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篇1

關(guān)鍵詞：行業(yè)類高校；高等流體力學(xué)；電力特色

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

基金項(xiàng)目：本文系上海電力學(xué)院研究生學(xué)位課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YKJ-2012004）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）04-0086-02

2007年，上海電力學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我?！保崮芄こ潭?jí)學(xué)科首次招生，“高等流體力學(xué)”首次開課，授課人數(shù)20余人，隨后幾年間授課人數(shù)逐年增長(zhǎng)。2012年我校動(dòng)力工程與工程熱物理一級(jí)學(xué)科又增設(shè)了工程熱物理、動(dòng)力機(jī)械及工程兩個(gè)二級(jí)學(xué)科，“高等流體力學(xué)”授課范圍擴(kuò)大的同時(shí)，授課人數(shù)也增加到60余人。但是鑒于我校研究生數(shù)量較少、研究生培養(yǎng)歷史較短以及師資力量相對(duì)薄弱等方面的原因，課程教學(xué)的教材只能選用已有的教材。在組織教學(xué)內(nèi)容的過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)教材普遍存在一些問題，如過于強(qiáng)調(diào)基本理論、對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的要求偏高、工程應(yīng)用方面涉獵很少，或者有些工程學(xué)科專業(yè)的相關(guān)研究生教材又往往缺乏理論深度，工程應(yīng)用背景針對(duì)性強(qiáng)，有的強(qiáng)調(diào)高速氣動(dòng)、有的強(qiáng)調(diào)水動(dòng)葉柵流動(dòng)、有的強(qiáng)調(diào)渦動(dòng)力學(xué)等等。鑒于此，作為行業(yè)類非重點(diǎn)高校，在“高等流體力學(xué)”課程的教學(xué)中有必要結(jié)合我校電力特色進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的研究和探討。

一、課程教材的調(diào)研

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

從調(diào)研情況看，所有高校都對(duì)流體力學(xué)的基本理論很重視，主要教學(xué)內(nèi)容均包括了流動(dòng)的基本概念和基本方程、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、勢(shì)流理論、渦旋流動(dòng)、理想流體流動(dòng)、粘性流體流動(dòng)等，目的是使研究生通過學(xué)習(xí)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握研究流動(dòng)的方法進(jìn)而分析解決實(shí)際的工程流動(dòng)問題。同時(shí)，各高校的教材和主要教學(xué)參考書還注重與自身學(xué)科研究方向的結(jié)合，課程的某些重點(diǎn)內(nèi)容與培養(yǎng)方向相接軌，突出了自身的特色。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，“高等流體力學(xué)”作為研究生學(xué)位課，其教學(xué)內(nèi)容在注重理論基礎(chǔ)的同時(shí)，還必須要與自身的相關(guān)學(xué)科研究方向相結(jié)合，在注重通用理論的基礎(chǔ)上，形成自己的特色。

二、我校授課對(duì)象的情況分析

做好此次的教學(xué)研究工作，還必須對(duì)我校的授課對(duì)象有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。目前，“高等流體力學(xué)”已列為本校工程熱物理、熱能工程、動(dòng)力機(jī)械及工程三個(gè)二級(jí)學(xué)科的研究生學(xué)位課程。盡管上述三個(gè)二級(jí)學(xué)科涉及能源、動(dòng)力、機(jī)械等寬廣的工程領(lǐng)域，但結(jié)合我校的電力特色，這三個(gè)二級(jí)學(xué)科主要是為電力行業(yè)培養(yǎng)高級(jí)的專業(yè)人才，而在電力行業(yè)中流動(dòng)現(xiàn)象多存在于流體機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、換熱設(shè)備、容器、管道等部件，因此，在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)在透徹講解流體力學(xué)微分方程組的基礎(chǔ)上，注重聯(lián)系工程實(shí)際，偏重于講解流體在上述部件中的流動(dòng)以及與這些部件間的相互作用。

研究生生源的實(shí)際情況也是教學(xué)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(xué)生了解發(fā)現(xiàn)有以下情況存在：部分同學(xué)跨專業(yè)（如：數(shù)學(xué)專業(yè)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)、計(jì)算機(jī)與信息專業(yè)等）考入學(xué)校，本科階段沒有學(xué)習(xí)過“工程流體力學(xué)”課程；即使是研究生與本科專業(yè)背景相同的同學(xué)，他們也普遍認(rèn)為”工程流體力學(xué)”較難，碩士入學(xué)考試時(shí)，大都不選考“工程流體力學(xué)”，這也使得他們可能在大三、甚至大二學(xué)完以后，再也沒有系統(tǒng)地梳理過流體力學(xué)知識(shí)。由于各高校專業(yè)方向的側(cè)重點(diǎn)不同，大部分同學(xué)對(duì)電力行業(yè)內(nèi)的流體知識(shí)也不是特別了解；考入學(xué)校的學(xué)生多數(shù)為調(diào)劑生，入學(xué)成績(jī)整體不高。這些情況都表明，我校碩士研究生入學(xué)時(shí)的流體力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱，需要在授課過程中講授深層次新知識(shí)的同時(shí)，及時(shí)地對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行回顧和提醒。

三、教學(xué)內(nèi)容的組織

基于以上的調(diào)研和分析，課程組首先對(duì)教材進(jìn)行了選取，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了組織。

1.教學(xué)目標(biāo)的明確

“高等流體力學(xué)”是為工程熱物理、熱能工程以及動(dòng)力機(jī)械與工程專業(yè)研究生設(shè)置的專業(yè)學(xué)位課程。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，結(jié)合長(zhǎng)期本科教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，確定了課程的教學(xué)目標(biāo)：通過對(duì)流體力學(xué)的基本概念、基本方程、理想不可壓縮流體的流動(dòng)、粘性不可壓縮流體的流動(dòng)、層流邊界層與紊流流動(dòng)、理想可壓縮流體等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，深化學(xué)生對(duì)流體力學(xué)基本內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的理論水平，為相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、課題的研究及論文的撰寫打好理論基礎(chǔ)。

2.教材的選用

“高等流體力學(xué)”是動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科的一門傳統(tǒng)課程，有很多課程教材可供選用。通過調(diào)研比較，西安交通大學(xué)有關(guān)電力生產(chǎn)的學(xué)科研究方向與我校的研究方向比較吻合，其在“動(dòng)力工程及工程熱物理”一級(jí)學(xué)科中的學(xué)位課 “高等流體力學(xué)”選擇了西安交通大學(xué)出版社出版、張鳴遠(yuǎn)等編著的《高等流體力學(xué)》一書作為教材，課程組通過對(duì)該書內(nèi)容的分析，也一致認(rèn)為張鳴遠(yuǎn)等編著的《高等流體力學(xué)》比較適合我校側(cè)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(xué)”課程的教材。與此同時(shí)，將調(diào)研中搜尋到的各有特點(diǎn)的教材作為參考書目推薦給學(xué)生供他們參考使用。

3.教學(xué)內(nèi)容的組織

在進(jìn)行“高等流體力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的組織時(shí)，結(jié)合我校研究生培養(yǎng)方案和學(xué)科建設(shè)，既照顧到經(jīng)典流體力學(xué)的通用知識(shí)，又重視課程知識(shí)的針對(duì)性、行業(yè)應(yīng)用的特殊性、學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣以及與學(xué)校其他研究生課程的關(guān)聯(lián)性。課程內(nèi)容的組織主要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）奠定扎實(shí)基礎(chǔ)?！案叩攘黧w力學(xué)”是一門系統(tǒng)性、邏輯性較強(qiáng)的課程，作為碩士研究生的學(xué)位課，在加深學(xué)生對(duì)流動(dòng)所伴隨的物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)、概念的建立及規(guī)律分析的同時(shí)，還應(yīng)努力加深學(xué)生學(xué)科知識(shí)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(xué)問題的水平及能力。

（2）突出電力生產(chǎn)特色。針對(duì)我校研究生的專業(yè)背景和學(xué)科研究方向，強(qiáng)調(diào)本學(xué)科與電力生產(chǎn)流程和設(shè)備的結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)并解決相關(guān)電力工程問題的能力。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，保持基礎(chǔ)理論知識(shí)與工程應(yīng)用知識(shí)的相對(duì)平衡。

（3）注重課程的關(guān)聯(lián)性和完整性。在關(guān)聯(lián)性方面，首先與本科階段的教學(xué)內(nèi)容要有恰當(dāng)?shù)姆止ず豌暯樱浯我苊馀c其他相關(guān)課程之間缺乏銜接；在自身內(nèi)容體系的完整性方面，既要注意到對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)回顧和補(bǔ)充的必要性，又要對(duì)工程中不常見的復(fù)雜流動(dòng)概念的介紹有所兼顧。

考慮以上幾個(gè)方面，課程組將教學(xué)內(nèi)容梳理成五部分，第一部分安排了“矢量運(yùn)算分析”、“場(chǎng)論知識(shí)”的回顧以及曲線坐標(biāo)、張量分析知識(shí)的補(bǔ)充；第二部分“流體力學(xué)的基本方程”主要介紹流體力學(xué)的基本概念，流體力學(xué)的控制方程組以及一些相關(guān)的重要定理；第三部分“理想不可壓縮流體的流動(dòng)”介紹平面勢(shì)流，空間軸對(duì)稱勢(shì)流和理想流體中的旋渦運(yùn)動(dòng)，其中對(duì)平面勢(shì)流里的復(fù)位勢(shì)、疊加法、鏡像法和保角變換法做重點(diǎn)講解；第四部分“粘性不可壓縮流體的流動(dòng)”中介紹納維―斯托克斯方程的精確解，小雷諾數(shù)流動(dòng)，層流邊界層流動(dòng)和紊流，其中對(duì)工程中應(yīng)用較多的層流邊界層流動(dòng)和紊流做重點(diǎn)講解；第五部分“理想可壓縮流體的流動(dòng)”分別介紹一維流動(dòng)和平面流動(dòng)，其中對(duì)一維流動(dòng)做重點(diǎn)講解。

四、教學(xué)模式的探討

學(xué)生的學(xué)習(xí)情況在不斷地發(fā)生變化，這就需要教師不斷根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行教學(xué)模式的探討，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，使他們?cè)谟邢薜膶W(xué)習(xí)時(shí)間中學(xué)習(xí)好內(nèi)容繁多的“流體力學(xué)”。

1.教學(xué)方法

“高等流體力學(xué)”是一門基礎(chǔ)課，基本概念和基礎(chǔ)理論部分內(nèi)容較多，涉及的公式推導(dǎo)也比較多，傳統(tǒng)的“黑板板書”的教學(xué)手段對(duì)教學(xué)信息的處理和呈現(xiàn)都比較單一，造成學(xué)生對(duì)于傳熱學(xué)內(nèi)容的理解和掌握有一定的難度。為此，課程組以教材為藍(lán)本編制了電子課件，教學(xué)中采用板書與多媒體相結(jié)合的教學(xué)模式，突出傳統(tǒng)板書中能夠清晰講解復(fù)雜理論推導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，充分利用多媒體教學(xué)信息量大、圖像清晰生動(dòng)的特點(diǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間的嘗試，這種教學(xué)方法既達(dá)到了避免研究生在課堂上因長(zhǎng)時(shí)間精力高度集中而產(chǎn)生疲勞的問題，又有利于他們理解并掌握復(fù)雜的流體力學(xué)基本理論的教學(xué)效果。

2.教學(xué)手段

盡管本課程以課堂講授教學(xué)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(xué)方法的綜合應(yīng)用，提高課堂教學(xué)的趣味性，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。課程組結(jié)合本科“工程流體力學(xué)”多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)過程中注意做到幾個(gè)注重：注重物理概念與數(shù)學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)物理含義的數(shù)學(xué)表示以及數(shù)學(xué)內(nèi)容的物理解釋；既注意嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，又注意敘述的深入淺出；注重教學(xué)思路，教學(xué)方法，在引進(jìn)概念介紹方法時(shí)，突出解決問題的思維方法及推理要點(diǎn)；注重從與教材不同的角度或思路來講述同一教材內(nèi)容，以豐富學(xué)生思維和聯(lián)想能力；注重引導(dǎo)學(xué)生圍繞課程內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，同時(shí)再結(jié)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(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)的工程案例，通過案例的討論和分析，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣，提升課堂教學(xué)的互動(dòng)效果，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析并解決工程實(shí)際問題的能力。

3.輔助教學(xué)

僅僅通過課堂上對(duì)教材的學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須配套地做大量的習(xí)題，才能較好地使學(xué)生掌握具有理論性強(qiáng)、公式多、數(shù)理基礎(chǔ)要求高的“高等流體力學(xué)”課程?？紤]到我校研究生教學(xué)的特點(diǎn)，課程組根據(jù)教材的主要內(nèi)容編寫了典型習(xí)題集。習(xí)題集力圖做到習(xí)題具有典型性，能夠?qū)?yīng)教學(xué)內(nèi)容的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生通過習(xí)題的練習(xí)，能有效地掌握教材中的基本知識(shí)。此外，習(xí)題集中的習(xí)題也盡可能地結(jié)合電力生產(chǎn)中的流動(dòng)問題，幫助學(xué)生對(duì)專業(yè)關(guān)聯(lián)工程問題進(jìn)行認(rèn)識(shí)和思考，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力。

4.課程考核

課程考核成績(jī)應(yīng)該能夠較為客觀地反映學(xué)生對(duì)課程的整體學(xué)習(xí)情況。為了全面地反映學(xué)生的全程學(xué)習(xí)過程和最終的學(xué)習(xí)效果，課程組經(jīng)討論明確了課程的總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)綜合評(píng)定得出，平時(shí)成績(jī)與期末考試成績(jī)的分配比例是2∶8。平時(shí)成績(jī)包含作業(yè)、考勤、課堂表現(xiàn)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(jī)抽取。

期末考試是課程考核的重頭戲，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也為了增強(qiáng)教師的工作責(zé)任心，實(shí)行考、教分離是一個(gè)較好的督促辦法。為此，2012年課程組根據(jù)課程的教學(xué)要求組織編寫了試卷庫。試卷庫中的試題符合教學(xué)大綱的要求，內(nèi)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(dāng)，考核的知識(shí)點(diǎn)覆蓋面寬，能考核學(xué)生掌握知識(shí)以及應(yīng)用知識(shí)進(jìn)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(duì)試卷庫進(jìn)行不斷擴(kuò)充。

五、結(jié)束語

“高等流體力學(xué)”的日常教學(xué)工作一個(gè)任重而道遠(yuǎn)，為了適應(yīng)高等流體力學(xué)服務(wù)于日新月異的學(xué)科發(fā)展的需求，提高該學(xué)位課程的教學(xué)效果，更好地為本校研究生人才培養(yǎng)服務(wù)，課程組將把教學(xué)研究工作不斷地持續(xù)進(jìn)行下去，搜集最新最前沿的相關(guān)信息以補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，探討教學(xué)模式以提高教學(xué)效果，及時(shí)對(duì)習(xí)題庫和試卷題庫進(jìn)行更新。相信只要教師多花一點(diǎn)時(shí)間，多動(dòng)一點(diǎn)腦筋，多找一些教育學(xué)生的切入點(diǎn)，因材施教，一定能取得好的教育效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王獻(xiàn)孚.高等流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

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[5]周云龍.高等流體力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2008.

篇2

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；Fluent；外流場(chǎng)；網(wǎng)格劃分；數(shù)值模擬

引言

汽車在行駛的過程中不可避免的要與周邊空氣發(fā)生相互作用，隨著車速的增加，這種相互作用會(huì)愈加的劇烈?？諝鈱?duì)在行駛中的汽車施加力和力矩，從而影響汽車的行駛。所以，在汽車開發(fā)過程中，研究并優(yōu)化汽車的空氣動(dòng)力性能非常重要。另外，汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能不僅影響著汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也對(duì)汽車的動(dòng)力性、穩(wěn)定性和操作性等方面有著巨大的影響，所以現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)越來越關(guān)注汽車的空氣動(dòng)力性能研究。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)已基本成熟，且對(duì)更為復(fù)雜的流動(dòng)問題的模擬計(jì)算也在不斷的發(fā)展，其中計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics 簡(jiǎn)稱CFD）受到了越來越多的關(guān)注。計(jì)算流體力學(xué)已從定性的分析發(fā)展到定量的計(jì)算，其應(yīng)用也從最初的航空領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展到包括汽車在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域[1-3]。新車型的開發(fā)過程中，空氣動(dòng)力性能分析是必不可少的。利用數(shù)值模擬的方法對(duì)汽車行駛中的外流場(chǎng)進(jìn)行分析能夠用來預(yù)測(cè)或解決一些理論及實(shí)驗(yàn)都無法處理的復(fù)雜流動(dòng)問題，并能取代部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。但要求對(duì)問題的物理特性有足夠的了解，才能建立合適的數(shù)學(xué)方程及相應(yīng)的初始、邊界條件等，這些都離不開實(shí)驗(yàn)和理論方法的支持。目前，數(shù)值方法主要是應(yīng)用歐拉方程和納維-斯托克斯方程。在汽車設(shè)計(jì)的研究分析領(lǐng)域，數(shù)值方法與傳統(tǒng)的研究方法相結(jié)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(chǎng)計(jì)算模型及仿真是計(jì)算流體力學(xué)在汽車外流場(chǎng)分析方面的應(yīng)用研究之一[4-8]。本文通過建立汽車車身外流場(chǎng)的計(jì)算模型，利用計(jì)算流體力學(xué)方法和適當(dāng)?shù)木仃嚧鷶?shù)算法，基于Fluent仿真平臺(tái)，分析研究汽車車身的空氣動(dòng)力性能。

1 汽車車身繞流的數(shù)學(xué)模型

流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中，流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)基本方程是根據(jù)基本物理定律質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律按一定的流體流動(dòng)模型推導(dǎo)的。對(duì)于空氣來說，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速時(shí)，也就是風(fēng)速小于408km/h，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體。而對(duì)汽車來說，最高速度一般都小于400km/h，因此汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究可以把周圍的氣體考慮成不可壓縮的。轎車?yán)@流問題一般為定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)，由于復(fù)雜外形會(huì)引起氣流的分離，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，目前還不能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的方程是雷諾時(shí)均N-S方程，為使方程封閉這里采用可實(shí)行的K-？著模型。

汽車外流場(chǎng)的控制方程如下：

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

2 汽車模型K-？著參數(shù)確定

由數(shù)?？梢缘玫杰囬L(zhǎng)L=3.916m；車速定為v=20m/s；雷諾數(shù)Re= =5.21×106（其中空氣在20℃時(shí)的密度？籽=1.205kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)？滋=1.81×10-5kg/ms）。根據(jù)雷諾準(zhǔn)則，這是一個(gè)雷諾數(shù)問題，適用于K-？著模型。

3 Fluent求解

在Fluent中選擇合適求解小車外流場(chǎng)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(dòng)。同時(shí)選擇隱式求解器，網(wǎng)格單元內(nèi)的未知量用臨近單元的已知量和未知量來計(jì)算。因此，每個(gè)未知量會(huì)不只在一個(gè)方程中出現(xiàn)，這些方程必須同時(shí)求解才能解出未知量。另外，通過設(shè)置，確定選擇的是三維穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模型，速度場(chǎng)是絕對(duì)的，并且按壓力梯度計(jì)算。

然后設(shè)置求解控制參數(shù)，進(jìn)一步確定使用SIMPLE型求解器，在求解過程中聯(lián)立流動(dòng)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(jì)算結(jié)果的可靠性，我們選擇二階離散精度。事實(shí)上，為了使結(jié)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(duì)于欠松弛因子，選用默認(rèn)值即可。

設(shè)置收斂判據(jù)，選中Check Convergence復(fù)選框，表示當(dāng)每個(gè)變量的值到達(dá)Convergence Criterion文本框中的規(guī)定的值時(shí)，求解器就認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。

圖1 Fluent的求解的收斂過程

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

4 汽車風(fēng)阻系數(shù)和升力系數(shù)

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

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

5 車外流場(chǎng)的后處理及分析

對(duì)Fluent求解器得到的數(shù)據(jù)，只是對(duì)應(yīng)于每個(gè)網(wǎng)格的相關(guān)物理量的數(shù)值大小和方向等信息。為了整體的把握小轎車外流場(chǎng)的特點(diǎn)和直觀地呈現(xiàn)出計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)其進(jìn)行后處理，轉(zhuǎn)化為圖像來描述結(jié)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(dòng)機(jī)罩和擋風(fēng)玻璃之間存在一個(gè)比較大的正壓區(qū)；同時(shí)，在擋風(fēng)玻璃與汽車頂蓋以及汽車頂蓋與后窗之間存在一個(gè)絕對(duì)值比較大的負(fù)壓區(qū)；而汽車底盤下面為一個(gè)變化緩慢的負(fù)壓區(qū)域。前輪外側(cè)邊緣有一絕對(duì)值很大的負(fù)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(chǎng)速度的數(shù)值模擬求得的極值。由于汽車底部的氣流離開尾部后，就迅速上揚(yáng)和來自汽車后擋風(fēng)玻璃的氣流相互沖撞，導(dǎo)致汽車尾部形成漩渦，產(chǎn)生能量耗散。

6 結(jié)束語

本文利用計(jì)算流體力學(xué)方法，使用Fluent軟件平臺(tái)分析研究了汽車的空氣動(dòng)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(dòng)特性與參數(shù)。仿真分析結(jié)果表明該方法在分析研究汽車空氣動(dòng)力特性，輔助和優(yōu)化汽車車身設(shè)計(jì)方面的有效性。

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篇3

關(guān)鍵詞 工程力學(xué) 環(huán)境科學(xué) 綜合應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X-019 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 工程力學(xué)與環(huán)境科學(xué)的學(xué)科交叉理論

工程力學(xué)是20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)的。首先提出這一名稱并對(duì)這個(gè)學(xué)科做了開創(chuàng)性工作的是中國學(xué)者錢學(xué)森。

在20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了一些極端條件下的工程技術(shù)問題，所涉及的溫度高達(dá)幾千度到幾百萬度，壓力達(dá)幾萬到幾百萬大氣壓，應(yīng)變率達(dá)百萬分之一～億分之一秒等。在這樣的條件下，介質(zhì)和材料的性質(zhì)很難用實(shí)驗(yàn)方法來直接測(cè)定。為了減少耗時(shí)費(fèi)錢的實(shí)驗(yàn)工作，需要用微觀分析的方法闡明介質(zhì)和材料的性質(zhì)；在一些力學(xué)問題中，出現(xiàn)了特征尺度與微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度可比擬的情況，因而必須從微觀結(jié)構(gòu)分析入手處理宏觀問題；出現(xiàn)一些遠(yuǎn)離平衡態(tài)的力學(xué)問題，必須從微觀分析出發(fā)，以求了解耗散過程的高階項(xiàng)；由于對(duì)新材料的需求以及大批新型材料的出現(xiàn)，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(yù)見新型材料力學(xué)性能的計(jì)算方法。在這樣的背景條件下，促使了工程力學(xué)的建立。工程力學(xué)之所以出現(xiàn)，一方面是迫切要求能有一種有效地手段，預(yù)知介質(zhì)和材料在極端條件下的性質(zhì)及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律；另一方面是近代科學(xué)的發(fā)展，特別是原子分子物理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立和發(fā)展，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)比較清楚，為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎(chǔ)和可能。

總的來說，工程力學(xué)具有現(xiàn)代工程與理論相結(jié)合的特點(diǎn)，有很大的知識(shí)面和靈活性，對(duì)國家現(xiàn)代化建設(shè)具有重大意義。

2工程力學(xué)理論在環(huán)境科學(xué)中的發(fā)展

2.1環(huán)境與力學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

工程力學(xué)雖然還處在萌芽階段，很不成熟，而且繼承有關(guān)老學(xué)科的地方較多，但作為力學(xué)的一個(gè)新分支，確有一些獨(dú)具的特點(diǎn)。工程力學(xué)著重于分析問題的機(jī)理，并借助建立理論模型來解決具體問題。只有在進(jìn)行機(jī)理分析而感到資料不夠時(shí)，才求助于新的實(shí)驗(yàn)。

工程力學(xué)注重從微觀到宏觀，以往的技術(shù)科學(xué)和絕大多數(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)，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(xué)則建立在近代物理和近代化學(xué)成就之上，運(yùn)用這些成就，建立起物質(zhì)宏觀性質(zhì)的微觀理論，這也是工程力學(xué)建立的主導(dǎo)思想和根本目的。

雖然工程力學(xué)引用了近代物理和近代化學(xué)的許多結(jié)果，但它并不完全是統(tǒng)計(jì)物理或者物理化學(xué)的一個(gè)分支，因?yàn)闊o論是近代物理還是近代化學(xué)，都不能完全解決工程技術(shù)里所提出的各種具體問題。工程力學(xué)所面臨的問題往往要比基礎(chǔ)學(xué)科里所提出的問題復(fù)雜得多，它不能單靠簡(jiǎn)單的推演方法或者只借助于某一單一學(xué)科的成就，而必須盡可能結(jié)合實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用多學(xué)科的成果。

2.2研究?jī)?nèi)容和方向

工程力學(xué)主要研究平衡現(xiàn)象，如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程，各種熱力學(xué)平衡性質(zhì)和化學(xué)平衡的研究等。對(duì)于這類問題，工程力學(xué)主要借助統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。

工程力學(xué)的研究工作，目前主要集中三個(gè)方面：高溫氣體性質(zhì)，研究氣體在高溫下的熱力學(xué)平衡性質(zhì)（包括狀態(tài)方程）、輸運(yùn)性質(zhì)、輻射性質(zhì)以及與各種動(dòng)力學(xué)過程有關(guān)的弛豫現(xiàn)象；稠密流體性質(zhì)，主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學(xué)平衡性質(zhì)（包括狀態(tài)方程）、輸運(yùn)性質(zhì)以及相變行為等；固體材料性質(zhì)，利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強(qiáng)度以及本構(gòu)關(guān)系等。

工程力學(xué)研究方向主要有：非線性力學(xué)與工程、工程穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)、應(yīng)力與變形測(cè)量理論和破壞檢測(cè)技術(shù)、數(shù)值分析方法與工程應(yīng)用、工程材料物理力學(xué)性質(zhì)、工程動(dòng)力學(xué)與爆破。

3工程力學(xué)理論在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用

3.1材料力學(xué)與環(huán)境

材料力學(xué)在生活中的應(yīng)用十分廣泛。大到機(jī)械中的各種機(jī)器，建筑中的各個(gè)結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以材料力學(xué)就顯得尤為重要。

利用材料力學(xué)中卸載與在加載規(guī)律得出冷作硬化現(xiàn)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(chǎn)生裂紋，這時(shí)應(yīng)采用退火處理，部分或全部地材料的冷作硬化效應(yīng)。

3.2固體力學(xué)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(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)。現(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(jì)都應(yīng)用了固體力學(xué)的原理。

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。

固體力學(xué)的研究對(duì)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(zhǎng)寬厚尺寸都不是同量級(jí)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。

3.3流體力學(xué)與環(huán)境

流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定理和質(zhì)量守恒定理，常常還要用到熱力學(xué)知識(shí)，有時(shí)還用到宏觀電動(dòng)力學(xué)的基本定律、本構(gòu)方程和高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

篇4

關(guān)鍵詞:裂隙巖體;注漿;擴(kuò)散理論;注漿參數(shù)

中圖分類號(hào):TD743文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙巖體內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)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(dòng)規(guī)律、擴(kuò)散范圍、漿液擴(kuò)散壓力以及注漿加固體強(qiáng)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(guān)系。

目前,人們研究漿液在構(gòu)造面中流動(dòng)和在孔隙中滲透擴(kuò)散時(shí)均把漿液簡(jiǎn)化為與時(shí)間無關(guān)的牛頓流體,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的時(shí)變性賓漢姆流體,這就導(dǎo)致了注漿過程中的理論計(jì)算與實(shí)際相差太大。

在裂隙巖體中注漿,是長(zhǎng)期以來尚未解決的技術(shù)難題。研究賓漢姆流體在裂隙巖體中滲透擴(kuò)散過程 (運(yùn)移規(guī)律)及滲流機(jī)理對(duì)注漿加固工程的設(shè)計(jì)和注漿效果預(yù)測(cè)等有重大的理論指導(dǎo)意義。

二、研究現(xiàn)狀及存在的問題

(一)研究現(xiàn)狀

隨著注漿實(shí)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(dòng)化學(xué)注漿、低滲透介質(zhì)注漿理論。但由于漿體運(yùn)動(dòng)是隱蔽于地下復(fù)雜性的地基構(gòu)造中,且縫隙分布又難于模擬,因而理論方面的研究相對(duì)滯后于實(shí)踐。

注漿理論是借助于流體力學(xué)和固體力學(xué)的理論發(fā)展而來的,對(duì)漿液的單一流動(dòng)形式進(jìn)行分析,建立壓力、流量、擴(kuò)散半徑、注漿時(shí)間之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的注漿工藝是以“滲入性理論”為基礎(chǔ),注漿時(shí)只采用相對(duì)較低的注漿壓力,使?jié){液在孔隙或縫隙中擴(kuò)散時(shí)不致破壞巖土的原有結(jié)構(gòu)。

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?cè)瓲钔恋慕Y(jié)構(gòu)和體積 (砂性土注漿的結(jié)構(gòu)原理),所用注漿壓力相對(duì)較小。代表性的注漿理論有球形擴(kuò)散理論、柱形擴(kuò)散理論和袖套管法理論。

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

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

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

(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(jiǎn)化為牛頓流體。

2.在注漿過程中,漿液的性質(zhì)隨時(shí)間而變化,而目前的理論研究中視漿液的性質(zhì)與時(shí)間無關(guān)。

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

3.注漿設(shè)計(jì)隨意性太大,注漿效果難以估計(jì)。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(nèi)擴(kuò)散,其擴(kuò)散距離 (常稱為擴(kuò)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(shù)、評(píng)價(jià)注漿效果的重要依據(jù)。但漿液在裂隙巖體內(nèi)的擴(kuò)散過程是隱藏的,目前還不可能在施工中對(duì)這一過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),這樣,漿液的擴(kuò)散距離只能靠理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。而現(xiàn)有的計(jì)算漿液擴(kuò)散距離的理論公式還遠(yuǎn)未成熟,實(shí)用價(jià)值有限,經(jīng)驗(yàn)公式又往往是針對(duì)某些特定漿液 (主要是化學(xué)漿液)總結(jié)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(yù)先確定漿液擴(kuò)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(yù)計(jì)。當(dāng)工程目的明確、場(chǎng)地條件清楚時(shí),由于漿液的擴(kuò)散距離不能預(yù)先準(zhǔn)確確定,鉆孔數(shù)量和材料消耗量的預(yù)算便沒有依據(jù)。如果憑經(jīng)驗(yàn)或工程類比法確定了鉆孔數(shù)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(zhǔn)確預(yù)計(jì) (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(duì)比。由于這一原因,注漿法的應(yīng)用受到了一定程度的負(fù)面影響。國內(nèi)礦山帷幕截流技術(shù)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?yàn)檫@一原因而不愿進(jìn)行壩基注漿。(2)確定孔距、漿液配比和注漿壓力時(shí)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(jié)體。這時(shí)注漿孔的距離必須依漿液的擴(kuò)散距離而定。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件一定時(shí),漿液的擴(kuò)散距離又主要取決于漿液的性質(zhì)和注漿的工藝參數(shù)。因此,孔距應(yīng)該根據(jù)所選用的漿液在允許壓力和時(shí)間內(nèi)可能達(dá)到的擴(kuò)散距離來確定。但在目前的注漿設(shè)計(jì)和施工中,注漿孔距和注漿材料都主要是憑經(jīng)驗(yàn)確定的,這樣便很可能因孔距太大或太小而出現(xiàn)工程質(zhì)量問題或投資上的浪費(fèi)。

三、結(jié)論

1.部分學(xué)者已驗(yàn)證了裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的分布具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性,因此,裂隙巖體結(jié)構(gòu)面分布應(yīng)具有分形特征,并可計(jì)算出其分維數(shù)。

2.巖體的分維數(shù)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(yán)重影響著注漿擴(kuò)散規(guī)律及注漿效果,因此可以嘗試將分形理論應(yīng)用于注漿工程,用裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的分維數(shù)來定性的確定注漿參數(shù)。

3.工程巖體往往被節(jié)理和結(jié)構(gòu)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(jié)合,模擬出漿液在裂隙中擴(kuò)散的真實(shí)情況。

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篇5

關(guān)鍵詞：非流線型；降低油耗；有限元分析；優(yōu)化氣動(dòng)特性

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0095-02

空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是貨車最重要的參數(shù)之一，它對(duì)貨車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。隨著燃油價(jià)格的上漲和節(jié)能減排的要求，現(xiàn)今車身的設(shè)計(jì)將氣動(dòng)性能指標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn)，可見，提高氣動(dòng)特性對(duì)降低貨車的燃油率和提高節(jié)能指標(biāo)有著非常重大的作用。貨車正常行駛時(shí)，尾部會(huì)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(dòng)阻力及其對(duì)貨車性能的影響

1.1 氣動(dòng)阻力

氣動(dòng)阻力是貨車在行駛的過程中，由于車身上部和下部結(jié)構(gòu)差異所導(dǎo)致的上下氣流的不同而形成的直接阻礙了汽車運(yùn)行的壓強(qiáng)差。氣動(dòng)阻力由三部分組成，它們分別是摩擦阻力、形狀阻力和誘導(dǎo)阻力。形狀阻力主要與邊界層流態(tài)和脫體尾渦的出現(xiàn)等因素有關(guān)，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(jìn)的壓力與車身尾部的壓力差。氣動(dòng)阻力構(gòu)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(dòng)阻力對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣就會(huì)對(duì)貨車產(chǎn)生一個(gè)力，將這個(gè)力進(jìn)行分解，可以得到升力、側(cè)向力和阻力。當(dāng)車速在100km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)80%的動(dòng)力用來克服氣動(dòng)阻力，此時(shí)，若將空氣動(dòng)力學(xué)性能提高10%，油耗就會(huì)降低4%～5%。重量輕的汽車，特別是重心靠后的貨車，對(duì)前輪的升力特別敏感，為避免重心偏移產(chǎn)生翻車現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮升力的影響。氣動(dòng)阻力的主要影響因素為迎風(fēng)投影面積和氣動(dòng)阻力系數(shù)，研究表明，減小氣動(dòng)阻力系數(shù)，能有效減小氣動(dòng)阻力，從而明顯降低油耗。

2 貨車流場(chǎng)有限元分析

2.1 條件設(shè)定

由流體力學(xué)可知，當(dāng)馬赫數(shù)Ma

2.2 網(wǎng)格劃分

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

2.3 現(xiàn)象觀察

圖1

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

3 漩渦現(xiàn)象解釋

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

4 漩渦對(duì)貨車運(yùn)行性能的影響

貨車前后兩部分壓強(qiáng)分布不對(duì)稱就會(huì)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(nèi)部的壓強(qiáng)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(diǎn)的位置，流線體的分離點(diǎn)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(dòng)阻力的80%以上。壓差阻力越大，貨車的氣動(dòng)系數(shù)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(huì)增加氣動(dòng)阻力，從而增加貨車的能耗。同時(shí)，車尾后頂緣附近出現(xiàn)的由于氣流分離產(chǎn)生的負(fù)壓還會(huì)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(shì)，能有效減小渦流。

圖2

要改善貨車的氣動(dòng)性能，就必須控制尾部漩渦的強(qiáng)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(dòng)阻力，降低油耗。通過多次試驗(yàn)可知，三角形、雙弧形等結(jié)構(gòu)都可以有效減少漩渦的產(chǎn)生。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)貨車鈍頭式尾部產(chǎn)生的漩渦進(jìn)行了詳細(xì)的分析和解釋，通過對(duì)不同形狀的貨車尾部流場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬分析，得出通過優(yōu)化貨車尾部的結(jié)構(gòu)及形狀，不僅能改善汽車的動(dòng)力性、提高汽車的燃料經(jīng)濟(jì)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(xiàn)

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篇6

關(guān)鍵詞 高速緩沖器；模型；緩沖性能

中圖分類號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）24-0058-02

在現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展的今天，自動(dòng)化設(shè)備及機(jī)械化設(shè)備需要高速運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)的動(dòng)作；同時(shí)對(duì)設(shè)備的平穩(wěn)性、安全性要求也更加苛刻。緩沖器作為大型設(shè)備上或高速自動(dòng)化設(shè)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(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在重型機(jī)械設(shè)備、鋼鐵設(shè)備及港口機(jī)械上，隨著液壓緩沖技術(shù)的成熟和發(fā)展，緩沖器應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷地拓寬。

目前，在緩沖器的機(jī)理和特性研究方面，國內(nèi)外的研究人員對(duì)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(shù)對(duì)緩沖器的影響。但是很多是對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行分析，分析的產(chǎn)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(jí)緩沖器，采取不同腔體的壓力，進(jìn)行順序緩沖，以增大緩沖行程，但是此種緩沖器只是針對(duì)大質(zhì)量，低速度的緩沖。對(duì)于載荷質(zhì)量小、高速度的工況下，研究和分析的不多。

本文針對(duì)質(zhì)量小、高速度的緩沖器，根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，建立了動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，并分析了在緩沖過程中，緩沖力的組成，并對(duì)緩沖器的緩沖參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析討論。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論和方法的正確性，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 液壓緩沖器結(jié)構(gòu)和工作原理

1-撞頭；2-活塞桿；3-外缸；4-內(nèi)缸；5-活塞

圖1 緩沖器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。緩沖器由撞頭1，活塞桿2，外缸3，內(nèi)缸4，活塞5組成。當(dāng)物體撞擊撞頭時(shí)，活塞桿被壓縮，此時(shí)在活塞和內(nèi)缸上的阻尼孔使活塞右端的油流出進(jìn)入左腔內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生了緩沖力，同時(shí)因油流經(jīng)小孔時(shí)流速較大，產(chǎn)生紊流，使油的內(nèi)能增加，將撞擊物體的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換為油的內(nèi)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(dǎo)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(shí)由于緩沖器的作用，實(shí)現(xiàn)的是非彈性碰撞，亦即在碰撞時(shí)兩者粘在一起。經(jīng)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(jìn)，經(jīng)過此次碰撞，緩沖能量產(chǎn)生一次損失。

2.2 撞擊時(shí)的動(dòng)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(jīng)阻尼孔的時(shí)候，形成了緩沖力，這個(gè)過程較為復(fù)雜，其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 緩沖器活塞桿運(yùn)動(dòng)分析圖

圖中，m1是撞擊物體質(zhì)量，m2是活塞桿整體的質(zhì)，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(jù)模型，建立其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型方程。

· （1）

在緩沖的過程中，作用在活塞上的壓強(qiáng)為油壓和氣體被壓縮產(chǎn)生的壓強(qiáng)，因此緩沖器對(duì)撞擊物體的緩沖力為阻尼孔產(chǎn)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(jīng)過活塞上的多個(gè)阻尼孔，產(chǎn)生壓力進(jìn)而產(chǎn)生阻尼，其流量與壓力之間的表達(dá)式為：

F阻尼 （2）

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

在壓縮的過程中，氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強(qiáng)的變化，導(dǎo)致作用在油面上的壓強(qiáng)的變化。

在對(duì)本式的處理是減小活塞兩端的軸的尺寸，這樣由氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)變小，這個(gè)壓力差很小。

（3）

最終的總的緩沖力為：

（4）

3 緩沖器試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

為滿足某企業(yè)的需求，緩沖器的性能參數(shù)，沖擊質(zhì)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(jiǎn)化為只與阻尼孔產(chǎn)生的力和摩擦力有關(guān)；緩沖器內(nèi)采用46號(hào)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(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配后，對(duì)緩沖器的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容為緩沖器的靜態(tài)載荷曲線（見圖3）和動(dòng)態(tài)載荷曲線（見圖4）。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)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(shí)，緩沖力基本符合公式2的計(jì)算規(guī)律，說明在較小的相近速度下，泄流孔系數(shù)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(duì)應(yīng)的比例，說明在高速緩沖時(shí)，泄流孔系數(shù)急劇增大，導(dǎo)致緩沖力變小。

4）試驗(yàn)設(shè)施能力不足，無法對(duì)50 m/s的工件試驗(yàn)，但是可以推斷設(shè)計(jì)基本符合要求。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥;流線;流速;粘性底層;紊流核心

中圖分類號(hào):TU992文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)21-0030-04

一、存在的問題

安陽鋼廠用帶式壓濾機(jī)對(duì)高爐煤氣循環(huán)洗滌水所產(chǎn)污泥進(jìn)行脫水。由于機(jī)寬只有兩米,且此循環(huán)水濃縮倍數(shù)較高,雖pH值在一范圍內(nèi)變化,但仍時(shí)而呈酸性,時(shí)而呈堿性,因此閥門開大污水溢濺到設(shè)備主支架和軸承內(nèi),都對(duì)這些部位造成嚴(yán)重腐蝕,即使水體有時(shí)呈中性,但因濃縮倍數(shù)高,析出的鹽分以結(jié)垢方式貼附于其上,造成嚴(yán)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(zhì)不穩(wěn)定, 導(dǎo)致處理效果有時(shí)不理想, 部分污物透過濾網(wǎng)落入集水斗中, 造成排水不暢和污泥外溢泄漏, 所以,其進(jìn)料管上安裝過的旋塞閥、蝶閥、閘閥這三種手動(dòng)閥門,均在小開度下工作。使用期間,頻繁發(fā)生閥門堵塞現(xiàn)象,造成藥劑等浪費(fèi)和設(shè)備的無功磨損,閥門需經(jīng)常操作調(diào)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(zhì)概況

高爐煤氣循環(huán)洗滌水污物成分復(fù)雜,不溶解固形物含量高,濁度、色度高,經(jīng)絮凝沉淀濃縮后,此種污泥粘度大、流動(dòng)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(guān)參數(shù)也在改變,所以此種流體流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)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(nèi)牛頓、粘塑性流體的流動(dòng)及實(shí)際流速分布、流動(dòng)特性

牛頓流體流動(dòng)狀態(tài)有層、紊流兩種。此性質(zhì)對(duì)高含水率污泥也適用,實(shí)際中,流體在管或渠道內(nèi)流動(dòng),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(dá)到最大。

粘塑性流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有一固體核心,在此核心內(nèi)無相對(duì)運(yùn)動(dòng),靠近邊壁則有速度梯度,可視為粘塑性流體流動(dòng)時(shí)的粘性底層。如圖2所示:

(三)對(duì)三種閥門堵塞原因的初步分析

由于各自的結(jié)構(gòu)和流量特性不同,所以旋塞、蝶、閘閥在操作性、對(duì)流體的控制和過流性能等方面都各有所長(zhǎng)。全開啟度下,除蝶閥阻擾相對(duì)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(rèn)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(jié)構(gòu)形式雖不同,但均偏離原管路中心較遠(yuǎn)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(dòng)、疏密程度改變劇烈又嚴(yán)重,流動(dòng)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(nèi)均勻流的軸心流線也受很大程度干擾;加上節(jié)流口都對(duì)流體產(chǎn)生節(jié)流作用,致使流量減少,上游管路內(nèi)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(duì)于旋塞閥、閘閥(圖3 a、b)而言,此處有死水區(qū)和大團(tuán)旋渦產(chǎn)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(nèi)微團(tuán)線速度差異較大,速度小之處污物易發(fā)生沉積,當(dāng)死水區(qū)和旋渦區(qū)沉積物足夠大時(shí),受實(shí)際流體較大波動(dòng)的干擾和沖刷等因素的影響,會(huì)有大小不等、相對(duì)較密實(shí)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(duì)于蝶閥(圖3 c)此時(shí)有部分繞流的特征,在閥板上游流線出現(xiàn)分岔點(diǎn)(即駐點(diǎn)),此點(diǎn)流速為零,污物在此處與閥板之間易于沉積,當(dāng)沉積物體積足夠大時(shí),受實(shí)際流體較大波動(dòng)的干擾和沖刷等因素的影響,可能會(huì)出現(xiàn)較大塊或整塊污泥團(tuán)沿閥板斜面滑向相對(duì)靠下游且形狀不很理想的一節(jié)流口,若這時(shí)此節(jié)流口被堵塞,流體只能從另一側(cè)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(shí),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(duì)升高,壓力相對(duì)下降,易產(chǎn)生阻塞流。所以實(shí)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(yàn)

(一)試驗(yàn)前提及概述

由于我所在工作地點(diǎn)通過實(shí)際生產(chǎn)已確認(rèn)旋塞閥和蝶閥用于污泥調(diào)節(jié)不合適,目前只用閘閥,所以此試驗(yàn)只是通過類似的方法定性模擬閘閥和污泥閥泄空時(shí)的過流情況。因我的經(jīng)濟(jì)、居住條件及其它因素有限,所以此試驗(yàn)在家中進(jìn)行。

(二)試驗(yàn)器具、理論依據(jù)概述、測(cè)試方法過程及結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)中,污泥經(jīng)樓頂濃縮罐從底端出口排出,其排泥管與壓濾機(jī)進(jìn)料管均為DN120無縫鋼管,調(diào)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(yàn)采用三截兩端平齊,無毛刺,長(zhǎng)度為492±1mm,?準(zhǔn)50×2mm白色PVC管,實(shí)測(cè)外徑51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明內(nèi)壁光滑平直無褶皺內(nèi)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(shí)過流情況。所得試驗(yàn)用平直管總長(zhǎng)為572±1mm。污泥介質(zhì)以當(dāng)?shù)厮赝辆醋匀欢逊e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(zhì)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(zhì)為模擬高爐全檢修污泥量極少的情況?；旌蠒r(shí)撿出其中粒徑相對(duì)較大的石塊,只留一部分小砂粒,以此來模擬實(shí)際中由于結(jié)垢或較硬積泥塊對(duì)過流的影響。

試驗(yàn)所依理論由流體力學(xué)可知,相同材質(zhì)、內(nèi)壁粗糙度、內(nèi)徑、長(zhǎng)度且豎直放置的管子,其內(nèi)裝滿相同流體介質(zhì),雖放空過程中壓力水頭逐漸減小,但初始?jí)毫λ^相等,填裝流體介質(zhì)體積相等,泄空時(shí)沿程阻力也相等,所以當(dāng)?shù)锥诵箍者^流口形狀和位置不同時(shí),即便是相同的過流面積,也會(huì)因局部阻力,過流方式等不同,造成流量不等,從而泄空時(shí)間各不相等。所以此試驗(yàn)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(nèi)裝滿所配污流體介質(zhì),準(zhǔn)備就緒,突然放開泄空過流口,另一人同時(shí)快速按下秒表,當(dāng)堵塞或流完時(shí)再快速按下秒表,以這種計(jì)時(shí)的方法測(cè)定各自的泄空時(shí)間。測(cè)試結(jié)果見表1:

從表中可看出:當(dāng)介質(zhì)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(shí)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(zhì)過流速度快且過流能力穩(wěn)定;當(dāng)圓孔開在貼近管壁一側(cè),泄空時(shí)間也穩(wěn)定均勻,但時(shí)間加長(zhǎng)較明顯,說明其水力條件不是太好;模擬閘閥的單側(cè)彎月形泄空過流口,其時(shí)間已明顯加長(zhǎng)且極易堵塞很不穩(wěn)定。當(dāng)流體中雖有污雜物,但仍為牛頓流體時(shí),以中間開圓孔的泄空方式,所用時(shí)間依然較短且穩(wěn)定均勻;單側(cè)貼近管壁開圓孔,所用時(shí)間較穩(wěn)定均勻但有所加長(zhǎng);單側(cè)彎月形泄空過流口,所用時(shí)間變化幅度大,極不穩(wěn)定,當(dāng)過流面積為第一個(gè)的兩倍時(shí),其最短時(shí)間也未達(dá)到第一個(gè)所用時(shí)間的一半,況且有時(shí)所用時(shí)間已超出第一個(gè)的最長(zhǎng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)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(shí),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(nèi)側(cè)曲面雖不平整完美但基本為沙漏狀;單側(cè)出流的圓孔或彎月形孔,積泥集中在一側(cè)且有一個(gè)最高點(diǎn),此處基本與過流口正對(duì),其余以最高點(diǎn)對(duì)稱向兩邊降低。

(三)對(duì)此類似模擬試驗(yàn)的個(gè)人見結(jié)

此試驗(yàn)所配污流體介質(zhì)雖只是實(shí)際中連續(xù)變化不定的所有情況中的兩種,但我認(rèn)為有一定的代表性;對(duì)試驗(yàn)用管的加工和制作雖力求精確,但由于我制作能力、技術(shù)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(yàn)有局限性,只是一次定性的有助于分析問題的輔試驗(yàn),僅供各位讀者、前輩和同行參考。

四、相關(guān)理論依據(jù)、解決方法及設(shè)計(jì)方案

(一)理論依據(jù)

根據(jù)牛頓慣性定律可知,物體動(dòng)靜狀態(tài)下皆有此性質(zhì),流體介質(zhì)也一樣,所以當(dāng)流體經(jīng)過一段足夠長(zhǎng)直的圓管后,已具有一定慣性,理論上可認(rèn)為其流動(dòng)狀態(tài)、速度分布等已確立,屬于流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)情況。這之后,當(dāng)流體通過一調(diào)節(jié)閥,若此閥開度較小,這時(shí)會(huì)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(yuǎn),且由于慣性的存在,本要以流譜平直、流速分布均勻又對(duì)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(yuǎn)、彎曲猛烈,均勻又對(duì)稱的流速分布被破壞、發(fā)生劇烈的重新分布,易產(chǎn)生阻塞流。加上流體流經(jīng)不論尺寸為幾形狀為何的物體時(shí),在邊壁處總有無法完全消除的低流速區(qū)或粘性底層,當(dāng)為牛頓流體,發(fā)生層流或紊流處在水力光滑區(qū)時(shí),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(huì)使污物較易沉積,這會(huì)讓過流通道變窄以致過流能力下降,當(dāng)有部分沉積物受主流擾動(dòng)或沖刷等影響而脫落時(shí),可能會(huì)使下游節(jié)流口發(fā)生堵塞而喪失過流能力;當(dāng)紊流處于水力粗糙區(qū),邊壁受到?jīng)_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(dòng)加劇、受阻增大,這也可使過流能力下降;當(dāng)為粘塑性流體,因其固有的流動(dòng)特性,使得粘性底層對(duì)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(shè)計(jì)流速在閥門全開時(shí)的相關(guān)文獻(xiàn)參考數(shù)值,但當(dāng)閥門開度不同時(shí),常難滿足要求。且流體經(jīng)過節(jié)流口前后會(huì)發(fā)生旋渦、空化、水錘、死水區(qū)和二次流等水力現(xiàn)象,其中死水區(qū)和旋渦有利于流體中較重雜質(zhì)或污物的沉積,且沉積污物有一定的密實(shí)度和穩(wěn)固性,便會(huì)在與主流接觸一側(cè)形成一個(gè)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(xiàn)象對(duì)于污介質(zhì)流體而言不會(huì)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(diào)節(jié)過程中盡量使原管路內(nèi)的軸心流線不偏離中心,讓流體流經(jīng)閥門時(shí),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(jīng)閥門時(shí),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(gòu)成過流通道的接觸面積,以便減少與閥芯有關(guān)且會(huì)出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對(duì)過流能力的影響;并且利用污泥這一實(shí)際流體在死水區(qū)和旋渦處沉積有一定密實(shí)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(xiàn)象,使得實(shí)際流體在通過小開度的此污泥閥節(jié)流口時(shí)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(guān)初步分析說明

從圖中可看出:當(dāng)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(gè)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(nèi)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(chǎng)中除軸心流線的其它流線對(duì)稱地向中心收縮或以中心放散,形成以軸心流線為對(duì)稱軸,分布對(duì)稱的急變流流譜,這樣能使主流的波動(dòng)很小,流動(dòng)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(duì)稱;其效果應(yīng)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(gòu)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(shí)度和穩(wěn)固性,尤其在節(jié)流口上游產(chǎn)生沉積物的堆積,形成較穩(wěn)定的過流接觸曲面;當(dāng)在某一較小開度下,流量穩(wěn)定,主流的波動(dòng)很小且沖刷也不致將堆積沉積物破壞,此時(shí)就會(huì)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(chǎn)生的不利影響。還由于閥瓣的結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)方式,使得主流經(jīng)過節(jié)流口時(shí),與其所接觸的面積很小,從而大大減少了與閥芯有關(guān)且會(huì)出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對(duì)主流的影響。最終要達(dá)到的目的是:此污泥閥在不同開度,不同流量下,均能令實(shí)際污介質(zhì)流體順利通過,不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(三)設(shè)計(jì)方案示意圖及動(dòng)作原理

設(shè)計(jì)方案示意圖如圖5所示:

動(dòng)作原理:蝸桿1受力矩作用,繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)齒輪塊2,在圖5所示時(shí),做順或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),2的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng);在開啟狀態(tài)下閥瓣4的曲線邊一側(cè)朝向流體,曲線是為了使閥門在動(dòng)作調(diào)節(jié)時(shí),閥瓣所構(gòu)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(gòu)成的圓與內(nèi)管5的外徑所在圓,在如圖5所示時(shí),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(gè)閥瓣的上、下表面均為光滑的斜面,這是為了讓閥門在動(dòng)作調(diào)節(jié)時(shí),使閥瓣之間不會(huì)出現(xiàn)理論上所講的貫穿現(xiàn)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(gòu)想完畢, 但尚未造出實(shí)際物體,對(duì)于易堵塞介質(zhì)流體, 目前所采用的辦法是選擇可調(diào)性最佳、最理想的孔形,是在所有開度時(shí),能成為方形或等邊三角形。所以此閥門設(shè)計(jì)的過流孔形不僅所有開度時(shí),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(shè)計(jì)核心思想及初衷應(yīng)是較為合理和正確的,應(yīng)能解決污介質(zhì)流體易在閥門處堵塞這一實(shí)際問題;并且此解決方法和設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性已得到理論上的證明,并注冊(cè)了專利,已獲證書。

參考文獻(xiàn)

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篇8

【關(guān)鍵詞】進(jìn)氣道；模型；仿真

1.引言

進(jìn)氣道氣流流動(dòng)狀態(tài)最終直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性以及動(dòng)力性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的理論研究和實(shí)際工程的設(shè)計(jì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究者的重要課題之一。傳統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)流程是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上的反復(fù)試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)開發(fā)中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設(shè)計(jì)開發(fā)期長(zhǎng)，耗費(fèi)大，而且較難得到理想的方案。通過對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的三維數(shù)值模擬計(jì)算，可獲得流量系數(shù)，氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動(dòng)特性（包括流量數(shù)等）的關(guān)系，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

2.工作流程

工作流程如圖1所示?；究刂品匠掏ǔ０ㄙ|(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)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(duì)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(biāo)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(zhǎng)度為170mm。在進(jìn)氣道進(jìn)口處增加一個(gè)穩(wěn)壓箱，作用時(shí)使進(jìn)氣道入口處的氣流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，這樣便在計(jì)算入口邊界條件中施加了一個(gè)穩(wěn)定的壓力條件。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道如圖2所示，氣缸簡(jiǎn)化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進(jìn)氣道-氣門-氣缸如圖4所示，最終計(jì)算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網(wǎng)格，在穩(wěn)壓箱及氣缸內(nèi)采用六面體網(wǎng)格，在進(jìn)氣道、氣門、氣缸蓋處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這樣既節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，又解決了進(jìn)氣道處外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)的網(wǎng)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(jìn)氣道-氣門-氣缸蓋所在空間創(chuàng)建BODY命名為L(zhǎng)IVE1并保證該點(diǎn)在各個(gè)棉所圍成的空間內(nèi)，如圖6所示。由于四面體網(wǎng)格生成是以BODY為單位進(jìn)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(yīng)本部分體積結(jié)構(gòu)。并在此部分生成六面體網(wǎng)格，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。生成四面體網(wǎng)格。生成四面體網(wǎng)格時(shí)需要對(duì)邊界處進(jìn)行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數(shù)法有效，如圖7所示。

圖6 創(chuàng)建PART及BODY 圖7 生成的網(wǎng)格

網(wǎng)格數(shù)目、類型及體積如表1所示。

4.氣道模擬仿真結(jié)果與分析

圖8是當(dāng)氣門升程為8mm時(shí)，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(huì)造成缸內(nèi)混合不均勻，極大的影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能機(jī)動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)以上地方進(jìn)行修改。圖中4處氣流與氣門頭部發(fā)生碰撞，氣流流動(dòng)方向發(fā)生改變，并消耗了氣流流動(dòng)動(dòng)能。其流動(dòng)能的減小與流動(dòng)方向的變化導(dǎo)致4處氣流速度減小。在三維建模時(shí)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(dāng)氣門升程為8mm時(shí)，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(duì)進(jìn)氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進(jìn)氣道其他位置速度要大。氣門下方有兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的滾流。

圖9 截面a的速度等值線云圖

5.結(jié)論

運(yùn)用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門-氣缸實(shí)體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門一氣缸在內(nèi)的計(jì)算域網(wǎng)格，利用Ansys對(duì)Auto CAD建立好的計(jì)算模型劃分網(wǎng)格，進(jìn)行三維模擬計(jì)算。通過三維數(shù)值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進(jìn)行優(yōu)化，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

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篇9

為了便于對(duì)過程流體機(jī)械教學(xué)方法實(shí)施教學(xué)改革，滿足工程教育的要求，對(duì)過程流體機(jī)械課程的特點(diǎn)進(jìn)行分析。理論性強(qiáng)，需要良好的基礎(chǔ)知識(shí)要想較好地學(xué)習(xí)過程流體機(jī)械專業(yè)課程，學(xué)生不僅需具備扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（如流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、理論力學(xué)以及材料力學(xué)知識(shí)），還需具備良好的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（如機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等）。對(duì)于以“講授”為主的傳統(tǒng)的教學(xué)方法而言，學(xué)生要想在課堂上完全理解教師講授的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，緊跟教師的備課思路，就必須對(duì)這些現(xiàn)行課程有良好的認(rèn)識(shí)和理解。專業(yè)性強(qiáng)，內(nèi)容復(fù)雜、繁多過程流體機(jī)械專業(yè)課程涉及的內(nèi)容非常廣泛，包括機(jī)構(gòu)原理、熱力學(xué)計(jì)算、流體力學(xué)原理、動(dòng)力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、故障診斷、總體方案設(shè)計(jì)與選型等。每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)似乎都涉及一門獨(dú)立的基礎(chǔ)課或者專業(yè)課程。如果學(xué)生沒有充分的準(zhǔn)備，聽課時(shí)似乎很難對(duì)教師講授的知識(shí)做出敏捷的反應(yīng)，極大地影響課堂的互動(dòng)氣氛。知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系過程流體機(jī)械專業(yè)課程涉及的知識(shí)點(diǎn)與工程生產(chǎn)實(shí)踐緊密聯(lián)系，其理論水平遠(yuǎn)高于實(shí)際，可用于指導(dǎo)流體機(jī)械在企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的穩(wěn)定操作和運(yùn)行，以及機(jī)器的技術(shù)改造與新機(jī)型的開發(fā)。課程講授過程中需要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)和能力。結(jié)合課程的學(xué)習(xí)，勢(shì)必要學(xué)生開展一定的工程訓(xùn)練，以加強(qiáng)學(xué)生的工程觀念，讓學(xué)生做到實(shí)踐與理論相結(jié)合，以及理論與實(shí)踐相結(jié)合。

2過程流體機(jī)械課程教學(xué)存在的問題

鑒于傳統(tǒng)教學(xué)的陋習(xí)和目前本科教學(xué)改革的深入，導(dǎo)致目前過程流體機(jī)械教學(xué)方法的弊病不斷暴露出來?；A(chǔ)知識(shí)欠缺不可否認(rèn)的是，隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，一些非常重要的基礎(chǔ)課程（如工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)）由于學(xué)時(shí)短缺而被逐漸砍掉。有的課程（如流體力學(xué)）雖在開設(shè)，但由于學(xué)時(shí)短或?yàn)檫x修課程，得不到足夠的重視，學(xué)習(xí)效果不理想，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程流體機(jī)械課程時(shí)，學(xué)生連最基本的概念（如內(nèi)能、焓、熵等）都不知道，當(dāng)涉及一些運(yùn)用基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)來理解工程問題時(shí)感到非常吃力。這就導(dǎo)致以講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法很難適應(yīng)目前的教學(xué)形勢(shì)，而且教學(xué)效果不佳，出現(xiàn)死記硬背、不善于理解應(yīng)用的學(xué)習(xí)局面。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱似乎是工程教學(xué)的通病[7]。實(shí)踐教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）等環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生的必備環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生工程意識(shí)與能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。對(duì)于工程性極強(qiáng)的過程流體機(jī)械課程而言，實(shí)踐環(huán)節(jié)尤為重要。然而目前普遍存在一些問題。1）實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)。就本專業(yè)的實(shí)習(xí)而言，目前主要集中于化工設(shè)備制造廠和化工產(chǎn)品生產(chǎn)車間的參觀和學(xué)習(xí)，基本上忽略了有關(guān)流體機(jī)械制造廠的參觀和學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)流體機(jī)械沒有感官認(rèn)識(shí)。而且實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)在不斷縮減，目前僅開設(shè)往復(fù)壓縮機(jī)示功圖測(cè)試和高速轉(zhuǎn)子靜平衡兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。離心泵汽蝕實(shí)驗(yàn)被砍掉，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)離心泵主要性能得不到很好的理解。2）畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)。鑒于一系列原因（比如工程熱力學(xué)知識(shí)的欠缺、有關(guān)流體機(jī)械書籍和標(biāo)準(zhǔn)的缺乏），目前絕大多數(shù)畢業(yè)課題僅局限于化工設(shè)備設(shè)計(jì)，基本上很少布置有關(guān)流體機(jī)械課程方面的畢業(yè)課題。這嚴(yán)重限制了學(xué)生對(duì)流體機(jī)械課程的進(jìn)一步理解和工程應(yīng)用能力的鍛煉。課程評(píng)價(jià)存在問題由于課程學(xué)時(shí)的縮減，目前過程流體機(jī)械課程評(píng)價(jià)基本上是“一錘定音”——期末考試，忽略了大作業(yè)的訓(xùn)練和熱點(diǎn)研究方向文獻(xiàn)的閱讀和總結(jié)。這種考核方式不能實(shí)事求是地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解，更談不上運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問題的能力。因此，教師也很難及時(shí)對(duì)教學(xué)存在的問題給予修正和彌補(bǔ)。

3過程流體機(jī)械課程教法改革思路

眾所周知，教學(xué)方法并不是一成不變的，它隨著社會(huì)的進(jìn)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(shí)期，工程教育從工程實(shí)際技術(shù)教育過渡到工程科學(xué)教育，這就要求涉及工程教育的教學(xué)方法也必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改革。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是單向性的，類似“學(xué)徒式”的教育，即以教師的“教”為主，學(xué)生只是被動(dòng)地接受教學(xué)內(nèi)容。這種教育方式僅適用于以技術(shù)教育為主的工程教育，很難適應(yīng)以科學(xué)教育為主的工程教育方式。為此，發(fā)展了以學(xué)生為中心，積極主動(dòng)的、學(xué)習(xí)式的教學(xué)方法，即將學(xué)生視為教師的角色[8]。學(xué)生能夠從教學(xué)活動(dòng)過程中隱性地獲取知識(shí)，而教師主要的任務(wù)是開展有效的指導(dǎo)。教師和學(xué)生的角色界限模糊，二者有效地完成自身的任務(wù)，即教師良好的教學(xué)任務(wù)、學(xué)生有效的學(xué)習(xí)任務(wù)。過程流體機(jī)械課程教學(xué)方法的改革正是沿著該思路進(jìn)行的。針對(duì)過程流體機(jī)械課程教學(xué)存在的問題，同時(shí)為了適應(yīng)現(xiàn)階段工程教育的目的，下面從課程的準(zhǔn)備、課程的講授和課程效果評(píng)價(jià)三個(gè)階段提出相應(yīng)的改革措施。課程準(zhǔn)備首先，為了有效地完成教學(xué)任務(wù)，教師必須全面深入地理解教學(xué)內(nèi)容。這必然要求教師大量查閱和學(xué)習(xí)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的資料（如與過程流體機(jī)械有關(guān)的國內(nèi)外專著和書籍），彌補(bǔ)所選教材的缺點(diǎn)。查閱資料時(shí)，教師必須注意角色的轉(zhuǎn)換，查閱資料是為了更有效、更準(zhǔn)確、更生動(dòng)地給學(xué)生講解，而不是為了個(gè)人學(xué)習(xí)。教師通過大量地閱讀文獻(xiàn)，將教學(xué)內(nèi)容給予重新組織和編排，以最合理的順序?qū)⒔虒W(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生理解接受，而不是照本宣科。其次，教師備課時(shí)要充分了解學(xué)生前期課程的學(xué)習(xí)情況，從而合理安排教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)存在的問題，避免影響學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)的理解；同時(shí)教師要了解學(xué)生個(gè)體在前期課程學(xué)習(xí)上存在的差異，這樣分組討論學(xué)習(xí)時(shí)便于優(yōu)良搭配，學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)，克服個(gè)人因前期課程學(xué)習(xí)不足而對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)理解帶來的障礙。再次，鑒于當(dāng)前的教學(xué)方法，以引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(shí)要制訂引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方案。對(duì)教師備課提出更高的要求，教師課前要告知學(xué)生：1）每節(jié)課要學(xué)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)；2）理解知識(shí)點(diǎn)需具備的基礎(chǔ)知識(shí)；3）學(xué)生需要查閱的書籍和準(zhǔn)備的內(nèi)容；4）本節(jié)課內(nèi)容在課程中和工程實(shí)際中的重要程度?？梢哉f，備課是否充分直接決定了教學(xué)是否成功，因此，備課必須要做到備內(nèi)容、備學(xué)生和備方法。課堂學(xué)習(xí)課堂學(xué)習(xí)是教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了教學(xué)效果的好壞。課堂教學(xué)，不是以教師單向傳輸為主的教學(xué)，而是教師根據(jù)備課時(shí)制訂的教學(xué)方案，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地討論教學(xué)內(nèi)容，避免學(xué)生消極被動(dòng)地思考教師到底在講或者要講什么內(nèi)容。教師通過學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容積極主動(dòng)地討論，發(fā)現(xiàn)和記錄教學(xué)存在的不足，便于課后進(jìn)一步的思考、改進(jìn)和反饋。教師上課時(shí)應(yīng)做到：1）上課時(shí)，教師首先要給出本節(jié)課主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)；2）教師要給出每節(jié)課的“引子”，提出問題，并組織學(xué)生討論，評(píng)價(jià)每組學(xué)生給出的討論結(jié)果；3）最后教師要給出總結(jié)，要評(píng)價(jià)本節(jié)課程內(nèi)容在工程實(shí)際應(yīng)用中的重要性；4）對(duì)于難以理解的、抽象的概念，教師要引導(dǎo)學(xué)生與日常生活聯(lián)系起來，使之形象化，便于學(xué)生理解。比如“余隙容積”這個(gè)概念，如果僅是書上給出的解釋“活塞行至終端止點(diǎn)時(shí)氣缸剩余的容積”，學(xué)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(duì)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(píng)價(jià)教學(xué)活動(dòng)的最終環(huán)節(jié)是評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過教學(xué)評(píng)價(jià)，教師一方面可以了解每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度，發(fā)現(xiàn)和思考教學(xué)存在的問題，便于及時(shí)反饋；另一方面能夠了解學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的情況。為了保證教學(xué)質(zhì)量，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況和對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用情況，課程的評(píng)價(jià)應(yīng)從多個(gè)角度出發(fā)，絕不能是僅以考試為基準(zhǔn)“一錘定音”。為此，教師應(yīng)從兩個(gè)方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。1）對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的評(píng)價(jià)。通過課堂上觀察學(xué)生的一系列反應(yīng)，如面部表情、提出的問題，及時(shí)了解學(xué)生存在的問題，并給予及時(shí)的解釋和補(bǔ)充；另一方面通過作業(yè)、課程考試來綜合評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和理解情況，便于教師在以后的教學(xué)中調(diào)整和彌補(bǔ)不足的地方和存在的問題。特別是學(xué)生提出的問題非常重要，一方面，可以測(cè)試教師對(duì)內(nèi)容的理解程度；另一方面，教師可以了解學(xué)生存在的困惑，明白師生間對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解存在的偏差和分歧。教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的問題積極反思，對(duì)教學(xué)內(nèi)容給予重新編排和闡釋，以便改進(jìn)教師本身對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。2）對(duì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力的評(píng)價(jià)，可以通過實(shí)訓(xùn)、大作業(yè)、課程設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式進(jìn)行，并將存在的問題匯總和分析，彌補(bǔ)教學(xué)存在的問題?？傊虒W(xué)評(píng)價(jià)是個(gè)連續(xù)的過程，合理的教學(xué)評(píng)價(jià)是為了保證教學(xué)質(zhì)量和促進(jìn)教學(xué)改革，而不僅僅是為了給學(xué)生一個(gè)“成績(jī)”。

4教學(xué)改革對(duì)工程教育的促進(jìn)

簡(jiǎn)單的講，通過上述教學(xué)方法的運(yùn)用和實(shí)施，學(xué)生獲得的技能基本能滿足工程教育的要求。具體體現(xiàn)在：1）通過對(duì)所學(xué)內(nèi)容的思考、提問和討論，學(xué)生獲得了良好的交流技術(shù)；2）通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)備和講解，學(xué)生具備了一定的職業(yè)責(zé)任感；3）通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容和大作業(yè)的分組準(zhǔn)備和討論，教學(xué)在團(tuán)隊(duì)內(nèi)相互進(jìn)行，學(xué)生改進(jìn)和具備了一定的團(tuán)隊(duì)合作精神；4）通過“教”這一環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選和重組，增加了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，拓寬了學(xué)生的視野；5）通過一定的工程訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)待工程的態(tài)度和信心發(fā)生積極的變化，增加了對(duì)工程設(shè)計(jì)過程的理解；6）通過學(xué)生自己對(duì)知識(shí)的準(zhǔn)備和理解，學(xué)生掌握了學(xué)習(xí)方法，具備了終身學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。

5結(jié)束語

篇10

Liu Ronge； Hu Shushan

（內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院，鄂爾多斯 017000）

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

摘要： 文中結(jié)合教學(xué)研究型大學(xué)本科培養(yǎng)目標(biāo)及液壓傳動(dòng)課程的自身特點(diǎn)，主要從教學(xué)內(nèi)容的整合、教學(xué)方法和教學(xué)手段的優(yōu)化兩個(gè)角度， 對(duì)“液壓傳動(dòng)與控制”課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，以進(jìn)一步提高液壓傳動(dòng)與控制課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)應(yīng)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(guān)鍵詞： 液壓 教學(xué)方法 教學(xué)設(shè)計(jì) 創(chuàng)新能力

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

中圖分類號(hào)：G42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）27-0183-02

0引言

液壓傳動(dòng)與控制是機(jī)械類、交通運(yùn)輸類、自動(dòng)化類各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于其自身的特點(diǎn)，使其在現(xiàn)代冶金機(jī)械、礦山機(jī)械、車輛工程等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

該課程理論性、系統(tǒng)性、邏輯性都很強(qiáng)，內(nèi)容較抽象，學(xué)生學(xué)起來有一定難度。因此，如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生聽懂、學(xué)會(huì)，使其成為國家建設(shè)和社會(huì)發(fā)展所需的高水平液壓人才，是進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題之一。

文章結(jié)合教學(xué)研究型大學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程自身特點(diǎn)，對(duì)液壓傳動(dòng)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1優(yōu)化課程體系，調(diào)整課程內(nèi)容

教學(xué)研究型大學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)與研究型大學(xué)培養(yǎng)的研究型和教學(xué)型大學(xué)培養(yǎng)的應(yīng)用型、實(shí)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(fù)合知識(shí)、有較強(qiáng)創(chuàng)新能力、研究潛力和實(shí)踐能力的應(yīng)用型和復(fù)合型高級(jí)人才。

液壓傳動(dòng)及控制作為一門具有很強(qiáng)工程應(yīng)用背景的專業(yè)必修課，旨在培養(yǎng)學(xué)生在掌握液壓傳動(dòng)與控制理論的基礎(chǔ)上，能分析和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，切實(shí)做到理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)有所用。同時(shí)，隨著液壓技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓傳動(dòng)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(nèi)容不斷拓展和更新，教材知識(shí)量顯著增加。所以，如何根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)，科學(xué)地選取教學(xué)內(nèi)容并進(jìn)行有機(jī)整合，是教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

1.1 課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)模塊化本課程主要包括液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，組成系統(tǒng)各類元件的結(jié)構(gòu)、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(diǎn)等。針對(duì)課程的內(nèi)容和教學(xué)研究型大學(xué)的本科培養(yǎng)目標(biāo)作如下調(diào)整：

打破現(xiàn)有教材按章節(jié)劃分的結(jié)構(gòu)，按模塊重組教材內(nèi)容，將教學(xué)內(nèi)容重新組合成4個(gè)模塊，即流體力學(xué)基礎(chǔ)理論模塊、液壓元件模塊、液壓系統(tǒng)模塊以及液壓系統(tǒng)的測(cè)試與故障診斷模塊。將各個(gè)模塊的教學(xué)課時(shí)重新分配，重點(diǎn)放在液壓系統(tǒng)模塊和液壓系統(tǒng)的測(cè)試與故障診斷模塊上。這樣通過大量實(shí)例分析可以更好地把零散的液壓知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來，得以靈活應(yīng)用；在選擇典型液壓系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)有所側(cè)重，如我校液壓課程的授課對(duì)象主要是交通運(yùn)輸專業(yè)（載運(yùn)工具運(yùn)用工程方向），所以在液壓系統(tǒng)的選擇上主要介紹汽車典型液壓系統(tǒng)。液壓流體力學(xué)理論基礎(chǔ)模塊主要要求學(xué)生掌握理論概念和主要公式的運(yùn)用，講清其來源、變化、物理意義、實(shí)用范圍及局限性，刪減冗長(zhǎng)的理論闡述和公式推導(dǎo)計(jì)算過程；對(duì)液壓元件模塊，以各液壓元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合為重點(diǎn)，進(jìn)而能夠正確選用各類液壓元件。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)同步化加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，推行多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在課堂的理論教學(xué)過程中，通常以分析各元件及控制回路的工作原理為重點(diǎn)，工作原理圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，但很難與實(shí)物結(jié)構(gòu)相一致，學(xué)生在實(shí)際操作中仍會(huì)感到很盲目，造成理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)。若使教學(xué)過程中的理論知識(shí)和實(shí)踐操作同步進(jìn)行，可以及時(shí)解決學(xué)生的困惑，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和鞏固，同時(shí)也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。另一方面在條件允許的情況下，可以增加液壓系統(tǒng)調(diào)試及性能分析等綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，也可以借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，嘗試建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成開放式實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生自己設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)并評(píng)價(jià)自己的設(shè)計(jì)方案，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高創(chuàng)新能力。這樣也可以解決多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)缺乏，實(shí)驗(yàn)器材數(shù)量有限，而招生規(guī)模不斷擴(kuò)大的矛盾。

我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)共分兩個(gè)層次：認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)和綜合訓(xùn)練型實(shí)驗(yàn)。認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)應(yīng)元件模塊設(shè)置的拆裝實(shí)驗(yàn)及性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；綜合訓(xùn)練型實(shí)驗(yàn)是針對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建和性能分析實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排在對(duì)應(yīng)理論教學(xué)內(nèi)容之后，這樣有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的及時(shí)理解和鞏固。通過實(shí)驗(yàn)，不但綜合了教學(xué)內(nèi)容、驗(yàn)證了理論，而且使學(xué)生能夠通過具體的方案、裝配和調(diào)試分析等，建立完整的工程實(shí)施理念，能有效地激發(fā)學(xué)生尋求解決問題的方案和方法。

1.3 課程體系實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌化《液壓傳動(dòng)及控制》課程不是孤立的，它與機(jī)械設(shè)計(jì)、電工電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、數(shù)控技術(shù)等機(jī)械類、電氣控制類課程緊密相關(guān)，把這些課程貫穿起來，成為一條線的系統(tǒng)教學(xué)，既有利于液壓傳動(dòng)技術(shù)與先進(jìn)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，又有利于學(xué)生創(chuàng)新能力和工程觀點(diǎn)的培養(yǎng)。同時(shí)，又可促進(jìn)基礎(chǔ)理論教學(xué)，有利于教學(xué)與科研相結(jié)合。因此，在進(jìn)行課程體系設(shè)置時(shí)要考慮各門課程之間的前后關(guān)系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌安排。

另一方面，在教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)模塊化的基礎(chǔ)上，也要注意各模塊之間的銜接性，建立由個(gè)別到局部，由局部到整體的課程體系。由基礎(chǔ)理論到液壓元件再到液壓基本回路及液壓系統(tǒng)，由點(diǎn)到面、以面促點(diǎn)最終達(dá)到讀懂、分析和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的目的[1]。

2改革教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)手段

液壓傳動(dòng)與控制課程具有很強(qiáng)的抽象性和實(shí)踐性。同時(shí)由于液壓元件具有封閉性，很難觀察了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，閥芯運(yùn)動(dòng)、閥口啟閉等工作情況，所以在進(jìn)行液壓元件結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、工作原理及分析液壓油路的教學(xué)時(shí)，枯燥乏味、抽象難懂，學(xué)生興趣索然。所以，如何實(shí)現(xiàn)化難為易、化繁為簡(jiǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性是教學(xué)方法和手段選擇中需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。

2.1 教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)多元化在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)元件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，教學(xué)內(nèi)容比較抽象。通過采用多媒體技術(shù)可以將聲音、圖像及視頻媒體相結(jié)合，產(chǎn)生生動(dòng)活潑的效果，結(jié)合教師的講解，學(xué)生就容易明白。例如，在介紹換向閥工作原理時(shí)，利用動(dòng)畫演示閥芯的動(dòng)作和油路的連通及油液流向、油缸兩腔進(jìn)回油路確定后油缸的運(yùn)動(dòng)方向等，同時(shí)作相應(yīng)的解釋說明[2]；再輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生就可以輕松的掌握所學(xué)知識(shí)。另一方面教師在講解過程中要強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出規(guī)律，通過比較、分析、歸納提高學(xué)生綜合理解能力，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加強(qiáng)記憶能力。

2.2 教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)多樣化教學(xué)方法多種多樣，采用哪種教學(xué)方法，應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)來制定，無論采用哪種教學(xué)方法，均應(yīng)有利于教學(xué)組織安排，有利于學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，掌握所學(xué)的知識(shí)。如在講述緒論部分時(shí)，根據(jù)其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)可以采用發(fā)現(xiàn)教學(xué)法，即學(xué)生根據(jù)教師及書籍提供的資料，在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行思考，從而自己總結(jié)出一定的原理和結(jié)論的教學(xué)方法。這部分可以列舉一些生產(chǎn)、生活中常見的實(shí)例。如液壓千斤頂、起重機(jī)、挖掘機(jī)、磨床等，把這些實(shí)例的工作過程通過一些影象資料演示給學(xué)生，以展示液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出其優(yōu)點(diǎn)，如傳遞的動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能方便地實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速和自動(dòng)控制等。

通過進(jìn)一步分析實(shí)例的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出液壓系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理。在液壓元件的學(xué)習(xí)中，改變傳統(tǒng)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(xué)即用，提高教學(xué)效率。在講解回路的過程中，可以安排學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)通過分析思考進(jìn)行分組討論的教學(xué)方法，經(jīng)過討論一方面可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)盲點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象和理解，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力。

3拓展知識(shí)內(nèi)容，開闊學(xué)生視野

隨著制造和控制技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求越來越高，為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展對(duì)人才的需求，在課堂教學(xué)過程中，盡量安排一定時(shí)間介紹本課程涉及的相關(guān)理論的研究概況和發(fā)展動(dòng)態(tài)，如液壓技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)、國內(nèi)外液壓元件的研制情況、國內(nèi)液壓技術(shù)存在的主要問題、與國外先進(jìn)水平的差距、國內(nèi)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(dòng)技術(shù)的研究、發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)瓶頸及其在核能、海洋、消防、水力噴射等方面的應(yīng)用，國內(nèi)國際最新的科學(xué)技術(shù)及學(xué)術(shù)觀點(diǎn)等等。這樣可使學(xué)生了解液壓技術(shù)的進(jìn)展及前沿，不僅提高了學(xué)生的興趣，同時(shí)為學(xué)生今后進(jìn)一步深造和從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

4結(jié)論

本文主要結(jié)合當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)學(xué)生能力的要求、教學(xué)研究型本科高校的培養(yǎng)目標(biāo)以及液壓傳動(dòng)與控制的課程特點(diǎn)，就如何提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握和應(yīng)用能力以適應(yīng)社會(huì)需求，主要從教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方法手段的實(shí)施等角度對(duì)液壓傳動(dòng)與控制課程的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)探討。

參考文獻(xiàn)：