導語：如何才能寫好一篇流體力學研究方向，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：行業(yè)類高校；高等流體力學；電力特色

作者簡介：張莉（1973-），女，河南商丘人，上海電力學院能源與機械工程學院，教授；李永光（1957-），男，湖南長沙人，上海電力學院科研處處長，教授。（上海 200090）

基金項目：本文系上海電力學院研究生學位課程建設項目（項目編號：YKJ-2012004）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）04-0086-02

2007年，上海電力學院（以下簡稱“我?！保崮芄こ潭墝W科首次招生，“高等流體力學”首次開課，授課人數20余人，隨后幾年間授課人數逐年增長。2012年我校動力工程與工程熱物理一級學科又增設了工程熱物理、動力機械及工程兩個二級學科，“高等流體力學”授課范圍擴大的同時，授課人數也增加到60余人。但是鑒于我校研究生數量較少、研究生培養(yǎng)歷史較短以及師資力量相對薄弱等方面的原因，課程教學的教材只能選用已有的教材。在組織教學內容的過程中發(fā)現，大多數教材普遍存在一些問題，如過于強調基本理論、對數學知識的要求偏高、工程應用方面涉獵很少，或者有些工程學科專業(yè)的相關研究生教材又往往缺乏理論深度，工程應用背景針對性強，有的強調高速氣動、有的強調水動葉柵流動、有的強調渦動力學等等。鑒于此，作為行業(yè)類非重點高校，在“高等流體力學”課程的教學中有必要結合我校電力特色進行教學內容和教學模式的研究和探討。

一、課程教材的調研

為了能更好地做好此次教學研究工作，課程組首先對高校相關研究生專業(yè)的“高等流體力學”教材進行了調研，分別對清華大學、西安交通大學、上海交通大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學、華北電力大學、東北電力大學等國內若干所大學相關課程的教材及內容做了簡單分析。

從調研情況看，所有高校都對流體力學的基本理論很重視，主要教學內容均包括了流動的基本概念和基本方程、流體運動學、勢流理論、渦旋流動、理想流體流動、粘性流體流動等，目的是使研究生通過學習流體的運動規(guī)律，掌握研究流動的方法進而分析解決實際的工程流動問題。同時，各高校的教材和主要教學參考書還注重與自身學科研究方向的結合，課程的某些重點內容與培養(yǎng)方向相接軌，突出了自身的特色。通過調研發(fā)現，“高等流體力學”作為研究生學位課，其教學內容在注重理論基礎的同時，還必須要與自身的相關學科研究方向相結合，在注重通用理論的基礎上，形成自己的特色。

二、我校授課對象的情況分析

做好此次的教學研究工作，還必須對我校的授課對象有一個清楚的認識。目前，“高等流體力學”已列為本校工程熱物理、熱能工程、動力機械及工程三個二級學科的研究生學位課程。盡管上述三個二級學科涉及能源、動力、機械等寬廣的工程領域，但結合我校的電力特色，這三個二級學科主要是為電力行業(yè)培養(yǎng)高級的專業(yè)人才，而在電力行業(yè)中流動現象多存在于流體機械、動力機械、換熱設備、容器、管道等部件，因此，在教學內容上應在透徹講解流體力學微分方程組的基礎上，注重聯系工程實際，偏重于講解流體在上述部件中的流動以及與這些部件間的相互作用。

研究生生源的實際情況也是教學過程中需要考慮的因素。到目前為止，我校共招收6屆研究生，通過向歷屆學生了解發(fā)現有以下情況存在：部分同學跨專業(yè)（如：數學專業(yè)、電力系統及其自動化專業(yè)、計算機與信息專業(yè)等）考入學校，本科階段沒有學習過“工程流體力學”課程；即使是研究生與本科專業(yè)背景相同的同學，他們也普遍認為”工程流體力學”較難，碩士入學考試時，大都不選考“工程流體力學”，這也使得他們可能在大三、甚至大二學完以后，再也沒有系統地梳理過流體力學知識。由于各高校專業(yè)方向的側重點不同，大部分同學對電力行業(yè)內的流體知識也不是特別了解；考入學校的學生多數為調劑生，入學成績整體不高。這些情況都表明，我校碩士研究生入學時的流體力學知識基礎相對比較薄弱，需要在授課過程中講授深層次新知識的同時，及時地對基礎知識進行回顧和提醒。

三、教學內容的組織

基于以上的調研和分析，課程組首先對教材進行了選取，對教學內容進行了組織。

1.教學目標的明確

“高等流體力學”是為工程熱物理、熱能工程以及動力機械與工程專業(yè)研究生設置的專業(yè)學位課程。根據專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，結合長期本科教學的經驗，確定了課程的教學目標：通過對流體力學的基本概念、基本方程、理想不可壓縮流體的流動、粘性不可壓縮流體的流動、層流邊界層與紊流流動、理想可壓縮流體等內容的學習，深化學生對流體力學基本內容的理解，提高學生的理論水平，為相關專業(yè)課程的學習、課題的研究及論文的撰寫打好理論基礎。

2.教材的選用

“高等流體力學”是動力工程及工程熱物理學科的一門傳統課程，有很多課程教材可供選用。通過調研比較，西安交通大學有關電力生產的學科研究方向與我校的研究方向比較吻合，其在“動力工程及工程熱物理”一級學科中的學位課 “高等流體力學”選擇了西安交通大學出版社出版、張鳴遠等編著的《高等流體力學》一書作為教材，課程組通過對該書內容的分析，也一致認為張鳴遠等編著的《高等流體力學》比較適合我校側重于電力人才培養(yǎng)的需求，因此決定選用該書作為本?！案叩攘黧w力學”課程的教材。與此同時，將調研中搜尋到的各有特點的教材作為參考書目推薦給學生供他們參考使用。

3.教學內容的組織

在進行“高等流體力學”課程教學內容的組織時，結合我校研究生培養(yǎng)方案和學科建設，既照顧到經典流體力學的通用知識，又重視課程知識的針對性、行業(yè)應用的特殊性、學生學習的興趣以及與學校其他研究生課程的關聯性。課程內容的組織主要從以下幾個方面考慮：

（1）奠定扎實基礎。“高等流體力學”是一門系統性、邏輯性較強的課程，作為碩士研究生的學位課，在加深學生對流動所伴隨的物理現象的認識、概念的建立及規(guī)律分析的同時，還應努力加深學生學科知識分析和研究問題的基本思想和方法的理解和掌握，提高分析和解決流體力學問題的水平及能力。

（2）突出電力生產特色。針對我校研究生的專業(yè)背景和學科研究方向，強調本學科與電力生產流程和設備的結合，強化學生應用流體力學知識，認識并解決相關電力工程問題的能力。教學內容應注重理論與實踐相結合，保持基礎理論知識與工程應用知識的相對平衡。

（3）注重課程的關聯性和完整性。在關聯性方面，首先與本科階段的教學內容要有恰當的分工和銜接，其次要避免與其他相關課程之間缺乏銜接；在自身內容體系的完整性方面，既要注意到對數學知識回顧和補充的必要性，又要對工程中不常見的復雜流動概念的介紹有所兼顧。

考慮以上幾個方面，課程組將教學內容梳理成五部分，第一部分安排了“矢量運算分析”、“場論知識”的回顧以及曲線坐標、張量分析知識的補充；第二部分“流體力學的基本方程”主要介紹流體力學的基本概念，流體力學的控制方程組以及一些相關的重要定理；第三部分“理想不可壓縮流體的流動”介紹平面勢流，空間軸對稱勢流和理想流體中的旋渦運動，其中對平面勢流里的復位勢、疊加法、鏡像法和保角變換法做重點講解；第四部分“粘性不可壓縮流體的流動”中介紹納維―斯托克斯方程的精確解，小雷諾數流動，層流邊界層流動和紊流，其中對工程中應用較多的層流邊界層流動和紊流做重點講解；第五部分“理想可壓縮流體的流動”分別介紹一維流動和平面流動，其中對一維流動做重點講解。

四、教學模式的探討

學生的學習情況在不斷地發(fā)生變化，這就需要教師不斷根據實際情況，進行教學模式的探討，充分調動學生學習的主動性和積極性，使他們在有限的學習時間中學習好內容繁多的“流體力學”。

1.教學方法

“高等流體力學”是一門基礎課，基本概念和基礎理論部分內容較多，涉及的公式推導也比較多，傳統的“黑板板書”的教學手段對教學信息的處理和呈現都比較單一，造成學生對于傳熱學內容的理解和掌握有一定的難度。為此，課程組以教材為藍本編制了電子課件，教學中采用板書與多媒體相結合的教學模式，突出傳統板書中能夠清晰講解復雜理論推導的優(yōu)點，充分利用多媒體教學信息量大、圖像清晰生動的特點。經過一段時間的嘗試，這種教學方法既達到了避免研究生在課堂上因長時間精力高度集中而產生疲勞的問題，又有利于他們理解并掌握復雜的流體力學基本理論的教學效果。

2.教學手段

盡管本課程以課堂講授教學方式為主，但要避免“填鴨式”的講授，要注重以啟發(fā)式講授為主的多種教學方法的綜合應用，提高課堂教學的趣味性，以提高學生學習興趣和主動性。課程組結合本科“工程流體力學”多年的教學經驗，在教學過程中注意做到幾個注重：注重物理概念與數學方法的有機結合，強調物理含義的數學表示以及數學內容的物理解釋；既注意嚴格的理論推導，又注意敘述的深入淺出；注重教學思路，教學方法，在引進概念介紹方法時，突出解決問題的思維方法及推理要點；注重從與教材不同的角度或思路來講述同一教材內容，以豐富學生思維和聯想能力；注重引導學生圍繞課程內容，發(fā)現問題、提出問題、解決問題，同時再結合課程組教師的科研積累，搜集并提煉出了大量與電力生產緊密關聯的工程案例，通過案例的討論和分析，增強學生學習理論知識的興趣，提升課堂教學的互動效果，增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力。

3.輔助教學

僅僅通過課堂上對教材的學習是遠遠不夠的，還必須配套地做大量的習題，才能較好地使學生掌握具有理論性強、公式多、數理基礎要求高的“高等流體力學”課程?？紤]到我校研究生教學的特點，課程組根據教材的主要內容編寫了典型習題集。習題集力圖做到習題具有典型性，能夠對應教學內容的各個知識點，學生通過習題的練習，能有效地掌握教材中的基本知識。此外，習題集中的習題也盡可能地結合電力生產中的流動問題，幫助學生對專業(yè)關聯工程問題進行認識和思考，培養(yǎng)學生應用知識的能力。

4.課程考核

課程考核成績應該能夠較為客觀地反映學生對課程的整體學習情況。為了全面地反映學生的全程學習過程和最終的學習效果，課程組經討論明確了課程的總評成績由平時成績和期末考試成績綜合評定得出，平時成績與期末考試成績的分配比例是2∶8。平時成績包含作業(yè)、考勤、課堂表現等幾部分。期末考試采用筆試形式，考試試卷從建立的試卷庫中隨機抽取。

期末考試是課程考核的重頭戲，為了提高學生的學習積極性，同時也為了增強教師的工作責任心，實行考、教分離是一個較好的督促辦法。為此，2012年課程組根據課程的教學要求組織編寫了試卷庫。試卷庫中的試題符合教學大綱的要求，內容豐富、形式多樣、題型一致，試題表述清楚，要求明確，無偏題、怪題，難易得當，考核的知識點覆蓋面寬，能考核學生掌握知識以及應用知識進行綜合分析能力的情況。此次編寫的試卷庫共包含試卷6份，至少夠三年使用，隨著試卷庫的使用，課程組還擬將對試卷庫進行不斷擴充。

五、結束語

“高等流體力學”的日常教學工作一個任重而道遠，為了適應高等流體力學服務于日新月異的學科發(fā)展的需求，提高該學位課程的教學效果，更好地為本校研究生人才培養(yǎng)服務，課程組將把教學研究工作不斷地持續(xù)進行下去，搜集最新最前沿的相關信息以補充教學內容，探討教學模式以提高教學效果，及時對習題庫和試卷題庫進行更新。相信只要教師多花一點時間，多動一點腦筋，多找一些教育學生的切入點，因材施教，一定能取得好的教育效果。

參考文獻：

[1]張鳴遠.高等流體力學[M].西安：西安交通大學出版社，2006.

[2]董守平.高等流體力學[M].東營：中國石油大學出版社，2006.

[3]王獻孚.高等流體力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[4]王松嶺.高等流體力學[M].北京：中國電力出版社，2011.

[5]周云龍.高等流體力學[M].北京：中國電力出版社，2008.

篇2

關鍵詞：計算流體力學；Fluent；外流場；網格劃分；數值模擬

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，數值方法與傳統的研究方法相結合， 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的矩陣代數算法，基于Fluent仿真平臺，分析研究汽車車身的空氣動力性能。

1 汽車車身繞流的數學模型

流場運動中，流場運動基本方程是根據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，現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；ut為渦粘性系數；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。

2 汽車模型K-？著參數確定

由數?？梢缘玫杰囬LL=3.916m；車速定為v=20m/s；雷諾數Re= =5.21×106（其中空氣在20℃時的密度？籽=1.205kg/m3，動力粘性系數？滋=1.81×10-5kg/ms）。根據雷諾準則，這是一個雷諾數問題，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，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，進一步確定使用SIMPLE型求解器，在求解過程中聯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，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 汽車風阻系數和升力系數

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，根據求解空氣阻力系數的公式：

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。根據如下求解空氣阻力系數的公式：

5 車外流場的后處理及分析

對Fluent求解器得到的數據，只是對應于每個網格的相關物理量的數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。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 .汽車外流場的數值模擬[J].北京：中國農業(yè)大學，2004.

[6]呂明忠，高敦岳，傅立敏.計算機數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.汽車流場數值模擬[J].北京：國家計算流體力學實驗室，2007.

篇3

關鍵詞 工程力學 環(huán)境科學 綜合應用

中圖分類號：X-019 文獻標識碼：A

1 工程力學與環(huán)境科學的學科交叉理論

工程力學是20世紀50年代末出現的。首先提出這一名稱并對這個學科做了開創(chuàng)性工作的是中國學者錢學森。

在20世紀50年代，出現了一些極端條件下的工程技術問題，所涉及的溫度高達幾千度到幾百萬度，壓力達幾萬到幾百萬大氣壓，應變率達百萬分之一～億分之一秒等。在這樣的條件下，介質和材料的性質很難用實驗方法來直接測定。為了減少耗時費錢的實驗工作，需要用微觀分析的方法闡明介質和材料的性質；在一些力學問題中，出現了特征尺度與微觀結構的特征尺度可比擬的情況，因而必須從微觀結構分析入手處理宏觀問題；出現一些遠離平衡態(tài)的力學問題，必須從微觀分析出發(fā)，以求了解耗散過程的高階項；由于對新材料的需求以及大批新型材料的出現，要求尋找一種從微觀理論出發(fā)合成具有特殊性能材料的“配方”或預見新型材料力學性能的計算方法。在這樣的背景條件下，促使了工程力學的建立。工程力學之所以出現，一方面是迫切要求能有一種有效地手段，預知介質和材料在極端條件下的性質及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律；另一方面是近代科學的發(fā)展，特別是原子分子物理和統計力學的建立和發(fā)展，物質的微觀結構及其運動規(guī)律已經比較清楚，為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎和可能。

總的來說，工程力學具有現代工程與理論相結合的特點，有很大的知識面和靈活性，對國家現代化建設具有重大意義。

2工程力學理論在環(huán)境科學中的發(fā)展

2.1環(huán)境與力學的學科特點

工程力學雖然還處在萌芽階段，很不成熟，而且繼承有關老學科的地方較多，但作為力學的一個新分支，確有一些獨具的特點。工程力學著重于分析問題的機理，并借助建立理論模型來解決具體問題。只有在進行機理分析而感到資料不夠時，才求助于新的實驗。

工程力學注重從微觀到宏觀，以往的技術科學和絕大多數的基礎科學，都是或從宏觀到宏觀，或從宏觀到微觀，或從微觀到微觀，而工程力學則建立在近代物理和近代化學成就之上，運用這些成就，建立起物質宏觀性質的微觀理論，這也是工程力學建立的主導思想和根本目的。

雖然工程力學引用了近代物理和近代化學的許多結果，但它并不完全是統計物理或者物理化學的一個分支，因為無論是近代物理還是近代化學，都不能完全解決工程技術里所提出的各種具體問題。工程力學所面臨的問題往往要比基礎學科里所提出的問題復雜得多，它不能單靠簡單的推演方法或者只借助于某一單一學科的成就，而必須盡可能結合實驗和運用多學科的成果。

2.2研究內容和方向

工程力學主要研究平衡現象，如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程，各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對于這類問題，工程力學主要借助統計力學的方法。

工程力學的研究工作，目前主要集中三個方面：高溫氣體性質，研究氣體在高溫下的熱力學平衡性質（包括狀態(tài)方程）、輸運性質、輻射性質以及與各種動力學過程有關的弛豫現象；稠密流體性質，主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學平衡性質（包括狀態(tài)方程）、輸運性質以及相變行為等；固體材料性質，利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強度以及本構關系等。

工程力學研究方向主要有：非線性力學與工程、工程穩(wěn)定性分析及控制技術、應力與變形測量理論和破壞檢測技術、數值分析方法與工程應用、工程材料物理力學性質、工程動力學與爆破。

3工程力學理論在環(huán)境科學中的應用

3.1材料力學與環(huán)境

材料力學在生活中的應用十分廣泛。大到機械中的各種機器，建筑中的各個結構，小到生活中的塑料食品包裝，很小的日用品。各種物件都要符合它的強度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以材料力學就顯得尤為重要。

利用材料力學中卸載與在加載規(guī)律得出冷作硬化現象，工程中常利用其原理以提高材料的承載能力，例如建筑用的鋼筋與起重的鏈條，但冷作硬化使材料變硬、變脆，是加工發(fā)生困難，且易產生裂紋，這時應采用退火處理，部分或全部地材料的冷作硬化效應。

3.2固體力學與環(huán)境

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問題。人所共知的山崩地裂、滄海桑田都與固體力學有關?，F代工程中，無論是飛行器、船舶、坦克，還是房屋、橋梁、水壩、原子反應堆以及日用家具，其結構設計都應用了固體力學的原理。

固體力學研究的內容既有彈性問題，又有塑性問題；既有線性問題，又有非線性問題。在固體力學的早期研究中，一般多假設物體是均勻連續(xù)介質，但近年來發(fā)展起來的復合材料力學和斷裂力學擴大了研究范圍，它們分別研究非均勻連續(xù)體和含有裂紋的非連續(xù)體。

固體力學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構中都廣泛采用了薄壁桿件。

3.3流體力學與環(huán)境

流體力學中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎是牛頓運動定理和質量守恒定理，常常還要用到熱力學知識，有時還用到宏觀電動力學的基本定律、本構方程和高等數學、物理學、化學的基礎知識。

篇4

關鍵詞:裂隙巖體;注漿;擴散理論;注漿參數

中圖分類號:TD743文獻標識碼:A文章編號:1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙巖體內部構造的復雜性和多變性,給注漿理論研究帶來了很大的困難。漿液在裂隙巖體中的流動規(guī)律、擴散范圍、漿液擴散壓力以及注漿加固體強度和變形特征等與裂隙巖體幾何形狀、空間分布特征和空隙度特性等有密切的關系。

目前,人們研究漿液在構造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為與時間無關的牛頓流體,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的時變性賓漢姆流體,這就導致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大。

在裂隙巖體中注漿,是長期以來尚未解決的技術難題。研究賓漢姆流體在裂隙巖體中滲透擴散過程 (運移規(guī)律)及滲流機理對注漿加固工程的設計和注漿效果預測等有重大的理論指導意義。

二、研究現狀及存在的問題

(一)研究現狀

隨著注漿實踐發(fā)展,目前已發(fā)展的注漿理論有滲透注漿理論、劈裂注漿、壓密注漿、電動化學注漿、低滲透介質注漿理論。但由于漿體運動是隱蔽于地下復雜性的地基構造中,且縫隙分布又難于模擬,因而理論方面的研究相對滯后于實踐。

注漿理論是借助于流體力學和固體力學的理論發(fā)展而來的,對漿液的單一流動形式進行分析,建立壓力、流量、擴散半徑、注漿時間之間的關系。傳統的注漿工藝是以“滲入性理論”為基礎,注漿時只采用相對較低的注漿壓力,使?jié){液在孔隙或縫隙中擴散時不致破壞巖土的原有結構。

滲透注漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙,排擠出孔隙中存在的自由水和氣體,而基本上不改變原狀土的結構和體積 (砂性土注漿的結構原理),所用注漿壓力相對較小。代表性的注漿理論有球形擴散理論、柱形擴散理論和袖套管法理論。

球形擴散理論雖然考慮了漿液性質隨時間變化對滲透規(guī)律的影響,但仍然把漿液簡化為了牛頓流體,這也正是他們的不足之處。

柱形擴散理論和袖套管法理論研究中,仍然把漿液簡化為了牛頓流體,沒有考慮漿液性質隨時間變化對滲透規(guī)律的影響。

查閱國內外大量文獻資料發(fā)現,在目前的滲透注漿理論研究中,人們多是把漿液簡化為牛頓流體,而且沒考慮漿液的時變性,沒有任何一個公式能真正準確地反映出漿液在多孔介質中的滲流規(guī)律,這些公式各自存在著某些缺陷,甚至與實際之間相差很大,公式的結論多為指導性的,因此,大多數注漿工程報導或論文中,只介紹注漿工藝過程和注漿效果,很少進行注漿理論的分析研究。因缺乏完善的理論指導,影響了注漿效果和技術經濟指標的提高,造成人力物力的許多浪費。

(二)存在的問題

1.大多漿液為非牛頓流體,而目前的理論研究中均簡化為牛頓流體。

2.在注漿過程中,漿液的性質隨時間而變化,而目前的理論研究中視漿液的性質與時間無關。

目前,人們研究漿液在構造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為牛頓流體且與時間無關,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的賓漢姆流體,且具有時變性,這就導致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大,甚至是荒謬的。理論研究落后于工程實際需求,尚需進行研究的方面有:漿液流體力學及其本構方程、漿液在多孔松散介質中的滲透擴散規(guī)律、多孔松散介質的滲透力學模型、多孔松散介質的空隙度特征、漿液的充填機理、注漿加固的力學作用、注漿基本理論與觀念、注漿工藝等。

3.注漿設計隨意性太大,注漿效果難以估計。注漿方法主要是壓入法,漿液在壓力差的作用下從注漿孔向巖體裂隙內擴散,其擴散距離 (常稱為擴散半徑)決定著注漿孔的布置和漿液消耗量,也是選擇工藝參數、評價注漿效果的重要依據。但漿液在裂隙巖體內的擴散過程是隱藏的,目前還不可能在施工中對這一過程進行監(jiān)測,這樣,漿液的擴散距離只能靠理論或經驗公式計算。而現有的計算漿液擴散距離的理論公式還遠未成熟,實用價值有限,經驗公式又往往是針對某些特定漿液 (主要是化學漿液)總結的,不具有普遍意義。因此,目前在裂隙巖體中注漿還沒有可靠的預先確定漿液擴散距離的方法。

由于這一理論缺陷,給裂隙巖體注漿帶來了如下問題:(1)注漿工程的投資和效果難以預計。當工程目的明確、場地條件清楚時,由于漿液的擴散距離不能預先準確確定,鉆孔數量和材料消耗量的預算便沒有依據。如果憑經驗或工程類比法確定了鉆孔數量和材料消耗量,則在這些工程量完成之后所能取得的效果又難以準確預計 (如注漿帷幕是否已形成要求的封閉條件),這樣,在方案論證階段,難以將注漿法與別的方法作對比。由于這一原因,注漿法的應用受到了一定程度的負面影響。國內礦山帷幕截流技術的推廣中便遇到了這一問題,國外有些水利工程的業(yè)主也是因為這一原因而不愿進行壩基注漿。(2)確定孔距、漿液配比和注漿壓力時的隨意性太大。許多工程都需要通過多孔注漿,且要求注入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結體。這時注漿孔的距離必須依漿液的擴散距離而定。當地質條件一定時,漿液的擴散距離又主要取決于漿液的性質和注漿的工藝參數。因此,孔距應該根據所選用的漿液在允許壓力和時間內可能達到的擴散距離來確定。但在目前的注漿設計和施工中,注漿孔距和注漿材料都主要是憑經驗確定的,這樣便很可能因孔距太大或太小而出現工程質量問題或投資上的浪費。

三、結論

1.部分學者已驗證了裂隙巖體結構面的分布具有統計意義上的自相似性,因此,裂隙巖體結構面分布應具有分形特征,并可計算出其分維數。

2.巖體的分維數可以反映出巖體的破碎程度、節(jié)理發(fā)育程度、可灌性。而裂隙巖體的這些特征又嚴重影響著注漿擴散規(guī)律及注漿效果,因此可以嘗試將分形理論應用于注漿工程,用裂隙巖體結構面的分維數來定性的確定注漿參數。

3.工程巖體往往被節(jié)理和結構面所切割形成明顯的節(jié)理巖體,具有明顯的不連續(xù)性,用離散單元法可以得到較好的處理,因此,可以將分形理論與離散元方法相結合,模擬出漿液在裂隙中擴散的真實情況。

參考文獻

[1]葛家良.注漿技術的現狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)世界,1995,(1).

[2]楊米加.注漿理論的研究現狀及發(fā)展方向[J].巖石力學與工程學報,2001,(6).

[3]李長洪.碎裂巖體注漿理論及應用研究[D].北京科技大學,1999.

[4]謝和平.分形―巖石力學導論[M].北京:科學出版社,1997.

[5]徐光黎.巖石結構面幾何特征的分形與分維[J].水文地質工程地質,1993,(2).

[6]丁多文.巖體結構分形及應用研究[J].巖土力學,1993,14 (3).

篇5

關鍵詞：非流線型；降低油耗；有限元分析；優(yōu)化氣動特性

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0095-02

空氣動力學指標是貨車最重要的參數之一，它對貨車的動力性、經濟性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。隨著燃油價格的上漲和節(jié)能減排的要求，現今車身的設計將氣動性能指標作為出發(fā)點，可見，提高氣動特性對降低貨車的燃油率和提高節(jié)能指標有著非常重大的作用。貨車正常行駛時，尾部會形成漩渦，消耗大量的能量，可以通過改變貨車尾部形狀，阻礙漩渦的形成，從而降低油耗。

1 氣動阻力及其對貨車性能的影響

1.1 氣動阻力

氣動阻力是貨車在行駛的過程中，由于車身上部和下部結構差異所導致的上下氣流的不同而形成的直接阻礙了汽車運行的壓強差。氣動阻力由三部分組成，它們分別是摩擦阻力、形狀阻力和誘導阻力。形狀阻力主要與邊界層流態(tài)和脫體尾渦的出現等因素有關，是既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力。壓差阻力主要取決于車身前方阻止氣流前進的壓力與車身尾部的壓力差。氣動阻力構成中，85%為壓差阻力，其余15%為摩擦阻力。壓差阻力的91%來自車身后部，9%來自車身前端。

1.2 氣動阻力對貨車性能的影響

貨車在行駛過程中和周圍空氣發(fā)生相對運動，空氣就會對貨車產生一個力，將這個力進行分解，可以得到升力、側向力和阻力。當車速在100km/h時，發(fā)動機80%的動力用來克服氣動阻力，此時，若將空氣動力學性能提高10%，油耗就會降低4%～5%。重量輕的汽車，特別是重心靠后的貨車，對前輪的升力特別敏感，為避免重心偏移產生翻車現象，在設計階段應充分考慮升力的影響。氣動阻力的主要影響因素為迎風投影面積和氣動阻力系數，研究表明，減小氣動阻力系數，能有效減小氣動阻力，從而明顯降低油耗。

2 貨車流場有限元分析

2.1 條件設定

由流體力學可知，當馬赫數Ma

2.2 網格劃分

利用Ansys中的flotran模塊將模型劃分為fluid 141單元，由于網格在很大程度上決定著模擬結果的精度，建模過程中，在敏感區(qū)域網格劃分較密，遠離車身的其他部位網格劃分較疏，采用自動劃分的方法。

2.3 現象觀察

圖1

從圖1中可觀察到，尾部氣流比較紊亂，有兩個逆向的漩渦，在離尾部一段距離后，漩渦逐漸消失。

3 漩渦現象解釋

由伯努利方程可知，流速大的地方壓強較小，流速小的地方，壓強較大。貨車底部壓強較大，流速較小，由于貨車的側面比較光滑，流速較高，壓強低。這樣，底部的氣流向上運動，與側面的氣流相疊加，就會形成一對旋向相反的螺旋流。貨車在高速行駛時，前圍直接沖擊前方氣流，使得貨車的一部分動能轉化為壓力能，形成正壓區(qū)，尾部渦系的存在，使其成為負壓區(qū)。

4 漩渦對貨車運行性能的影響

貨車前后兩部分壓強分布不對稱就會形成壓差阻力，壓差阻力很大程度上取決于尾部漩渦區(qū)域大小及其內部的壓強大小，尾渦區(qū)域越大，壓差阻力就越大，反之就越小。而尾渦區(qū)的大小又取決于分離點的位置，流線體的分離點接近物體尾部，從而有較小的尾渦區(qū)，但廂式貨車的壓差阻力很大，一般占總的氣動阻力的80%以上。壓差阻力越大，貨車的氣動系數也越大，貨車的能耗增加。貨車尾部由于氣體的粘性消耗，漩渦逐漸消失，大尺度漩渦的形成和消散使得氣流的能耗增加，也會增加氣動阻力，從而增加貨車的能耗。同時，車尾后頂緣附近出現的由于氣流分離產生的負壓還會影響貨車的升力，從而影響貨車行駛的穩(wěn)定性。

5 車尾改裝優(yōu)化

將貨車截尾式尾部改裝成光滑的流線走勢，能有效減小渦流。

圖2

要改善貨車的氣動性能，就必須控制尾部漩渦的強度，減弱它的湍流程度，降低氣流的湍流能量消耗，可以減小氣動阻力，降低油耗。通過多次試驗可知，三角形、雙弧形等結構都可以有效減少漩渦的產生。

6 結語

本文通過對貨車鈍頭式尾部產生的漩渦進行了詳細的分析和解釋，通過對不同形狀的貨車尾部流場進行有限元模擬分析，得出通過優(yōu)化貨車尾部的結構及形狀，不僅能改善汽車的動力性、提高汽車的燃料經濟性，而且也能提高汽車的操縱穩(wěn)定性，保證行車安全。

參考文獻

[1] 劉遠臻，左亞會，姜康，高興良.基于空氣動力學的車身設計改進[J].

[2] 昃強，劉鵬.汽車空氣動力學仿真[A].中國用戶論文集[C].2009.

[3] 齊鄂榮，曾玉紅.流體力學[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[4] 謝龍漢.ANSYS FLOTRAN流體及熱分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 孔斌.基于空氣動力學的車身造型設計[D].2008.

[6] 李莉.特定運動狀態(tài)下車輛瞬態(tài)空氣動力學特性的研究[D].2010.

篇6

關鍵詞 高速緩沖器；模型；緩沖性能

中圖分類號：TP333 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）24-0058-02

在現代工業(yè)高速發(fā)展的今天，自動化設備及機械化設備需要高速運動、精準的動作；同時對設備的平穩(wěn)性、安全性要求也更加苛刻。緩沖器作為大型設備上或高速自動化設備上的安全緩沖部件或者是執(zhí)行部件，所起到的作用也越來越重要了。在眾多的緩沖器種類中，液壓緩沖器因其具有緩沖容量大、緩沖平穩(wěn)和反彈力較小的特點，已經被廣泛的應用在重型機械設備、鋼鐵設備及港口機械上，隨著液壓緩沖技術的成熟和發(fā)展，緩沖器應用的領域也在不斷地拓寬。

目前，在緩沖器的機理和特性研究方面，國內外的研究人員對緩沖器采用了許多的模型和很多的分析手段，其目的是分析不同因素和參數對緩沖器的影響。但是很多是對現有的產品進行分析，分析的產品的緩沖速度以常規(guī)為主。在高速緩沖器方面的論述不多，較為流行的是雙級緩沖器，采取不同腔體的壓力，進行順序緩沖，以增大緩沖行程，但是此種緩沖器只是針對大質量，低速度的緩沖。對于載荷質量小、高速度的工況下，研究和分析的不多。

本文針對質量小、高速度的緩沖器，根據流體力學和熱力學的理論基礎出發(fā)，建立了動力學計算模型，并分析了在緩沖過程中，緩沖力的組成，并對緩沖器的緩沖參數之間的關系進行了分析討論。通過實驗驗證了理論和方法的正確性，具有重要的工程應用價值。

1 液壓緩沖器結構和工作原理

1-撞頭；2-活塞桿；3-外缸；4-內缸；5-活塞

圖1 緩沖器結構簡圖

緩沖器的結構如圖1所示。緩沖器由撞頭1，活塞桿2，外缸3，內缸4，活塞5組成。當物體撞擊撞頭時，活塞桿被壓縮，此時在活塞和內缸上的阻尼孔使活塞右端的油流出進入左腔內時，產生了緩沖力，同時因油流經小孔時流速較大，產生紊流，使油的內能增加，將撞擊物體的動能直接轉換為油的內能，在油室的上腔留有部分氣體，在緩沖過程中，因壓縮體積變小，導致氣體因壓力過大，溶于液壓油中，增加了液壓油的壓縮性，大大減小緩沖器的剛性，使緩沖過程更加柔和，使緩沖器具有更好的緩沖性能。

2 緩沖器模型建立和緩沖力分析

2.1 初始碰撞

在物體碰撞到物體時由于緩沖器的作用，實現的是非彈性碰撞，亦即在碰撞時兩者粘在一起。經過碰撞之后的物體與撞頭、活塞桿、活塞一起以共同的速度繼續(xù)前進，經過此次碰撞，緩沖能量產生一次損失。

2.2 撞擊時的動態(tài)模型

在完成了初始撞擊之后，液壓油因被壓縮，在油流經阻尼孔的時候，形成了緩沖力，這個過程較為復雜，其系統模型如圖2所示。

圖2 緩沖器活塞桿運動分析圖

圖中，m1是撞擊物體質量，m2是活塞桿整體的質，速度為撞擊之后共同的速度，活塞缸具有阻尼的作用，PA是活塞上作用的緩沖力。

根據模型，建立其相應的動力學模型方程。

· （1）

在緩沖的過程中，作用在活塞上的壓強為油壓和氣體被壓縮產生的壓強，因此緩沖器對撞擊物體的緩沖力為阻尼孔產生的阻尼力和壓縮氣體的反彈力。

在物體撞擊的過程中，液壓油經過活塞上的多個阻尼孔，產生壓力進而產生阻尼，其流量與壓力之間的表達式為：

F阻尼 （2）

其中為泄流孔系數，A為活塞的受壓面積，n為阻尼孔的個數，ρ 為液壓油的密度。

在壓縮的過程中，氣體被壓縮，產生壓強的變化，導致作用在油面上的壓強的變化。

在對本式的處理是減小活塞兩端的軸的尺寸，這樣由氣體產生的壓強變小，這個壓力差很小。

（3）

最終的總的緩沖力為：

（4）

3 緩沖器試驗結果和結論

為滿足某企業(yè)的需求，緩沖器的性能參數，沖擊質量3 kg，緩沖速度50 m/s，緩沖行程不大于150 mm。

在緩沖方案的處理上，采用活塞桿兩端的直徑相同，總的緩沖力簡化為只與阻尼孔產生的力和摩擦力有關；緩沖器內采用46號液壓油。減小油的粘度，使緩沖力減小，以提高高速緩沖的效果。

經過產品設計裝配后，對緩沖器的性能進行了測試，測試內容為緩沖器的靜態(tài)載荷曲線（見圖3）和動態(tài)載荷曲線（見圖4）。

通過試驗數據，可以得到以下結論。

1）靜態(tài)作用下，作用在緩沖器上的緩沖力為活塞和液壓缸之間、活塞桿和活塞固定端的摩擦力。

2）物體在3 m/s和5 m/s時，緩沖力基本符合公式2的計算規(guī)律，說明在較小的相近速度下，泄流孔系數是基本不變的。

3）在速度高14 m/s的緩沖力與5 m/s的緩沖力不成對應的比例，說明在高速緩沖時，泄流孔系數急劇增大，導致緩沖力變小。

4）試驗設施能力不足，無法對50 m/s的工件試驗，但是可以推斷設計基本符合要求。

參考文獻

[1]白鵬英，喬軍.雙級氣缸式彈射裝置內彈道分析[J].現代防御技術，2007，35（4）：44-49.

[2]盛世超.液壓流體力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[3]李明智.新型液氣緩沖器的設計及分析[D].大連：大連海事大學，2010.

[4]章宏甲，周俊邦.金屬切削機床液壓傳動[M].南京：江蘇工業(yè)出版社，1980.

[5]日本液壓氣動協會.液壓氣動手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.

篇7

關鍵詞:調節(jié)閥;流線;流速;粘性底層;紊流核心

中圖分類號:TU992文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0030-04

一、存在的問題

安陽鋼廠用帶式壓濾機對高爐煤氣循環(huán)洗滌水所產污泥進行脫水。由于機寬只有兩米,且此循環(huán)水濃縮倍數較高,雖pH值在一范圍內變化,但仍時而呈酸性,時而呈堿性,因此閥門開大污水溢濺到設備主支架和軸承內,都對這些部位造成嚴重腐蝕,即使水體有時呈中性,但因濃縮倍數高,析出的鹽分以結垢方式貼附于其上,造成嚴重的垢下腐蝕,且軸承磨損加大; 還由于絮凝劑濃度和污泥品質不穩(wěn)定, 導致處理效果有時不理想, 部分污物透過濾網落入集水斗中, 造成排水不暢和污泥外溢泄漏, 所以,其進料管上安裝過的旋塞閥、蝶閥、閘閥這三種手動閥門,均在小開度下工作。使用期間,頻繁發(fā)生閥門堵塞現象,造成藥劑等浪費和設備的無功磨損,閥門需經常操作調節(jié),其壽命大大縮減,因此常被更換。

二、問題分析

(一)此污泥介質概況

高爐煤氣循環(huán)洗滌水污物成分復雜,不溶解固形物含量高,濁度、色度高,經絮凝沉淀濃縮后,此種污泥粘度大、流動阻力大,常為粘塑性非牛頓流體。由于此種污泥的成分、含量和絮凝劑濃度均在變化,使得其粘性及相關參數也在改變,所以此種流體流動狀態(tài)應屬于非均勻且非恒定流。為了有助于理論分析,先將其視為均勻恒定流。

(二)圓管內牛頓、粘塑性流體的流動及實際流速分布、流動特性

牛頓流體流動狀態(tài)有層、紊流兩種。此性質對高含水率污泥也適用,實際中,流體在管或渠道內流動,層、紊流均可能發(fā)生。其速度分布如圖1所示:

從圖中可看出,層流狀態(tài)下流體中心處即軸心流線上速度最大,越接近邊壁速度越低;紊流狀態(tài)下流體中心處即紊流核心區(qū)軸心流線上速度最大,且兩種狀態(tài)下邊壁處速度均為零。粘性底層的速度分布由邊壁向紊流核心區(qū)逐漸增大,在紊流核心區(qū)的邊界處達到最大。

粘塑性流體在管內流動時有一固體核心,在此核心內無相對運動,靠近邊壁則有速度梯度,可視為粘塑性流體流動時的粘性底層。如圖2所示:

(三)對三種閥門堵塞原因的初步分析

由于各自的結構和流量特性不同,所以旋塞、蝶、閘閥在操作性、對流體的控制和過流性能等方面都各有所長。全開啟度下,除蝶閥阻擾相對速度較大的主流區(qū)程度深,且過流斷面被閥板分為形狀均非圓形的兩部分外,旋塞閥和閘閥理論認為都能使流體順暢通過,流譜均勻平直無變化。但在小開度下,如圖3所示,這三種閥的節(jié)流口結構形式雖不同,但均偏離原管路中心較遠且其形狀較原上游管路均勻流處過流斷面形狀改變過大,使得此段流譜彎曲波動、疏密程度改變劇烈又嚴重,流動均勻性遭到破壞,流速大小、方向及分布發(fā)生很大變化,這其中包括上游管路內均勻流的軸心流線也受很大程度干擾;加上節(jié)流口都對流體產生節(jié)流作用,致使流量減少,上游管路內均勻流的流速下降, 且流體在通過節(jié)流口之前的急變流處壓力先稍有上升,這使其流速稍有下降,但緊接著壓力很快下降,流速很快上升,對于旋塞閥、閘閥(圖3 a、b)而言,此處有死水區(qū)和大團旋渦產生,死水區(qū)污物沉積,而旋渦封閉曲線的不規(guī)則,使得旋渦內微團線速度差異較大,速度小之處污物易發(fā)生沉積,當死水區(qū)和旋渦區(qū)沉積物足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,會有大小不等、相對較密實的部分污泥塊被沖掉并帶到形狀不很理想的節(jié)流口,易使其堵塞;對于蝶閥(圖3 c)此時有部分繞流的特征,在閥板上游流線出現分岔點(即駐點),此點流速為零,污物在此處與閥板之間易于沉積,當沉積物體積足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,可能會出現較大塊或整塊污泥團沿閥板斜面滑向相對靠下游且形狀不很理想的一節(jié)流口,若這時此節(jié)流口被堵塞,流體只能從另一側節(jié)流口通過,之后的堵塞過程基本類似于前兩者。另外,即便是牛頓流體通過節(jié)流口時,由于節(jié)流口形狀改變過大、不很理想,面積急劇變化、流通面積縮小,流速相對升高,壓力相對下降,易產生阻塞流。所以實際情況便是這三種閥門頻繁堵塞。

三、類似泄空(或稱放空)模擬試驗

(一)試驗前提及概述

由于我所在工作地點通過實際生產已確認旋塞閥和蝶閥用于污泥調節(jié)不合適,目前只用閘閥,所以此試驗只是通過類似的方法定性模擬閘閥和污泥閥泄空時的過流情況。因我的經濟、居住條件及其它因素有限,所以此試驗在家中進行。

(二)試驗器具、理論依據概述、測試方法過程及結果

實際生產中,污泥經樓頂濃縮罐從底端出口排出,其排泥管與壓濾機進料管均為DN120無縫鋼管,調節(jié)閥安在立管上,與濃縮罐底端出口高差約4.2m。本類似試驗采用三截兩端平齊,無毛刺,長度為492±1mm,?準50×2mm白色PVC管,實測外徑51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明內壁光滑平直無褶皺內徑52mm,外徑53mm塑料管;將底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置開不同形狀的小過流口,這是為了模擬閥門在小開度下工作時過流情況。所得試驗用平直管總長為572±1mm。污泥介質以當地素土均按自然堆積狀態(tài)下以不同土水體積比例混合制成;其中,以土: 水約為1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明顯粘塑性流體待征的污泥介質為模擬高爐全開污泥量很大的情況,以土∶水約為1∶5～4所混合的較稀的仍保有牛頓流體特性的污泥介質為模擬高爐全檢修污泥量極少的情況?；旌蠒r撿出其中粒徑相對較大的石塊,只留一部分小砂粒,以此來模擬實際中由于結垢或較硬積泥塊對過流的影響。

試驗所依理論由流體力學可知,相同材質、內壁粗糙度、內徑、長度且豎直放置的管子,其內裝滿相同流體介質,雖放空過程中壓力水頭逐漸減小,但初始壓力水頭相等,填裝流體介質體積相等,泄空時沿程阻力也相等,所以當底端泄空過流口形狀和位置不同時,即便是相同的過流面積,也會因局部阻力,過流方式等不同,造成流量不等,從而泄空時間各不相等。所以此試驗是以一手按堵住出流口并將管豎直托放平穩(wěn),一手向管內裝滿所配污流體介質,準備就緒,突然放開泄空過流口,另一人同時快速按下秒表,當堵塞或流完時再快速按下秒表,以這種計時的方法測定各自的泄空時間。測試結果見表1:

從表中可看出:當介質為粘塑性流體,模擬污泥閥以中間開圓小孔的泄空方式,所用時間最短,且穩(wěn)定均勻,說明以此方式過流,水力條件好,污介質過流速度快且過流能力穩(wěn)定;當圓孔開在貼近管壁一側,泄空時間也穩(wěn)定均勻,但時間加長較明顯,說明其水力條件不是太好;模擬閘閥的單側彎月形泄空過流口,其時間已明顯加長且極易堵塞很不穩(wěn)定。當流體中雖有污雜物,但仍為牛頓流體時,以中間開圓孔的泄空方式,所用時間依然較短且穩(wěn)定均勻;單側貼近管壁開圓孔,所用時間較穩(wěn)定均勻但有所加長;單側彎月形泄空過流口,所用時間變化幅度大,極不穩(wěn)定,當過流面積為第一個的兩倍時,其最短時間也未達到第一個所用時間的一半,況且有時所用時間已超出第一個的最長時間。試驗結束后通過下端透明管觀察節(jié)流口上游積泥情況:中間開圓孔時,其節(jié)流口上游四周有一圈連續(xù)的積泥且高度基本一致,內側曲面雖不平整完美但基本為沙漏狀;單側出流的圓孔或彎月形孔,積泥集中在一側且有一個最高點,此處基本與過流口正對,其余以最高點對稱向兩邊降低。

(三)對此類似模擬試驗的個人見結

此試驗所配污流體介質雖只是實際中連續(xù)變化不定的所有情況中的兩種,但我認為有一定的代表性;對試驗用管的加工和制作雖力求精確,但由于我制作能力、技術水平有限,仍存在一定誤差,且受其它各種條件限制,所以本試驗有局限性,只是一次定性的有助于分析問題的輔試驗,僅供各位讀者、前輩和同行參考。

四、相關理論依據、解決方法及設計方案

(一)理論依據

根據牛頓慣性定律可知,物體動靜狀態(tài)下皆有此性質,流體介質也一樣,所以當流體經過一段足夠長直的圓管后,已具有一定慣性,理論上可認為其流動狀態(tài)、速度分布等已確立,屬于流體在圓管內的流動情況。這之后,當流體通過一調節(jié)閥,若此閥開度較小,這時會由于節(jié)流口形狀改變過大,流通面積急劇縮小,過流位置偏離原管路中心較遠,且由于慣性的存在,本要以流譜平直、流速分布均勻又對稱的方式順暢通過,卻受很大程度阻礙和干擾,流譜急劇彎曲、疏密程度改變很大,原上游管路均勻流的軸心流線偏離中心較遠、彎曲猛烈,均勻又對稱的流速分布被破壞、發(fā)生劇烈的重新分布,易產生阻塞流。加上流體流經不論尺寸為幾形狀為何的物體時,在邊壁處總有無法完全消除的低流速區(qū)或粘性底層,當為牛頓流體,發(fā)生層流或紊流處在水力光滑區(qū)時,邊壁的粗糙度被低流速區(qū)或粘性底層所淹沒,所以較高流速區(qū)或紊流核心基本不受粗糙度阻力影響,但低流速會使污物較易沉積,這會讓過流通道變窄以致過流能力下降,當有部分沉積物受主流擾動或沖刷等影響而脫落時,可能會使下游節(jié)流口發(fā)生堵塞而喪失過流能力;當紊流處于水力粗糙區(qū),邊壁受到沖刷,粘性底層變薄,污物不易沉積,但粗糙度伸入紊流核心,使其脈動加劇、受阻增大,這也可使過流能力下降;當為粘塑性流體,因其固有的流動特性,使得粘性底層對固體核心的影響基本類似于牛頓流體紊流狀態(tài)下的情況,因此有上、下臨界設計流速在閥門全開時的相關文獻參考數值,但當閥門開度不同時,常難滿足要求。且流體經過節(jié)流口前后會發(fā)生旋渦、空化、水錘、死水區(qū)和二次流等水力現象,其中死水區(qū)和旋渦有利于流體中較重雜質或污物的沉積,且沉積污物有一定的密實度和穩(wěn)固性,便會在與主流接觸一側形成一個較為穩(wěn)定的曲面,其形狀依節(jié)流口形狀和偏離管中心位置的不同而不同,這一現象對于污介質流體而言不會被完全消除,但可被利用。所以,解決這一問題的方法是:使閥門在調節(jié)過程中盡量使原管路內的軸心流線不偏離中心,讓流體流經閥門時,不論閥門開啟度大小,總令最大流速所在流線及其鄰域能從閥門的中間通過;還要盡可能的保證流體流經閥門時,節(jié)流口形狀接近圓形這一水力最優(yōu)斷面;并盡量減小主流與閥芯或由閥芯所構成過流通道的接觸面積,以便減少與閥芯有關且會出現的低流速區(qū)或粘性底層對過流能力的影響;并且利用污泥這一實際流體在死水區(qū)和旋渦處沉積有一定密實度和穩(wěn)固性的污物能形成較穩(wěn)定過流接觸曲面這一現象,使得實際流體在通過小開度的此污泥閥節(jié)流口時能在其上游形成自然的同心漸縮流。

(二)過流情況示意圖及相關初步分析說明

從圖中可看出:當閥門全開(圖4 a),從理論上講流體能順暢通過,流譜均勻平直無變化。小開度下(圖4 b),由于多個閥瓣所圍成的節(jié)流口形狀在任何開度下均接近圓形這一水力最優(yōu)斷面,且其中心與管路中心重合,這可確保節(jié)流口上游管路均勻流處的軸心流線不發(fā)生偏離和彎曲的順暢流過,也可確保其鄰域內流譜發(fā)生很小彎曲較順暢的流過;還可使節(jié)流口上下游急變流流場中除軸心流線的其它流線對稱地向中心收縮或以中心放散,形成以軸心流線為對稱軸,分布對稱的急變流流譜,這樣能使主流的波動很小,流動的均勻性雖受一定程度干擾,但并未遭完全破壞,流速的分布仍然保持對稱;其效果應是:雖然流通面積急劇縮小,流速升高,壓力下降,但節(jié)流口形狀接近圓形,水力條件較為理想,且過流位置較原管路中心無偏離,所以構成阻塞流的條件不完整。再由于閥瓣的阻擋節(jié)流作用,使得節(jié)流口前后的急變流周圍形成難以避免的死水區(qū)和旋渦,此處易沉積污物,但其具有一定的密實度和穩(wěn)固性,尤其在節(jié)流口上游產生沉積物的堆積,形成較穩(wěn)定的過流接觸曲面;當在某一較小開度下,流量穩(wěn)定,主流的波動很小且沖刷也不致將堆積沉積物破壞,此時就會以圖4 c中所示虛線為邊壁,形成自然的同心漸縮流,大大降低了由旋渦產生的不利影響。還由于閥瓣的結構形狀和運動方式,使得主流經過節(jié)流口時,與其所接觸的面積很小,從而大大減少了與閥芯有關且會出現的低流速區(qū)或粘性底層對主流的影響。最終要達到的目的是:此污泥閥在不同開度,不同流量下,均能令實際污介質流體順利通過,不易發(fā)生堵塞現象。

(三)設計方案示意圖及動作原理

設計方案示意圖如圖5所示:

動作原理:蝸桿1受力矩作用,繞軸轉動,帶動齒輪塊2,在圖5所示時,做順或逆時針轉動,2的轉動帶動直齒輪3及在其下端固定的閥瓣4在同一位置,做繞直齒輪3所在柱體軸線的轉動;在開啟狀態(tài)下閥瓣4的曲線邊一側朝向流體,曲線是為了使閥門在動作調節(jié)時,閥瓣所構成的節(jié)流口邊界接近圓形,并且在全開狀態(tài)下,曲邊所構成的圓與內管5的外徑所在圓,在如圖5所示時,其兩者垂直紙面的投影完全重合,也就是全開狀態(tài)下過流斷面為圓形。另外每一個閥瓣的上、下表面均為光滑的斜面,這是為了讓閥門在動作調節(jié)時,使閥瓣之間不會出現理論上所講的貫穿現象,即不互相碰撞;并且還可使其與主流的接觸面積大大減小。

此污泥閥已構想完畢, 但尚未造出實際物體,對于易堵塞介質流體, 目前所采用的辦法是選擇可調性最佳、最理想的孔形,是在所有開度時,能成為方形或等邊三角形。所以此閥門設計的過流孔形不僅所有開度時,均接近圓形且位置始終在管路中央,保持不變,因此,此污泥閥的設計核心思想及初衷應是較為合理和正確的,應能解決污介質流體易在閥門處堵塞這一實際問題;并且此解決方法和設計方案的合理性和可行性已得到理論上的證明,并注冊了專利,已獲證書。

參考文獻

[1]周光s,嚴宗毅,許世雄,張克本.流體力學(上冊)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[2]周光s,嚴宗毅,許世雄,張克本.流體力學(下冊)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]陸培文.調節(jié)閥實用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[4]李圭白,張杰,蔣展鵬.水質工程學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[5]黃儒欽,禹華謙,陳春光,麥繼婷.水力學教程(第二版)[M].西南交通大學出版社.

[6]張鴻雁,張志政,王元.流體力學.[M].北京:科學出版社,2004.

[7]孫慧修,郝以瓊,龍騰銳,顧夏聲.排水工程(上冊)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[8]張自杰,林榮忱,金儒霖,顧夏聲.排水工程(下冊)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

篇8

【關鍵詞】進氣道；模型；仿真

1.引言

進氣道氣流流動狀態(tài)最終直接影響發(fā)動機經濟性、排放性以及動力性。因此，發(fā)動機進氣道的理論研究和實際工程的設計成為發(fā)動機研究者的重要課題之一。傳統的進氣道設計流程是經驗設計加穩(wěn)流試驗臺上的反復試驗。在設計開發(fā)中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設計開發(fā)期長，耗費大，而且較難得到理想的方案。通過對進氣道內氣體流動的三維數值模擬計算，可獲得流量系數，氣道內壓力、流速等參數的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動特性（包括流量數等）的關系，為汽車發(fā)動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

2.工作流程

工作流程如圖1所示?；究刂品匠掏ǔ０ㄙ|量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。確定離散化方法。即確定高精度、高效率的離散化方法，具體的說就是確定針對控制方程的離散化法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的離散方法不僅包括微分方程的離散方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。

圖1 工作流程圖

3.模型的建立

氣缸直徑取68mm，氣缸的長度為170mm。在進氣道進口處增加一個穩(wěn)壓箱，作用時使進氣道入口處的氣流流動狀態(tài)穩(wěn)定，這樣便在計算入口邊界條件中施加了一個穩(wěn)定的壓力條件。發(fā)動機進氣道如圖2所示，氣缸簡化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進氣道-氣門-氣缸如圖4所示，最終計算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網格，在穩(wěn)壓箱及氣缸內采用六面體網格，在進氣道、氣門、氣缸蓋處采用非結構化網格。這樣既節(jié)省了運算時間，又解決了進氣道處外形結構復雜區(qū)的網格劃分。將入口、出口、氣缸壁面等分別創(chuàng)建PART，以增加邊界條件；將進氣道-氣門-氣缸蓋所在空間創(chuàng)建BODY命名為LIVE1并保證該點在各個棉所圍成的空間內，如圖6所示。由于四面體網格生成是以BODY為單位進行的，將穩(wěn)壓箱、氣缸部分創(chuàng)建塊，利用約束、拉伸塊等工具創(chuàng)建、分割塊，以適應本部分體積結構。并在此部分生成六面體網格，對局部網格進行加密，并檢查網格質量。生成四面體網格。生成四面體網格時需要對邊界處進行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數法有效，如圖7所示。

圖6 創(chuàng)建PART及BODY 圖7 生成的網格

網格數目、類型及體積如表1所示。

4.氣道模擬仿真結果與分析

圖8是當氣門升程為8mm時，截面a上的速度分布圖，由圖可知排氣門處（即圖中1）、喉口位置（即圖中2和3處）及氣門下方可以很明顯的看見此氣道存在明顯的滯止回流區(qū)，以上地方會造成缸內混合不均勻，極大的影響發(fā)動機的排放性能機動力性能，設計時需要對以上地方進行修改。圖中4處氣流與氣門頭部發(fā)生碰撞，氣流流動方向發(fā)生改變，并消耗了氣流流動動能。其流動能的減小與流動方向的變化導致4處氣流速度減小。在三維建模時盡量增大4處的圓角，這樣就能減小交接處的碰撞。

圖8 截面a處的速度矢

圖9為當氣門升程為8mm時，截面a的速度等值線云圖。由圖可知在氣門喉口位置的速度等值線分布很不均勻。其中速度等值線在喉口位置相對進氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進氣道其他位置速度要大。氣門下方有兩個地方速度比氣道其他地方速度等值線要密（圖中1和2處），其分布是以這兩處為中心成漩渦狀。這也可以說明上述位置會產生很強的滾流。

圖9 截面a的速度等值線云圖

5.結論

運用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門-氣缸實體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門一氣缸在內的計算域網格，利用Ansys對Auto CAD建立好的計算模型劃分網格，進行三維模擬計算。通過三維數值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進行優(yōu)化，為汽車發(fā)動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

參考文獻

[1]周光桐.流體力學[M].北京：高等教育出版社（2版），2000.

[2]石皓天.GDI發(fā)動機進氣系統的數值模擬研究[D].天津：天津大學，2008.

[3]王福軍.計算流體動力學分析――CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

篇9

為了便于對過程流體機械教學方法實施教學改革，滿足工程教育的要求，對過程流體機械課程的特點進行分析。理論性強，需要良好的基礎知識要想較好地學習過程流體機械專業(yè)課程，學生不僅需具備扎實的力學基礎知識（如流體力學、工程熱力學、傳熱學、理論力學以及材料力學知識），還需具備良好的專業(yè)基礎知識（如機械原理、機械設計等）。對于以“講授”為主的傳統的教學方法而言，學生要想在課堂上完全理解教師講授的教學知識點，緊跟教師的備課思路，就必須對這些現行課程有良好的認識和理解。專業(yè)性強，內容復雜、繁多過程流體機械專業(yè)課程涉及的內容非常廣泛，包括機構原理、熱力學計算、流體力學原理、動力學計算、結構設計、運行維護、故障診斷、總體方案設計與選型等。每一個知識點似乎都涉及一門獨立的基礎課或者專業(yè)課程。如果學生沒有充分的準備，聽課時似乎很難對教師講授的知識做出敏捷的反應，極大地影響課堂的互動氣氛。知識點與工程實踐緊密聯系過程流體機械專業(yè)課程涉及的知識點與工程生產實踐緊密聯系，其理論水平遠高于實際，可用于指導流體機械在企業(yè)生產應用中的穩(wěn)定操作和運行，以及機器的技術改造與新機型的開發(fā)。課程講授過程中需要注重培養(yǎng)學生的工程意識與理論聯系實際的意識和能力。結合課程的學習，勢必要學生開展一定的工程訓練，以加強學生的工程觀念，讓學生做到實踐與理論相結合，以及理論與實踐相結合。

2過程流體機械課程教學存在的問題

鑒于傳統教學的陋習和目前本科教學改革的深入，導致目前過程流體機械教學方法的弊病不斷暴露出來?；A知識欠缺不可否認的是，隨著教學改革的推進，一些非常重要的基礎課程（如工程熱力學和傳熱學）由于學時短缺而被逐漸砍掉。有的課程（如流體力學）雖在開設，但由于學時短或為選修課程，得不到足夠的重視，學習效果不理想，導致學習過程流體機械課程時，學生連最基本的概念（如內能、焓、熵等）都不知道，當涉及一些運用基礎課程知識點來理解工程問題時感到非常吃力。這就導致以講授為主的傳統教學方法很難適應目前的教學形勢，而且教學效果不佳，出現死記硬背、不善于理解應用的學習局面。實踐教學環(huán)節(jié)薄弱實踐教學環(huán)節(jié)薄弱似乎是工程教學的通病[7]。實踐教學主要包括實驗、實習、實訓、課程設計、畢業(yè)論文（設計）等環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)工科專業(yè)學生的必備環(huán)節(jié)，對學生工程意識與能力的培養(yǎng)至關重要。對于工程性極強的過程流體機械課程而言，實踐環(huán)節(jié)尤為重要。然而目前普遍存在一些問題。1）實習與實驗教學環(huán)節(jié)需要加強。就本專業(yè)的實習而言，目前主要集中于化工設備制造廠和化工產品生產車間的參觀和學習，基本上忽略了有關流體機械制造廠的參觀和學習，導致學生對流體機械沒有感官認識。而且實驗學時在不斷縮減，目前僅開設往復壓縮機示功圖測試和高速轉子靜平衡兩個實驗。離心泵汽蝕實驗被砍掉，導致學生對離心泵主要性能得不到很好的理解。2）畢業(yè)設計環(huán)節(jié)需要加強。鑒于一系列原因（比如工程熱力學知識的欠缺、有關流體機械書籍和標準的缺乏），目前絕大多數畢業(yè)課題僅局限于化工設備設計，基本上很少布置有關流體機械課程方面的畢業(yè)課題。這嚴重限制了學生對流體機械課程的進一步理解和工程應用能力的鍛煉。課程評價存在問題由于課程學時的縮減，目前過程流體機械課程評價基本上是“一錘定音”——期末考試，忽略了大作業(yè)的訓練和熱點研究方向文獻的閱讀和總結。這種考核方式不能實事求是地反映學生對知識點的掌握和理解，更談不上運用所學知識分析和解決工程實際問題的能力。因此，教師也很難及時對教學存在的問題給予修正和彌補。

3過程流體機械課程教法改革思路

眾所周知，教學方法并不是一成不變的，它隨著社會的進步和科技的發(fā)展不斷地發(fā)展和演變。工程教育也是如此。大約二戰(zhàn)時期，工程教育從工程實際技術教育過渡到工程科學教育，這就要求涉及工程教育的教學方法也必須進行相應的調整和改革。傳統的教學方法是單向性的，類似“學徒式”的教育，即以教師的“教”為主，學生只是被動地接受教學內容。這種教育方式僅適用于以技術教育為主的工程教育，很難適應以科學教育為主的工程教育方式。為此，發(fā)展了以學生為中心，積極主動的、學習式的教學方法，即將學生視為教師的角色[8]。學生能夠從教學活動過程中隱性地獲取知識，而教師主要的任務是開展有效的指導。教師和學生的角色界限模糊，二者有效地完成自身的任務，即教師良好的教學任務、學生有效的學習任務。過程流體機械課程教學方法的改革正是沿著該思路進行的。針對過程流體機械課程教學存在的問題，同時為了適應現階段工程教育的目的，下面從課程的準備、課程的講授和課程效果評價三個階段提出相應的改革措施。課程準備首先，為了有效地完成教學任務，教師必須全面深入地理解教學內容。這必然要求教師大量查閱和學習與教學內容相關的資料（如與過程流體機械有關的國內外專著和書籍），彌補所選教材的缺點。查閱資料時，教師必須注意角色的轉換，查閱資料是為了更有效、更準確、更生動地給學生講解，而不是為了個人學習。教師通過大量地閱讀文獻，將教學內容給予重新組織和編排，以最合理的順序將教學內容呈現給學生，便于學生理解接受，而不是照本宣科。其次，教師備課時要充分了解學生前期課程的學習情況，從而合理安排教學內容，彌補存在的問題，避免影響學生對本課程知識點的理解；同時教師要了解學生個體在前期課程學習上存在的差異，這樣分組討論學習時便于優(yōu)良搭配，學生之間互相學習，克服個人因前期課程學習不足而對本課程知識點理解帶來的障礙。再次，鑒于當前的教學方法，以引導和啟發(fā)學生自主學習和討論為主，教師的講解和訂正為輔。這就要求教師在備課時要制訂引導學生開展自主學習的教學方案。對教師備課提出更高的要求，教師課前要告知學生：1）每節(jié)課要學的教學知識點；2）理解知識點需具備的基礎知識；3）學生需要查閱的書籍和準備的內容；4）本節(jié)課內容在課程中和工程實際中的重要程度?？梢哉f，備課是否充分直接決定了教學是否成功，因此，備課必須要做到備內容、備學生和備方法。課堂學習課堂學習是教學的關鍵環(huán)節(jié)，直接決定了教學效果的好壞。課堂教學，不是以教師單向傳輸為主的教學，而是教師根據備課時制訂的教學方案，引導學生積極主動地討論教學內容，避免學生消極被動地思考教師到底在講或者要講什么內容。教師通過學生對教學內容積極主動地討論，發(fā)現和記錄教學存在的不足，便于課后進一步的思考、改進和反饋。教師上課時應做到：1）上課時，教師首先要給出本節(jié)課主要的學習內容、重點和難點；2）教師要給出每節(jié)課的“引子”，提出問題，并組織學生討論，評價每組學生給出的討論結果；3）最后教師要給出總結，要評價本節(jié)課程內容在工程實際應用中的重要性；4）對于難以理解的、抽象的概念，教師要引導學生與日常生活聯系起來，使之形象化，便于學生理解。比如“余隙容積”這個概念，如果僅是書上給出的解釋“活塞行至終端止點時氣缸剩余的容積”，學生很難理解，很難想象這部分空間是怎么回事；但如果將其與蓋房子用到的“公攤面積”類比的話，就很容易理解：二者對于用戶來講都是有害的，但是必須具備的，只能盡力減小，卻不能避免。課程評價教學活動的最終環(huán)節(jié)是評價學生的學習效果。通過教學評價，教師一方面可以了解每個學生對知識點的理解程度，發(fā)現和思考教學存在的問題，便于及時反饋；另一方面能夠了解學生運用所學知識解決實際問題的情況。為了保證教學質量，及時了解學生對知識點的掌握情況和對所學知識的應用情況，課程的評價應從多個角度出發(fā)，絕不能是僅以考試為基準“一錘定音”。為此，教師應從兩個方面對學生的學習效果進行評價。1）對知識點理解的評價。通過課堂上觀察學生的一系列反應，如面部表情、提出的問題，及時了解學生存在的問題，并給予及時的解釋和補充；另一方面通過作業(yè)、課程考試來綜合評價學生對知識的掌握程度和理解情況，便于教師在以后的教學中調整和彌補不足的地方和存在的問題。特別是學生提出的問題非常重要，一方面，可以測試教師對內容的理解程度；另一方面，教師可以了解學生存在的困惑，明白師生間對知識點理解存在的偏差和分歧。教師應對學生的問題積極反思，對教學內容給予重新編排和闡釋，以便改進教師本身對基礎知識的理解。2）對學生運用所學知識解決實際問題能力的評價，可以通過實訓、大作業(yè)、課程設計乃至畢業(yè)設計的形式進行，并將存在的問題匯總和分析，彌補教學存在的問題?？傊虒W評價是個連續(xù)的過程，合理的教學評價是為了保證教學質量和促進教學改革，而不僅僅是為了給學生一個“成績”。

4教學改革對工程教育的促進

簡單的講，通過上述教學方法的運用和實施，學生獲得的技能基本能滿足工程教育的要求。具體體現在：1）通過對所學內容的思考、提問和討論，學生獲得了良好的交流技術；2）通過對教學內容的準備和講解，學生具備了一定的職業(yè)責任感；3）通過對教學內容和大作業(yè)的分組準備和討論，教學在團隊內相互進行，學生改進和具備了一定的團隊合作精神；4）通過“教”這一環(huán)節(jié)，學生對所學內容進行精選和重組，增加了學生對知識的理解程度，拓寬了學生的視野；5）通過一定的工程訓練，學生對待工程的態(tài)度和信心發(fā)生積極的變化，增加了對工程設計過程的理解；6）通過學生自己對知識的準備和理解，學生掌握了學習方法，具備了終身學習的素養(yǎng)。

5結束語

篇10

Liu Ronge； Hu Shushan

（內蒙古大學鄂爾多斯學院，鄂爾多斯 017000）

（Ordos College of Inner Mongolia University，Ordos 017000，China）

摘要： 文中結合教學研究型大學本科培養(yǎng)目標及液壓傳動課程的自身特點，主要從教學內容的整合、教學方法和教學手段的優(yōu)化兩個角度， 對“液壓傳動與控制”課程教學設計進行了探討，以進一步提高液壓傳動與控制課程的教學質量，培養(yǎng)學生的學習興趣、知識應用能力及創(chuàng)新能力。

Abstract: Combined with undergraduate cultivation target of teaching research university and the characteristics of hydraulic course, mainly from the integration of teaching content, optimal of teaching methods and teaching means two angle to discuss the teaching design of "hydraulic drive and control" curriculum, and means to improve the hydraulic drive and control courses teaching quality and cultivate students' learning interest and knowledge application ability and the innovation ability.

關鍵詞： 液壓 教學方法 教學設計 創(chuàng)新能力

Key words: hydraulic；teaching method；teaching design；innovation ability

中圖分類號：G42文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）27-0183-02

0引言

液壓傳動與控制是機械類、交通運輸類、自動化類各專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程。由于其自身的特點，使其在現代冶金機械、礦山機械、車輛工程等方面得到了越來越廣泛的應用。

該課程理論性、系統性、邏輯性都很強，內容較抽象，學生學起來有一定難度。因此，如何在有限的教學時間內，讓學生聽懂、學會，使其成為國家建設和社會發(fā)展所需的高水平液壓人才，是進行課堂教學時需要重點考慮的問題之一。

文章結合教學研究型大學的人才培養(yǎng)目標和課程自身特點，對液壓傳動課程的教學設計進行了探討。

1優(yōu)化課程體系，調整課程內容

教學研究型大學的人才培養(yǎng)目標與研究型大學培養(yǎng)的研究型和教學型大學培養(yǎng)的應用型、實用型人才不同，它兼有大眾高等教育和精英高等教育的特征。它主要培養(yǎng)具有一定復合知識、有較強創(chuàng)新能力、研究潛力和實踐能力的應用型和復合型高級人才。

液壓傳動及控制作為一門具有很強工程應用背景的專業(yè)必修課，旨在培養(yǎng)學生在掌握液壓傳動與控制理論的基礎上，能分析和設計液壓系統，切實做到理論聯系實際，學有所用。同時，隨著液壓技術的飛速發(fā)展，液壓傳動及控制在深度和廣度上都發(fā)生了前所未有的變化，課程內容不斷拓展和更新，教材知識量顯著增加。所以，如何根據專業(yè)特點和培養(yǎng)目標，科學地選取教學內容并進行有機整合，是教學環(huán)節(jié)設計的一個重點。

1.1 課程內容實現模塊化本課程主要包括液壓流體力學基礎知識，組成系統各類元件的結構、工作原理、工作性能及通過基本元件組成的各種控制回路的性能特點等。針對課程的內容和教學研究型大學的本科培養(yǎng)目標作如下調整：

打破現有教材按章節(jié)劃分的結構，按模塊重組教材內容，將教學內容重新組合成4個模塊，即流體力學基礎理論模塊、液壓元件模塊、液壓系統模塊以及液壓系統的測試與故障診斷模塊。將各個模塊的教學課時重新分配，重點放在液壓系統模塊和液壓系統的測試與故障診斷模塊上。這樣通過大量實例分析可以更好地把零散的液壓知識有機地聯系起來，得以靈活應用；在選擇典型液壓系統時要根據專業(yè)特點有所側重，如我校液壓課程的授課對象主要是交通運輸專業(yè)（載運工具運用工程方向），所以在液壓系統的選擇上主要介紹汽車典型液壓系統。液壓流體力學理論基礎模塊主要要求學生掌握理論概念和主要公式的運用，講清其來源、變化、物理意義、實用范圍及局限性，刪減冗長的理論闡述和公式推導計算過程；對液壓元件模塊，以各液壓元件的結構、工作原理、性能特點及應用場合為重點，進而能夠正確選用各類液壓元件。

1.2 實驗內容實現同步化加強實踐教學環(huán)節(jié)，推行多層次實驗教學。在課堂的理論教學過程中，通常以分析各元件及控制回路的工作原理為重點，工作原理圖結構簡單易懂，但很難與實物結構相一致，學生在實際操作中仍會感到很盲目，造成理論知識與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)。若使教學過程中的理論知識和實踐操作同步進行，可以及時解決學生的困惑，加深學生對所學知識的理解和鞏固，同時也能提高學生的學習積極性和主動性。另一方面在條件允許的情況下，可以增加液壓系統調試及性能分析等綜合型實驗項目。同時，也可以借助計算機網絡技術和虛擬儀器技術，嘗試建立虛擬實驗室，將實驗室建設成開放式實驗室，方便學生自己設計、實現并評價自己的設計方案，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和提高創(chuàng)新能力。這樣也可以解決多數高校實驗設備相對缺乏，實驗器材數量有限，而招生規(guī)模不斷擴大的矛盾。

我校實驗教學共分兩個層次：認知型實驗和綜合訓練型實驗。認知型實驗主要是對應元件模塊設置的拆裝實驗及性能驗證實驗；綜合訓練型實驗是針對系統模塊進行系統構建和性能分析實驗。

實驗學時安排在對應理論教學內容之后，這樣有助于學生對理論知識的及時理解和鞏固。通過實驗，不但綜合了教學內容、驗證了理論，而且使學生能夠通過具體的方案、裝配和調試分析等，建立完整的工程實施理念，能有效地激發(fā)學生尋求解決問題的方案和方法。

1.3 課程體系實現統籌化《液壓傳動及控制》課程不是孤立的，它與機械設計、電工電子技術、自動控制原理、數控技術等機械類、電氣控制類課程緊密相關，把這些課程貫穿起來，成為一條線的系統教學，既有利于液壓傳動技術與先進控制技術有機地結合起來，又有利于學生創(chuàng)新能力和工程觀點的培養(yǎng)。同時，又可促進基礎理論教學，有利于教學與科研相結合。因此，在進行課程體系設置時要考慮各門課程之間的前后關系，實現統籌安排。

另一方面，在教學內容實現模塊化的基礎上，也要注意各模塊之間的銜接性，建立由個別到局部，由局部到整體的課程體系。由基礎理論到液壓元件再到液壓基本回路及液壓系統，由點到面、以面促點最終達到讀懂、分析和設計液壓系統的目的[1]。

2改革教學方法，優(yōu)化教學手段

液壓傳動與控制課程具有很強的抽象性和實踐性。同時由于液壓元件具有封閉性，很難觀察了解其內部結構，閥芯運動、閥口啟閉等工作情況，所以在進行液壓元件結構運動、工作原理及分析液壓油路的教學時，枯燥乏味、抽象難懂，學生興趣索然。所以，如何實現化難為易、化繁為簡，提高學生的學習興趣和學習主動性是教學方法和手段選擇中需要重點考慮的一個問題。

2.1 教學手段實現多元化在傳統的教學過程中，學生對元件的結構和原理以及基本回路的理解比較困難，其主要原因在于元件的結構復雜，教學內容比較抽象。通過采用多媒體技術可以將聲音、圖像及視頻媒體相結合，產生生動活潑的效果，結合教師的講解，學生就容易明白。例如，在介紹換向閥工作原理時，利用動畫演示閥芯的動作和油路的連通及油液流向、油缸兩腔進回油路確定后油缸的運動方向等，同時作相應的解釋說明[2]；再輔以實驗教學，學生就可以輕松的掌握所學知識。另一方面教師在講解過程中要強調結構特點，找出規(guī)律，通過比較、分析、歸納提高學生綜合理解能力，進而提高學生的學習興趣并加強記憶能力。

2.2 教學方法實現多樣化教學方法多種多樣，采用哪種教學方法，應根據教學內容和學生特點來制定，無論采用哪種教學方法，均應有利于教學組織安排，有利于學生理解教學內容，掌握所學的知識。如在講述緒論部分時，根據其教學內容和教學目標可以采用發(fā)現教學法，即學生根據教師及書籍提供的資料，在老師的引導下進行思考，從而自己總結出一定的原理和結論的教學方法。這部分可以列舉一些生產、生活中常見的實例。如液壓千斤頂、起重機、挖掘機、磨床等，把這些實例的工作過程通過一些影象資料演示給學生，以展示液壓傳動的特點，并引導學生總結出其優(yōu)點，如傳遞的動力大，運動平穩(wěn)，能方便地實現無級變速和自動控制等。

通過進一步分析實例的工作過程，引導學生總結出液壓系統的組成結構及工作原理。在液壓元件的學習中，改變傳統的液壓件和回路分開講述的授課方式，可以部分引入元件在液壓回路中的使用，做到即學即用，提高教學效率。在講解回路的過程中，可以安排學生利用已學知識通過分析思考進行分組討論的教學方法，經過討論一方面可以幫助學生發(fā)現自己的知識盲點，加深學生對所學知識的印象和理解，另一方面可以培養(yǎng)學生主動學習的意識和能力。

3拓展知識內容，開闊學生視野

隨著制造和控制技術的發(fā)展，當今社會對人才培養(yǎng)的要求越來越高，為了適應社會的發(fā)展對人才的需求，在課堂教學過程中，盡量安排一定時間介紹本課程涉及的相關理論的研究概況和發(fā)展動態(tài)，如液壓技術的發(fā)展動態(tài)、國內外液壓元件的研制情況、國內液壓技術存在的主要問題、與國外先進水平的差距、國內液壓界所取得的成就及一些著名專家的研究方向和研究成果；水壓傳動技術的研究、發(fā)展現狀、技術瓶頸及其在核能、海洋、消防、水力噴射等方面的應用，國內國際最新的科學技術及學術觀點等等。這樣可使學生了解液壓技術的進展及前沿，不僅提高了學生的興趣，同時為學生今后進一步深造和從事科研工作打下良好的基礎。

4結論

本文主要結合當今經濟社會發(fā)展對學生能力的要求、教學研究型本科高校的培養(yǎng)目標以及液壓傳動與控制的課程特點，就如何提高學生對所學知識的掌握和應用能力以適應社會需求，主要從教學內容安排和教學方法手段的實施等角度對液壓傳動與控制課程的教學設計進行了總結探討。

參考文獻：