給出：

經(jīng)分析得：

式中，Cμ為經(jīng)驗系數(shù)。

對于不可壓縮的流體，約束k和ε的方程為：

經(jīng)驗系數(shù)在模型中的取值為：

由于其使用廣泛并且很適用，標準k-ε模型在已經(jīng)工程上成為使用最廣泛的湍流模型。但對于其適用性仍需作如下說明：

1.在模型中的所有的相關系數(shù)一般是在特定條件下進行試驗獲得，一些系數(shù)可以說具有一定的代表性，但是需要仔細的對計算時所設置的特定條件查閱有關的資料進行合理的設置。

2.所建立的標準k-ε模型，就是為了計算流體在充分發(fā)展階段的湍流特性，所以它就是為了計算大雷諾數(shù)湍流流動而產(chǎn)生的湍流計算模型，尤其是在流體遠離壁面特定距離的湍流流動區(qū)域。

3.標準k-ε模型是在零方程模型和一方程模型的基礎上做了總結與創(chuàng)新，通過了大量的科學研究和在工程實際中的應用，對標準k-ε模型進行了檢驗和應用的目的，但在強旋流動和彎曲壁面流動會產(chǎn)生一些誤差。那是由于在標準k-ε模型中μt為各向同性。而實際中 μt為各向異性。

（2）SST k-ω湍流模型

SST k-ω模型是建立在BSL k-ω模型的基礎之上[4]。Wilcox的k-ω湍流模型有缺點，由于對進口的ω值很敏感， ω值不同，所輸出的結果也會不一致，且變化很大。我們并不希望這樣，于是Menter選擇了BSL k-ω模型，在壁表面采用k-ω模型，而在紊流發(fā)展可觀的中心部位采用k-ω模型。這就存在將k-ε模型向k-ω模型轉變的需求。k-ω模型乘以調和函數(shù)F1，k-ε模型乘以（1-F1），于是變成BSL k-ω模型。

在BSL k-ω模型和SST k-ω模型中，在壁表面采用k-ω模型，湍流充分發(fā)展區(qū)采用k-ε模型，這就需要確定壁面距離（Wall Distance），在這個距離處開始轉變湍流模型。在CFX- Solve：窗口中也有一個監(jiān)視“Wall Scale”的視圖。

四、不同湍流模型的比較

為了分析出四種湍流模型的適用性，做出每個模型C截面處的速度流線圖來分析軸向交混程度，如下圖所示。從圖中可以看出標準k-ε模型（model1）和SST k-ε模型（model2）有較好的速度分布，而BSL Reynolds Stress 模型（model3）和SSG Reynolds Stress模型（model4）的速度流線圖表現(xiàn)的不是特別明顯。

總體上，標準k-ε模型和SST k-ε模型的速度分布基本相同，且壓降也基本一樣，k-ε模型與SL Reynolds Stress 模型、SSG Reynolds Stress模型的速度分布差別較大這是因為SL Reynolds Stress 模型、SSG Reynolds Stress模型采用了相同的壁面出方法，而k-ε模型采用了不同的壁面處理方法，也對不同湍流模型對壁面的不同處理方法對模擬結果會產(chǎn)生比較大的影響。

五、結論

本文對棒束通道湍流特性選擇用CFD軟件進行數(shù)值模擬分析，為了驗證不同湍流模型的適用性，進行通過以上的分析比較，本文認為SL Reynolds Stress 模型和SSG Reynolds Stress模型的壓力損失較大，與標準k-ε模型和SST k-ω模型的速度分布差別也較大。標準k-ε模型與SST k-ω模型沒有明顯的不同之處，但從理論上SST k-ω模型考慮了湍流應力對流體流動的影響。所以本文認為選用SST k-ω模型對棒束通道微小通道內的流場進行數(shù)值計算更為適合。

參考文獻

[1]Chen C J，Jaw SY. Fundamentals of turbulence modeling. Washington DC. Taylor&Franeis. 1998：91- 92

[2]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用. 北京：清華大學出版社. 2004：113-114

[3]David C Wilcox. Turbulence Modeling for CFD. California：DCW Industries，Inc. 1993：87-90

[4]ANSYS Ltd. ANSYS CFX-Solver，Release 10.0 Theory. Peunsylvania： ANSYS Ltd. 2005，106-108，245-246

作者簡介：

第8篇：流體的力學特性范文

關鍵詞：動力學模態(tài)分解 直接數(shù)值模擬 自持振蕩

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（c）-0001-03

Dynamic Mode Decomposition of a Cubical Lid-driven Cavity Flow

Wang Han Wang Jianming

（Shenyang Aerospace University， Shenyang Liaoning， 110136， China）

Abstract：In order to research the transient flow structure of a cubical lid-driven cavity flow， two dimensional Direction Numerical Simulation （DNS） was used in the flow field computation. Dynamic Mode Decomposition （DMD） was conducted to analysis the dynamic modes of this velocity field with different order. The results show that this cubical lid-driven cavity flow exhibits intensely self-sustained oscillation at the Reynolds number of 9000， at the same time DMD is able to extract the main self-sustained oscillation dynamic feature and high-order harmonic modes from original flow fields. The dynamic velocity modes fully reveal the circumferentially arranging vortex pairs， which were caused by the unstable shear layer and the feedback perturbation is the underlying physical mechanism of self-sustained oscillation. Meanwhile， the distortion of the first order oscillation which was caused by the small-scale spatial perturbance embedding in large-scale spatial vortices， and give rise to the high order harmonic waves in the flow field.

Key Words：Dynamic Mode Decomposition； Direction Numerical Simulation； Self-sustained Oscillation

二維頂蓋驅動方艙流動，可以用于簡化由某一壁面引起的空腔內部環(huán)流[1]。從熱力學角度分析，是典型的功熱轉化過程。該文選用二維頂蓋驅動方艙流動模型作為DNS方法研究的載體。Navier-Stokes方程具有拋物型和橢圓型兩個特性，盡管控制方程具有混合特性，但采用MacCormack格式進行時間推進求解是適定的。MacCormack格式是Lax-Wendroff格式的一個變種，在時間和空間上都具有二階精度的顯式有限差分格式[2]。由于MacCormack格式是最容易理解和實現(xiàn)的格式，同時得到的結果在很多實際應用中都有令人滿意的結果，所以該文選用MacCormack格式直接求解Navier-Stokes方程。當雷諾數(shù)為6 000～8 000時，流動為轉捩狀態(tài)；當雷諾數(shù)達到10 000時，流動為局部湍流[3]。為了分析流場振蕩產(chǎn)生的原因，該文應用動力學模態(tài)分解（DMD）技術對原流場進行處理[4-7]。

1 數(shù)值模擬

該文考慮二維剪切力驅動方艙流動，方艙為長寬均為L=1 mm的正方形區(qū)域，雷諾數(shù)（Re=ρVL/μ=9 000），壁面為無滑移恒定壁溫邊界條件，理想氣體初始壓力為101 kPa。頂蓋運動方向與右側壁面交接處被稱為DUE，右側壁面與下壁面的夾角處被稱為DSE，左側壁面與下壁面的夾角處被稱為USE，頂蓋運動反方向與左側壁面交接處被稱為UUE，4個區(qū)域如圖1所示。

求解忽略體積力和體積熱的二維守恒形式Navier-Stokes方程：定義Et為撾惶寤動能和內能的和，正應力與剪切應力為τxx、τyy、τxy、τyx，由Fourier定律得到熱交換率。采用MacCormack顯示時間推進求解離控制方程，并運用預測校正兩步法保證在時間和空間上都具有兩階精度。運用網(wǎng)格Reynolds數(shù)的量級判斷計算網(wǎng)格的尺寸： Re≤40-50；Re≤40-50。在滿足網(wǎng)格Reynolds的條件，x和y方向分別設置200個節(jié)點，空間步長為0.5e-2mm。時間步長由（CFL）穩(wěn)定條件決定。

2 動力學模態(tài)分解

設某一非定常流動的時-空速度場表示為，列向量表示第i時間層上流場參數(shù)的空間分布。設存在一線性變換矩陣A連接相鄰兩時間層上的流場信息：。若流動是線性系統(tǒng)，A是恒定值；若流動是非線性系統(tǒng)，A為恒定假設表示對此系統(tǒng)的線性正切近似[6，7]。矩陣A只能從流場的內在動力學機制中獲得，所以DMD采用A的伴隨矩陣S作為A的低維近似[6]。隨著采集時間層的增加，能夠更加精確地用之前的向量線性表示最后的向量，即：。矩陣形式為：

。其中，可通過求解極小最

小二乘解得到，r為誤差向量；由于可以用線

性表示，所以能夠將時空流場沿時間

方向平移：。

矩陣形式為：。其中伴隨矩陣S的特征值包含了系統(tǒng)的時間推進特性；將時-空流場矩陣投影到矩陣S的特征向量上，即可到流場沿時間推進的空間模態(tài)：。

3 流場的自持振蕩

由于粘性的影響，流體由頂蓋剪切力驅動作用下撞擊方艙右側壁形成一股射流沖擊方艙下壁面[1]，在方艙中形成穩(wěn)定的初級渦，USE、DSE、UUE區(qū)域出現(xiàn)一定數(shù)量的次級渦。同時流線呈現(xiàn)出波浪狀的擺動，初級渦剪切層內有周期性出現(xiàn)的局部高速區(qū)域，流場呈現(xiàn)出非定?，F(xiàn)象；此外，USE、DSE、UUE區(qū)域次級渦的個數(shù)發(fā)生周期性的變化，也能直觀地反映出頂蓋驅動流的非定常特征，如圖2所示。

將S矩陣特征值取自然對數(shù)：。ωj的虛部表征對應模態(tài)的相速度，包含模態(tài)的頻率信息；ωj的實部表征對應模態(tài)沿時間增長、衰減的趨勢。圖3中大部分都落在零線附近說明絕大多數(shù)的模態(tài)在時間上中性穩(wěn)定。

圖4顯示了方艙下壁面中心位置測量點上瞬時靜壓快速傅立葉變換的頻譜特征。靜壓頻譜出現(xiàn)一個波峰清晰的基頻f1≈80922 Hz和它的3個倍頻諧波f2、f3、f4。圖4顯示了各動力學模態(tài)相P系數(shù)與頻率之間的關系，頻率為f1、f2、f3、f4的4個模態(tài)在相關系數(shù)上出現(xiàn)峰值。

圖5顯示了頻率為f1的一階空間速度場模態(tài)，此模態(tài)的頻率與方艙自持振蕩壓力脈動一階頻率一致，并且在原速度場中具有顯著的相關性。由于流體的粘性和剪切層的不穩(wěn)定性，當射流沖擊方艙下壁面時形成了周向排列的漩渦，并沿著方艙壁面順時針移動，這種擾動信息在頂蓋帶動作用下迅速減小，但持續(xù)保留在剪切層內，當下一次進入射流并沖擊方艙下壁面時微小的擾動將在方艙底部誘發(fā)新的周向排列旋渦。

由于這種渦運動的存在，提高了剪切層中動量、熱量和質量的傳遞速率；同時，相對于初級渦剪切層內流體層之間相對滑移引起的切應力外，增加了流體微團局部動量交換的切應力。即這種渦運動的存在使得閉口系統(tǒng)的耗散能力有了顯著的提高，加快了流體動能向內能的轉化。

圖6、圖7為頻率為f2、f3的速度場模態(tài)；與一階模態(tài)相似，此兩階模態(tài)在空間上均呈現(xiàn)出沿順時針方向周期性出現(xiàn)的周向漩渦結構，漩渦的空間尺度隨頻率的增加而減小，同時與原速度場的相關性也隨頻率的增加而減小。這兩個模態(tài)表征了由于一階振蕩畸變產(chǎn)生的高階諧波；同時，在物理上代表了嵌入較大尺度漩渦中的各階小尺度擾動[7]；高階模態(tài)有可能是一階自持振蕩周向分布漩渦與空腔壁面的相互作用或是對周圍環(huán)境流體的卷攜作用所造成的。

4 結語

該文采用直接數(shù)值模擬（DNS）和動力學模態(tài)分解方法（DMD）對雷諾數(shù)Re=9 000的頂蓋驅動方艙流動進行了分析。

在Re=9 000時，頂蓋驅動方艙流動表現(xiàn)出自持振蕩現(xiàn)象，這種振蕩來源于方艙底部壁面與射流相互作用引起的周向排列漩渦結構。流動的自持振蕩增加了摩擦阻力和動能的損失，提高了閉口系統(tǒng)的耗散能力，加快了流體動能向內能的轉化，并加熱方艙中心，通過等溫壁面向環(huán)境散熱。

一階自持振蕩模態(tài)中的周向排列漩渦與空腔壁面的相互作用或是對周圍環(huán)境流體的卷攜作用，產(chǎn)生嵌入大尺度漩渦中的各階小尺度擾動，導致自持振蕩存在各階倍頻諧波。

參考文獻

[1] 王吉飛，萬德成.三維頂板斜向驅動方腔流有限元并行計算[J].海洋工程，2015，33（2）：1-12.

[2] Maccormack RW. The Effect of Viscosity in Hypervelocity Impact Cratering[J].Journal of Spacecraft & Rockets，1969，40（5）：27-43.

[3] Nayak AK， Bhattacharyya S. Double-diffusive convection in a cubical lid-driven cavity with opposing temperature and concentration gradients[J].Theoretical & Computational Fluid Dynamics，2011，26（6）：565-581.

[4] Schmid PJ. Dynamic Mode Decomposition of numerical and experimental data[J].Journal of Fluid Mechanics，2008，656（10）：5-28.

[5] 唐湛棋.強擾動作用于邊界層的PIV實驗研究[D].天津：天津大學，2013.

第9篇：流體的力學特性范文

關鍵詞：嬰兒培養(yǎng)箱；內流場；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.198

0 引言

嬰兒培養(yǎng)箱是一種嬰幼兒保育設備，采用“空氣對流熱調節(jié)”的循環(huán)方式，維持嬰兒艙內域流場參數(shù)的穩(wěn)定性。在空氣流動循環(huán)過程中，路程較長，過程復雜，空氣流動狀態(tài)比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態(tài)。本文以計算流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，對嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場進行的可視化模擬研究。

1 嬰兒培養(yǎng)箱空氣流動循環(huán)原理

目前，多數(shù)廠家生產(chǎn)的嬰兒培養(yǎng)箱是由風扇驅動，采用“縱向空氣對流熱調節(jié)”方式，維持內部空氣往復循環(huán)的過程。通過空氣入口，補充在循環(huán)過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風道結構的設計，控制空氣流場的分布狀態(tài)等。其空氣循環(huán)通道結構主要包括風扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內襯板、上內襯板、后內襯板、嬰兒床等。如圖1。

2 CFD建模與仿真

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場仿真模型，利用CFD計算機流體仿真軟件進行仿真，并對仿真結果進行參數(shù)化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場循環(huán)過程[1]。

建立三維仿真模型，采用自適應網(wǎng)格的劃分方法進行網(wǎng)格劃分，采用瞬態(tài)模擬，設置流體計算域和風扇旋轉計算域。計算域介質為理想空氣，風扇旋轉域的運動模式為旋轉模式，旋轉速度為100rad/s?？諝膺M口溫度設為環(huán)境溫度25℃，出口溫度設置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設置為絕熱條件。

參照GB 11243-2008，在模型中設置五個監(jiān)控點，分別命名為A、B、C、D、E，分別監(jiān)控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據(jù)求解器收斂情況，判斷程序求解運行過程是否正常，及確認求解結束。

3 仿真結果分析

利用CFD軟件的后處理器對計算的數(shù)據(jù)結果進行參數(shù)化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點的速度和溫度進行分析，與樣機實測數(shù)據(jù)相比較，驗證仿真結果的合理性。如表1，2。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，計算值與實測值的分布狀態(tài)一致，并且五個監(jiān)控點速度平均值均在0.1m/s以下，監(jiān)控點溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流動狀態(tài)分析使用參數(shù)要求，因此可以確認仿真結果是合理的。

4 總結

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流動狀態(tài)，得到嬰兒培養(yǎng)箱內部空氣流動特性。經(jīng)過仿真結果后處理分析，能夠進行全方位的視覺觀察嬰兒培養(yǎng)箱內部空氣的整個循環(huán)過程和流動特性，并提供詳細和完整的數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)了仿真模型的形象化，可視化，參數(shù)化，彌補理論分析的抽象化、簡單化和實驗分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進一步開展的系統(tǒng)研究，結構優(yōu)化設計等方面提供參考數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]高飛，李昕.ANSYS CFX 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013：89-90.