流體動力學(xué)基礎(chǔ)精選(九篇)
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第1篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
摘 要 高能閃光照相是診斷致密物質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和物理特性的最有效技術(shù).高能質(zhì)子照相在穿透能力、材料識別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相，已經(jīng)成為美國先進(jìn)流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置的優(yōu)先發(fā)展對象.文章詳細(xì)介紹了高能質(zhì)子照相方案及其研究進(jìn)展.
關(guān)鍵詞 光電子學(xué)，質(zhì)子照相，綜述，質(zhì)子加速器，磁透鏡
AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.
Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens
1 引言
高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattan project），并持續(xù)到現(xiàn)在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點(diǎn):首先，照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì)，要求能量足夠高;其次，客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時變化，要求曝光時間足夠短.
目前，世界上最先進(jìn)的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng)，一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個軸，這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目，最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像，不能進(jìn)行多角度多時刻的輻射照相，獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥，電子束不能無限壓縮，束流打到轉(zhuǎn)換靶上，產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴(kuò)展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm，制約了空間分辨率的提高.
研究人員希望實(shí)現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照
相，從而獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維動態(tài)過程圖像.l995年，美國LANL的科學(xué)家Chris Morris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像，其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶， 20世紀(jì)90年代初期武器研制計劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強(qiáng)脈沖產(chǎn)生中子，中子通量都不足以在流體動力學(xué)試驗(yàn)短時間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？” Morris將這些思想統(tǒng)一起來，利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強(qiáng)度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］，以及Nick King 在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的快速成像探測系統(tǒng)［5］.
高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短，則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長，則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.
2 質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制
高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先，需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進(jìn)行分析研究.
所有質(zhì)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強(qiáng)作用力和電磁作用力［6］.強(qiáng)作用力是短程力，質(zhì)子與核的強(qiáng)作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:
如果是彈性碰撞，以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動量，質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用，會偏轉(zhuǎn)很大角度， 這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器，這部分貢獻(xiàn)可以忽略）；
如果是非彈性碰撞，質(zhì)子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為
NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)
其中N0，N分別為入射到被測物體上的質(zhì)子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，核反應(yīng)截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建，因?yàn)橘|(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.
由于質(zhì)子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用. 當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級時，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:
質(zhì)子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射，穿過原子核的每個質(zhì)子，即使和核并不接近，也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化，每個小散射效應(yīng)可以累積，這種現(xiàn)象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:
dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)
式中θ0為多次散射角的均方根值，可用下式表示:
θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)
式中p為束動量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長度，其值近似地表示為
Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)
其中A是原子量，Z是原子序數(shù).多重庫侖散射的結(jié)果很重要，特別是對重物質(zhì)，最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面，因?yàn)镽i與材料的原子序數(shù)有關(guān)，也正是這個特性使質(zhì)子照相具有識別材料組分的獨(dú)特能力［7］.
質(zhì)子和電子之間也會產(chǎn)生庫侖力作用，通常是非彈性的.因?yàn)殡娮淤|(zhì)量與質(zhì)子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變，而對質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變. 也就是說，質(zhì)子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導(dǎo)致質(zhì)子運(yùn)動方向大的改變，但會導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機(jī)制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為
ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)
當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位，則
E=T+1，E2=P2+1.(6)
因此，能量損失引起的動量分散為
δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)
質(zhì)子通過物體后損失能量，發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同，也將導(dǎo)致模糊，這就是所謂的色差［8］.
3 質(zhì)子照相原理
質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).
由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向，形成一個相對于入射方向的錐形束，需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話，質(zhì)子照相的潛力可能永遠(yuǎn)不會被發(fā)掘出來.1995年，Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進(jìn)而消除模糊效應(yīng)，最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的觀點(diǎn)的正確性.后來， LANL的另一位物理學(xué)家John Zumbro改進(jìn)了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計方案，稱為Zumbro透鏡［4］.
Zumbro透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流，實(shí)驗(yàn)客體對質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散，不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距，導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設(shè)計使得入射到被測物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián)，即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計有關(guān)［9］. 這樣，可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項(xiàng).
剩余的色差項(xiàng)為
x=-x0+Cxθ0δ，(8)
式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此，為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響，質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價，根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的精度要求，LANL為先進(jìn)流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置 (AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.
質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨(dú)特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質(zhì)子束通過金屬薄片擴(kuò)散，再經(jīng)過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開來，以便覆蓋整個物體，避免了使用很厚的金屬作為擴(kuò)束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負(fù)恒等透鏡組，分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.
Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據(jù)庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質(zhì)子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準(zhǔn)直器，可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉，對允許的角度范圍進(jìn)行積分，得到總質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)
第一個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］，則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)
第二個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)
角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù)，可以提供密度和材料組分的信息.
考慮到探測器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計分布，面密度的測量精度要達(dá)到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104，每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011. 如果一次流體動力學(xué)試驗(yàn)需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個.
4 質(zhì)子照相裝置
質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國LANL被論證以來，LANL和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(BNL)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機(jī)構(gòu)（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進(jìn)行的小型動態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV），小型動態(tài)實(shí)驗(yàn)主要包括:高能炸藥的爆轟特性實(shí)驗(yàn)、金屬和材料對強(qiáng)沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗(yàn)證內(nèi)爆過程后期的材料動力學(xué)和材料狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進(jìn)行的用于診斷大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的高能質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進(jìn)行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù)，驗(yàn)證采用質(zhì)子照相進(jìn)行大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的能力，以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(xué)試驗(yàn)客體而言，質(zhì)子照相的質(zhì)量遠(yuǎn)好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)節(jié)，需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是，質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學(xué)試驗(yàn)閃光照相設(shè)施的必然選擇.
LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng)，圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器，一臺3GeV的增強(qiáng)器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強(qiáng)器注入50GeV主加速器，經(jīng)過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實(shí)驗(yàn)靶上.質(zhì)子束穿過實(shí)驗(yàn)靶后，磁透鏡系統(tǒng)對質(zhì)子束信號進(jìn)行分類，由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實(shí)驗(yàn).
圖2 LANL的質(zhì)子加速器和分束方案
LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達(dá)到50GeV，空間分辨率優(yōu)于1mm，密度分辨率達(dá)到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個，每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達(dá)到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質(zhì)子到達(dá)靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖，視軸數(shù)12個，覆蓋角度達(dá)165°.這樣，一次流體動力學(xué)試驗(yàn)可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.
2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計劃.整個裝置預(yù)計投資20億美元，其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備，需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年，分幾個階段進(jìn)行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強(qiáng)器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看，原計劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此，這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.
5 質(zhì)子照相與X射線照相的比較
我們通過與現(xiàn)有最好的流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點(diǎn)和優(yōu)勢［13］.
(1) 三維動態(tài)照相. 由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù)，因此，質(zhì)子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內(nèi)爆運(yùn)動過程的動態(tài)圖像. 而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外，質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶，保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶，需要考慮束斑的影響.
(2) 精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強(qiáng)，其穿透深度和流體動力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時才能達(dá)到最大圖像對比度，此時其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10. 質(zhì)子照相能測定密度細(xì)微變化的另一個理由是質(zhì)子散射能得到控制. 散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.
(3)質(zhì)子對密度和材料都比較敏感，可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實(shí)際上，質(zhì)子散射的利大于弊，它能用于識別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級成像系統(tǒng)，通過對兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感，故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).
(4) 曝光時間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進(jìn)行曝光.因此，質(zhì)子照相可任意選定曝光時間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔，對較慢的運(yùn)動進(jìn)行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時，可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定，一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定，只能以固定的時間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時間.
(5)探測效率高.質(zhì)子是帶電粒子，直接與探測介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號，因此，很薄的探測器就能將質(zhì)子探測出來.如此薄的探測介質(zhì)接收不到被探測客體中產(chǎn)生的中子和 γ光子.
(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像，沒有聚焦過程(事實(shí)上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法)，圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會引起圖像模糊，但質(zhì)子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子，而且能減小次級粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同，也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進(jìn)了透鏡系統(tǒng)，消色差提高了圖像品質(zhì).對于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)已達(dá)到15μm，并有達(dá)到1.2μm的潛力.
6 結(jié)束語
質(zhì)子照相是美國國防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國防基礎(chǔ)研究共同立項(xiàng)，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動力學(xué)試驗(yàn)的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié)，多角度照相有利于建立完整的流體動力學(xué)模型，多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來，科學(xué)家們加緊了對高能質(zhì)子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學(xué)試驗(yàn)的主要設(shè)備.總有一天，質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.
參考文獻(xiàn)
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第2篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程專業(yè)；流體力學(xué)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0039-02
流體力學(xué)是一門研究流體的受力與運(yùn)動規(guī)律的嚴(yán)密科學(xué)，是一門材料科學(xué)與工程專業(yè)中理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在流體力學(xué)的教學(xué)過程中，涉及到的數(shù)學(xué)公式很多，過程較為復(fù)雜。歷年來，學(xué)生們普遍認(rèn)為流體力學(xué)課程枯燥無味，難以學(xué)懂，興趣不大，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。分析材料科學(xué)與工程專業(yè)現(xiàn)狀可知，目前，該課程體系教學(xué)中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應(yīng)用的有效結(jié)合；另一方面，忽視了課程的基礎(chǔ)作用，片面強(qiáng)調(diào)課程的專業(yè)性。為此，本文結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)的課程設(shè)置，對課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革探索。課堂教學(xué)是提升學(xué)生認(rèn)知的重要手段。筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面來提高流體力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。
一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
縱觀材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程體系，可將之分為基本理論知識、基本應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)部分、與其他學(xué)科的交叉內(nèi)容、工程實(shí)際應(yīng)用等方面。在教學(xué)過程中，筆者認(rèn)為采用模塊化教學(xué)方式能夠達(dá)到較好的效果。所謂模塊化教學(xué)是指根據(jù)學(xué)科或?qū)I(yè)的不同需求選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，將每個內(nèi)容或環(huán)節(jié)定義為模塊。每個模塊的目標(biāo)明確，針對性強(qiáng)，而且學(xué)時數(shù)相對較少，容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。當(dāng)然，各個模塊之間并不是孤立的，在教學(xué)實(shí)施過程中，模塊是相對獨(dú)立的，但從課程的整體架構(gòu)上來說又是有機(jī)關(guān)聯(lián)的，步步為營，內(nèi)容豐富，難度螺旋式上升，使整個流體力學(xué)課程具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和完整性。目前，國內(nèi)材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學(xué)理想流體運(yùn)動動力學(xué)實(shí)際流體運(yùn)動：一元流體相似理論泵與風(fēng)機(jī)。每部分的研究方法較為統(tǒng)一，所形成的體系由簡到繁、由易到難，并且很容易實(shí)現(xiàn)模塊化處理。例如在講授流體運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)、動力學(xué)基礎(chǔ)時，可以先從實(shí)際流體流動的基本方程入手，使學(xué)生在本門課程開始就接觸到流體動力學(xué)的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動力學(xué)及一元流體動力學(xué)問題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動的條件代入有關(guān)方程，即可得到理想流體、一元流動的動力學(xué)方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點(diǎn)，條理清楚。這樣一來，教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學(xué)及理想流體動力學(xué)問題，就可略去大量的公式推導(dǎo)過程，節(jié)省了大量的課時，內(nèi)容組織層次感較強(qiáng)，講起來重點(diǎn)更突出，教學(xué)過程卻相對簡化。
二、更新教材結(jié)構(gòu)
同時，考慮到材料科學(xué)與工程專業(yè)的特色與應(yīng)用范疇，非常有必要對教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化處理，根據(jù)材料科學(xué)與工程的課堂要求，淡化一些理論推導(dǎo)過程，以工程應(yīng)用為根本。從學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律來看，一般學(xué)生剛學(xué)習(xí)課程的時候積極性和重視程度都比較高，在學(xué)習(xí)時花費(fèi)時間較長，但隨著課堂內(nèi)容的推進(jìn)，學(xué)生們的興趣減弱，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革與優(yōu)化勢在必行。材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程內(nèi)容并不包括本領(lǐng)域的全部專業(yè)知識，主要講授流體流動的基本原理與基本思路，并側(cè)重于工程應(yīng)用。因此，教材的選取要更具科學(xué)性，要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和需要，結(jié)合學(xué)生興趣與學(xué)習(xí)層次，有針對性地選取講義，教材要更側(cè)重于基本原理與基本公式的講述與應(yīng)用，做到簡單易懂，實(shí)用性較強(qiáng)。
三、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣
在流體力學(xué)教學(xué)的開始，教師就應(yīng)該緊緊抓住學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，在緊扣教學(xué)計劃的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前熱點(diǎn)問題為引導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。因此，在流體力學(xué)教學(xué)的過程中，如何將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐相結(jié)合，與熱點(diǎn)問題相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提升教學(xué)效果的重要措施之一。比如在給學(xué)生上緒論課的時候，可以通過一些生動的圖片、視頻、動畫給學(xué)生形象地展示大自然與人類生活密切相關(guān)的流體力學(xué)現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生對流體力學(xué)的感性認(rèn)識與興趣，如汽車為什么要做成流線型的；高爾夫球?yàn)槭裁丛诒砻嬗泻芏嗫?；火箭為什么能夠上天；海岸為什么是弧形；?zhàn)斗機(jī)為什么頭部是尖的等。這些問題是日常生活中經(jīng)常見到的，通過這些問題的設(shè)計與引導(dǎo)，可以讓學(xué)生們知道本課程的主要學(xué)習(xí)目標(biāo)是什么，能解決什么樣的實(shí)際問題，讓學(xué)生們帶著疑問和興趣去學(xué)習(xí)，效果將事半功倍。
四、改革教學(xué)手段
目前，流體力學(xué)教學(xué)過程中教學(xué)手段較為豐富，但仍以板書和多媒體教學(xué)兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書為輔”的方法。多媒體教學(xué)較為直觀、形象，所傳輸?shù)男畔⒘烤薮?。同時，伴隨著信息網(wǎng)絡(luò)化大形勢的進(jìn)一步深化，網(wǎng)絡(luò)電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時間。但這種方式也有不足之處，最主要表現(xiàn)在多媒體授課速度偏快，學(xué)生尚未形成知識結(jié)構(gòu)體系就一帶而過，課堂上考慮的時間不足，很難形成師生之間的互動。相對而言，板書備課時間較長，課堂上書寫時間也較長，對于一些較難理解的內(nèi)容，可以給學(xué)生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進(jìn)行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識點(diǎn)，易于形成師生間的“一問一答”式的互動關(guān)系。因此，在流體力學(xué)授課過程中宜采用二者結(jié)合的方式，對于系統(tǒng)性較差的知識點(diǎn)來說采用多媒體方式，而對于重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容則主要采用板書的形式，真正做到對該知識點(diǎn)的側(cè)重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學(xué)生對課程既有充足的知識量，又有重點(diǎn)突出，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。
五、重視實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)
流體力學(xué)課是一門與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的學(xué)科。因此，在課程開展的過程中應(yīng)該對實(shí)驗(yàn)課與工程教學(xué)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前可以分為演示型和驗(yàn)證型，但教學(xué)方法單一，限制了學(xué)生分析問題、解決問題的能力；同時，由于長期以來實(shí)驗(yàn)教學(xué)從屬于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程教學(xué)的課程建設(shè)與發(fā)展受到了嚴(yán)重制約。因此非常有必要對實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)進(jìn)行改革來適應(yīng)目前高校的培養(yǎng)模式。首先，實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)要注重同專業(yè)知識相結(jié)合。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較多適用于試驗(yàn)臺環(huán)境下，是國家根據(jù)課程規(guī)劃以及人才的知識結(jié)構(gòu)需要設(shè)立的，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生們與工程實(shí)踐的有效溝通，因此，可以針對學(xué)生所學(xué)專業(yè)逐步設(shè)立既符合本專業(yè)又具有工程背景的可操作性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用以適應(yīng)學(xué)生對專業(yè)領(lǐng)域知識的理解與創(chuàng)新需求。其次，有效利用高?？蒲袃?yōu)勢，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)的發(fā)展。以學(xué)科為依托，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)互補(bǔ)，將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣可以開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。第三，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與個性實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，開展一些更具有研究性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，這樣對理論知識的學(xué)習(xí)有一個較為有利的補(bǔ)充，同時也可以鍛煉學(xué)生們實(shí)驗(yàn)設(shè)計、整體規(guī)劃的能力，積極調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。
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第3篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
【關(guān)鍵詞】 冠狀動脈旁路移植術(shù)，非體外循環(huán);血壓；心率
characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass graftingqi xingyi， hu qiangfu, huang weiqingdepartment of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, chinaabstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation
key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate
近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術(shù)的廣泛開展,人們對其血流動力學(xué)及病理生理變化的認(rèn)識更加深入。非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(opcabg)與常規(guī)體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(cabg)比較有很多優(yōu)點(diǎn),如不激活補(bǔ)體和炎癥系統(tǒng),不消耗凝血因子和血小板,血細(xì)胞破壞減少,可降低圍手術(shù)期用血量,降低住院費(fèi)用等等[ 1～3]。但由于opcab術(shù)中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標(biāo)冠狀血管，因此血流動力學(xué)波動難以避免，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，術(shù)中減少其變化是手術(shù)成功的關(guān)鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學(xué)指標(biāo)的變化,以期發(fā)現(xiàn)術(shù)中血流動力學(xué)變化特點(diǎn), 探討維持術(shù)中血流動力學(xué)穩(wěn)定的管理措施。
1 資料與方法
1.1 一般資料
選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術(shù)前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分?jǐn)?shù)(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術(shù)前1個月內(nèi)發(fā)生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。
1.2 麻醉方法
術(shù)前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術(shù)日晨，術(shù)前1 h口服地西泮10mg,術(shù)前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮(zhèn)靜，入手術(shù)室后常規(guī)面罩吸氧，監(jiān)測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續(xù)監(jiān)測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規(guī)依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導(dǎo)。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復(fù)合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續(xù)靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內(nèi)靜脈穿刺置入swan-ganz導(dǎo)管及三腔靜脈導(dǎo)管，經(jīng)口置入食道超聲（tee）探頭。術(shù)中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術(shù)中自體血回收,維持血細(xì)胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內(nèi)動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結(jié)束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復(fù)至術(shù)前水平。胸部正中切口, 取左乳內(nèi)動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側(cè)壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產(chǎn)。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學(xué)的穩(wěn)定，防止心肌缺血和心梗的發(fā)生，加強(qiáng)心肺腦腎和血液五大保護(hù)，促使病人早期拔管。
1.3 監(jiān)測指標(biāo)
于麻醉誘導(dǎo)后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術(shù)畢(t5)各時間點(diǎn)記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細(xì)血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(shù)(ci) 、體循環(huán)阻力(svr) 、肺循環(huán)阻力(pvr)和右室射血分?jǐn)?shù)(rvef) 。
1.4 統(tǒng)計方法
計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。統(tǒng)計分析采用spss11.5統(tǒng)計軟件包，各個時間點(diǎn)的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,
2 結(jié) 果
本組60例病人均按術(shù)前計劃在非體外循環(huán)下順利完成了心臟的完全再血管化。手術(shù)時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術(shù)中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術(shù)中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術(shù)時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學(xué)數(shù)據(jù)。每例患者移植血管支數(shù)平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術(shù)期心肌梗塞。
行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值（誘導(dǎo)后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學(xué)指標(biāo)都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci、map、rvef較基礎(chǔ)值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎(chǔ)值明顯升高(p<0.05)。術(shù)畢各血流動力學(xué)指標(biāo)趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術(shù)前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1 60例非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植手術(shù)術(shù)中血流動力學(xué)變化(略)注：與誘導(dǎo)后15 min相比#p<0.05。
3 討 論
opcabg由于不用體外循環(huán),簡化了手術(shù)操作,縮短了手術(shù)時間,避免了體外循環(huán)帶來的損害,可獲得與體外循環(huán)下cabg同樣的效果，現(xiàn)在應(yīng)用越來越普遍,而且適應(yīng)證拓寬,尤其對于高?；颊吒衅鋬?yōu)越性[4，5]。opcabg術(shù)中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉(zhuǎn)，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學(xué)的穩(wěn)定, 尤其是對于心功能較差者,可導(dǎo)致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴(yán)重者可導(dǎo)致心律紊亂及心跳驟停。因此,術(shù)中維護(hù)血流動力學(xué)穩(wěn)定對于opcabg手術(shù)的成功至關(guān)重要。
運(yùn)用opcabg一般首先完成前降支的吻合,這是由于前降支分布區(qū)域的重要性及前降支顯露良好,無需過多地搬動心臟, 各心腔幾何結(jié)構(gòu)無大幅度改變,對血流動力學(xué)影響較小。本組病人行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，血流動力學(xué)變化不大。前降支吻合完后，左室血供增加，可視心臟狀況予多巴胺3～5μg/kg·min 持續(xù)泵入以增加心肌收縮力，改善血流動力學(xué)。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap 、pvr明顯升高，svr 輕度升高，但比吻合lcx 時的變化幅度要小。其原因主要是心臟左旋、心尖抬高, 造成三尖瓣的部分梗阻和固定器對右室后壁心肌的直接壓迫, 心臟垂直位所致的右心室舒張性充盈障礙, 順應(yīng)性下降, 肺阻力增加，右心收縮功能較差, 肺血流量和心輸出量（co）減少，為了維持co, hr代償性增加。tredelenburg使血液重分布,增加回心血量,改善前負(fù)荷,同增加的hr一起,補(bǔ)償心肌收縮力下降引起的co降低。mathison等[6]報道血流動力學(xué)衰減的主要原因是右心室舒張功能受損，導(dǎo)致co下降。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, 血流動力學(xué)波動最明顯，同基礎(chǔ)值相比,rvef顯著降低, ci、map顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr明顯升高，可能由于在進(jìn)行吻合時,左室受到壓迫,但左室較厚,此時右室也受壓,心室壁較薄,進(jìn)而引起右室功能明顯下降。說明在進(jìn)行回旋支吻合時,右心功能受到較大影響。經(jīng)食道超聲(tee)監(jiān)測顯示,此時室間隔移向左側(cè),左室無擴(kuò)張,右室小部分被擠壓,這些改變都符合右室舒張功能受損的診斷。對于大心臟者,在搬動時尤其是進(jìn)行回旋支吻合時,應(yīng)打開右側(cè)胸膜腔為右心提供足夠的空間。另外,的變化對于維持右心功能也是非常重要的,在進(jìn)行回旋支吻合時, trendenburg對于維持血壓及暴露血管非常重要。我們同時觀察到,如果固定器應(yīng)用后,血壓經(jīng)反復(fù)藥物調(diào)整后仍舊較低,可先心臟回位,等血流動力學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定后再行固定,如此反復(fù)幾次可使絕大多數(shù)病人得以耐受。對于嚴(yán)重的左心功能不全的患者,術(shù)前應(yīng)提倡應(yīng)用主動脈內(nèi)氣囊泵（iabp）以保證防止因?yàn)樽笮墓δ懿蝗鹩倚牡乃ソ?。另外shane等[7]應(yīng)用三維超聲動圖重建技術(shù)觀察到opcabg術(shù)中,暴露各支冠脈時都發(fā)生了二尖瓣變形,引起功能性二尖瓣狹窄或加重原有二尖瓣返流,最終引起sv下降,所以,二尖瓣關(guān)閉不全也是可能原因之一。同心電圖相比, tee觀察心肌缺血更敏感,當(dāng)冠狀動脈被暫時阻斷時, tee可以觀察到局部心室壁的運(yùn)動異常。這種運(yùn)動異常在恢復(fù)灌注后30min基本消失。持續(xù)存在的新出現(xiàn)的室壁運(yùn)動異常通常提示搭橋的冠狀動脈的通暢度不佳[8]。
影響術(shù)中血流動力學(xué)變化的因素主要有冠狀動脈病變部位及程度、心功能、心肌氧供耗平衡狀態(tài)、心臟的變化等。冠心病病人的心肌氧供、氧耗平衡處于邊緣狀態(tài)，冠脈儲備能力差，只有降低心肌氧耗，才能保持心肌氧供耗的平衡?？刂菩穆?、血壓極其重要。術(shù)中心率一般小于70次/min，控制適當(dāng)水平的血壓，血壓過低不能保證心肌的氧供，過高增加心臟的后負(fù)荷，增加心臟的氧耗。故應(yīng)盡可能維持和改善其平衡狀態(tài)。tee可隨時觀察心臟的形態(tài)學(xué)及血流動力學(xué)變化，配合持續(xù)心電圖s-t段分析，可及時發(fā)現(xiàn)心臟缺血。對重癥擇期手術(shù)患者，充分的術(shù)前心功能調(diào)整，代償性擴(kuò)大的心臟?？擅黠@縮小，而且大部分患者的心功能狀態(tài)和射血分?jǐn)?shù)都會有一定程度的改善?？梢娦g(shù)中密切觀察心臟狀況，控制液體平衡，及時發(fā)現(xiàn)心肌缺血，正確應(yīng)用藥物輔助，opcabg是安全可行的。
【參考文獻(xiàn)】
characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass grafting
qi xingyi， hu qiangfu, huang weiqing
department of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, china
abstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation
key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate
近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術(shù)的廣泛開展,人們對其血流動力學(xué)及病理生理變化的認(rèn)識更加深入。非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(opcabg)與常規(guī)體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(cabg)比較有很多優(yōu)點(diǎn),如不激活補(bǔ)體和炎癥系統(tǒng),不消耗凝血因子和血小板,血細(xì)胞破壞減少,可降低圍手術(shù)期用血量,降低住院費(fèi)用等等[ 1～3]。但由于opcab術(shù)中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標(biāo)冠狀血管，因此血流動力學(xué)波動難以避免，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，術(shù)中減少其變化是手術(shù)成功的關(guān)鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學(xué)指標(biāo)的變化,以期發(fā)現(xiàn)術(shù)中血流動力學(xué)變化特點(diǎn), 探討維持術(shù)中血流動力學(xué)穩(wěn)定的管理措施。
1 資料與方法
1.1 一般資料
選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術(shù)前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分?jǐn)?shù)(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術(shù)前1個月內(nèi)發(fā)生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。
1.2 麻醉方法
術(shù)前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術(shù)日晨，術(shù)前1 h口服地西泮10mg,術(shù)前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮(zhèn)靜，入手術(shù)室后常規(guī)面罩吸氧，監(jiān)測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續(xù)監(jiān)測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規(guī)依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導(dǎo)。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復(fù)合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續(xù)靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內(nèi)靜脈穿刺置入swan-ganz導(dǎo)管及三腔靜脈導(dǎo)管，經(jīng)口置入食道超聲（tee）探頭。術(shù)中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術(shù)中自體血回收,維持血細(xì)胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內(nèi)動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結(jié)束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復(fù)至術(shù)前水平。胸部正中切口, 取左乳內(nèi)動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側(cè)壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產(chǎn)。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學(xué)的穩(wěn)定，防止心肌缺血和心梗的發(fā)生，加強(qiáng)心肺腦腎和血液五大保護(hù)，促使病人早期拔管。
1.3 監(jiān)測指標(biāo)
于麻醉誘導(dǎo)后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術(shù)畢(t5)各時間點(diǎn)記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細(xì)血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(shù)(ci) 、體循環(huán)阻力(svr) 、肺循環(huán)阻力(pvr)和右室射血分?jǐn)?shù)(rvef) 。
1.4 統(tǒng)計方法
計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。統(tǒng)計分析采用spss11.5統(tǒng)計軟件包，各個時間點(diǎn)的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,
2 結(jié) 果
本組60例病人均按術(shù)前計劃在非體外循環(huán)下順利完成了心臟的完全再血管化。手術(shù)時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術(shù)中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術(shù)中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術(shù)時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學(xué)數(shù)據(jù)。每例患者移植血管支數(shù)平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術(shù)期心肌梗塞。
行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值（誘導(dǎo)后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學(xué)指標(biāo)都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci、map、rvef較基礎(chǔ)值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎(chǔ)值明顯升高(p<0.05)。術(shù)畢各血流動力學(xué)指標(biāo)趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術(shù)前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1 60例非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植手術(shù)術(shù)中血流動力學(xué)變化(略)注：與誘導(dǎo)后15 min相比#p<0.05。
3 討 論
opcabg由于不用體外循環(huán),簡化了手術(shù)操作,縮短了手術(shù)時間,避免了體外循環(huán)帶來的損害,可獲得與體外循環(huán)下cabg同樣的效果，現(xiàn)在應(yīng)用越來越普遍,而且適應(yīng)證拓寬,尤其對于高危患者更有其優(yōu)越性[4，5]。opcabg術(shù)中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉(zhuǎn)，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學(xué)的穩(wěn)定, 尤其是對于心功能較差者,可導(dǎo)致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴(yán)重者可導(dǎo)致心律紊亂及心跳驟停。因此,術(shù)中維護(hù)血流動力學(xué)穩(wěn)定對于opcabg手術(shù)的成功至關(guān)重要。
第4篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
雙J管在臨床上使用廣泛[1]，特別是在輸尿管結(jié)石的治療中。但是與之相關(guān)的并發(fā)癥仍舊相當(dāng)頻繁地出現(xiàn)[2]，對患者產(chǎn)生各種各樣的副作用。在這個方面來說，放置有支架的輸尿管內(nèi)的尿動力學(xué)，在結(jié)晶形成和生長、生物膜及細(xì)菌菌落形成等這些物理化學(xué)作用或者是生物作用中起到了至關(guān)重要的作用[3，4]。不論是從數(shù)學(xué)角度還是實(shí)驗(yàn)角度，一些研究者也嘗試著去模擬置入支架后的輸尿管中的尿液流動，但是對于量化支架性能上的流體動力學(xué)參數(shù)卻的基礎(chǔ)研究卻幾乎沒有。因此，了解輸尿管支架的置入對上泌尿道尿動力學(xué)的影響，以及其與一些臨床相關(guān)因素的關(guān)系，變得十分有必要，這些因素包括因細(xì)菌感染引起的尿液濃度變化，或者是輸尿管內(nèi)腔的不同程度阻塞。所以，本課題的主要目標(biāo)，是通過一個模仿輸尿管結(jié)構(gòu)制作的人工模型，研究置入輸尿管支架后并且有結(jié)石阻塞的輸尿管中的尿動力學(xué)。借助此模型，測得腎盂壓強(qiáng)在尿液粘度、液體流速和輸尿管阻塞率這些不同物理因素的變化下的定量數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究的結(jié)果會幫助我們理解這些參數(shù)是如何同時地或者獨(dú)立地影響輸尿管支架的性能，以及對整個上泌尿道起何作用。
2實(shí)驗(yàn)方法
2.1設(shè)計制作輸尿管模型
使用ICEMCFD14.0制作家豬輸尿管的CAD模型（輸尿管尺寸數(shù)據(jù)取自當(dāng)?shù)赝涝讏觯Ｅc此同時，使用一個直徑2cm、高3.6cm的圓柱形空腔作為腎盂。使用3D打印機(jī)根據(jù)設(shè)計好的CAD圖形打印出硬質(zhì)陽模。然后準(zhǔn)備好一個透明空心塑料圓筒（內(nèi)直徑3.8cm，長33cm），將陽模沿圓筒中軸線置入其中，接著緩慢向圓筒內(nèi)灌入去除氣體的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前體和固化劑的混合物（10：1w/w）并加熱固化，完成模型制作。由于PDMS材料高度透明，因此最終的輸尿管模型就是可以從外部一覽無余的一個中空圓柱體，內(nèi)腔道尺寸和之前實(shí)驗(yàn)測得的尺寸一致。
2.2檢測腎盂內(nèi)液體壓強(qiáng)
正常情況下，腎盂內(nèi)的壓強(qiáng)的生理值低于20cmH2O[5]。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭心I盂部分的壓強(qiáng)是通過一只導(dǎo)管頂端壓力傳感器測得的，其中分別有三個獨(dú)立的變化量：體積流速、流體動力學(xué)粘度和輸尿管阻塞率。記錄壓強(qiáng)時使用一個在LabVIEW環(huán)境下編寫的簡易程序。嚴(yán)格按照臨床操作步奏向輸尿管模型中置入一根41cm長的雙J管，恰使其末端卷曲部分分別處于模型的腎盂部分和膀胱部分。此支架內(nèi)直徑1.28mm，外直徑2.08mm。為了研究尿液粘度變化對腎盂內(nèi)壓強(qiáng)的影響（例如尿液感染或者是腎功能障礙時），輸尿管模型中的尿液是由蒸餾水和甘油以不同濃度混合的甘油溶液所替代。實(shí)驗(yàn)過程中，我們準(zhǔn)備了六種濃度的甘油溶液，每種都具有不用的流體動力學(xué)粘度，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：0，10，20，30，40，50。粘度值見表1。將注射器泵連接至腎盂部分，來模擬尿液在腎臟的產(chǎn)生過程。在實(shí)驗(yàn)中采用四種不同的流速（Q）（表1），范圍在豬體內(nèi)尿液流速的生理范圍內(nèi)（0-20ml/min）。我們利用八只塑料小球體來充當(dāng)阻塞物，通過給每個小球沿中軸線方向鉆不同大小的圓孔，來控制阻塞率。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖2中列舉了在兩種阻塞率（圖2a中OB%=98.84%；圖2b中OB%=87.62%）之下，腎盂壓強(qiáng)與流速和尿液粘度的關(guān)系，其中不同濃度的甘油溶液，代表了不同的粘度，在圖中用符號區(qū)分開。通過圖2，可以看出，腎盂壓強(qiáng)與輸尿管內(nèi)流體流速和流體粘度分別成線性關(guān)系，并隨著流速的增大、粘度的增加而增加。輸尿管模型中，腎盂壓力與液體流速Q(mào)和輸尿管阻塞率OB%的關(guān)系如圖2所示。圖2a中顯示，模型上段阻塞率100%，液體粘度μ=1cP（蒸餾水）時的情形。圖中回歸線的斜率表示了系統(tǒng)里的流體阻力（m=1.06cmH2O/（ml/min））。同時我們可以看到，此時腎盂內(nèi)壓強(qiáng)只有在一種試驗(yàn)情況下超過了臨界值20cmH2O，即流速Q(mào)=20ml/min。腎盂壓強(qiáng)和阻塞率的關(guān)系如圖2所示，在μ=1cP，Q=20ml/min時，可以看到有三組數(shù)據(jù)腎盂壓強(qiáng)超過了臨界值，分別為阻塞率OB%=96，99，100。結(jié)合μ和OB%的整個變化范圍，流體阻力（m）可以表示為P-Q插值函數(shù)的斜率，如圖2a。m的值見表2。隨著阻塞率OB%從0增至100（由下至上），或者隨著粘度μ從1cP增加至6cP（由左至右），m的值也隨之增長。大多數(shù)R2數(shù)值接近0.9，表示腎盂內(nèi)壓強(qiáng)P和阻塞率OB%存在線性關(guān)系，P和粘度μ也是線性關(guān)系。小一些的m和R2數(shù)值是由于處在輸尿管無阻塞的情況（OB%=0，輸尿管模型中無支架，也無塑料小球），這種情況下粘度μ的增加對壓強(qiáng)P影響很小。圖2a為阻塞率OB=100%，粘度為1cP時，腎盂壓強(qiáng)隨流速變化的情況（流速變化范圍為0-20ml/min）；圖2b為流速為20ml/min，粘度為1cP時，腎盂壓強(qiáng)隨阻塞率變化的情況（阻塞率變化范圍為80%-100%）。圖中上部橫線表示生理上腎盂可承受的最大壓強(qiáng)的臨界值（20cmH2O）。表2m為流體阻力（cmH2O*60s/ml），即回歸線斜率（壓強(qiáng)與流速之比），R2為線性回歸分析中的一個參數(shù)，值越接近于1，說明數(shù)據(jù)的擬合度越高。此表展示了流體阻力與粘度和阻塞率之間的關(guān)系。圖3中的A、B、C、D、E區(qū)域表示在流體力學(xué)粘度作用下的輸尿管模型中的腎盂壓強(qiáng)，其中X軸表示粘度（cP），Y軸表示流速（ml/min），數(shù)據(jù)來自對實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性內(nèi)插。圖中字母代表不同數(shù)值的壓強(qiáng)，依據(jù)對腎臟的不同影響，A部分表示生理上的“安全區(qū)域”（P<15cmH2O），B部分表示生理上的“警示區(qū)域”（15cmH2O<P<20cmH2O），C和D部分則表示“危險區(qū)域”（P>20cmH2O）。圖3a所示為未阻塞的輸尿管中的情況，即使當(dāng)流體粘度和流速都最高時，腎盂內(nèi)液體壓強(qiáng)也始終低于臨界值。這種情況下，最小壓強(qiáng)（當(dāng)Q=5ml/min，μ=1cP時）為0.4±0.08cmH2O，最大壓強(qiáng)（當(dāng)Q=20ml/min，μ=6cP時）為1.4±0.11cmH2O。圖3b所示情況為置入支架、但并沒有在模型內(nèi)腔上段放置塑料小球的輸尿管，流體阻力因輸尿管支架的插入，而顯著增大，在略高一些的流速Q(mào)和粘度μ值下，圖片上出現(xiàn)了警示區(qū)域、甚至危險區(qū)域。在有塑料小球存在的情況下（意味著更高的阻塞率，圖3c中OB%=88，圖3d中OB%=100），當(dāng)流速Q(mào)和度μ值都較低時，也會出現(xiàn)更大面積更嚴(yán)重的“警告區(qū)域”與“危險區(qū)域”。
4分析與討論
尿液通過置入有支架的輸尿管的排放，是一個受多種因素影響的復(fù)雜過程，它受控于腎盂內(nèi)的壓強(qiáng)、膀胱內(nèi)壓強(qiáng)、輸尿管阻塞的嚴(yán)重程度、輸尿管支架內(nèi)徑、外徑的大小、支架長度支架上孔洞的多少以及尿液本身的物理性質(zhì)（例如尿液粘度）。在有支架存在的輸尿管內(nèi)，尿液的流動范圍既可以順著腔外區(qū)域（支架外壁與輸尿管內(nèi)壁之間的間隙），也可以是支架的內(nèi)部區(qū)域。一些研究嘗試過從性質(zhì)上對置有支架的輸尿管內(nèi)的流體動力學(xué)進(jìn)行描述，然而，就我們所知，定量化的研究數(shù)據(jù)仍然是一片空白，定量的了解能夠引起腎臟損害、尿液感染或者是輸尿管支架結(jié)垢的種種因素才是學(xué)術(shù)研究更重要的主題。從這個角度來說，我們制作的仿生的透明模型可以作為非常接近地模擬阻塞并且有支架置入的輸尿管內(nèi)的流體力學(xué)環(huán)境的一次嘗試。如圖2和表2里所示的，我們證實(shí)了在絕大多數(shù)例子里，腎盂內(nèi)液體壓強(qiáng)與尿液濃度、流速以及輸尿管內(nèi)腔的阻塞程度之間成線性相關(guān)。在無阻塞的情況下，測得模型內(nèi)的最小流體阻力為0.007cmH2O/（ml/min），并且它并不會隨尿液濃度的改變而發(fā)生顯著變化。關(guān)于輸尿管支架能單方面造成有實(shí)質(zhì)性意義的阻塞的其他證據(jù)，我們還可以對比表2中，比較完全無阻塞的輸尿管中的流體阻力和僅放有支架（“僅支架”）時的輸尿管中的阻力兩者的大小，后者明顯高于前者。另外，在圖3b中出現(xiàn)的“警告區(qū)域”和“危險區(qū)域”同樣印證輸尿管支架的阻塞效果。此輸尿管模型還能為臨床醫(yī)生提供一些幫助，使他們能夠定量的了解，在一些具有臨床意義的情況下，單個或者多個變化因素對腎盂內(nèi)液體壓強(qiáng)的影響。例如，圖3中，我們可以很直觀的看出，在一定的阻塞率下，不同尿液流速和粘度的組合會產(chǎn)生多大腎盂內(nèi)的壓強(qiáng)，其究竟是處于20cmH2O等高線以上還是以下。而20cmH2O等高線左下方的區(qū)域是安全區(qū)域，代表了腎臟功能正常，右上方區(qū)域?yàn)橄鄬ξｋU的區(qū)域，可能會對腎臟功能造成潛在損害。同時，表2清晰的表明了上尿路中尿液粘度的微小增長或者是阻塞程度的微增在對腎盂內(nèi)壓強(qiáng)大幅影響的同時，是如何顯著影響系統(tǒng)中的流體阻力的。另外，比較圖3c和圖3d，圖3d較圖3c阻塞率有略微上升（從88%至100%），但是“安全區(qū)域”的范圍卻大大減小，若不想潛在地對腎臟造成損傷，尿液粘度和流速大小都需要加以限制。
5結(jié)束語
第5篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
煤的氣化是煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)展煤基大宗化學(xué)品和液體燃料合成、先進(jìn)的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、氫能、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ)，是這些行業(yè)發(fā)展的核心和龍頭技術(shù)。煤的氣化的過程實(shí)質(zhì)是將煤中的碳、氫轉(zhuǎn)化為清潔燃料氣或合成氣（CO+H2）的過程。
本書從全新的視角對工業(yè)煤的氣化科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行了全面的論述，涉及煤的氣化工藝過程的各項(xiàng)內(nèi)容，既有工藝分析，又有理論研究。反映了煤的氣化技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，還包含了作者自己的相關(guān)研究成果，許多重要內(nèi)容為同類專著中首次報道。
全書共有10章：1.引言。提出了全球范圍內(nèi)煤的氣化原料的劣質(zhì)化趨勢；2.煤的氣化的總論。簡要介紹了煤氣化技術(shù)的背景和行業(yè)地位、最新的應(yīng)用、煤的氣化的必要性、煤氣化技術(shù)的沿革、歷經(jīng)三代的氣化爐型、原料和產(chǎn)物、技術(shù)市場、對環(huán)境的影響和污染排放，以及煤的氣化面臨的挑戰(zhàn)、潛在機(jī)會等；3.氣化用煤的分析表征。為使讀者意識到通過氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，本章從實(shí)用觀點(diǎn)從發(fā)，討論了氣化用原料煤樣品的分析表征，并從這些信息來決定氣化過程的適用性。必要的有關(guān)知識包括煤的標(biāo)準(zhǔn)分析（元素分析、工業(yè)分析和熱值）以及更復(fù)雜的反應(yīng)性和顯微組分的分析，特別強(qiáng)調(diào)關(guān)注煤中的礦物質(zhì)，因?yàn)檫@是所有氣化過程的極限。最后對煤的物理和流體動力學(xué)性質(zhì)做了總結(jié)；4.氣化過程的基礎(chǔ)。介紹了基本的煤的氣化反應(yīng)和化學(xué)、評價不同氣化方法優(yōu)劣的主要技術(shù)性能參數(shù)，并從多個技術(shù)層次探討了不同氣化工藝過程之間的差別：床型（移動床/流化床/氣流床），溫度范圍（灰熔融/渣粘度），壓力等級，進(jìn)料方法（干粉/水煤漿），器壁類型（膜/耐火襯里/水夾套），合成氣冷卻（水/氣/化學(xué)激冷/熱回收），氧化劑（氧氣/空氣），排渣方式（灰渣/飛灰/團(tuán)聚），催化劑添加與否；5.煤氣化模擬。在介紹了氣化系統(tǒng)衡算概念的基礎(chǔ)上，列舉氣化模擬的熱力學(xué)模型、動力學(xué)模型、計算流體動力學(xué)（CFD）模型方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)、主要應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。為便于讀者理解這里僅涉及基本方程和科學(xué)背景；6.煤的氣化技術(shù)。煤的氣化技術(shù)是本書的中心內(nèi)容，包括一些此前未公開報道的最新和最全面的煤的氣化過程資訊。按氣化爐型的不同，分別詳述了殼牌、Uhde （即高溫溫克勒爐HTW， Prenflow）、GE、西門子、CB&I （即E-Gas）爐， Lurgi （即固定床固態(tài)排渣（FBDB）爐， 和Envirotherm/Zemag （即BGL）爐的歷史沿革、詳細(xì)工藝描述，改進(jìn)強(qiáng)化措施和現(xiàn)在的工業(yè)實(shí)施項(xiàng)目。針對典型技術(shù)，基于統(tǒng)一邊界條件，給出了通用計算模型和模擬結(jié)果，并與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析，著重對比高灰煤和常規(guī)煤原料對氣化性能的影響。作者還特別介紹了有關(guān)中國開發(fā)的氣化新爐型和新工藝；7.煤的氣化過程熱力學(xué)評價。本章主要論述本書作者研究出的創(chuàng)新方法：三元?dú)饣瘓D。作者給出了該方法詳細(xì)的實(shí)施步驟和應(yīng)用方法，指導(dǎo)讀者得出優(yōu)化的用戶氣化圖和關(guān)聯(lián)式，以常規(guī)的匹茨堡8號煤和南非高灰煤為例進(jìn)行了具體對比計算分析，其結(jié)果可用于解析灰份的影響規(guī)律和氣化技術(shù)潛力的分析。此方法還可擴(kuò)展用于二氧化碳?xì)饣蜕镔|(zhì)氣化；8.煤的氣化過程的有效能分析。為了考慮氣體冷卻方法對整個過程的影響，對常規(guī)煤和高灰煤的氣化過程進(jìn)行了有效能分析和對比；9.內(nèi)循環(huán)氣化爐的概念研究。鑒于現(xiàn)在市場上還沒有適應(yīng)高灰煤的氣化技術(shù)，作者針對高灰煤氣化提出了創(chuàng)新性的新氣化爐型：內(nèi)循環(huán)氣化爐。本章內(nèi)容全面闡述內(nèi)循環(huán)氣化爐相關(guān)的氣化過程基本原理、詳細(xì)的工藝條件、反應(yīng)室的布置、氣化劑的注入、氣體的冷卻、除灰、過程控制；10.氣化發(fā)展趨勢。這是對全書的簡要總結(jié)并展望了氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢。
本書的讀者對象包括能源、煤炭、化學(xué)工程相關(guān)專業(yè)從事煤轉(zhuǎn)化和煤化工科研、設(shè)計生產(chǎn)的工程技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專業(yè)的教師、高年級本科生和研究生。
第6篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)三部分，靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問題；運(yùn)動學(xué)只考慮物體怎樣運(yùn)動，不討論它與所受力的關(guān)系；動力學(xué)討論物體運(yùn)動和所受力的關(guān)系。
力學(xué)也可按所研究對象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個分支，流體包括液體和氣體；固體力學(xué)和流體力學(xué)可統(tǒng)稱為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)的模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后，余下的部分組成一般力學(xué)。
一般力學(xué)通常是指以質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、剛體系為研究對象的力學(xué)，有時還把抽象的動力學(xué)系統(tǒng)也作為研究對象。一般力學(xué)除了研究離散系統(tǒng)的基本力學(xué)規(guī)律外，還研究某些與現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)的新興學(xué)科的理論。
一般力學(xué)、固體力學(xué)和流體力學(xué)這三個主要分支在發(fā)展過程中，又因?qū)ο蠡蚰Ｐ偷牟煌霈F(xiàn)了一些分支學(xué)科和研究領(lǐng)域。屬于一般力學(xué)的有理論力學(xué)(狹義的)、分析力學(xué)、外彈道學(xué)、振動理論、剛體動力學(xué)、陀螺力學(xué)、運(yùn)動穩(wěn)定性等；屬于固體力學(xué)的有材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等；流體力學(xué)是由早期的水力學(xué)和水動力學(xué)這兩個風(fēng)格迥異的分支匯合而成，現(xiàn)在則有空氣動力學(xué)、氣體動力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)等分支。各分支學(xué)科間的交*結(jié)果又產(chǎn)生粘彈性理論、流變學(xué)、氣動彈性力學(xué)等。
力學(xué)也可按研究時所采用的主要手段區(qū)分為三個方面：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計算。實(shí)驗(yàn)力學(xué)包括實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析、水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和空氣動力實(shí)驗(yàn)等。著重用數(shù)值計算手段的計算力學(xué)，是廣泛使用電子計算機(jī)后才出現(xiàn)的，其中有計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計算流體力學(xué)等。對一個具體的力學(xué)課題或研究項(xiàng)目，往往需要理論、實(shí)驗(yàn)和計算這三方面的相互配合。
力學(xué)在工程技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)果形成工程力學(xué)或應(yīng)用力學(xué)的各種分支，諸如土力學(xué)、巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)復(fù)合材料力學(xué)、工業(yè)空氣動力學(xué)、環(huán)境空氣動力學(xué)等。
力學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合也產(chǎn)生一些交又性的分支，最早的是和天文學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的天體力學(xué)。在20世紀(jì)特別是60年代以來，出現(xiàn)更多的這類交*分支，其中有物理力學(xué)、化學(xué)流體動力學(xué)、等離子體動力學(xué)、電流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力學(xué)、理性力學(xué)、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動力學(xué)、地球構(gòu)造動力學(xué)、地球流體力學(xué)等。
運(yùn)動學(xué)發(fā)展簡史
運(yùn)動學(xué)是理論力學(xué)的一個分支學(xué)科，它是運(yùn)用幾何學(xué)的方法來研究物體的運(yùn)動，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運(yùn)動和力的關(guān)系，則是動力學(xué)的研究課題。
用幾何方法描述物體的運(yùn)動必須確定一個參照系，因此，單純從運(yùn)動學(xué)的觀點(diǎn)看，對任何運(yùn)動的描述都是相對的。這里，運(yùn)動的相對性是指經(jīng)典力學(xué)范疇內(nèi)的，即在不同的參照系中時間和空間的量度相同，和參照系的運(yùn)動無關(guān)。不過當(dāng)物體的速度接近光速時，時間和空間的量度就同參照系有關(guān)了。這里的“運(yùn)動”指機(jī)械運(yùn)動，即物置的改變；所謂“從幾何的角度”是指不涉及物體本身的物理性質(zhì)(如質(zhì)量等)和加在物體上的力。
運(yùn)動學(xué)主要研究點(diǎn)和剛體的運(yùn)動規(guī)律。點(diǎn)是指沒有大小和質(zhì)量、在空間占據(jù)一定位置的幾何點(diǎn)。剛體是沒有質(zhì)量、不變形、但有一定形狀、占據(jù)空間一定位置的形體。運(yùn)動學(xué)包括點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)和剛體運(yùn)動學(xué)兩部分。掌握了這兩類運(yùn)動，才可能進(jìn)一步研究變形體(彈性體、流體等)的運(yùn)動。
在變形體研究中，須把物體中微團(tuán)的剛性位移和應(yīng)變分開。點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)研究點(diǎn)的運(yùn)動方程、軌跡、位移、速度、加速度等運(yùn)動特征，這些都隨所選的參考系不同而異；而剛體運(yùn)動學(xué)還要研究剛體本身的轉(zhuǎn)動過程、角速度、角加速度等更復(fù)雜些的運(yùn)動特征。剛體運(yùn)動按運(yùn)動的特性又可分為：剛體的平動、剛體定軸轉(zhuǎn)動、剛體平面運(yùn)動、剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動和剛體一般運(yùn)動。
運(yùn)動學(xué)為動力學(xué)、機(jī)械原理(機(jī)械學(xué))提供理論基礎(chǔ)，也包含有自然科學(xué)和工程技術(shù)很多學(xué)科所必需的基本知識。
運(yùn)動學(xué)的發(fā)展歷史
運(yùn)動學(xué)在發(fā)展的初期，從屬于動力學(xué)，隨著動力學(xué)而發(fā)展。古代，人們通過對地面物體和天體運(yùn)動的觀察，逐漸形成了物體在空間中位置的變化和時間的概念。中國戰(zhàn)國時期在《墨經(jīng)》中已有關(guān)于運(yùn)動和時間先后的描述。亞里士多德在《物理學(xué)》中討論了落體運(yùn)動和圓運(yùn)動，已有了速度的概念。
伽利略發(fā)現(xiàn)了等加速直線運(yùn)動中，距離與時間二次方成正比的規(guī)律，建立了加速度的概念。在對彈射體運(yùn)動的研究中，他得出拋物線軌跡，并建立了運(yùn)動(或速度)合成的平行四邊形法則，伽利略為點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，惠更斯在對擺的運(yùn)動和牛頓在對天體運(yùn)動的研究中，各自獨(dú)立地提出了離心力的概念，從而發(fā)現(xiàn)了向心加速度與速度的二次方成正比、同半徑成反比的規(guī)律。
18世紀(jì)后期，由于天文學(xué)、造船業(yè)和機(jī)械業(yè)的發(fā)展和需要，歐拉用幾何方法系統(tǒng)地研究了剛體的定軸轉(zhuǎn)動和剛體的定點(diǎn)運(yùn)動問題，提出了后人用他的姓氏命名的歐拉角的概念，建立了歐拉運(yùn)動學(xué)方程和剛體有限轉(zhuǎn)動位移定理，并由此得到剛體瞬時轉(zhuǎn)動軸和瞬時角速度矢量的概念，深刻地揭示了這種復(fù)雜運(yùn)動形式的基本運(yùn)動特征。所以歐拉可稱為剛體運(yùn)動學(xué)的奠基人。
此后，拉格朗日和漢密爾頓分別引入了廣義坐標(biāo)、廣義速度和廣義動量，為在多維位形空間和相空間中用幾何方法描述多自由度質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動開辟了新的途徑，促進(jìn)了分析動力學(xué)的發(fā)展。
19世紀(jì)末以來，為了適應(yīng)不同生產(chǎn)需要、完成不同動作的各種機(jī)器相繼出現(xiàn)并廣泛使用，于是，機(jī)構(gòu)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)構(gòu)學(xué)的任務(wù)是分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動設(shè)計新的機(jī)構(gòu)和進(jìn)行機(jī)構(gòu)的綜合?，F(xiàn)代儀器和自動化技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)機(jī)構(gòu)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，提出了各種平面和空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和綜合的問題，作為機(jī)構(gòu)學(xué)的理論基礎(chǔ)，運(yùn)動學(xué)已逐漸脫離動力學(xué)而成為經(jīng)典力學(xué)中一個獨(dú)立的分支。
固體力學(xué)發(fā)展簡史
固體力學(xué)是力學(xué)中形成較早、理論性較強(qiáng)、應(yīng)用較廣的一個分支，它主要研究可變形固體在外界因素(如載荷、溫度、濕度等)作用下，其內(nèi)部各個質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的位移、運(yùn)動、應(yīng)力、應(yīng)變以及破壞等的規(guī)律。
固體力學(xué)研究的內(nèi)容既有彈性問題，又有塑性問題；既有線性問題，又有非線性問題。在固體力學(xué)的早期研究中，一般多假設(shè)物體是均勻連續(xù)介質(zhì)，但近年來發(fā)展起來的復(fù)合材料力學(xué)和斷裂力學(xué)擴(kuò)大了研究范圍，它們分別研究非均勻連續(xù)體和含有裂紋的非連續(xù)體.
自然界中存在著大至天體，小至粒子的固態(tài)物體和各種固體力學(xué)問題。人所共知的山崩地裂、滄海桑田都與固體力學(xué)有關(guān)?，F(xiàn)代工程中，無論是飛行器、船舶、坦克，還是房屋、橋梁、水壩、原子反應(yīng)堆以及日用家具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算都應(yīng)用了固體力學(xué)的原理和計算方法。
由于工程范圍的不斷擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，固體力學(xué)也在發(fā)展，一方面要繼承傳統(tǒng)的有用的經(jīng)典理論，另一方面為適應(yīng)各們現(xiàn)代工程的特點(diǎn)而建立新的理論和方法。
固體力學(xué)的研究對象按照物體形狀可分為桿件、板殼、空間體、薄壁桿件四類。薄壁桿件是指長寬厚尺寸都不是同量級的固體物件。在飛行器、船舶和建筑等工程結(jié)構(gòu)中都廣泛采用了薄壁桿件。
固體力學(xué)的發(fā)展歷史
萌芽時期 遠(yuǎn)在公元前二千多年前，中國和世界其他文明古國就開始建造有力學(xué)思想的建筑物、簡單的車船和狩獵工具等。中國在隋開皇中期(公元591～599年)建造的趙州石拱橋，已蘊(yùn)含了近代桿、板、殼體設(shè)計的一些基本思想。
隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和工藝精度的提高，人類在房屋建筑、橋梁和船舶建造方面都不斷取得輝煌的成就，但早期的關(guān)于強(qiáng)度計算或經(jīng)驗(yàn)估算等方面的許多資料并沒有流傳下來。盡管如此，這些成就還是為較早發(fā)展起來的固體力學(xué)理論，特別是為后來劃歸材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)那些理論奠定了基礎(chǔ)。
發(fā)展時期 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和17世紀(jì)物理學(xué)的成就，為固體力學(xué)理論的發(fā)展準(zhǔn)備了條件。在18世紀(jì)，制造大型機(jī)器、建造大型橋梁和大型廠房這些社會需要，成為固體力學(xué)發(fā)展的推動力。
這期間，固體力學(xué)理論的發(fā)展也經(jīng)歷了四個階段：基本概念形成的階段；解決特殊問題的階段；建立一般理論、原理、方法、數(shù)學(xué)方程的階段；探討復(fù)雜問題的階段。在這一時期，固體力學(xué)基本上是沿著研究彈性規(guī)律和研究塑性規(guī)律，這樣兩條平行的道路發(fā)展的，而彈性規(guī)律的研究開始較早。
彈性固體的力學(xué)理論是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上于17世紀(jì)發(fā)展起來的。英國的胡克于1678年提出：物體的變形與所受外載荷成正比，后稱為胡克定律；瑞士的雅各布第一·伯努利在17世紀(jì)末提出關(guān)于彈性桿的撓度曲線的概念；而丹尼爾第一·伯努利于18世紀(jì)中期，首先導(dǎo)出棱柱桿側(cè)向振動的微分方程；瑞士的歐拉于1744年建立了受壓柱體失穩(wěn)臨界值的公式，又于1757年建立了柱體受壓的微分方程，從而成為第一個研究穩(wěn)定性問題的學(xué)者；法國的庫侖在1773年提出了材料強(qiáng)度理論，他還在1784年研究了扭轉(zhuǎn)問題并提出剪切的概念。這些研究成果為深入研究彈性固體的力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ)。
法國的納維于1820年研究了薄板彎曲問題，并于次年發(fā)表了彈性力學(xué)的基本方程；法國的柯西于1822年給出應(yīng)力和應(yīng)變的嚴(yán)格定義，并于次年導(dǎo)出矩形六面體微元的平衡微分方程?？挛魈岢龅膽?yīng)力和應(yīng)變概念，對后來數(shù)學(xué)彈性理論，乃至整個固體力學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
法國的泊阿松于1829年得出了受橫向載荷平板的撓度方程；1855年，法國的圣維南用半逆解法解出了柱體扭轉(zhuǎn)和彎曲問題，并提出了有名的圣維南原理；隨后，德國的諾伊曼建立了三維彈性理論，并建立了研究圓軸縱向振動的較完善的方法；德國的基爾霍夫提出粱的平截面假設(shè)和板殼的直法線假設(shè)，他還建立了板殼的準(zhǔn)確邊界條件并導(dǎo)出了平板彎曲方程；英國的麥克斯韋在19世紀(jì)50年代，發(fā)展了光測彈性的應(yīng)力分析技術(shù)后，又于1864年對只有兩個力的簡單情況提出了功的互等定理，隨后，意大利的貝蒂于1872年對該定理加以普遍證明；意大利的卡斯蒂利亞諾于1873年提出了卡氏第一和卡氏第二定理；德國的恩蓋塞于1884年提出了余能的概念。
德國的普朗特于1903年提出了解扭轉(zhuǎn)問題的薄膜比擬法；鐵木辛柯在20世紀(jì)初，用能量原理解決了許多桿板、殼的穩(wěn)定性問題；匈牙利的卡門首先建立了彈性平板非線性的基本微分方程，為以后研究非線性問題開辟了道路。
蘇聯(lián)的穆斯赫利什維利于1933年發(fā)表了彈性力學(xué)復(fù)變函數(shù)方法；美國的唐奈于同一年研究了圓柱形殼在扭力作用下的穩(wěn)定性問題，并在后來建立了唐奈方程；弗呂格于1932年和1934年發(fā)表了圓柱形薄殼的穩(wěn)定性和彎曲的研究成果；蘇聯(lián)的符拉索夫在1940年前后建立了薄壁桿、折板系、扁殼等二維結(jié)構(gòu)的一般理論。
在飛行器、艦艇、原子反應(yīng)堆和大型建筑等結(jié)構(gòu)的高精度要求下，有很多學(xué)者參加了力學(xué)研究工作，并解決了大量復(fù)雜問題。此外，彈性固體的力學(xué)理論還不斷滲透到其他領(lǐng)域，如用于紡織纖維、人體骨骼、心臟、血管等方面的研究。
1773年庫侖提出土的屈服條件，這是人類定量研究塑性問題的開端。1864年特雷斯卡在對金屬材料研究的基礎(chǔ)上，提出了最大剪應(yīng)力屈服條件，它和后來德國的光澤斯于1913年提出的最大形變比能屈服條件，是塑性理論中兩個最重要的屈服條件。19世紀(jì)60年代末、70年代初，圣維南提出塑性理論的基本假設(shè)，并建立了它的基本方程，他還解決了一些簡單的塑性變形問題。
現(xiàn)代固體力學(xué)時期 指的是第二次世界大戰(zhàn)以后的時期，這個時期固體力學(xué)的發(fā)展有兩個特征：一是有限元法和電子計算機(jī)在固體力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用；二是出現(xiàn)了兩個新的分支——斷裂力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)。
特納等人于1956年提出有限元法的概念后，有限元法發(fā)展很快，在固體力學(xué)中大量應(yīng)用，解決了很多復(fù)雜的問題。
第7篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
關(guān)鍵詞：濕地水環(huán)境；演變機(jī)理；生態(tài)效應(yīng)；新思路;研究
引言
濕地是地球上具有多種獨(dú)特功能的生態(tài)系統(tǒng)，在為人類提供食物、原料和水資源、穩(wěn)定環(huán)境、維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性等方面均起到重要作用,是人類賴以生存和持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),享有“地球之腎”的美譽(yù)[1]。近一個世紀(jì)以來，由于受盲目圍墾、過度開發(fā)和水質(zhì)污染等人類活動及氣候變化、天然水循環(huán)變化的影響，使得濕地水環(huán)境和生態(tài)空間格局發(fā)生變化，進(jìn)而造成濕地的功能下降、生物多樣性喪失、甚至濕地的消亡[2，3]。
我國自1992年加入《濕地公約》后，對保護(hù)濕地開展了一系列富有成效的工作，但濕地保護(hù)形勢依然嚴(yán)峻，由于對濕地形成演變機(jī)理、水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面缺乏全面而深刻的了解，往往給保護(hù)區(qū)的工作造成一定困難，濕地保護(hù)研究相對滯后[4]。開展變化環(huán)境下濕地水環(huán)境演變機(jī)理及生態(tài)效應(yīng)研究，對更好的利用和保護(hù)濕地有重要意義。
1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
1.1研究方法
濕地的定量模擬研究是當(dāng)前生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和濕地科學(xué)的一個熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[5]。濕地建模、情勢重建是理解濕地形成演變機(jī)理、水環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要途徑。目前，國內(nèi)外對濕地的模型與研究方法已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，現(xiàn)綜述如下：
（1）圖表分析法與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計法：傳統(tǒng)濕地生態(tài)水文學(xué)采用圖表分析法與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計法研究濕地生態(tài)水文問題。從研究手段上看，在水文水質(zhì)調(diào)查、濕地生物調(diào)查的基礎(chǔ)上，引入遙測信息。方法原理是通過宏觀尺度上濕地水文、生態(tài)調(diào)查，從植被生態(tài)的水文適應(yīng)性角度，根據(jù)收集的信息，通過統(tǒng)計分析或采用制圖方式進(jìn)行濕地水文景觀分類、生物結(jié)構(gòu)、生物量和生物多樣性分析；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法估算生態(tài)環(huán)境需水總量[6]。由于這類方法未能充分表達(dá)濕地生態(tài)演替的階段性、濕地的基本特征、形成機(jī)理和動態(tài)過程，缺乏深入的物理機(jī)制剖析，研究水平較低，研究的角度相對狹窄。
（2）濕地水文模型：水文過程是濕地中最重要的過程,是決定產(chǎn)生和維持濕地典型類型和濕地過程的重要因素，是濕地研究的核心內(nèi)容，在濕地形成、發(fā)育、演替直至消亡全過程中起重要作用。濕地水文模型可用以定量地評價濕地開發(fā)活動及保護(hù)管理活動帶來的環(huán)境影響和生態(tài)效應(yīng)；可用作預(yù)測濕地水文及其它“動力”特征的變化規(guī)律；可用作檢驗(yàn)濕地的概念、理論和濕地研究基本實(shí)測數(shù)據(jù)；也可用作輔助設(shè)計工具,在濕地的重新自然化和人工濕地的建造工程中用于輔助設(shè)計工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)、形式和參數(shù)等[7]。
近年來，濕地水文模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，特別是在水庫或洪泛濕地方面，如加拿大Waterloo大學(xué)提出一個蓄水～出流函數(shù)模型用于模擬濕地徑流響應(yīng)[8]；英國Birmingham大學(xué)改進(jìn)MODFLOW模型，在British 洪泛平原濕地成功地模擬了以年或季為水文周期的濕地水位變化[9]。國際上已成功開發(fā)了適合濕地的分布水文模型, Zacharias等認(rèn)為濕地是一個水文、水環(huán)境系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)濕地水資源綜合管理，結(jié)合GIS和RS發(fā)展了一個有物理基礎(chǔ)的水文模型來管理湖泊濕地水資源[10]；Da Paz等認(rèn)為水循環(huán)對濕地生態(tài)系統(tǒng)起著重要作用，采用了二維平面水動力模型在Mangueira湖泊和Taim濕地中的應(yīng)用[11]。我國濕地模擬研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型為主，濕地分布水文模型缺乏，有待加強(qiáng)。
（3）濕地監(jiān)測和高新技術(shù)應(yīng)用：美國從二十世紀(jì)70年代初就開始關(guān)注濕地監(jiān)測和高新技術(shù)應(yīng)用。Grapes, TR監(jiān)測了chalk流域濕地的洪水和地下水，分析了濕地地下水流與河渠水位關(guān)系，以及壤中流和垂直水分通量變化規(guī)律[12]。國內(nèi)王茜等人利用3S技術(shù)對洪湖濕地的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行監(jiān)測，在分析研究洪湖濕地現(xiàn)狀(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、開發(fā)等內(nèi)容)的基礎(chǔ)上,根據(jù)國際濕地分類的原則和實(shí)際情況,考慮遙感上的可操作性,設(shè)計出研究區(qū)域的濕地遙感分類系統(tǒng)[13]。
（4）濕地水環(huán)境流體模型研究：國內(nèi)外有關(guān)科學(xué)工作者從70 年代后期開始從環(huán)境科學(xué)的角度對濕地進(jìn)行研究, 取得了大量研究成果,為濕地保護(hù)和合理開發(fā)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。如國外60年代開始研究河流水量水質(zhì)、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,國內(nèi)外研究者較多地研究應(yīng)用了一維、二維水量水質(zhì)模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代國外三維水量水質(zhì)模型研究比較成熟(如Simons, et al，1977)。例如美國國家環(huán)境保護(hù)局提出的多參數(shù)綜合水質(zhì)模型(WASP，1996)和環(huán)境流體動力學(xué)模型（EFDC，2001），丹麥水力學(xué)研究所Mike水質(zhì)模型等。國外環(huán)境流體動力學(xué)模型在我國應(yīng)用研究也取得了很大進(jìn)展，目前已廣泛應(yīng)用在河流、水庫、湖泊、河口、港灣以及濕地等水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中[14]。我國的湖泊工作者和環(huán)境工作者從70 年代后期開始, 進(jìn)行了大量湖泊環(huán)境保護(hù)方面的研究工作, 在湖泊、水庫水質(zhì)預(yù)測、污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、總量控制等方面取得了一批重要成果[15]。
（5）濕地生態(tài)環(huán)境需水研究：90年代后環(huán)境需水量和生態(tài)需水量開始成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[16]。到目前為止，國外有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水量研究內(nèi)容主要有：河道流量與魚類生息環(huán)境關(guān)系研究[17]；河流流量、水生生物與溶解氧三者關(guān)系研究[18～20]；水生生物指示物與流量之間的關(guān)系研究；濕地調(diào)度考慮生態(tài)需水量的優(yōu)化配置研究；環(huán)境用水與經(jīng)濟(jì)用水關(guān)系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量歷時曲線分析法、濕周法、棲息地排水法、BBM法、水利額定法等。對水庫、湖泊、濕地的生態(tài)環(huán)境需水還沒有成熟的理論、指標(biāo)體系和計算方法[23]。從國內(nèi)外對生態(tài)環(huán)境用水的研究來看，定性描述的多，理論推求的少，河流描述多，濕地研究少?？偭抗浪愣?，過程計算少。另外，在確定生態(tài)環(huán)境需水時，時問尺度和空間尺度不明確，水量和水質(zhì)耦合研究缺乏，各生態(tài)需水量重復(fù)計算，可操作性差，研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用還存在相當(dāng)差距。所以，濕地生態(tài)環(huán)境需水估算仍然研究不足。
濕地水文生態(tài)模型與新興交叉學(xué)科和地學(xué)信息技術(shù)耦合是未來發(fā)展的必然趨勢。但至今我國濕地模型的研究才剛剛起步，研究進(jìn)展緩慢原因是：有物理基礎(chǔ)的分布水文模型建模因涉及多學(xué)科有較高的難度，另外我國濕地監(jiān)測與實(shí)驗(yàn)資料缺乏，在今后的研究中，還有待進(jìn)一步加強(qiáng)和完善。
我國目前濕地保護(hù)才剛剛起步，很多問題有待深入研究，如濕地的水文水環(huán)境效應(yīng)研究不深入，有物理基礎(chǔ)的濕地模型缺乏；濕地健康評價指標(biāo)體系和生態(tài)需水過程估算方法還不完善；濕地生態(tài)環(huán)境流體動力學(xué)研究不足；濕地建設(shè)與濕地管理缺乏系統(tǒng)成熟的技術(shù)方案等。
1.2評價方法
國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了較成熟的濕地評價方法。在眾多濕地分類方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分類體系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌學(xué)分類方法[25]。美國農(nóng)業(yè)部濕地研究所推薦一套濕地評價水文模型DRAINMOD和濕地水文識別準(zhǔn)則[26]。國外Sutula, MA等應(yīng)用一種濕地快速評估方法(RAMs)評價濕地系統(tǒng)，介紹了RAMs方法的發(fā)展[27]。國內(nèi)賈忠華等人采用美國農(nóng)業(yè)部推薦的濕地評價水文模型DRAINMOD,探討西安干旱與半干旱地區(qū)不同來水量對濕地地下水位變化的影響，分析了該區(qū)形成臨界濕地水文條件所需的臨界水量[28]。袁軍等運(yùn)用多級模糊模式評價模型對黑龍江洪河國家級保護(hù)區(qū)不同年份的濕地水文功能進(jìn)行評價[29]。
診斷濕地生態(tài)系統(tǒng)健康是水聚濕地保護(hù)的重要手段之一。開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康評價方法可分為：物種指示法和結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系統(tǒng)層次的生態(tài)健康指數(shù)(Health Index，HI)[32]。此外，也有學(xué)者提出了基于河流水文學(xué)、物理構(gòu)造特征、河岸區(qū)狀況、水質(zhì)及水生生物等5方面共計22項(xiàng)指標(biāo)體系計分基礎(chǔ)上的溪流狀況指數(shù)(Index of Stream Condition，ISC) 。隨著對湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究的深入，最近幾年物理指標(biāo)、壓力指標(biāo)等也被考慮在內(nèi)，使健康診斷指標(biāo)不斷完善。
2研究思路創(chuàng)新
分析理解濕地水文、水質(zhì)與生態(tài)三者之間的相互作用關(guān)系，對變化環(huán)境下濕地水循環(huán)規(guī)律、水環(huán)境效應(yīng)、污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理和生態(tài)格局演變規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究并做集成研究；構(gòu)建一個變集水區(qū)尺度、基于RS和GIS、反映濕地特征的、有物理基礎(chǔ)的、多尺度集成、多要素耦合的“變網(wǎng)格”技術(shù)支持下濕地分布式生態(tài)水文模型范式，以便于增加對濕地水循環(huán)、污染物遷移轉(zhuǎn)化、濕地的消長與退化、濕地生態(tài)環(huán)境需水過程的理解和認(rèn)識；對濕地消長過程、濕地生態(tài)需水變化過程、環(huán)境需水變化過程的模擬與預(yù)測，包括預(yù)測坡地、濕地、河流之界面水循環(huán)過程；開展?jié)竦厮鲌觥舛葓龊蜕锪康那榫邦A(yù)測等等，對于理解濕地水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)修復(fù)功能有指導(dǎo)作用。
3結(jié)語及展望
我國濕地保護(hù)當(dāng)前所面臨的主要問題，以生態(tài)水文學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、水動力學(xué)等理論為指導(dǎo)，以洪泛濕地為典型研究對象，以自然與人類相互作用為核心，強(qiáng)調(diào)流域坡地、濕地、河流、湖泊、大氣、地表林冠層、包氣帶、地下飽和水帶等不同空間尺度上和界面上的水循環(huán)、N-P物質(zhì)循環(huán)等自然過程的相互作用研究；揭示變動水文情勢下濕地水循環(huán)規(guī)律、水環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境演變機(jī)理和生態(tài)格局演化規(guī)律；了解濕地水文、水質(zhì)與生態(tài)三者之間的相互作用關(guān)系；基于對過程理解的模型研究，以生境濕度特征為核心，預(yù)測生態(tài)環(huán)境過程，診斷典型濕地生態(tài)環(huán)境健康，檢測典型濕地可持續(xù)發(fā)展中人為作用與自然作用的關(guān)系，探討實(shí)現(xiàn)濕地可持續(xù)發(fā)展的途徑，提出濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃及水污染治理規(guī)劃的生態(tài)、水利雙重調(diào)控對策。豐富濕地生態(tài)水文學(xué)理論和方法，為濕地水資源、水環(huán)境生態(tài)保護(hù)提供參考借鑒。
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第8篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
關(guān)鍵詞 VRF空調(diào)系統(tǒng) 數(shù)值模擬
中圖分類號：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
0 引言
近年來，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超高層建筑在我國迅猛發(fā)展。超高層建筑高度高、規(guī)模大、功能多，使得空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計更為復(fù)雜?？照{(diào)系統(tǒng)形式進(jìn)行選擇時，需對設(shè)計方案的可行性、可靠性、安全性、投資、能耗、運(yùn)行費(fèi)用、調(diào)節(jié)性、操作管理的方便性、環(huán)境影響、舒適性和美觀性等技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價因素進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的計算和綜合對比分析。
VRF空調(diào)系統(tǒng)具有良好的性能、自由的組合、簡單的系統(tǒng)、簡便的安裝等技術(shù)特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，并逐漸成為中央空調(diào)市場的重要組成部分。隨著自身的不斷完善和發(fā)展，VRF空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大型建筑設(shè)計中，并在超高層建筑設(shè)計中具有一席之地。
1 工程概況
該超高層建筑坐落于天津市河北區(qū)，地下四層，建筑高度20.5m，建筑面積約6.15萬O，主要功能為地下汽車庫及設(shè)備用房。地上由裙房將辦公、公寓兩座塔樓連為一體。裙房4層，建筑高度20.4m，建筑面積約4.95萬O，主要功能為店鋪、餐飲。辦公塔樓5至30層（其中5、21層為避難層），建筑高度129.0m，建筑面積約4.42萬O，主要功能為辦公。公寓塔樓5至46層（其中5、21、37層為避難層），建筑高度172.6m，建筑面積約5.22萬O，主要功能為酒店式公寓。本文針對酒店式公寓的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹及分析。
2 公寓空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
公寓標(biāo)準(zhǔn)層各層的房間分隔、功能等是一致的，每層共8套公寓。每套公寓均單獨(dú)設(shè)置一套VRF空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)機(jī)采用天花板內(nèi)藏風(fēng)管式，結(jié)合裝修吊頂樣式采用雙層百葉側(cè)送風(fēng)，室外機(jī)設(shè)置在各戶對應(yīng)的露臺上。
公寓共39層，各層室外機(jī)均設(shè)置在同樣位置。各層室外機(jī)受熱壓的相互作用，可能會造成室外機(jī)熱氣流短路，使得上層的室外機(jī)散熱效果很差。隨著室外機(jī)設(shè)置位置的增高，吸入環(huán)境空氣溫度不斷升高，冷凝壓力隨之增大，最終導(dǎo)致了整個系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）的下降，甚至可能出現(xiàn)室外機(jī)因熱保護(hù)而停機(jī)的情況【1】。為確保公寓部分采用VRF空調(diào)系統(tǒng)的合理和可靠，運(yùn)用Airpak 流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行空調(diào)外機(jī)與環(huán)境的溫度場模擬。
選取南側(cè)某套公寓進(jìn)行模擬分析，室外機(jī)布置如圖1所示。
圖1 室外機(jī)布置平面圖
在模型中，設(shè)置流動為紊流，粘性模型采用雙方程模型，空氣比重滿足BOUSSINESQ 假設(shè)，開啟換熱和流動模型，考慮重力影響和自然對流【2】。在物理模型的邊界條件設(shè)置中，室外機(jī)幾何尺寸寬×高×深：1120×1558×400mm，制冷量：20KW，風(fēng)量：10000m3/h 。外機(jī)設(shè)定為內(nèi)熱源，其散熱量按照下述方法求?。褐评淞?0kW，制冷額定功率6.63kW，根據(jù)逆卡諾循環(huán)，室外機(jī)的冷凝熱為26.63kW。
模擬過程中選取環(huán)境風(fēng)速為0m/s，室外氣溫為33.4℃。模擬分析結(jié)果如圖2、3所示。
圖2 6-46 層1-1 剖面溫度場分布圖
圖3 6-46 層2-2 剖面溫度場分布圖
根據(jù)模擬分析結(jié)果可以得出：由于建筑較高大，通風(fēng)換熱條件較好，室外機(jī)隨層高的增加回風(fēng)溫度變化不大，機(jī)組排出的熱氣流對上層的影響在可控范圍內(nèi)，室外機(jī)的平均回風(fēng)溫度未超過廠家給出的極限溫度（廠家限定室外機(jī)進(jìn)風(fēng)極限溫度為46℃），室外機(jī)能夠正常運(yùn)行。
3 結(jié)論和建議
VRF空調(diào)使用靈活，易于安裝，管理維修簡便，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本核算精確，更能滿足用戶個性化的使用要求，且空調(diào)設(shè)備占用的建筑空間比較小，更能符合節(jié)能要求。
VRF空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于超高層建筑公寓部分是可行的，但考慮到上層的室外機(jī)可能受到下層上升熱氣流的影響，需進(jìn)行數(shù)值模擬以確保系統(tǒng)設(shè)計的合理性及可靠性。
參考文獻(xiàn)：
第9篇：流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文
關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)方法；應(yīng)用型本科院校
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）12-0033-02
流體力學(xué)是宿遷學(xué)院土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。流體力學(xué)具有基本概念多、公式復(fù)雜、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，是一門既有較強(qiáng)理論性又有較強(qiáng)工程實(shí)際意義的課程，因此，該課程既可以培養(yǎng)學(xué)生良好的邏輯思維能力和分析推理能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。然而學(xué)生的實(shí)際情況是由于在大學(xué)前兩年接觸最多的是固體力學(xué)，已形成一定的思維定式，而且由于精簡學(xué)時的原因很多流體力學(xué)課程中需要的高等數(shù)學(xué)知識沒有講解，到了大三一旦遇上流體力學(xué)這個新鮮事物，可能接受起來會碰到許多困難[1]。學(xué)生普遍感覺該課程枯燥乏味、難學(xué)，存在畏難、厭學(xué)情緒，期末考試不及格率較高。在學(xué)校提倡培養(yǎng)應(yīng)用型人才的大背景下，有必要根據(jù)課程性質(zhì)從提高教師教學(xué)水平和提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行探討。
一、引導(dǎo)學(xué)生重視，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
（一）強(qiáng)調(diào)課程的地位和重要性
教師除了說明流體力學(xué)在整個專業(yè)教學(xué)中的地位和作用外，還可補(bǔ)充說明它是注冊結(jié)構(gòu)工程師基礎(chǔ)考試中公共基礎(chǔ)考試科目。此外，還可說明往年期末考試通過率的情況，以給學(xué)生適當(dāng)加壓。當(dāng)然，更重要的是還要說明該課程的學(xué)習(xí)方法，以幫助學(xué)生樹立信心。
（二）通過人物、工程實(shí)例及專業(yè)應(yīng)用調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
“興趣是最好的教師，而教師則是點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的火炬”。如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是教師考慮的首要問題。在教學(xué)過程中可以穿插舉出古今中外的科學(xué)家、工程師生平事跡和工程實(shí)例以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如大禹采取疏壅導(dǎo)滯的方法治水三過家門而不入；理想流體力學(xué)奠基人歐拉16歲就獲得碩士學(xué)位，雙目失明后仍然從事科學(xué)研究直至去世當(dāng)天還在進(jìn)行科學(xué)研究等[2]。如兩千多年前李冰利用“深淘灘，低作堰”建造的都江堰；大約在同時期，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等。除此之外，還可以介紹流體力學(xué)在土木專業(yè)及其他專業(yè)的應(yīng)用，如美國華盛頓州塔科馬大橋被大風(fēng)摧毀、汽車“風(fēng)阻”和飛機(jī)“音障”等事例。
（三）將CFD技術(shù)引入課堂調(diào)動學(xué)生興趣
計算流體動力學(xué)（簡稱CFD）技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為研究流體力學(xué)的一種重要方法。在流體力學(xué)教學(xué)過程中引入CFD技術(shù)，不但可以將理論性較強(qiáng)的內(nèi)容形象化，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，而且可以開闊學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。如對歐拉法中流線的模擬、圓管中層流和湍流流速的分布、局部阻力損失的流場分析[3]。
二、教學(xué)內(nèi)容的取舍和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計
（一）教學(xué)內(nèi)容的取舍
流體力學(xué)知識面廣，內(nèi)容繁多，在學(xué)時限制的條件下要結(jié)合專業(yè)教學(xué)要求合理取舍。對土木工程專業(yè)而言需要掌握的內(nèi)容有：（1）流體物理性質(zhì)；（2）流體靜力學(xué)；（3）流體運(yùn)動學(xué)和流體動力學(xué)；（4）阻力損失；（5）管道流、明渠流及滲流。
1.重要問題的處理。首先，要從力學(xué)角度分析流體的流動性。流體與固體的主要區(qū)別在于流體的流動性，其根本原因是流體和固體對承受剪切力的表現(xiàn)。為了形象說明，可以引用“抽刀斷水水更流”的詩句[4]。當(dāng)然，還需說明無論流體靜止還是運(yùn)動均不能承受拉力。
其次，要理解連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的概念。微觀上，流體是由大量分子構(gòu)成的，是離散的，不連續(xù)的，這給我們研究流體力學(xué)問題帶來了困難。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)認(rèn)為流體是由內(nèi)部無間隙的連續(xù)流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成。這里要理解流體質(zhì)點(diǎn)微觀上“充分大”、宏觀上“充分小”的含義。如此流體在空間上就變?yōu)檫B續(xù)的，可以借助高等數(shù)學(xué)的方法來研究。
2.公式推導(dǎo)的處理。流體力學(xué)學(xué)習(xí)過程中會遇到大量復(fù)雜的公式，特別是實(shí)際流體伯努力方程的推導(dǎo)讓人很難掌握。筆者在處理公式推導(dǎo)問題時強(qiáng)調(diào)公式推導(dǎo)的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)一種思想，學(xué)習(xí)一種處理問題的方法，將精力集中在公式建立的基本原理和適用條件上，從思路上進(jìn)行分析整理，淡化煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。這樣學(xué)生有了獨(dú)立思考的空間，教師也有了更多的時間來講解基本概念和基本方法。需要強(qiáng)調(diào)的是，流體力學(xué)中很多公式都是在一定條件下推導(dǎo)出的，因此其應(yīng)用也是具有一定范圍的，公式的應(yīng)用往往也有一定的技巧，如伯努力方程的“三選一列”。
（二）教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計
1.調(diào)整習(xí)題或考題構(gòu)成，重視習(xí)題課。這里有兩個問題需要注意。一方面，流體力學(xué)習(xí)題歷來存在重計算、輕概念的現(xiàn)象，特別是考題如果全是計算題，就會形成無形的指揮棒。這就不利于學(xué)生從整體上掌握該課程的重點(diǎn)，習(xí)題或考題的題型應(yīng)豐富，除了計算題之外，還應(yīng)有填空、選擇、判斷、作圖、名詞解釋等考查基本概念的題目。另一方面，在精選題目時，要注意將理論教學(xué)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，如查找資料的技能培養(yǎng)。在流體力學(xué)的牛頓內(nèi)摩擦定律、能量損失計算和管道流等部分很多數(shù)據(jù)都是要查有關(guān)工程手冊和圖表的[5]。
習(xí)題課是流體力學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，為了能夠在學(xué)時緊張的前提下開展習(xí)題課，教師必須重視習(xí)題選擇和習(xí)題評講兩個方面。一方面，教師應(yīng)選擇具有代表性的題目，另一方面，習(xí)題講評應(yīng)使學(xué)生從解題過程中獲得解決問題的思路、方法和技巧，達(dá)到觸類旁通的效果。
2.重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是流體力學(xué)教學(xué)中的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)，不但可以加深學(xué)生對流體力學(xué)基本原理的理解，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新能力。如通過水靜壓強(qiáng)試驗(yàn)，學(xué)生明確了測壓管水頭的含義；通過雷諾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了層流、湍流及臨界雷諾數(shù)的理解。當(dāng)然，由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，目前的實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性居多，在條件許可的情況下應(yīng)進(jìn)行設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。
此外，每學(xué)期筆者都會布置一個任務(wù)，讓學(xué)生留意身邊感興趣的流體力學(xué)現(xiàn)象，然后根據(jù)課堂所學(xué)知識和個人理解撰寫論文，以此增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。
三、教學(xué)方法和手段的改進(jìn)
（一）注重討論法與案例教學(xué)法的運(yùn)用
1.討論式教學(xué)方法。教學(xué)活動應(yīng)該是雙向的師生互動過程，不應(yīng)是教師的一言堂。教師應(yīng)創(chuàng)造和諧、輕松的課堂氣氛，鼓勵學(xué)生積極發(fā)言，表達(dá)自己的疑問、見解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。如在課堂上通過提問的方式回顧上次課的主要內(nèi)容，通過“自學(xué)―提問―討論―總結(jié)”的方法學(xué)習(xí)新內(nèi)容，在考慮學(xué)生接受能力的前提下，甚至可以讓學(xué)生來講一次課。如通過反證法證明流體靜壓強(qiáng)的方向，通過隔離體分析法證明流體靜壓強(qiáng)的大小。通過討論式的教學(xué)方法不但可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，樹立信心，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。
2.案例式教學(xué)方法。通過將生活和工程案例引入課堂，不但可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問題的能力。生活案例有馬利奧特容器原理應(yīng)用于點(diǎn)滴吊瓶和家用飲水機(jī)[6]、洗衣機(jī)為什么老翻衣服兜[7]、撈面條的學(xué)問等。工程案例如1993年青海省溝后水庫在低于設(shè)計水位0.75m的情況下突然垮壩的事故；三峽工程如何在最大流量10×104m3/s、水頭高達(dá)100m、最高流速高達(dá)45m/s的情況下不會產(chǎn)生巨大的破壞力等[8]。
（二）綜合運(yùn)用各種教學(xué)手段
流體力學(xué)概念抽象、繁多，僅靠傳統(tǒng)的一塊黑板、一支粉筆不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。借助于多媒體技術(shù)，利用其形象、生動、直觀、易于理解并可加強(qiáng)記憶的優(yōu)點(diǎn)，通過動畫、視頻資料、數(shù)值模擬等手段將復(fù)雜的流動現(xiàn)象展示給學(xué)生，可取得事半功倍的效果。但是，考慮到多媒體技術(shù)授課和傳統(tǒng)的授課方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合流體力學(xué)課程特點(diǎn)，采用取其長而避其短、兩者兼顧而又兩者不棄的原則。
“教學(xué)有法，但無定法，貴在得法”。我們要不斷更新教學(xué)理念，努力提升自身的綜合素質(zhì)，及時總結(jié)教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題并加以改進(jìn)，注重教學(xué)過程中的每一個環(huán)節(jié)，多管齊下，才能保證學(xué)生取得良好的教學(xué)效果。
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