流體力學(xué)的常用研究方法精選(九篇)

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第1篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；計算流體力學(xué)；CFD軟件及源程序；教學(xué)研究

中圖分類號：G6420；TU 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）05015404

一、工程流體力學(xué)與CFD軟件、源程序

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）軟件通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示后處理，對包含流體流動和有熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象作出系統(tǒng)的分析。目前，CFD 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天、氣象、船舶、水利、化工、建筑、機(jī)械、汽車、海洋、體育、環(huán)境等領(lǐng)域，取得了令人矚目的成就。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，計算技術(shù)已被引入到流體力學(xué)領(lǐng)域，使以前因計算過于復(fù)雜而影響進(jìn)一步探討的流體力學(xué)問題逐步得以解決，計算流體力學(xué)已經(jīng)成為研究流體力學(xué)的重要方法[1-3]。常用的CFD計算軟件有FLUENT 、CFX、Phoenix等。FLUENT 軟件是目前常用的一套高性能的數(shù)值軟件，是專門針對流體工程數(shù)值計算與仿真需求而開發(fā)的一種流體數(shù)值仿真軟件。

工程流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容主要分為流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、相似和量綱分析、管中流動、孔口出流和縫隙流動等[4]。其中，管中流動主要研究圓管中的層流及紊流、管路中的沿程阻力、管路中的局部阻力及管路計算等，涉及到一系列的概念和理論公式，學(xué)生理解起來有點枯燥、困難[4-5]。通過利用FLUENT軟件和源程序進(jìn)行數(shù)值模擬這一環(huán)節(jié)，變枯燥的理論公式計算為生動的計算機(jī)數(shù)值求解，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也使學(xué)生有了更多的感性認(rèn)識和理性認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生解決實際問題的能力。在流體力學(xué)課程教學(xué)中， 有意識地穿插計算數(shù)學(xué)、Fortran語言編程、CFD知識，有助于學(xué)生理解流體力學(xué)公式及方程，

也可以加強(qiáng)學(xué)生對其他學(xué)科知識的理解和掌握，達(dá)到多學(xué)科之間的融會貫通， 觸類旁通。為此，筆者對科研成果中相關(guān)源源程序、部分開源程序和CFD 軟件在工程流體力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用做了一些探索與實踐。

二、 教學(xué)案例

（一） 圓管中的層流及紊流教學(xué)實例

在工程流體力學(xué)教學(xué)中，管中流動是主要章節(jié)的內(nèi)容，涉及的理論和公式多，不易理解。圓管流動有層流和紊流兩種流動狀況。雷諾數(shù)是判別流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)。為加深學(xué)生對流速分布和壓強(qiáng)分布規(guī)律的理解，在教學(xué)中可安排課外作業(yè)，設(shè)置用FLUENT軟件來模擬研究三維圓管的層流和紊流流動狀況，作出驗證分析。

圖1為圓管流動入口和出口邊界截面的流速分布圖（l=2m， d=0.1m）。取流動充分發(fā)展部分，離入流邊界x/D=1.6的截面其流速分布如圖2所示。可以看出流速沿半徑Y(jié)方向成拋物線分布，與書中理論公式相符，如式（1）所示。通過數(shù)值模擬，學(xué)生對圓管內(nèi)流動速度分布有了更深刻的認(rèn)識。

由圖3可以看出圓管內(nèi)部壓強(qiáng)分布從管口處向延伸方向逐漸減小，可知流速相應(yīng)增大，符合流速大、壓強(qiáng)小的流動定律，也符合圓管流動壓降的原理。另外從入口處的壓強(qiáng)分布可以看出，在圓管任何截面上，其壓強(qiáng)分布也不是均勻的，也有分層現(xiàn)象。＼

圖 3 圓管內(nèi)部壓強(qiáng)分布

圖4為圓管軸線上的速度分布。由圖可以看出，在圓管的軸上，進(jìn)口段流速分布變化較大，從進(jìn)口流速v1=0.005m/s急劇上升到最大流速umax=0.00 848m/s。層流入口段長度有經(jīng)驗公式可以算的，即

L≈0.058 dRe （2）

可算得入口段長度約為1.18m，由圖4顯示效果可以看出，流速在離入口1.1m到1.2m之間，即入口段長度約為1.1～1.2m，符合書中理論計算結(jié)果。

圖 4 圓管軸線上速度分布

圖5為圓管內(nèi)部x軸方向不同截面的流速分布，可看出流速在截面上從入口到出口的變化。水流在圓管內(nèi)部的流速分層很明顯，靠近壁面處流速接近于零。

圖 5 主流方向截面流速分布圖

圖6為圓管紊流充分發(fā)展段某一截面的流速分布圖。從圖中可以看出在紊流充分發(fā)展段，截面流速散點圖最高處幾乎為一條直線，說明圓管內(nèi)大多數(shù)流體流速趨于穩(wěn)定，而是更加平滑。紊流過流斷面的流速對數(shù)分布比層流的拋物面分布均勻得多，這在理論上符合紊流流速的對數(shù)分布律，即：

uu=1Klny+C（3）

圖6 Y方向中心軸線的流速分布

（二）管路中的沿程阻力教學(xué)實例

在流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容管中流動一章的教學(xué)實踐中，筆者利用前期研發(fā)的程序[6]設(shè)置了以半擴(kuò)散角為4o、擴(kuò)散度為3.92的錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)的不可壓縮流動數(shù)值模擬算例，旨在將對接科研成果的教學(xué)模式用于輔助工程流體力學(xué)課程教學(xué)實踐。已知條件：錐形漸擴(kuò)管路前接管直徑為30 mm，后續(xù)管直徑為50 mm，總長度為70 mm。管內(nèi)流動介質(zhì)為空氣，進(jìn)口速度為1m/s。 網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖7 錐形漸擴(kuò)管路系統(tǒng)內(nèi)流場網(wǎng)格模型

數(shù)值計算結(jié)果如圖8所示。從圖中可清晰看出，在突然擴(kuò)大段，壓力逐漸增大，表現(xiàn)擴(kuò)壓效果，但中心線上的速度呈下降趨，若擴(kuò)散角增大時，在漸擴(kuò)段會出現(xiàn)局部回流區(qū)，這是造成局部能量損失的重要原因。

圖8 錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)壓力場

局部阻力誤差分析：對于錐形漸擴(kuò)管的局部阻力，可以用包達(dá)定理的形式表示：

hζ=ku1-u222g（4）

其中，k為經(jīng)驗系數(shù)。由式可知，錐形漸擴(kuò)管局部阻力損失理論計算公式為：

hz = ku1 - u2 22g = k1 - A1 A2 2×u21 2g = k1 - A2 A1 2×u22 2g（5）

其中A1為漸擴(kuò)管上游橫截面積，A2為漸擴(kuò)管下游橫截面積（m2），u1為漸擴(kuò)管上游平均流速（理論值），u2為漸擴(kuò)管下游平均流速（理論值）。A1 = πd21 4 = π×124，A2 = πd22 4 = π×224，u1=1 m/s，g=9.8m/s2 。代入（5）式得：

hζ理=0.004 305 m

實際流體的伯努利方程為[7]：

Z1 + P1 ρg + u21 2g = Z2 + P2 ρg + u22 2g + hf + hζ （6）

將仿真結(jié)果代入上式，其中Z1=Z2=0 P1=-0.03pa，P2=0.4pa，u1=1.06m/s， u2=0.58 m/s， hf=0， 得 hζ模擬=0.00 435m。誤差率為：

η=hζ模-hζ理hζ?！?00%

=0.00 435-0.004 3050.00 435×100%=1.03%

（三） 后臺階流動教學(xué)實例

為讓學(xué)生對雷諾數(shù)有更進(jìn)一步的感性認(rèn)識，利用開源CFD程序[8]可設(shè)置后臺階流動教學(xué)實例，比較不同入流Re數(shù)時臺階后渦的大小和長度，現(xiàn)選擇四種Re數(shù)工況的計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到如圖9所示的流線圖。從圖中可以看出，隨Re數(shù)的增加，臺階后方主渦的大小呈增大趨勢，在Re=1 000時在上方有次生渦的出現(xiàn)。

圖9 不同雷諾數(shù)下的流線圖

三、 教學(xué)實踐中的幾點體會

（一） 理論教學(xué)與數(shù)值實驗教學(xué)的合理利用

在工程流體力學(xué)理論教學(xué)時可結(jié)合數(shù)值實驗教學(xué)加以輔助，例如在管中流動一章教學(xué)時，可以用上述相關(guān)教學(xué)實例。由于在進(jìn)行課堂演示教學(xué)時，依計算機(jī)性能及不同問題的規(guī)模難易程度，數(shù)值模擬求解的時間將有不同，要掌握合理數(shù)值模擬時間。可采取讓學(xué)生安裝CFD程序及軟件，并要求學(xué)生事先自學(xué)使用方法，嘗試數(shù)值預(yù)測，預(yù)習(xí)理論知識。然后教師理論教學(xué)時對學(xué)生預(yù)測結(jié)果進(jìn)行抽樣調(diào)查分析，將理論結(jié)果與計算結(jié)果比較分析。條件許可的話，也可以通過高性能集群提交計算作業(yè)，在較短的時間內(nèi)獲得計算結(jié)果。這樣學(xué)生對復(fù)雜的理論就能有深入的認(rèn)識，同時也鍛煉了學(xué)生的科研能力。

（二）適當(dāng)安排精選案例教學(xué)

課堂教學(xué)演示案例的選取應(yīng)做到簡單且具有代表性。 案例簡單能夠減少計算機(jī)的運行時間，使教學(xué)更加緊湊；而有代表性的案例貼近生活或工程實際，則有利于提高教學(xué)趣味，開闊學(xué)生的視野。由于課堂教學(xué)時間有限，因此應(yīng)在簡單演示教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，精心布置較為復(fù)雜的課外任務(wù)。

（三） 源程序和軟件互補(bǔ)

在數(shù)值模擬教學(xué)中結(jié)合利用軟件和程序。軟件不是萬能的，商用軟件所能解決的問題是已在學(xué)術(shù)界得到充分研究的問題，對于科學(xué)研究來說，自己編程是必不可少的。一方面，自編程能更好地理解CFD具體實施過程，對商用軟件的理解和使用也是有幫助的。另一方面，自編程序還可以更好地對接科研成果，用于工程流體力學(xué)課程輔助教學(xué)。

四、結(jié) 語

通過上述幾個數(shù)值模擬實例可以看出，數(shù)值模擬過程并不太難，但結(jié)果更形象直觀。借助計算機(jī)輔助手段，在工程流體力學(xué)課堂教學(xué)中，利用CFD軟件及源程序進(jìn)行數(shù)值模擬輔助理論教學(xué)， 將理論性較強(qiáng)的內(nèi)容形象化，可以開闊學(xué)生的視野， 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識， 加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解。此外，通過對接科研成果，用源程序進(jìn)行數(shù)值實驗教學(xué)還可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和科研能力，豐富數(shù)值實驗教學(xué)內(nèi)容。參考文獻(xiàn)：

[1]J.H. Ferziger， M.Peric.， Computational Method for Fluid Dynamics[M]. Springer，2002.

[2]張涵信，沈孟育.計算流體力學(xué)―差分方法的原理和應(yīng)用 [M]. 北京： 國防工業(yè)出版社，2003.

[3]傅德薰，馬延文.計算流體力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社，2000.

[4]張也影.流體力學(xué)[M].2版.高等教育出版社，2009.

[5]鄭捷慶，鄒鋒，張軍，等. CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2007（10）：119-121.

[6]何永森，舒適，蔣光彪，等.管路內(nèi)流體數(shù)值計算與仿真[M]. 湖南 湘潭： 湘潭大學(xué)出版社，2011.

第2篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

[關(guān)鍵詞] 模塊化 分層次 力學(xué) 課程體系

力學(xué)既是一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科,又是一門在絕大多數(shù)科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域具有重要作用的技術(shù)學(xué)科,特別在現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步中起著重要作用。力學(xué)課程是工科院校中一類重要的基礎(chǔ)課程。我校力學(xué)課程包括“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”、“工程力學(xué)”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“彈性力學(xué)”及“工程流體力學(xué)”等。為了適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展對人才的需要,滿足高等教育改革的要求,在“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力”的思想指導(dǎo)下,以工程技術(shù)為背景,突出工程實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng),拓寬知識面,增強(qiáng)適應(yīng)性。以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神,培養(yǎng)創(chuàng)造性人才為核心,建立與之相適應(yīng)的力學(xué)課程教學(xué)體系。

中國地質(zhì)大學(xué)(北京)關(guān)于修訂本科培養(yǎng)方案的原則意見中提出,新的培養(yǎng)方案要深化通識基礎(chǔ)課和學(xué)科基礎(chǔ)課的教學(xué)改革,實施分級或分層次教學(xué)。力學(xué)類課程作為學(xué)科基礎(chǔ)性課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程在培養(yǎng)方案中起著承上啟下的作用,但不同專業(yè)對力學(xué)類課程的要求不同,為此建立模塊化結(jié)構(gòu)的多層次力學(xué)課程體系,為滿足不同專業(yè)的需要提供選擇,達(dá)到提高教學(xué)效率的目的。

一、力學(xué)類課程單元模塊的設(shè)置

力學(xué)類課程單元模塊的設(shè)置要圍繞為專業(yè)服務(wù)這個核心,課程體系構(gòu)建要形成以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的課程功能模塊;要以能力為中心構(gòu)建力學(xué)類課程分層次教學(xué)體系,加強(qiáng)學(xué)生在分析和運用等方面能力培養(yǎng),提高綜合素質(zhì)。課程單元模塊的設(shè)置要做到統(tǒng)一性和多樣性相結(jié)合,形成方向特色課程模塊,滿足不同專業(yè)學(xué)生個性發(fā)展和適應(yīng)能力的需要,同時與專業(yè)發(fā)展、學(xué)科建設(shè)相互交叉,擴(kuò)展學(xué)生知識面,使學(xué)生能形成合理的知識結(jié)構(gòu),增強(qiáng)學(xué)生適應(yīng)能力和創(chuàng)新能力,提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

以能力培養(yǎng)為核心,首先要按照“必需夠用”的原則來設(shè)置課程單元模塊,單元模塊要突出應(yīng)用性;其次要將力學(xué)知識與專業(yè)知識結(jié)合起來,增強(qiáng)力學(xué)知識的適應(yīng)性,使知識能轉(zhuǎn)化為能力;最后要加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和拓展,強(qiáng)化能力水平的滲透性,讓知識和能力“遷移可用”。根據(jù)以上原則,結(jié)合我校情況,共設(shè)置了22個模塊,主要內(nèi)容如下:

靜力學(xué)(16學(xué)時):最基礎(chǔ)的一個模塊,要求掌握靜力學(xué)基本理論、受力分析、力系的合成(簡化)、力系的平衡及應(yīng)用。

運動學(xué)(16學(xué)時):包括點的運動學(xué)和剛體運動學(xué),重點是點的復(fù)合運動和剛體的平面運動。

動力學(xué)(16學(xué)時):重點是剛體和剛體系統(tǒng)的動力問題,包括動力學(xué)普遍定理及應(yīng)用和動靜法。

分析力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時):屬于擴(kuò)展模塊,主要內(nèi)容為虛位移原理及應(yīng)用、動力學(xué)普遍方程及應(yīng)用、第二類拉格朗日方程及應(yīng)用。

振動力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時):專題模塊,主要內(nèi)容為單自由度系統(tǒng)的自由振動、衰減振動、無阻尼受迫振動及有阻尼受迫振動。

基本變形(32學(xué)時):重點研究桿件在軸向拉伸與壓縮、剪切與擠壓、圓軸扭轉(zhuǎn)、梁的平面彎曲時的內(nèi)力、應(yīng)力、強(qiáng)度、變形、剛度計算等,本模塊含實驗4學(xué)時,包括材料力學(xué)性能測試和電阻應(yīng)變測量技術(shù)的應(yīng)用。

應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論及應(yīng)用(16學(xué)時):包括應(yīng)力狀態(tài)理論、常用強(qiáng)度理論及組合變形強(qiáng)度計算,此外將壓桿穩(wěn)定和動載荷與交變應(yīng)力并入這一模塊,含實驗2學(xué)時。

能量法及靜不定系統(tǒng)(16學(xué)時):屬于擴(kuò)展模塊,包括能量法及應(yīng)用、簡單靜不定系統(tǒng)。

靜定結(jié)構(gòu)(16學(xué)時):結(jié)構(gòu)力學(xué)基本模塊,含體系的幾何組成、靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計算。

超靜定結(jié)構(gòu)(1)(16學(xué)時):包括力法解超靜定結(jié)構(gòu)、位移法解超靜定結(jié)構(gòu)。

超靜定結(jié)構(gòu)(2)(16學(xué)時):力矩分配法、矩陣位移法、影響線及內(nèi)力包絡(luò)線。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)(16學(xué)時):結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展模塊,包括結(jié)構(gòu)動力分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算、結(jié)構(gòu)的極限載荷3個專題。

彈性力學(xué)基本理論(16學(xué)時):彈性力學(xué)平面問題和空間問題的基本理論。

彈性力學(xué)基本解法(16學(xué)時):彈性力學(xué)平面問題基本解法(含直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)),柱體彈性扭轉(zhuǎn)、板的彈性彎曲。

彈塑性基本理論(16學(xué)時):應(yīng)力分析理論、應(yīng)變分析理論、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系理論。

彈塑性基本方法(16學(xué)時):厚壁圓筒的彈塑性分析、柱體扭轉(zhuǎn)的彈塑性分析、板的彈塑性彎曲、塑性極限分析理論及應(yīng)用。

線彈性斷裂力學(xué)(24學(xué)時):線彈性斷裂力學(xué)理論及應(yīng)用、復(fù)合斷裂理論及應(yīng)用。

彈塑性斷裂力學(xué)(8學(xué)時):彈塑性斷裂力學(xué)理論及應(yīng)用。

損傷力學(xué)(8學(xué)時):損傷力學(xué)理論及應(yīng)用。

工程流體力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時):流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)基礎(chǔ)。

工程流體力學(xué)應(yīng)用(16學(xué)時):流體力學(xué)在工程的應(yīng)用,含實驗4學(xué)時。

有限元法基礎(chǔ)(16學(xué)時):有限元素法的基本理論。

二、根據(jù)單元模塊構(gòu)建分層次課程體系

為構(gòu)建適應(yīng)不同專業(yè)的分層次力學(xué)課程體系,首先要與各專業(yè)負(fù)責(zé)人溝通,了解各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中對力學(xué)課程的要求,在合理設(shè)計學(xué)生知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,力求科學(xué)地處理各單元模塊及教學(xué)環(huán)節(jié)的關(guān)系,通過整體優(yōu)化,改善課程結(jié)構(gòu),增強(qiáng)教學(xué)效果。同時要注意理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合,密切注意學(xué)科前沿的發(fā)展和學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對不同專業(yè)學(xué)生,要考慮到因材施教的問題。

課程內(nèi)容要做到精而實。要對原有課程重新進(jìn)行內(nèi)容的融合、疊加、拆分和滲透,刪除不必要的交叉和脫離實際的內(nèi)容、增加與需求相適應(yīng)的內(nèi)容。將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地組合成一種“有效、實用”的新型單元模塊,在確保教學(xué)目標(biāo)的前提下,實施課程內(nèi)容的整合,將知識與技能組成靈活的教學(xué)單元,以提高課程設(shè)置的實用性,實現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

在設(shè)置單元模塊和與專業(yè)結(jié)合的基礎(chǔ)上,根據(jù)21個模塊可以方便靈活地組成不同層次、適應(yīng)不同專業(yè)的力學(xué)課程,如工程力學(xué)課程:

工程力學(xué)A(48學(xué)時)=靜力學(xué)(16學(xué)時)+基本變形(32學(xué)時)

工程力學(xué)B(64學(xué)時)=靜力學(xué)(16學(xué)時)+基本變形(32學(xué)時)+應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論及應(yīng)用(16學(xué)時)

工程力學(xué)C(64學(xué)時)=靜力學(xué)(16學(xué)時)+基本變形(32學(xué)時)+工程流體力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時)

其中,工程力學(xué)A適應(yīng)我校對力學(xué)要求不高的理工科專業(yè),如材料科學(xué)與工程、地質(zhì)學(xué)、海洋科學(xué)等。工程力學(xué)B和C適應(yīng)要求稍高的安全工程、資源勘查與工程、地球物理、地下水科學(xué)與工程、石油工程等專業(yè)。對于要求更高的勘查技術(shù)與工程、土木工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、地質(zhì)學(xué)基地班,可選擇理論力學(xué)和材料力學(xué),或者固體力學(xué)基礎(chǔ)。

理論力學(xué)A(48學(xué)時)=靜力學(xué)(16學(xué)時)運動學(xué)(16學(xué)時)+動力學(xué)(16學(xué)時)

理論力學(xué)B(64)=靜力學(xué)(16學(xué)時)運動學(xué)(16學(xué)時)+動力學(xué)(16學(xué)時)+分析力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時)或振動力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時)

材料力學(xué)A(48)=基本變形(32學(xué)時)+應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論及應(yīng)用(16學(xué)時)

材料力學(xué)B(64)=基本變形(32學(xué)時)+應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論及應(yīng)用(16學(xué)時)+能量法及靜不定系統(tǒng)(16學(xué)時)

固體力學(xué)基礎(chǔ)A(48)=基本變形(32學(xué)時)+彈塑性基本理論(16學(xué)時)

固體力學(xué)基礎(chǔ)B(64)=基本變形(32學(xué)時)+應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論及應(yīng)用(16學(xué)時)+彈塑性基本理論(16學(xué)時)

對土木工程、勘查技術(shù)與工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、安全工程專業(yè),后續(xù)課程可選擇結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、工程流體力學(xué)等課程。

結(jié)構(gòu)力學(xué)A(32學(xué)時)=靜定結(jié)構(gòu)(16學(xué)時)+超靜定結(jié)構(gòu)(1)(16學(xué)時)

結(jié)構(gòu)力學(xué)B(48學(xué)時)=靜定結(jié)構(gòu)(16學(xué)時)+超靜定結(jié)構(gòu)(1)(16學(xué)時)+超靜定結(jié)構(gòu)(2)(16學(xué)時)

結(jié)構(gòu)力學(xué)C(64學(xué)時)=靜定結(jié)構(gòu)(16學(xué)時)+超靜定結(jié)構(gòu)(1)(16學(xué)時)+超靜定結(jié)構(gòu)(2)(16學(xué)時)+結(jié)構(gòu)動力學(xué)(16學(xué)時)

彈性力學(xué)(32學(xué)時)=彈性力學(xué)基本理論(16學(xué)時)+彈性力學(xué)基本解法(16學(xué)時)

彈性力學(xué)及有限元(48學(xué)時)=彈性力學(xué)基本理論(16學(xué)時)+彈性力學(xué)基本解法(16學(xué)時)+有限元法基礎(chǔ)(16學(xué)時)

工程流體力學(xué)(32學(xué)時)=工程流體力學(xué)基礎(chǔ)(16學(xué)時)+工程流體力學(xué)應(yīng)用(16學(xué)時)

對于要求更高的高年級學(xué)生或研究生可選擇彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等課程。

彈塑性力學(xué)(48學(xué)時)=彈塑性基本理論(16學(xué)時)+彈性力學(xué)基本解法(16學(xué)時)+彈塑性基本方法(16學(xué)時)

彈塑性力學(xué)及有限元(64學(xué)時)=彈塑性基本理論(16學(xué)時)+彈性力學(xué)基本解法(16學(xué)時)+彈塑性基本方法(16學(xué)時)+有限元法基礎(chǔ)(16學(xué)時)

斷裂力學(xué)(32學(xué)時)=線彈性斷裂力學(xué)(24學(xué)時)+彈塑性斷裂力學(xué)(8學(xué)時)

斷裂及損傷力學(xué)(32學(xué)時)=線彈性斷裂力學(xué)(24學(xué)時)+損傷力學(xué)(8學(xué)時)

以上列舉了部分課程,根據(jù)單元模塊還可組合成其它課程,供不同專業(yè)在設(shè)置培養(yǎng)方案時選擇。由于可選擇范圍寬、層次多,該方案受到我校各專業(yè)修訂培養(yǎng)方案負(fù)責(zé)人的好評。

三、分層次力學(xué)課程體系構(gòu)建應(yīng)注意的問題

1.力學(xué)課程體系要以“必需、夠用、有效、實用”為度

由于我校未設(shè)置力學(xué)類專業(yè),所以力學(xué)類課程要注重為專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課服務(wù)。力學(xué)課程體系構(gòu)建要緊密結(jié)合理工科專業(yè)的發(fā)展,重點放在如何利用力學(xué)知識分析、解決工程問題的能力上。在課程設(shè)置中堅持以能力為本,探索培養(yǎng)學(xué)生工程意識與相應(yīng)的實踐能力、綜合運用能力相結(jié)合的分層次力學(xué)課程教學(xué)體系。達(dá)到為專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù)。

2.制定切實可行的教學(xué)大綱是保證教學(xué)質(zhì)量的前提

教學(xué)大綱是根據(jù)課程在培養(yǎng)方案中的地位、作用以及課程性質(zhì)、目的和任務(wù)制定的課程內(nèi)容、體系、范圍和教學(xué)要求的基本綱要。它是實施教育思想和教學(xué)計劃的基本保證,是進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量評估的重要依據(jù),也是學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)性文件。結(jié)合新課程體系的構(gòu)建,制定符合各專業(yè)要求、切實可行的教學(xué)大綱是保證教學(xué)質(zhì)量的前提,也是進(jìn)行教學(xué)研究與改革的基礎(chǔ)。

3. 師資隊伍建設(shè)是課程體系改革得以順利開展的重要保證

第3篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實 實驗室 安全

一、“虛擬實驗室”的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室，不僅可以節(jié)約實踐教學(xué)成本，突破時間和空間的限制，更有利于學(xué)生實踐技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是計算機(jī)技術(shù)在實踐教學(xué)中應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向。想比較傳統(tǒng)實驗室而言，虛擬實驗室具有系統(tǒng)開放靈活，與計算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展、價格低廉、開發(fā)與維護(hù)費用低、技術(shù)更新周期短、用戶可定義儀器功能等優(yōu)點。

在教學(xué)方面，虛擬實驗室也具有得天獨厚的優(yōu)勢。

（一）立體化、多視角呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容

以往，教學(xué)信息多是以文字、圖片、視頻、動畫等形式呈現(xiàn)，學(xué)生受視角限制，缺乏立體感且略顯單調(diào)、乏味，而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維仿真特性，我們可以講教學(xué)內(nèi)容以三維模型的方式進(jìn)行立體化多視角地呈現(xiàn)，使學(xué)生以真實世界的感受完成學(xué)習(xí)、提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

（二）突破時間和空間的限制

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)在實驗室進(jìn)行，需要實驗器材、設(shè)備等支持，同時，在時間和空間上有很大程度的限制。虛擬實驗室徹底打破了時間和空間的限制，提高實踐教學(xué)效果。例如宇宙天體的形成需要幾百萬年，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以完成呈現(xiàn)并中途改變。又例如，生物中的遺傳定律，生活中用果蠅做實驗往往需要數(shù)月，然而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在一堂課中就可以實現(xiàn)。

（三）遠(yuǎn)離實驗傷害，減低安全隱患

在傳統(tǒng)的實踐模式中，往往采用播放電視錄像的方式來代替一些危險實驗。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬場景中完成，豐富感性認(rèn)識，例如虛擬的化學(xué)實驗。

（四）創(chuàng)設(shè)人性化學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

虛擬實驗室交互性好，可操作性強(qiáng)，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中是一個主動觀察者，他可以通過不斷進(jìn)行探索，分析、判斷，完成真實實驗完成不了的操作，從而激發(fā)學(xué)生的積極性，加強(qiáng)創(chuàng)造能力。

二、“虛擬實驗室”的開發(fā)工具

構(gòu)建“虛擬實驗室”有多種方法，目前常用的實現(xiàn)構(gòu)建技術(shù)有：JAVA 、ActiveX、VRML、QTVR、Flash等，這幾種技術(shù)各有特點。其中，三維的虛擬實驗室適宜用VRML技術(shù)開發(fā)，綜合性能較好；二維的虛擬實驗室適宜用Flash開發(fā)，綜合性能比較好。

用這些技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室的基本思想是一致的，即用軟件方法來模擬硬件設(shè)備的功能和實驗的物理化學(xué)特性。他們具有下面的共同特性：

①與現(xiàn)實中的實驗儀器的物理化學(xué)特性相一致。②很強(qiáng)的交互和實時反饋的能力。③能夠多人合作實驗的功能。

就供油安全工程教學(xué)來說，主要涉及化學(xué)、流體力學(xué)以及油庫安全工程等多種學(xué)科，其中許多內(nèi)容需要以實驗的方式來示教，虛擬技術(shù)發(fā)揮空間巨大。

三、“體力學(xué)虛擬實驗室”的開發(fā)

（一）實驗內(nèi)容

在“流體力學(xué)虛擬實驗室”中可以完成“雷諾實驗”、“靜壓強(qiáng)實驗”、“能量方程實驗”、“動量方程實驗”、“文丘里流量計流量系數(shù)的測量實驗”、“孔口管嘴出流實驗”、“沿程阻力實驗”、“局部阻力實驗”等8個項目的實驗項目。

（二）開發(fā)工具以及實現(xiàn)方法

1．針對不同的實驗分析其機(jī)理、規(guī)律，建造數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Flash自帶的ActionScript編寫程序。

2．應(yīng)用Flash制作或手繪實驗所需的各種儀器和設(shè)備模型，應(yīng)用Flas技術(shù)完成流體擺動，各種狀態(tài)流動的動畫模型。

3．通過動畫技術(shù)與交互代碼的配合實現(xiàn)實驗儀器功能的模擬和實驗所需的各種效果。

4．應(yīng)用ASP和Access數(shù)據(jù)庫編寫實驗報告、自動評判程序以及教師調(diào)閱頁面。

（三）操作流程

1．登陸實驗網(wǎng)頁選擇實驗。

2．學(xué)習(xí)實驗相關(guān)原理及在線觀看實驗演示。

3．進(jìn)行虛擬實驗，在實驗報告表單中記錄數(shù)據(jù)、填寫實驗報告，回答問題。

4．系統(tǒng)自動評測實驗結(jié)果，教師可以遠(yuǎn)程抽調(diào)學(xué)生的實驗報告，了解情況予以評判。

5．實驗結(jié)束，學(xué)生可以選擇重做實驗。

四、“有機(jī)化學(xué)虛擬實驗室”的開發(fā)

（一）實驗內(nèi)容

根據(jù)有機(jī)化學(xué)實驗課程，將實驗內(nèi)容拆分為8個基本單元操作，包括分餾、熔點測定、簡單回流、水蒸氣蒸餾、萃取、柱色譜、減壓蒸餾和電磁攪拌。其中每個基本單元均由實驗原理、實驗裝置、實驗步驟、實驗演示等構(gòu)成，形成了適合教學(xué)的有機(jī)化學(xué)實驗內(nèi)容體系。

（二） 設(shè)計思想以及開發(fā)工具

該系統(tǒng)采用Powerpoint和VB作為主要開發(fā)工具。在課件部分，利用多媒體制作軟件Powerpoint鏈接各章的重點難點，靈活運用了文字、聲音、圖形、動畫等手段，具有很強(qiáng)的真實感和表現(xiàn)力，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在虛擬實驗室部分主要利用VB開發(fā)虛擬實驗室平臺，并完成該課程的主要實驗內(nèi)容。

五、總結(jié)

實驗室的建設(shè)與發(fā)展已經(jīng)成為高校內(nèi)涵建設(shè)的重要內(nèi)容之一，虛擬技術(shù)在實驗室建設(shè)方面，優(yōu)勢明顯，虛擬實驗室具有耗資少、配置靈活、交互能力強(qiáng)、仿真程度高等優(yōu)點，很大程度上解決了硬件設(shè)備相對短缺、實驗課時和實驗場地不夠的問題，對于改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，促進(jìn)實驗室的開放和提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

第4篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

傳熱學(xué)教學(xué)方法改革《傳熱學(xué)》是研究熱量傳遞過程規(guī)律的科學(xué)，作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，廣泛開設(shè)于熱動、建環(huán)、化工、電子等各專業(yè)領(lǐng)域。這門課程與先修課程《工程熱力學(xué)》和《流體力學(xué)》相比較，具有更為復(fù)雜的知識結(jié)構(gòu)，因此，在對這門課的學(xué)習(xí)過程中，部分學(xué)生感到困難頗多，甚至有些無所適從。

一、上好緒論課

緒論是傳熱學(xué)的第一堂課，俗話說：“良好的開端是成功的一半”。上好緒論課在培養(yǎng)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)等方面具有不可低估的作用。在緒論課上，教師可以多列舉日常生活中遇到的傳熱學(xué)問題，以及專業(yè)中有哪些專業(yè)現(xiàn)象需要用傳熱學(xué)的知識來解釋。比如，給建環(huán)專業(yè)的學(xué)生講一些傳熱學(xué)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，可以讓學(xué)生對課程有個大致的了解，同時通過強(qiáng)調(diào)本課程在專業(yè)知識架構(gòu)體系中的地位和作用，使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望和濃厚的學(xué)習(xí)興趣。另外，緒論課的內(nèi)容還應(yīng)包括簡介三種傳熱方式，由于這是學(xué)生第一次接觸傳熱學(xué)的基本概念，所以給學(xué)生講授基本概念時要注意教學(xué)技巧，盡量將問題簡單化，重點講清三種基本傳熱方式之間的區(qū)別，以免學(xué)生在第一堂課就產(chǎn)生畏難情緒。

二、合理設(shè)置問題情境

設(shè)置問題情景，也叫“問題教學(xué)法”，就是教師在課堂講授時，并不是把教學(xué)內(nèi)容作為現(xiàn)成的知識向?qū)W生傳授，而是將所要講授的內(nèi)容作為一個個問題向?qū)W生提出，采用課堂上一問一答的上課方式。這樣不僅可以引起學(xué)生的注意，使學(xué)生集中精力聽課，而且還能激發(fā)學(xué)生積極思維，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

教師在講授教學(xué)內(nèi)容之前，首先從應(yīng)用實例中提出問題，例如，可以從家用冰箱中鮮肉冷凍時間提出非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題；從室內(nèi)暖氣的安裝位置講到自然對流的概念等，引起學(xué)生注意。然后再切入主題，用所要講授的理論對問題進(jìn)行定性分析，分析問題的性質(zhì)、包含的傳熱原理、傳熱的過程等。在分析問題的過程中可以采用啟發(fā)的方法，逐步引導(dǎo)學(xué)生的思維。最后是解決問題，把工程上常用的解決這類問題的定量計算方法介紹給學(xué)生。在整個的教學(xué)過程中，師生間形成了互動，學(xué)生成為課堂教學(xué)的參與者，響應(yīng)老師提出的問題，甚至對教學(xué)內(nèi)容提出質(zhì)疑，培養(yǎng)了學(xué)生探索創(chuàng)新的精神。

三、充分利用比擬法教學(xué)

比擬法是理論思維的一種重要的邏輯推理方法。它以比較為基礎(chǔ)，在已有知識的基礎(chǔ)上，通過對不同的事物及其運動規(guī)律進(jìn)行比較，找出它們的相似點或相同點，然后將其中一事物的有關(guān)知識或結(jié)論推理比擬到另一事物中去。因此它是人們有效地認(rèn)識自然界普遍規(guī)律的一種試探性工具。

我們在傳熱學(xué)的教學(xué)中，首先引入的就是電場與溫度場的類比，特別是學(xué)生在先學(xué)習(xí)了電工學(xué)，了解了電勢、電流、電阻的概念后，將溫度場中的溫度差、熱流及熱阻的特點與其相對比。隨后，在對流換熱中將已學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課流體力學(xué)中的動量傳遞與傳熱學(xué)中的熱量傳遞，質(zhì)量傳遞的特點相類比，找到它們之間的相互關(guān)系，而且流體力學(xué)中的一些原理及數(shù)學(xué)表達(dá)形式可以完全類比到傳熱學(xué)當(dāng)中，使對流換熱及傳質(zhì)問題得以大大簡化。熱傳遞的三種基本方式——導(dǎo)熱、對流及輻射是整個學(xué)科的精髓，對電阻與熱阻的類比也要始終貫穿在傳熱學(xué)的整個教學(xué)過程中。

四、多媒體教學(xué)手段的應(yīng)用

一直以來，傳熱學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)都是借助黑板和粉筆等來進(jìn)行的。而傳熱學(xué)作為高等院校工程類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅要介紹基本概念、基本理論，還要介紹傳熱學(xué)中的分析問題、解決問題的研究方法以及傳熱學(xué)的實際應(yīng)用，其最大的目的也就是要將知識和現(xiàn)實聯(lián)系起來，將理論知識應(yīng)用于工程實踐中去。但是憑借傳統(tǒng)教學(xué)工具黑板和粉筆，教師很難將現(xiàn)實生活和工程案例形象生動地展現(xiàn)在課堂之上。有了多媒體技術(shù)，傳熱學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的一些問題就可以迎刃而解了。我們可以利用多媒體中的圖片、動畫和視頻輕松地將傳熱學(xué)中一些抽象的術(shù)語、概念、定理生動地以實體展示或者模擬，將這些知識點直觀地傳遞給學(xué)生。教師不但可以不用再挖空心思地去組織語言或者描摹一些圖形去解釋這些抽象的內(nèi)容，同時學(xué)生也可以非常輕松地感受到生活中的傳熱學(xué)知識，自然地將學(xué)習(xí)與生活聯(lián)系，清晰地在腦海中構(gòu)建傳熱的現(xiàn)實模型，牢固記憶。舉個簡單的事例，就拿換熱器來說，如果不通過實驗和親身的參觀，僅憑書本上的圖片，很多同學(xué)即使學(xué)完了傳熱學(xué)，在生活中遇到了換熱器也不認(rèn)識，更談不上對其分類、講述其特點，也不會將具體的原理和換熱器的器件對應(yīng)起來。但是通過換熱器的實例圖和動畫模擬換熱器的換熱過程，教師不需要太多的表述，學(xué)生就可以清楚地認(rèn)識換熱器，了解各自換熱器的特點，深刻理解和掌握各種換熱器的工作過程和工作原理。

在傳熱學(xué)教學(xué)中適當(dāng)?shù)剌o助多媒體的手段，不僅可以使教師更加生動和清晰地講解知識點，及時便捷地完善教學(xué)內(nèi)容，而且也有助于學(xué)生對知識的理解、記憶和應(yīng)用，極大地提升了學(xué)習(xí)效率。

五、結(jié)束語

傳熱學(xué)教學(xué)方法改革的措施，在正常的教學(xué)試驗中取得了良好的效果，教學(xué)過程更加完善合理。學(xué)生既掌握了基本理論、基本計算的方法，又滿足了后續(xù)課程對傳熱學(xué)理論的基本要求。同時，學(xué)生在所學(xué)知識的實踐應(yīng)用等方面也得到了綜合的鍛煉，滿足當(dāng)前教育發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]董麗娜.有限課時內(nèi)“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”教學(xué)效果改進(jìn)[J].中國電力教育，2010，（25）.

[2]章學(xué)來，施敏敏，汪磊.多媒體在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2009，（3）.

[3]吳雪梅，潘艷秋，賀高紅.傳熱學(xué)課堂教學(xué)中的幾點體會[J].化工高等教育，2005，（4）.

第5篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

關(guān)鍵詞：有限元 機(jī)械工程 應(yīng)用 前言

有限元方法誕生于20世紀(jì)中葉，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算方法的發(fā)展，已成為計算力學(xué)和計算工程領(lǐng)域里最為有效的計算方法。許多工程分析問題，如固體力學(xué)中的位移場和應(yīng)力場分析、電磁學(xué)中的電磁場分析、振動特性分析、熱學(xué)中的溫度場分析、流體力學(xué)的流場分析等，都可歸結(jié)為在給定邊界條件下求解其控制方程的問題。有限元技術(shù)的出現(xiàn)為機(jī)械工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造提供了強(qiáng)有力的工具，它可以解決許多以往手工計算根本無法解決的問題，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中要設(shè)計生產(chǎn)出性能優(yōu)越、可靠的機(jī)械產(chǎn)品，不應(yīng)用計算及進(jìn)行輔助設(shè)計分析是根本無法實現(xiàn)的，因此目前各生產(chǎn)設(shè)計部門都非常重視在設(shè)計制造過程中采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)。 有限元法簡介

有限元法最早是人們在研究固體力學(xué)的時候應(yīng)運而生的，早在七八十年前，就有一些美國人在結(jié)構(gòu)矩陣的分析方面有了一些研究發(fā)現(xiàn)，隨后就有人研究出了鋼架位移的方法，并將其推廣應(yīng)用到了彈性力學(xué)平面的分析當(dāng)中，也就是把一些連續(xù)的整體劃分為矩形和三角形，再將這些小的單元中的位移函數(shù)用近似的方法表達(dá)出來。后來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)的水平也有了很大的提高，有限元法也就相應(yīng)的發(fā)展起來了，因為有限元法在產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)的過程中起到了相當(dāng)大的作用，所以有限元軟件越來越受到相關(guān)專業(yè)人士的喜愛，而其在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用也是非常廣泛的。

3.有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對機(jī)械零部件的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，歸納起來主要是以下幾個方面：

（1）靜力學(xué)分析。當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的載荷不隨時間變化或隨時間的變化十分緩慢，應(yīng)進(jìn)行靜力學(xué)分析。這是對機(jī)械結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力、應(yīng)變和變形的分析，是有限元法在機(jī)械工程中最基本、最常用的分析類型。

（2）動力學(xué)分析。機(jī)械零部件在工作時不僅受到靜載荷作用，當(dāng)外界有與其固有頻率相近的激勵時，還會引起共振，嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)從而引起失效。故零部件在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在滿足靜態(tài)剛度要求條件下，要檢驗動態(tài)剛度。

（3）熱應(yīng)力分析。這類分析用于研究結(jié)構(gòu)的工作溫度不等于安裝溫度時或工作時結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在溫度分布時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力。

（4）接觸分析。接觸分析用于分析兩個結(jié)構(gòu)物發(fā)生接觸時的接觸面狀態(tài)、法向力等。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間力的傳遞均是通過接觸來實現(xiàn)的，所以有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用很多都是接觸分析。這是一種非線性分析，以前受計算能力的制約，接觸分析應(yīng)用的較少。

（5）屈曲分析。這是一種幾何非線性分析，用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀，例如壓桿穩(wěn)定性問題。

5.有限元法的設(shè)計過程

5.1 模型簡化

將模型中的一些對整體的分析結(jié)果不會產(chǎn)生影響的部分去掉，例如，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角等，因為有這些因素存在會影響單元格劃分的質(zhì)量，以及增加大量的運算量，使結(jié)果計算時不易收斂。本例中，我們以一個由內(nèi)襯套，外襯套和天然橡膠構(gòu)成的橡膠襯套為例，分析其在徑向受載時，橡膠的形變狀況，內(nèi)襯套固定，在徑向沒有孔的方向加載荷，載荷大小為5 000 N，加載速度為5 mm/min。

5.2定義材料特性

給構(gòu)成模型的各部分以材料參數(shù)，如對于各向同性材料我們只需定義其楊氏模量，泊松比就可以了（這類材料一般為金屬材料）;對于非線形變化的材料需將材料的拉伸或壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入到計算機(jī)，然后通過擬合得到相關(guān)的系數(shù)再賦予模型的不同部分。

5.3 載荷狀況（工況）定義

至邊界條件定義完成后，模型的基本的受力，位移及材料都已經(jīng)定義完成了，接下來需要定義工況（load case），主要目的是選擇前面已經(jīng)定義好的邊界條件，載荷條件等，還需定義收斂的方法。例如全牛頓-拉弗森法等一些極限收斂的準(zhǔn)則。本例中采用的是修正的牛頓-拉弗森法.總的運算時間為0.6秒，疊加次數(shù)30步。

5.4 作業(yè)定義

將已經(jīng)定義好的工況選擇到作業(yè)中，對于更復(fù)雜的模型，可能還需要定義初始載荷等。本例中沒有初始載荷的定義，在作業(yè)定義中還需選擇分析操作的類型和分析結(jié)果。本例中輸出的結(jié)果為應(yīng)力，柯西應(yīng)力以及等效的柯西應(yīng)力等，分析類型為平面應(yīng)變分析。

5.5 單元類型定義

定義完作業(yè)后需要進(jìn)行單元類型定義，因為在該軟件中，不同類型的結(jié)構(gòu)對應(yīng)著不同類型的單元類型及輸出結(jié)果。本例采用了單元類型為80的用于平面應(yīng)變分析的四邊形單元。

6.有限元技術(shù)發(fā)展趨勢

有限元法最初應(yīng)用在求解結(jié)構(gòu)的平面問題，發(fā)展至今已由二維問題擴(kuò)展到三維問題、板殼問題，由單一物理場的求解擴(kuò)展到多物理場的耦合，由靜力學(xué)問題擴(kuò)展到動力學(xué)問題、穩(wěn)定性問題，由結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，由線性問題擴(kuò)展到非線性問題，由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性、塑性、黏彈性、黏塑性和復(fù)合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到航天、土木建筑、機(jī)械制造、水利工程、造船、電子技術(shù)及原子能等，其應(yīng)用的深度廣度都得到了極大的拓展。有限元法的發(fā)展過程是與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相聯(lián)的。只有計機(jī)技術(shù)高度發(fā)展以后，有限元法才得到廣泛的應(yīng)用。一個復(fù)雜的問題的求解，過去用小型機(jī)花費幾天才能得到結(jié)果，現(xiàn)在用PC機(jī)幾個小時就能完成同樣的工作。商業(yè)有限元軟件也由只能在大中型計算機(jī)上使用，轉(zhuǎn)入到多數(shù)都能在PC平臺上運行?？梢灶A(yù)期，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有限元法的應(yīng)用還將進(jìn)一步擴(kuò)大，并將成為工程技術(shù)中更重要、更有力的數(shù)值計算工具。

7.結(jié)束語

有限元的應(yīng)用大大提高了企業(yè)的設(shè)計效率，優(yōu)化了設(shè)計方案，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。越來越多的企業(yè)和技術(shù)人員意識到CAE技術(shù)是一種巨大是生產(chǎn)力?？梢灶A(yù)見，不久的將來，有限元法的應(yīng)用，必將更加普及，將會有更大的突破必將推動了科技進(jìn)步和社會發(fā)展，并且會取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙松年，佟杰新，盧秀春.現(xiàn)代設(shè)計方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

第6篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

關(guān)鍵詞：橋梁抗風(fēng)；風(fēng)致振動；動力作用

Abstract: As more and more bridges damage and collapse due to wind-induced vibration and the influence of wind on the bridge structure, more and more bridges attention, mainly introduced the research and development status of bridges, wind load on the bridge of the classification of the commonly used measures, bridges and need to be improved in the wind, to provide reference for research of bridge.

Key words: bridge; wind-induced vibration; dynamic action

中圖分類號：K928.78文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：

一、橋梁抗風(fēng)發(fā)展過程、研究方法和現(xiàn)狀

對于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)來說,風(fēng)荷載是主要的控制荷載之一，有時它直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。早期人們對于風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識僅僅限于風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的靜力荷載作用，1940年秋，美國華盛頓州建成才四個月的塔科馬懸索橋在8級大風(fēng)僅（17-20m/s）的作用下就發(fā)生了強(qiáng)烈的風(fēng)致振動并最終倒塌的嚴(yán)重事故。在這一事件的推動下，橋梁工程師和空氣動力學(xué)家開始意識到橋梁風(fēng)致振動問題。

目前對橋梁風(fēng)致振動的研究方法主要有四類：理論分析、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測。本文主要介紹橋梁風(fēng)工程中的理論分析、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬這三種方法。

1.1理論分析

根據(jù)荷載的表達(dá)方式不同，風(fēng)致振動分析理論主要有頻域分析和時域分析。

在頻域內(nèi)分析橋梁結(jié)構(gòu)顫振的理論有經(jīng)典耦合顫振理論、分離流顫振理論和多模態(tài)顫振理論。經(jīng)典耦合顫振理論最早是Bleich用Theodorsen的平面薄翼理論研究懸索橋顫振而發(fā)展起來的，該理論以Theodorsen自激力模型為基礎(chǔ)。

在時域內(nèi)分析橋梁結(jié)構(gòu)抖振的理論有Davenport抖振分析理論、Scanlan抖振分析理論、Scanlan多模態(tài)抖振理論。Davenport于20世紀(jì)60年代研究了橋梁結(jié)構(gòu)的抖振問題，他運用概率統(tǒng)計的方法和隨機(jī)振動理論建立了柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)的湍流抖振響應(yīng)分析模型，并給出了抖振力模型。Davenport抖振分析理論認(rèn)為風(fēng)速的脈動決定了風(fēng)荷載的統(tǒng)計特性，柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)響應(yīng)可以通過模態(tài)疊加求得。Davenport對抖振分析的重要貢獻(xiàn)是在功率譜中引入氣動導(dǎo)納來修正按準(zhǔn)定常氣動力模型計算的誤差,，引合承受函數(shù)來描述氣動力沿橋跨方向的相關(guān)性。

1.2風(fēng)洞試驗

橋梁結(jié)構(gòu)模型風(fēng)洞試驗可分為節(jié)段模型試驗、全橋模型試驗、拉條模型試驗；按照懸掛方式的不同，節(jié)段模型試驗可以分為剛性懸掛節(jié)段模型試驗、強(qiáng)迫振動節(jié)段模型試驗、自由振動節(jié)段模型試驗、彈性懸掛節(jié)段模型試驗。

1.3數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是應(yīng)用計算流體力學(xué)方法（CFD）模擬氣流經(jīng)過橋梁結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)周圍的流場分布情況并求解結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。這是近幾十年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的普及與應(yīng)用能力的提高，數(shù)值模擬技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，可用于橋梁結(jié)構(gòu)空氣動力參數(shù)研究的計算流體力學(xué)方法有多種，如有限體積法、有限元法、有限差分法、離散渦方法。數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于對實際問題建立正確的數(shù)學(xué)模型和算法。目 前，對于氣動彈性分析的數(shù)字模擬技術(shù)，在二維模型和均勻來流條件下的計算比較成熟，正在向三維模型、紊流風(fēng)場和高雷諾數(shù)方向發(fā)展。計算流體力學(xué)的商業(yè)軟件比較多，如CFX軟件、PHOENICS軟件、FLUNET軟件等等。

二、風(fēng)荷載分類

2.1風(fēng)的靜力作用

靜力作用指風(fēng)速中由平均風(fēng)速部分施加在結(jié)構(gòu)上的靜壓產(chǎn)生的效應(yīng)，可分為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩。在順風(fēng)平均風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓值不隨時間發(fā)生變化，作用與橋梁上的風(fēng)力可能來自任一方向，其中橫橋向水平風(fēng)力最為危險，是主要的計算對象。它所造成的橋梁破壞的特點主要是強(qiáng)度破壞或過大的結(jié)構(gòu)變形。在橋梁的靜風(fēng)作用分析中，通常將風(fēng)荷載換算成靜力風(fēng)荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構(gòu)件上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計算分析。

2.2風(fēng)的動力作用

一個空間結(jié)構(gòu)的橋梁振動體系在近地紊流風(fēng)作用下的空氣彈性動力響應(yīng)是許多因素共同作用的結(jié)果，大致可分為兩大類。一類是在平均風(fēng)作用下，振動的橋梁從流動的風(fēng)中吸收能量，產(chǎn)生自激振動，如彎扭藕合的古典顫振、扭轉(zhuǎn)顫振、馳振、渦激振。另一類主要是在脈動風(fēng)作用下的強(qiáng)迫振動，包括抖振和渦激振。雖然渦激振動也帶有自激性質(zhì)，但它和馳振或顫振的發(fā)散性振動現(xiàn)象不同，其振動響應(yīng)是一種強(qiáng)迫型的限幅振動，因而具有雙重性。

三、橋梁抗風(fēng)的方法措施

3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造的制振方法

增加扭轉(zhuǎn)剛性對提高大跨度橋梁設(shè)計的發(fā)散振動極限風(fēng)速是非常有效的。如在加勁桁架上設(shè)置無鋼筋網(wǎng)絡(luò)相連的行車道橋面結(jié)構(gòu)時，采用設(shè)置上下橫梁的方法形成準(zhǔn)閉合斷面可以顯著增加扭轉(zhuǎn)。另外，還可以在纜索支撐橋梁上加一些輔助設(shè)施同樣可以提高其抗風(fēng)穩(wěn)定性。比如，在懸索橋的主纜與主梁之間加中央扣可以大大提高發(fā)散風(fēng)速。

3.2空氣動力的制振方法

斷面形狀對于對風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定有重要 的作用。通常流線型斷面的形狀要比鈍體斷面的抗風(fēng)性能好得多。但當(dāng)采用薄翼型的斷面時，受水平風(fēng)作用時，有產(chǎn)生渦激振動的可能，薄的流線型斷面在有迎角的風(fēng)作用下，易產(chǎn)生顫振，所以對于各種流線型斷面的選擇也要慎重考慮，通常通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行試驗確定。另一種增加抗風(fēng)穩(wěn)定性的方法是采用桁架斷面。由于其通風(fēng)空間較箱形斷面大得多，所以靜風(fēng)阻力小得多。此外，常采用在上部結(jié)構(gòu)安裝一些附屬設(shè)施來減小風(fēng)振，如翼板、導(dǎo)流器及繞流器等。

3.3機(jī)械構(gòu)造的制振方法

由于纜索體系橋梁的跨度較大，橋梁結(jié)構(gòu)更輕更柔，結(jié)構(gòu)的阻尼特性減弱，造成風(fēng)和車輛等因素激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值加大，故常需要增加結(jié)構(gòu)的阻尼來抑制風(fēng)振。常常采用被動抑振(如TMD，TLD或ID)和主動抑振(AMD)。被動抑振又分為調(diào)諧附加質(zhì)量方法(如TMD等)和非調(diào)諧質(zhì)量法(如ID沖擊阻尼器)。主動抑振方法是采用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如達(dá)到需要抑振時，自動驅(qū)一套裝置改變質(zhì)量分布、剛度或阻尼等方法來抑振。

四、結(jié)束語

隨著近年來人們對橋梁抗風(fēng)問題認(rèn)識的逐漸加深，橋梁抗風(fēng)研究已經(jīng)取到一定的成果，但在以下幾方面仍然存在薄弱點，需要通過創(chuàng)新實現(xiàn)突破性進(jìn)展。

4.1風(fēng)振機(jī)理研究

從技術(shù)層面上看，大跨度橋梁的顫振穩(wěn)定性問題和長拉索風(fēng)雨激振問題可以通過有效的結(jié)構(gòu)和氣動措施加以解決。但是由于對機(jī)理研究的滯后，至今仍然沒有充分弄清顫振發(fā)散的微觀機(jī)制，拉索風(fēng)雨激振的機(jī)制以及能有效抑制風(fēng)致振動的一些氣動措施的空氣動力學(xué)機(jī)制。因此，對風(fēng)振機(jī)理的研究是一個需要長期努力的課題。只有弄清了各類風(fēng)振的致振和抑制機(jī)理，才能實現(xiàn)從技術(shù)層面向科學(xué)層面的飛躍。

4.2風(fēng)振理論的精細(xì)化

對于非危險性的限幅風(fēng)致振動，如抖振和渦振，應(yīng)該說雖然已經(jīng)建立起一套可用于解決工程抗風(fēng)設(shè)計的近似方法，但對于風(fēng)特性參數(shù)的合理取值，氣動參數(shù)、特別是氣動導(dǎo)納函數(shù)的識別以及通過節(jié)段模型識別參數(shù)時的雷諾數(shù)效應(yīng)等都存在著一些不確定性和難度，致使分析結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)還不能取得一致，需要通過典型工程的案例研究加以對比和驗證，對現(xiàn)行的抖振和渦振分析理論進(jìn)行精細(xì)化的改進(jìn)，甚至建立新的分析理論和方法?？梢哉f，要更好地解決橋梁抖振和渦振的分析和控制問題，還有許多工作要做。

4.3概率性評價方法

風(fēng)是一種隨機(jī)荷載。對各種風(fēng)振的安全檢驗和評價理應(yīng)采用概率性的方法。然而，由于動力可靠度分析在理論上的困難以及各種統(tǒng)計參數(shù)的缺乏，目前雖然國內(nèi)外部分學(xué)者對幾座大橋做了概率性評價的初步探索，但幾乎所有國家的抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范仍采用基于經(jīng)驗安全系數(shù)的確定性方法來進(jìn)行各類風(fēng)振的安全檢驗。在世界橋梁設(shè)計規(guī)范已經(jīng)向基于可靠度理論的方向過渡的總形勢下，應(yīng)當(dāng)通過努力盡快改變抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范的落后局面。

4.4 CFD技術(shù)和數(shù)值風(fēng)洞

目前，對于氣動彈性分析的數(shù)值模擬技術(shù)，在二維模型和均勻來流條件下的計算已比較成熟，正在向三維模型、紊流風(fēng)場和高雷諾數(shù)方向發(fā)展。數(shù)值模擬和縮尺物理模型實驗相比，可以避免縮尺模型制作帶來的材料本構(gòu)關(guān)系的相似性困難和其他的縮尺效應(yīng)問題(如雷諾數(shù)效應(yīng))。此外，前面提到的關(guān)于風(fēng)振機(jī)理研究和風(fēng)振理論精細(xì)化研究也有賴于數(shù)值模擬方法的幫助，以便于揭示致振機(jī)理、改進(jìn)參數(shù)識別精度、提高抗風(fēng)措施的有效性以及建立更為合理的抖振和渦振理論框架等?？梢灶A(yù)期，隨著計算流體動力學(xué)理論的進(jìn)步，數(shù)值模擬方法將會逐步替代風(fēng)洞實驗形成“數(shù)值風(fēng)洞”新技術(shù)。因此，數(shù)值模擬方法應(yīng)當(dāng)是本世紀(jì)的研發(fā)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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第7篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

作者認(rèn)為，如果想讓自然通風(fēng)被更有效的利用來積極地影響環(huán)境，本書的新觀點需要被廣泛的傳播。作者寫作本書的目標(biāo)是想把最新的現(xiàn)代建筑天然通風(fēng)設(shè)計和控制思想傳遞給更多的建筑和工程專業(yè)人員。作者希望本書能讓讀者更好地處理自然通風(fēng)，成為機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)的有效輔助與替代方案。

本書包括5個章節(jié)：1.概述，介紹了自然通風(fēng)環(huán)境浮力效應(yīng)的基礎(chǔ)知識；2.導(dǎo)論，介紹了流體力學(xué)中常用的物理定律，包括重要的守恒定律與伯努利方程等；3.獨立源，介紹了影響浮力效應(yīng)的各種獨立源，包括一些常見的局部源與分布源；4.相互作用源，介紹了影響浮力效應(yīng)的相互作用源，分析了常見熱源與冷源相互作用的環(huán)境；5.復(fù)雜幾何形狀產(chǎn)生的氣流，介紹了各種多開口空間與互連組合空間中的氣流運動。

本書作者Chenvidyakarn博士是劍橋大學(xué)的講師，也是劍橋大學(xué)莫德林建筑學(xué)院的研究員。作者在劍橋大學(xué)獲得碩士和博士學(xué)位，現(xiàn)在劍橋大學(xué)英國石油公司研究院與工程建筑系進(jìn)行講授和研究，主要面向建筑物可持續(xù)設(shè)計領(lǐng)域。作者經(jīng)常在領(lǐng)域內(nèi)重要國際期刊上發(fā)表文章，例如《建筑與環(huán)境》、《能源和建筑》、《CIBSE屋宇裝備工程技術(shù)研究》及《國際通風(fēng)期刊》等，他還是兩個國際期刊《城市建筑—室內(nèi)景觀設(shè)計與技術(shù)》與《建筑學(xué)研究與學(xué)習(xí)》的編委。

寧圃奇，博士，副研究員

（中國科學(xué)院電工研究所）

第8篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

關(guān)鍵詞：火災(zāi)科學(xué)數(shù)值模擬 火災(zāi)調(diào)查 火災(zāi)動力學(xué)

1、火災(zāi)調(diào)查中的問題

火災(zāi)是現(xiàn)代社會造成損失最大的安全問題，火災(zāi)一旦發(fā)生，不僅造成大量的人員傷亡，還會造成巨額的財產(chǎn)損失。隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的越來越發(fā)達(dá)，火災(zāi)對人員的生命安全和財產(chǎn)造成的損失也更加巨大，給人民生活帶來了慘痛的教訓(xùn)?；馂?zāi)調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到能否依法處理追究事故的責(zé)任者或犯罪分子。因此，確定火災(zāi)發(fā)生的起火原因，什么原因引起的火災(zāi)，防止類似的情況再次發(fā)生；同時，還可獲得相關(guān)的證據(jù)，不斷增加火災(zāi)調(diào)查經(jīng)驗，研究火災(zāi)發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為預(yù)防和滅火提供科學(xué)依據(jù)。

在我國，火災(zāi)調(diào)查主要是消防總隊、支隊的相關(guān)人員對發(fā)生的火災(zāi)事故進(jìn)行火災(zāi)起火原因、起火點的認(rèn)定調(diào)查。然而，由于火災(zāi)發(fā)生的不確定性以及火災(zāi)形勢的多樣化，目前我國的火災(zāi)調(diào)查工作遇到前所未有的挑戰(zhàn)，有關(guān)的火災(zāi)訴訟案件也日益增多。這要求我國的火災(zāi)調(diào)查人員必須具備相關(guān)的法律知識和技能技術(shù)，盡快查明火災(zāi)發(fā)生原因，明確事故責(zé)任。因此，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)被逐漸應(yīng)用到火災(zāi)事故的調(diào)查工作當(dāng)中，輔助火災(zāi)調(diào)查人員獲取相關(guān)的證據(jù)，并且這種應(yīng)用被普遍接受和認(rèn)可。

2、火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件簡介

火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件(FDS)由著名的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開發(fā)，是一個對火災(zāi)引起流動的流體動力學(xué)計算模型，是專門從數(shù)值計算方面解決一系列適合于熱驅(qū)動、低速流動的Navier-Stokes方程，重點適用于火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬。FDS利用了大渦流流體力學(xué)模型（Large Eddy Simulation，LES）來處理火場流體的紊態(tài)流動。專家和學(xué)者通過對真實火災(zāi)場景的模擬研究證明FDS具有有很高的準(zhǔn)確性和可信性?；馂?zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在火災(zāi)科學(xué)的研究和火災(zāi)事故調(diào)查的證據(jù)。

3、數(shù)值模擬在火災(zāi)調(diào)查工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外應(yīng)用研究

Daniel Madrzykowski等人應(yīng)用FDS火災(zāi)模擬軟件模擬了美國華盛頓的一起真實的室內(nèi)火災(zāi)?；馂?zāi)模擬的資料是根據(jù)火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)提供的真實的火災(zāi)現(xiàn)場情況為依據(jù)，確定了火災(zāi)熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場中煙氣的流動方向和速度、氧氣濃度、室內(nèi)壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。起火建筑為三層，根據(jù)火災(zāi)調(diào)查報告的認(rèn)定，發(fā)生火災(zāi)是由位于地下室天花板內(nèi)的電器設(shè)備引起的，開始在地下室內(nèi)蔓延并且在地下室內(nèi)發(fā)生了轟然，從地下室通向樓梯處的門在火災(zāi)發(fā)生時一直處于開啟狀態(tài)，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結(jié)果來看，火勢是沿著天花板開始蔓延，散落下的火星引燃了室內(nèi)的其他可燃物，直至地下室內(nèi)的氧氣被消耗盡。

2005年6月NIST利用FDS軟件成功再現(xiàn)了“911”恐怖事件中世貿(mào)雙塔被飛機(jī)撞擊后次生火災(zāi)的煙氣流動和火球爆況。模擬的結(jié)果與事件中的影像資料相當(dāng)吻合。該模擬測算的溫度和煙氣濃度給事故報告提供了重要依據(jù)。

3．2 國內(nèi)應(yīng)用研究

李一涵等學(xué)者對FDS 源程序進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)后程序計算火災(zāi)過程中壁面熱解形成圖痕，作為火災(zāi)調(diào)查的方法之一，初步分析壁面燒損痕跡發(fā)展特征。該方法可以根據(jù)火災(zāi)場景、壁面材料、起火點功率的不同，計算研究壁面燃燒痕跡形成規(guī)律，并提出使用該方法對火災(zāi)調(diào)查提供理論依據(jù)的可行性和重大意義。

姚曉波利用FDS模擬軟件重現(xiàn)了一個大型學(xué)生宿舍樓火災(zāi)場景。通過FDS的模擬結(jié)果和火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況相比較，驗證了采用FDS來重構(gòu)火災(zāi)現(xiàn)場的可行性，同時，通過比較外墻使用“可燃材料”和外墻使用“不可燃材料”兩個不同火災(zāi)場景的模擬結(jié)果，分析研究了對于外墻使用不同性質(zhì)的建筑材料對火災(zāi)后果可能造成的影響。

4．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查工作中的應(yīng)用前景研究

目前國內(nèi)外對火災(zāi)事故類型的分析通常由專業(yè)人員采用長期工作積累的經(jīng)驗、或采用半經(jīng)驗的方式，很少有數(shù)值模擬手段應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查。通過國內(nèi)外學(xué)者、專家以及火災(zāi)調(diào)查工作者在火災(zāi)事故調(diào)查工作中對數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用證明，F(xiàn)DS能夠很好的重現(xiàn)真實的火災(zāi)場景。利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS建立實際火災(zāi)場景的數(shù)學(xué)模型，對真實的火災(zāi)事故進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬對火災(zāi)事故結(jié)果的準(zhǔn)確性是一種很好的研究方法。在建模時需要清晰知道起火建筑物的詳細(xì)資料，包括建筑物尺寸及材料、內(nèi)部裝修材料、建筑物的開口大小、當(dāng)時的通風(fēng)及天氣狀況、周圍建筑物的布局等，這些資料可通過火災(zāi)調(diào)查機(jī)構(gòu)或部門、氣象部門獲得。通過采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件（FDS），對可能的起火點、起火原因建立火災(zāi)場景進(jìn)行火災(zāi)動力學(xué)模擬，可以計算火災(zāi)現(xiàn)場關(guān)鍵部位的火場溫度、可見度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與火災(zāi)現(xiàn)場勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，排除不合理的起火點、起火原因及人員死亡原因，為火災(zāi)調(diào)查人員提供合理的依據(jù)，解決了火災(zāi)現(xiàn)場看勘察很難確定的問題，進(jìn)一步完善了火災(zāi)調(diào)查報告的準(zhǔn)確性。對模擬過程中的火災(zāi)蔓延趨勢的再現(xiàn)，也為采取消防保護(hù)措施提供了依據(jù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對火災(zāi)事故調(diào)查的嚴(yán)密性，數(shù)值模擬技術(shù)將能將廣泛用來輔助火災(zāi)事故調(diào)查。

5．總結(jié)

通過對火災(zāi)調(diào)查現(xiàn)狀和火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件介紹分析及國內(nèi)外的應(yīng)用分析，F(xiàn)DS在對有焰燃燒的火災(zāi)事故模擬，較真實的重現(xiàn)火災(zāi)場景，并且已經(jīng)成為火災(zāi)事故調(diào)查不可或缺的技術(shù)手段，能夠很好的輔助火災(zāi)調(diào)查工作人員進(jìn)行火災(zāi)事故調(diào)查，對有異議的火災(zāi)事故結(jié)論提供更加可信的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琨, 舒慧慧. FDS 數(shù)值模擬技術(shù)在某“商住合用”建筑火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008, (7): 64-67

第9篇：流體力學(xué)的常用研究方法范文

【關(guān)鍵詞】煉油廠；加熱爐；熱效率；節(jié)能

1、常用管式加熱爐的節(jié)能建議

1）冷空氣進(jìn)預(yù)熱器前先預(yù)熱

這是一個對大型加熱爐有應(yīng)用前景的方案，對于該種方式，文獻(xiàn)[1] 提出了工藝物流、低壓泛氣和低溫水這3種可行的預(yù)熱介質(zhì)。采用工藝物流對冷空氣進(jìn)行預(yù)熱最有效益的是利用工藝廢熱。如裝置有需要空冷的廢熱，采用這種方式的節(jié)能有多重意義：①可以節(jié)省空冷的電耗。②工藝廢熱是直接作為有效熱供給加熱爐，其節(jié)能效果顯著，通?？梢詫⒓訜釥t的燃料消耗降低2%。③可延長余熱回收設(shè)備的使用時間，使得余熱回收設(shè)備的使用時間延長。④僅提高了燃料的利用率，不能提高加熱爐的熱效率，且系統(tǒng)復(fù)雜，有時還可能降低了加熱爐的熱效率。⑤低壓泛汽和水對空氣進(jìn)行預(yù)熱要視系統(tǒng)是否有過剩的低壓泛汽和120°以上的水，并且要能保證其來源穩(wěn)定，通常是不易實現(xiàn)的。

2）改善爐管的受熱狀況

爐管的受熱狀況也是影響加熱爐熱效率的一個重要方面，改善爐管的受熱狀況來提升熱效率也是一個常見的措施。首先是改善爐管的循環(huán)系統(tǒng)，只有循環(huán)系統(tǒng)通暢，才能使?fàn)t管的受熱均勻，不會出現(xiàn)局部溫度過高而局部溫度過低的現(xiàn)象，改善循環(huán)系統(tǒng)常用的方式就是對噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使整個結(jié)構(gòu)更加科學(xué)。除此以外，爐管的擺放位置和擺放形態(tài)也會對熱效率產(chǎn)生影響，一般采用單排垂直排列的方式來提高雙面的輻射效果，提升爐管的熱效率。隨著技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，加熱爐的爐型也在不斷的調(diào)整和改變中。

3）嚴(yán)格控制排煙溫度

加熱管中煙氣溫度過高也是影響加熱爐熱效率的重要原因，煙氣溫度過高就會導(dǎo)致燃燒的不充分，對煙氣溫度進(jìn)行控制主要有以下幾種措施：第一，增加對流室的傳熱面積，對流室中包括注水管、原料加熱管、過熱蒸汽管，要提高傳熱面積一般就是通過增加這些管道的根數(shù)和改變他們的排列方式來進(jìn)行。第二，對輻射室的面積進(jìn)行調(diào)整，輻射室連接著對流室，煙氣溫度的降低不可能僅僅依靠對流室的面積來完成，輻射室應(yīng)該發(fā)揮其功能，加強(qiáng)煙氣的散熱工作，使煙氣在進(jìn)入對流室之前溫度就有所降低。第三，空氣預(yù)熱器的使用。新型的空氣預(yù)熱器一般使用在煙氣余熱回收系統(tǒng)中，這種預(yù)熱裝置替代之前的原油式空氣預(yù)熱器，預(yù)熱的效果更好，并且更加節(jié)能，操作方便。并且在整個裝置的運行中不需要停止就可以進(jìn)行熱管的更換工作。另外，還可采用分級用能式壓縮式燃燒爐。它的特點是高速對流傳熱，排煙溫度較低，可降低燃料消耗，易于設(shè)置較完善的熱回收系統(tǒng)，爐體尺寸小，占地面積小，投資費用低，廢氣有較高的壓縮能，可回收利用。例如用來驅(qū)動煙氣輪機(jī)做功發(fā)電，使熱能得到了綜合利用， 提高了加熱爐的熱效率。

4）減小加熱爐漏風(fēng)量

漏風(fēng)會影響加熱爐的熱效率，設(shè)備一旦漏風(fēng)，就會使排煙量增加，爐管的氧化工作也會加劇。降低加熱爐的漏風(fēng)率也是提高加熱爐熱效率的一個有效方法。有效控制加熱爐漏風(fēng)的措施首當(dāng)其沖的就是全密封技術(shù)，對整個加熱爐進(jìn)行全密封是最快捷的減少設(shè)備漏風(fēng)的方法。除此以外，對其他流通環(huán)節(jié)也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行密封技術(shù)的改造，例如輻射室中的看火們以及爐底風(fēng)道的快開門，這些都是會引起漏風(fēng)的裝置，但是又不可能取消，所以就需要采用一些新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新的密封材料，盡量減少不必要的泄漏。

5）使用高溫輻射涂層

輻射室也是提高加熱爐熱效率的一個重要設(shè)置，常見的方法就是在輻射室的外層涂上高溫的紅外輻射涂料，這種高溫輻射涂料會使傳熱效果更佳，并且會有效的減少散熱。高溫輻射涂料的功能并不是在于提高爐壁的溫度，而是通過輻射功能的增加加強(qiáng)爐壁的傳熱效果，這種傳熱效果不會導(dǎo)致爐殼外墻溫度的急劇上升，反而是在同樣的溫度條件下，外墻的溫度是可能下降的。這些技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)被眾多的化工企業(yè)所采用，并且通過實踐證明的確有提高熱效率節(jié)能的效果。

2、CFD系統(tǒng)運用建議

隨著計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，計算流體動力（簡稱CFD①）已成為人們解決相關(guān)的實際工程問的重要手段。已有的研究工作表明CED方法可以對加熱爐內(nèi)的燃料燃燒、煙氣流動和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了爐內(nèi)流體速度場、濃度場和溫度場等詳細(xì)信息，揭示這些過程的基本性質(zhì)與特點?；贑FD方法所建立的加熱爐數(shù)學(xué)模型是由流體力學(xué)的基本守恒方程組，加上湍流流動模型、燃料燃燒模型和輻射傳熱模型構(gòu)成。所建立的數(shù)學(xué)模型可采用以SIMPLE算法為核心的有限差分法進(jìn)行求解，得到加熱爐內(nèi)各變量的空間分布。建立了一個能準(zhǔn)確描述加熱爐內(nèi)所發(fā)生的各過程的數(shù)學(xué)模型和以及相應(yīng)的數(shù)值計算方法之后，便可進(jìn)行數(shù)值實驗，對提高熱效率的各種方法先進(jìn)行模擬計算，并由計算結(jié)果所提供的信息最終確定合適的方案 這樣既減少實驗的次數(shù)，節(jié)省了大量的人力、物力和財力，同時還降低了實驗的風(fēng)險性。

參考文獻(xiàn)

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