導(dǎo)語：如何才能寫好一篇流體動力學(xué)模擬理論，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

（一）理論教學(xué)內(nèi)容

在理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方面，可以將理論教學(xué)內(nèi)容分為基本理論模塊、專業(yè)關(guān)聯(lián)模塊、理論拓展模塊、創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊四個模塊。這四個模塊分別具有以下的含義：（1）基本理論模塊：由流體動力學(xué)這門課程中最基本的理論、技能構(gòu)成，具有通識性。（2）專業(yè)關(guān)聯(lián)模塊：由流體動力學(xué)這門課程中與專業(yè)直接關(guān)聯(lián)內(nèi)容，或者與后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)的，利用基礎(chǔ)理論解決實際問題的理念和方法構(gòu)成，是體現(xiàn)流體動力學(xué)這門課程，起到從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用橋梁作用的主要模塊。（3）理論拓展模塊：由流體動力學(xué)這門課程中與本專業(yè)關(guān)聯(lián)度相對較小，但是概念更抽象、難度更大，有利于拓寬學(xué)生知識面、培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力的內(nèi)容構(gòu)成。（4）創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊：由流體動力學(xué)這門課程中有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的思維、創(chuàng)新的技能、創(chuàng)新的理論研究方法，甚至有利于人文素質(zhì)教育的內(nèi)容構(gòu)成。模塊的劃分應(yīng)細(xì)化到每一個章節(jié)，并且明確在每個章節(jié)的權(quán)重，這樣可使教師明確地把握每一個章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)。同時，學(xué)生也能夠掌握每一個章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。如果學(xué)生在某一章節(jié)學(xué)習(xí)上出現(xiàn)問題，教師和學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)是在哪個模塊上出現(xiàn)了問題，這有利于教師及時改進(jìn)教學(xué)方法，學(xué)生及時改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，及時解決問題，不至于出現(xiàn)問題堆積，影響學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)的情況。而且，我們也應(yīng)注意到，針對教材而言，每一章節(jié)的內(nèi)容與內(nèi)容之間都有著承上啟下、相互關(guān)聯(lián)的特點，當(dāng)然，各章節(jié)之間也有一定聯(lián)系，在理論以及涉及的概念的深度方面也是逐步遞增的。因此，在講授過程中，還應(yīng)注意同一內(nèi)容多模塊化，以及模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，明確模塊之間的關(guān)聯(lián)點，而不能將模塊孤立化，往往造成只見樹木、不見森林的不良后果，使學(xué)生對每一部分的內(nèi)容都了解得透徹，但由于不了解相互之間的關(guān)系，從而限制本課程學(xué)習(xí)過程中的理論拓展。例如：在講授“描述流體運動的兩種方法”的過程中，涉及兩個內(nèi)容：拉格朗日法和歐拉法?；诒疚牡慕虒W(xué)內(nèi)容模塊化思想。拉格朗日法”內(nèi)容構(gòu)成基本理論模塊，而“歐拉法”內(nèi)容具有兩種模塊形式：基本理論模塊和創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊。其構(gòu)成的原因有：（1）“歐拉法”不研究個別質(zhì)點的運動規(guī)律，而對流場進(jìn)行分析和計算，它是流體動力學(xué)理論研究和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)；（2）“歐拉法”的提出是創(chuàng)新思想的體現(xiàn)，因為它超越了常規(guī)的描述固體運動的思維方法，“歐拉法”是基于“拉格朗日法”的換位思考，而它的意義卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“拉格朗日法”。在這部分內(nèi)容的講授中，要注意模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，明確“拉格朗日法”與“歐拉法”的關(guān)系，使學(xué)生能深入地理解“歐拉法”的思想以及相關(guān)的概念，為課程后續(xù)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。另一方面，可以針對學(xué)生的特點，借助“歐拉法”的換位思考法，起到培養(yǎng)學(xué)生人文素質(zhì)的作用，引導(dǎo)學(xué)生采用換位思考方法，正確地面對人生的問題，使自己的人生觀和道德觀得到升華。

（二）實驗教學(xué)內(nèi)容

由于流體動力學(xué)的研究方法主要有理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三種，其中實驗是學(xué)生應(yīng)用理論解決實際問題，進(jìn)一步加深對概念理解的重要環(huán)節(jié)。因此，在流體動力學(xué)的理論教學(xué)中，應(yīng)注意融入實驗教學(xué)的思想?；诖?，將實驗教學(xué)內(nèi)容分為必做實驗?zāi)K、選做實驗?zāi)K、自行設(shè)計實驗?zāi)K三個模塊。這三個模塊分別具有以下的含義：（1）必做實驗?zāi)K：由傳統(tǒng)驗證實驗構(gòu)成。（2）選做實驗?zāi)K：由教師設(shè)計的實驗，或者與流體動力學(xué)課程相關(guān)的科研實驗構(gòu)成。（3）自行設(shè)計實驗?zāi)K：由學(xué)生自行設(shè)計的實驗構(gòu)成。其中，在選做實驗?zāi)K的實施過程中，關(guān)鍵是注意了解學(xué)校與流體動力學(xué)課程相關(guān)的科研實驗臺架和主要的科研實驗內(nèi)容，優(yōu)化整合實驗教學(xué)資源。針對大部分高校現(xiàn)有的條件，在自行設(shè)計實驗?zāi)K的實施過程中具有一定的難度，但是可考慮利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)“虛擬實驗”，或者采用針對個別學(xué)生實施這部分實驗，然后再增加學(xué)生人數(shù)，逐步實現(xiàn)這一實驗?zāi)K的教學(xué)。

二、教學(xué)方法手段

理論教學(xué)過程中以多媒體教學(xué)手段為主，多媒體課件的制作應(yīng)結(jié)合本課程的教學(xué)規(guī)律，符合實際需要，將理論問題形象化，并注意將理論教學(xué)融入實驗教學(xué)和數(shù)值模擬的思想。例如，“雷諾實驗”這部分內(nèi)容的理論教學(xué)中，多媒體的制作可采用動畫的形式演示實驗的基本過程和結(jié)果，將層流和紊流兩種流態(tài)形象地表現(xiàn)出來。同時，可以借助實際工程中的數(shù)值模擬結(jié)果，更形象地反映這兩種流態(tài)的特點和工程實際的應(yīng)用。這樣既說明了實驗和數(shù)值模擬之間相輔相成，又將實驗教學(xué)和數(shù)值模擬的思想融入理論教學(xué)中，由此起到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力的作用。

三、考核方式方法

由于考核的目的在于助學(xué)和改進(jìn)教學(xué)方法。因此，本課程的考核應(yīng)在一定程度能夠發(fā)揮學(xué)生的主體作用，這樣有利于良好教學(xué)氛圍的營造，有利于師生雙向的交流。具體的考核方式有多種，綜合的考核方式應(yīng)該更合理，但操作起來也更復(fù)雜，可以采用先試點后鋪開的途徑。目前，大多數(shù)高校主要采用平時成績和期末成績綜合考核的方法。平時成績通常包括考勤、作業(yè)、實驗。平時成績的考核應(yīng)是考核中最重要的內(nèi)容，它是教師及時了解學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)狀況、把握教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。其中作業(yè)內(nèi)容的設(shè)計和要求是不可忽視的，例如，可以采用必做題、選做題，不是盲目地采用題海戰(zhàn)術(shù)，這有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，同時使學(xué)生對每一章節(jié)的學(xué)習(xí)有的放矢。對作業(yè)中的解題步驟和圖的繪制都應(yīng)該有明確的要求，這樣有利于工程師卓越素質(zhì)的培養(yǎng)?？傊?，平時成績的考核注重調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)工程師卓越素質(zhì)，同時培養(yǎng)學(xué)生利用知識分析問題的能力和創(chuàng)新能力，在考核內(nèi)容設(shè)計方面應(yīng)該是考核目的的體現(xiàn)。

四、結(jié)語

篇2

關(guān)鍵詞：中國水墨畫；流體動力學(xué)；數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）07-1699-05

中國水墨畫源遠(yuǎn)流長，有著樸素抽象、注重神似的畫風(fēng)，其影響至日本、韓國、東南亞一帶，在東方乃至全世界都自成體系，可以說是東方文化的象征與瑰寶[1]。

西方的油畫、水彩畫等在繪制工具、表現(xiàn)技法上與中國水墨畫有著本質(zhì)不同。西方的繪畫更理性，它遵循嚴(yán)格的透視原理及光學(xué)原理，以寫實為主，追求“形似”。而中國水墨畫在表現(xiàn)手法上往往不遵守客觀規(guī)律，其更注重神似。正是由于這些差異，使得現(xiàn)有的關(guān)于西方繪畫藝術(shù)的仿真方法無法直接應(yīng)用于水墨畫的模擬[2]。如何運用邏輯嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的計算機(jī)技術(shù)對極為隨意揮灑的中國水墨畫進(jìn)行仿真研究是極具挑戰(zhàn)性的課題。

目前，對中國水墨畫的仿真方法可分為兩類：基于物理建模的方法和面向藝術(shù)效果的方法[3]。該文研究的是采用物理建模的方法對水墨畫進(jìn)行仿真。該文在Curtis[4]的研究基礎(chǔ)上，提出了水墨畫運移、傳輸?shù)娜龑幽Ｐ?，并將流體動力學(xué)理論引入水墨粒子在淺水層、墨粒沉積層以及毛細(xì)作用層的運移和傳輸規(guī)律的研究，通過Helmholtz-Hodge 分解，求解基于Navier-Stokes偏微分方程組的水墨運動模型。以此作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)了一個交互式的數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)。

1 相關(guān)工作

水墨畫的創(chuàng)作用具主要為筆、墨、紙。紙是水墨畫的載體，所以紙的建模直接關(guān)系到水墨效果仿真的質(zhì)量。關(guān)于紙張建模的研究工作可參考文獻(xiàn)[4-6]。

在虛擬筆刷的建模及毛筆筆跡的模擬仿真方面，筆交互應(yīng)用開始時就有研究者進(jìn)行毛筆書法效果的模擬研究。1986 年，Strassmann[7]提出通過增加控制點連成矩形來填充毛筆筆跡的算法，1990年Chua[8]提出使用貝塞爾曲線來擬合毛筆筆跡，1991年Guo 和Kunii[9]提出了基于紙張纖維束的毛筆筆跡擴(kuò)散模型，Pahm[10]提出了使用B 樣條來模擬筆道的輪廓，中間使用四邊形來擬合填充毛筆筆跡。

在水墨運動的物理建模方面，石[11]提出基于粒子系統(tǒng)的算法來仿真水墨擴(kuò)散過程。王[12]將滲流力學(xué)引入水墨運移物理規(guī)律的研究。Nelson S.-H [6] 運用網(wǎng)格玻爾茲曼模型（Lattice Boltzmann methods）對水墨運移及傳輸過程進(jìn)行仿真，并在GPU上實現(xiàn)了其算法。

2 基于流體動力學(xué)的水墨畫繪制算法

本節(jié)給出基于流體動力學(xué)的水墨畫仿真算法的定義、形式化描述及算法偽碼。

2.1 水墨粒子運移、傳輸?shù)娜龑幽Ｐ?/p>

在Curtis的研究基礎(chǔ)上本文提出水墨粒子運移、傳輸?shù)娜龑幽Ｐ汀Ｈ龑幽Ｐ头謩e為：淺水層、墨粒沉積層、毛細(xì)作用層。三層模型相互作用，會產(chǎn)生不同的繪制效果。

淺水層用于模擬水墨在紙張表面的流動，主要模擬墨粒在水中浮起并被水傳送到不同的區(qū)域這一過程。在淺水層中，水的流動被限制在濕區(qū)域內(nèi)。

墨粒沉積層用于模擬墨粒在紙上被吸附和解吸附的現(xiàn)象，主要控制墨粒在淺水層和墨粒沉積層之間的轉(zhuǎn)移。墨粒的密度、著色能力和粒度都會影響紙的吸附和解吸附能力[13]。

毛細(xì)作用層模擬水在紙張毛孔的遷移，將根據(jù)紙的水飽和度處理濕區(qū)域，在毛細(xì)作用層的作用下，濕區(qū)域會逐漸擴(kuò)展。

2.2基于Navier-Stokes方程的水墨運動模型

本文采用Jos Stam [14]提出的Navier-Stokes方程作為模擬水流運動的物理模型，同時增加描述墨粒子密度因水流速度場變化而擴(kuò)散的方程，兩者一并構(gòu)成水墨粒子在淺水層運動的基本物理模型。形式化定義為：

其中[??u=0]。公式（1）右邊第一項表示速度場的自身平流，叫做平流項。第二項，稱作壓力項，代表了外力施加于水墨流體時，微觀上所產(chǎn)生的不均勻的壓力及加速度。第三項表示由于水墨濃稠度的不均勻所形成的阻礙，并由此造成了動量的擴(kuò)散，同時影響了流體速度的分散。第四項是外力施加到水墨流體上而增加的加速度。

2.3 Helmholtz-Hodge分解定理

為求解以上方程，該文通過Helmholtz-Hodge 分解得到水墨粒子淺水層運移和傳輸算法[14]。

定義一個空間區(qū)域[D]，邊界法線為[n]，標(biāo)量場[p]。據(jù)Helmholtz-Hodge 分解定理有[D]上的矢量場[w] 能唯一分解為：

其中[u]是散度為零的矢量場（即[??u=0]），[p]為標(biāo)量。把散度算子應(yīng)用到方程（3）兩邊，有：

根據(jù)Helmholtz- Hodge分解定義一個投影算子[P]， 將矢量場[w] 投影到無源分[u]。應(yīng)用到方程， （3）得到：

根據(jù)[P]的定義有[Pw=Pu=u]，固[P（?p）=0]，將此投影算子應(yīng)用到方程（1）的兩邊有：

因為u的散度為0，左邊的導(dǎo)數(shù)也是無散度的，同時[P（?p）=0]，有：

定義一個算子S，及各分量算子，平流A、擴(kuò)散D、外力F、投射P， 整個求解過程變?yōu)椋?/p>

從左到右進(jìn)行運算，則整個求解過程，首先是平流，接著是擴(kuò)散、外力和投射，即：

2.4基于流體動力學(xué)的水墨畫淺水層運移和傳輸算法

2.4.1外力項

外力項由外界對水墨流體施加的力組成，并假設(shè)該外力在其時間步長內(nèi)保持恒定，形式化定義為：

2.4.2平流項

平流項表示速度場沿著擴(kuò)散方向傳輸自身和水墨粒子。這里使用隱式解法[14]，形式化定義為：

2.4.3擴(kuò)散項

對擴(kuò)散項的求解實際轉(zhuǎn)化為對泊松方程的求解，形式化定義為：

可采用Gauss-Seidel法進(jìn)行求解[14]。

2.4.4投影項

經(jīng)過外力、擴(kuò)散、平流運算后得到一個有散度的速度場w3（x），通過投影算子將其改變?yōu)闊o散度的速度場w4（x）。具體求解方法可參考文獻(xiàn)[14]。對方程（2）的求解可參考以上所示進(jìn)行。

3.4.5水流淺水層運移和傳輸算法偽碼

詳細(xì)的代碼實現(xiàn)可以參考文獻(xiàn)[15]。

2.4.6墨粒子淺水層運移和傳輸算法偽碼

其中u， v為給定的水流速度場速度，diff為墨粒子擴(kuò)散系數(shù)。更詳細(xì)的代碼實現(xiàn)可以參考文獻(xiàn)[15]。

2.5水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法

在仿真的每一步，墨粒子都會被沉積層以一定數(shù)率吸附，同時也會以一定數(shù)率解吸附會淺水層。墨粒的密度[ρ]、著色能力[w]，粒度[r]和紙張的高度[h]都影響紙的吸附和解吸附能力。下面給出水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法的偽碼。g為墨粒沉積層粒子密度，d為淺水層墨粒子密度。該文在Curtis的研究基礎(chǔ)上，提出了水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法。

2.6水墨粒子毛細(xì)作用層運移和傳輸算法

當(dāng)墨汁向正要變干但仍保持潮濕的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散時會產(chǎn)生回吸現(xiàn)象。這個時候墨汁會被淺水層以一定的吸收率[α]吸收，同時向毛細(xì)作用層擴(kuò)散。每個網(wǎng)格單元都會向其鄰近區(qū)域傳輸墨汁，直到達(dá)到飽和容積率[c]。當(dāng)飽和度超過[?]時，該網(wǎng)格單元被標(biāo)記為潮濕區(qū)域。這樣，由于毛細(xì)作用層的作用，就會形成不規(guī)則的分支形狀，以此模擬水墨粒子的非規(guī)則擴(kuò)散現(xiàn)象。該文在Curtis的研究基礎(chǔ)上，提出了水墨粒子毛細(xì)作用層運移和傳輸算法。

3 實驗結(jié)果

圖1為運用具有不同濃稠度的水墨畫筆書寫的筆劃（其擴(kuò)散效果形態(tài)不同），圖2為使用本文開發(fā)的數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)所書寫的“蛇”字。圖3為本文開發(fā)的數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)的用戶界面。實驗表明本文所設(shè)計的數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)能較好的仿真水墨書畫的效果。

在當(dāng)今數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的時代，如何開發(fā)出具有實用價值，符合市場需求的數(shù)字水墨書畫系統(tǒng)軟件，是未來值得探索和深入研究的科學(xué)熱點問題[16]。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 孫美君.中國水墨畫的設(shè)色擴(kuò)散與風(fēng)格化繪制研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

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[12] 王秀錦，孫濟(jì)洲.基于滲流力學(xué)的水墨畫仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（10）：2614-2619.

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[14] Jos S. Stable Fluids[C].In Proceedings of SIGGRAPH[M]. New York： ACM Press， 1999： 121-128.

篇3

[關(guān)鍵詞] CAD/CAE；流-固耦合；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析；仿真分析；凍干技術(shù)；FLUENT中圖分類號：TB79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2055-5200（2014）01-027-06

Doi：10.11876/mimt201401007

Application of Simulation Technology in the Design of Vacuum Freeze-drying Machine CHEN Wei， LU Hong-bin ，CHENG Peng

（Plant of Experimental Instrument，Academy of Military Medical Sciences ，PLA，Beijing 100850，China）

[Abstract] Objective：Research on application of simulation technique in the design of the vacuum freeze-drying machine. With the aid of the modern design method， the product development and the foundation experiment are supported， scientific experiments and test method were improved. Methods：According to design requirements of the freeze-drying machine，3D model of the vacuum freeze-drying case and the shelf were built.With CAE technology， the vacuum freeze-drying case were analysed，including statics analysis and modal analysis. Based on the result analysis which was achieved from the finite element model with considerations to constraint and boundary conditions， reliable basis datas for Structure optimization and dynamic characteristics were obtained. With FLUENT software， Using SIMPLE algorithms and standard κ-ε turbulence model analysed air flow field and outlet velocity distribution of the vacuum freeze-drying case in order to provide design datas of inlet channel. Fluid-solid coupling model of shelf temperature field was calculated， results were provided to further optimize the structure of shelf. Result：Flow field model and calculation method of the vacuum freeze-drying case and shelf were made the new attempt.The simulation results were obtained，which Provided the reference for engineering application and promoted effectiveness-cost ratio of development. Conclusion：Simulation as a scientific means of development is playing a positive role in promoting product performance and increasing design productivity.

1 引言

真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、材料科學(xué)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。冷凍干燥技術(shù)用途廣，生產(chǎn)廠家較多，美國、英國、日本、德國等國的凍干機(jī)已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品，其擱板面積從不到一平方米直至大到幾十平方米， 形成十幾種規(guī)格。

我國冷凍干燥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用材料力學(xué)簡化計算與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方法。這種設(shè)計方法具有一定可靠性，但存在諸多弊端：首先，采用這種方法設(shè)計周期長，進(jìn)行計算后，再根據(jù)計算結(jié)果人工布置筋板結(jié)構(gòu)，會耗費大量時間，設(shè)計準(zhǔn)確性不易保證；其次，結(jié)構(gòu)組件冗余，用材質(zhì)量大，傳統(tǒng)設(shè)計在材料使用上偏于保守，比國外同種規(guī)格產(chǎn)品重量大，致使成本高、效益低，削弱了產(chǎn)品的競爭力。

國內(nèi)外文獻(xiàn)中， 對如何將現(xiàn)代仿真技術(shù)應(yīng)用到真空冷凍干燥機(jī)設(shè)計中的文章不多見。 本文探討仿真技術(shù)在真空冷凍干燥機(jī)主要組成部分設(shè)計中的運用。設(shè)計產(chǎn)品零件幾何形狀復(fù)雜，設(shè)計計算難度大，設(shè)計計算過程復(fù)雜，產(chǎn)品性能要求高時，需要經(jīng)驗豐富的高水平技術(shù)人員結(jié)合產(chǎn)品仿真分析才能完成[1]。

2 冷凍干燥機(jī)設(shè)計與分析的關(guān)鍵

目前制備型真空冷凍干燥機(jī)主要由冷凍干燥箱、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)幾大部分組成[2-3]。這幾大部分的搭配、取舍可構(gòu)成不同的設(shè)計方案。

冷凍干燥箱是一個能夠制冷到-50℃左右，能夠加熱到+70℃左右的高低溫箱體，也是一個能夠抽成真空的密閉容器，它是凍干機(jī)的主要組成部件，其中的擱板是核心部件，它負(fù)責(zé)對制品的預(yù)冷、升溫、干燥。制品的品質(zhì)在很大程度與擱板的制冷溫度、加熱溫度、干燥時的真空度三個主要參數(shù)緊密相關(guān)[4]。以上三個參數(shù)中，后兩個參數(shù)比較容易控制，原因是擱板加熱溫度一般由電加熱裝置提供熱量，硅油作為傳熱介質(zhì)，電加熱裝置功率穩(wěn)定可控，所以容易實現(xiàn)熱量大小的改變，干燥時真空度的控制雖然較為復(fù)雜，但還是能做到較精確控制。比較難于理想控制的是第一個參數(shù)：制冷溫度，這一參數(shù)主要通過擱板最低溫度、擱板降溫速率、擱板控溫精度來綜合評價。

基于以上原因，嘗試對冷凍干燥箱和擱板設(shè)計。首先，在具體結(jié)構(gòu)上借助三維CAD技術(shù)，完成三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等工作；其次，借助CAE技術(shù)對冷凍干燥箱進(jìn)行靜強(qiáng)度及模態(tài)分析計算，通過FLUENT分析顯示冷凍干燥箱氣體流場軌跡和擱板內(nèi)溫度場變化，發(fā)現(xiàn)存在問題，為設(shè)計提供參考，縮短研發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益[5]。

2.1 冷凍干燥箱靜力學(xué)分析

首先用Pro/ENGINEER做造型設(shè)計，然后利用其提供的數(shù)據(jù)接口把模型傳遞到ANSYS環(huán)境進(jìn)行有限元計算，從而得到冷凍干燥箱的機(jī)械性能。

[C]―阻尼矩陣；

[K]―剛度系數(shù)矩陣；

{x}―位移矢量；

{F}―力矢量。

線性結(jié)構(gòu)靜力分析中，所有與時間相關(guān)的量都被忽略。于是，從（2-1）式中得到以下方程式：

[K]{x}={F} （2-2）

根據(jù)設(shè)計要求，對冷凍干燥箱結(jié)構(gòu)采取從局部到整體的造型方法建模，冷凍干燥箱是由若干零部件焊接裝配起來，用CAD軟件造型，可以從標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件開始將相關(guān)結(jié)構(gòu)體拼合即可得到整體結(jié)構(gòu)模型。

在進(jìn)行有限元分析時，各結(jié)構(gòu)件可按焊接成一個整體處理。設(shè)計初期采用經(jīng)驗設(shè)計和材料力學(xué)簡化算法相結(jié)合的方式，得到設(shè)計參數(shù)的初始值，然后用Pro/ENGINEER進(jìn)行輔助實體造型即可得到冷凍干燥箱體模型，整體完成后的分析用三維模型如圖1所示。

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的一些不合理地方，如有些部位應(yīng)力水平頗高。盡管其中有未考慮焊縫而引起的應(yīng)力集中的因素存在，但即使去除該因素，應(yīng)力分布的不均性也不可避免地導(dǎo)致各部分疲勞壽命的差異以及材料使用不合理。為此，應(yīng)考慮調(diào)整筋板的布置方式，在應(yīng)力水平過高處適當(dāng)增加加強(qiáng)筋板；同時為降低振動頻率可調(diào)整布局方式。

2.3 冷凍干燥箱及擱板CFD分析

計算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）是多種領(lǐng)域的交叉學(xué)科，因具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點而在最近20年中得到了飛速發(fā)展[9]，它所涉及的學(xué)科有流體力學(xué)、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論、計算幾何、數(shù)值分析、計算機(jī)科學(xué)等，而最終體現(xiàn)計算流體水平的是解決實際問題的能力[10]。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了流體力學(xué)研究的重要手段[11-13]。

冷凍干燥機(jī)加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何節(jié)省能源，提高熱效率。由于在真空狀態(tài)下傳熱主要靠輻射和傳導(dǎo)， 傳熱效率低， 所以近來出現(xiàn)了調(diào)壓升華法。調(diào)節(jié)氣壓有多種方式， 英國愛德華公司采用充入干燥無菌氣體的方法， 既提高了冷凍干燥箱的壓強(qiáng)， 又不致增加冷凝器負(fù)荷， 是一種比較好的方法。

借助CFD仿真技術(shù)可以預(yù)測冷凍干燥箱內(nèi)不同配氣口充入干燥無菌氣體氣流分布詳細(xì)情況，從而指導(dǎo)設(shè)計工作。首先，構(gòu)建凍干箱底部進(jìn)氣和側(cè)壁四點均布進(jìn)氣兩種氣流形式的三維分析模型，建立冷凍干燥箱內(nèi)部氣體流場分布計算模型，具體如圖8、9。

由于FLUENT軟件可以相對準(zhǔn)確地給出流體流動的細(xì)節(jié)，如：速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測流體產(chǎn)品的整體性能，而且很容易從對流暢的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計中的問題，據(jù)此提出的改進(jìn)方案，只需計算一次就可以判斷改進(jìn)是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器對計算進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行求解。計算結(jié)果如圖12、13。圖12 底部進(jìn)氣流場云圖 圖13 側(cè)壁進(jìn)氣流場云圖

冷凍干燥箱結(jié)構(gòu)合理可確保凍干過程的順利完成，擱板設(shè)計能力的水平將直接決定整機(jī)性能，擱板上換熱流路布局合理，用材合理，熱慣性小，即能大幅度降低控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等功耗負(fù)荷和故障率，又能實現(xiàn)一個最優(yōu)的冷卻速率，獲得最高的細(xì)胞存活率、最好的產(chǎn)品物理形狀和溶解速度。

為了使本設(shè)計的擱板熱均勻性好，熱慣性小，在設(shè)計中采用CFD技術(shù)構(gòu)建熱傳導(dǎo)模型，在Pro/ ENGINEER中建立三維模型，建模如圖14。構(gòu)建流路有限元模型，如圖15。

3 結(jié)論

（1） 將CAD、CAE等先進(jìn)計算機(jī)仿真設(shè)計手段應(yīng)用于真空冷凍干燥機(jī)研發(fā)，可以縮短設(shè)計周期、保證設(shè)計質(zhì)量、提高整體設(shè)計水平，減少開發(fā)成本；

（2） CAE技術(shù)可以在設(shè)計之初發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，基于有限元的優(yōu)化分析能夠為設(shè)計提供改進(jìn)的方向。通過數(shù)值仿真分析，得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸予以調(diào)整，減小應(yīng)力應(yīng)變，以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

（3） 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測真空冷凍干燥機(jī)工作過程中氣體在冷凍干燥箱內(nèi)的流動情況，為設(shè)計適宜的進(jìn)配氣結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考。

（4） 用ANSYS Fluent流體動力學(xué)軟件對真空冷凍干燥箱內(nèi)氣流工況進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)側(cè)壁四點均布進(jìn)氣口設(shè)計方案有利于凍干箱內(nèi)注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現(xiàn)無氧環(huán)境下的壓蓋封裝。其進(jìn)氣方式優(yōu)于底部單進(jìn)氣口設(shè)計方式。所得結(jié)論為今后進(jìn)一步的深入研究真空冷凍干燥技術(shù)的機(jī)理以及設(shè)計新型進(jìn)配氣裝置具有重要指導(dǎo)意義。

（5） 用ANSYS Fluent流體動力學(xué)軟件對真空冷凍干燥機(jī)加熱擱板溫度分布情況進(jìn)行了數(shù)值仿真，為擱板換熱流路設(shè)計提供了依據(jù)，為動力循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的整體性能設(shè)計工作提供參考。

（6） CFD技術(shù)可以克服傳統(tǒng)方法中系統(tǒng)當(dāng)量模型的簡化及模型中原始物理參數(shù)無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結(jié)果，直接用來指導(dǎo)設(shè)計。設(shè)計中由單純經(jīng)驗設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撚嬎阒笇?dǎo)和經(jīng)驗相結(jié)合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規(guī)律。使得設(shè)計工程師從復(fù)雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計上。

（8） 盡管CFD技術(shù)本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經(jīng)驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學(xué)（CFD） 是一種以流體為研究對象的數(shù)值模擬技術(shù)，相對于實驗流體動力學(xué)而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域內(nèi)必然能發(fā)揮越來越多的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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篇4

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)理念；內(nèi)容調(diào)整；教學(xué)方法；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0041-02

流體力學(xué)是研究流體平衡和運動規(guī)律的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個重要分支，已廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各部門。工程流體力學(xué)課程在哈工大是機(jī)械類、材料類、儀器儀表類、航空航天類、建筑工程類、熱能動力類、流體動力工程類等專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì)，又具有鮮明的技術(shù)學(xué)科的特點，既與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)等課程有緊密的聯(lián)系，又是專業(yè)課的基礎(chǔ)，是一門理論性和工程實際意義都較強(qiáng)的課程[1]。哈工大流體力學(xué)教研室成立于1956年，歷來重視教學(xué)研究及教學(xué)質(zhì)量，不斷積累教學(xué)經(jīng)驗，改進(jìn)教學(xué)思想，在基礎(chǔ)教學(xué)與實驗設(shè)施、師資隊伍建設(shè)、教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國內(nèi)領(lǐng)先水平，并于2009年被評為國家精品課程，目前正在進(jìn)行國家精品資源共享課程的升級。雖然取得了一系列的重要成績，但是仍然存在一些問題，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換觀念，從當(dāng)前社會的實際需求出發(fā)，深入進(jìn)行教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容等方面的研究和探索。

一、改革教學(xué)理念

課程建設(shè)的目的是提高教學(xué)質(zhì)量，歸根到底是提高學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量，而學(xué)生質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)則是其綜合素質(zhì)及能力。工程流體力學(xué)課程的特點是抽象概念多，數(shù)學(xué)分量重，理論性較強(qiáng)，許多復(fù)雜的流動物理現(xiàn)象難以用言語和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學(xué)課程中有很多較難的知識點，例如流體微元運動的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運動微分方程、邊界層基本方程及近似計算等，這些知識點包含了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，往往要占用很多課時，同時這些理論知識的講解又是空洞和死板的，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。即使是多數(shù)教師能夠本著負(fù)責(zé)的態(tài)度將這些知識難點講解清楚，也往往并不能使學(xué)生對這些難點留下深刻的印象。這種教學(xué)過程是事倍功半的，容易引起學(xué)生對這些知識做機(jī)械的符號記憶或者陷入對推導(dǎo)嚴(yán)密性的過度鉆研，無法建立起流體力學(xué)的全局思維方式，進(jìn)而也不能提高學(xué)生的綜合分析應(yīng)用能力。因此，教師在授課過程中要不斷引導(dǎo)學(xué)生梳理所講授的知識，使學(xué)生能夠運用流體力學(xué)知識進(jìn)行綜合分析。要讓學(xué)生明白，流體力學(xué)的學(xué)習(xí)不是背定理、記公式，而是要通過學(xué)習(xí)這門課程，掌握一門新的科學(xué)知識，了解它的人文背景，學(xué)習(xí)它的思想和方法，掌握它的原理和應(yīng)用。學(xué)生是課程學(xué)習(xí)的主體，在教學(xué)過程中需要注意教與學(xué)的同步，授課時關(guān)注學(xué)生的反映，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)對授課進(jìn)行調(diào)整，必要時放慢節(jié)奏或變換講解方法，也可以讓學(xué)生參與討論。學(xué)生有必要參與到深層的學(xué)科知識應(yīng)用中，因此可以讓同學(xué)參加與學(xué)科相關(guān)的科學(xué)研究，引導(dǎo)同學(xué)應(yīng)用流體計算模擬軟件，實現(xiàn)模擬實驗[3]。教師對學(xué)生的實踐引導(dǎo)可以消減同學(xué)對流體力學(xué)公式繁多的苦惱，而在實踐能力不斷提高的過程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力將得到很大的鍛煉。實踐證明，學(xué)生可以完成適當(dāng)?shù)墓こ塘黧w力學(xué)課程內(nèi)容的拓展研究，實現(xiàn)課程與科研工作的相互促進(jìn)。在積極開展第一課堂的同時，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生參加第二課堂活動，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生獲取知識、運用知識的能力和創(chuàng)新能力。例如科技創(chuàng)新和節(jié)能減排大賽這樣的大學(xué)生科技活動是開展素質(zhì)教育的重要平臺，為學(xué)生提供了施展才能、張揚個性的舞臺，使學(xué)生得以將課本所學(xué)知識充分的運用，并從制作和創(chuàng)新過程中學(xué)到了比課本更多的知識，提高了其知識綜合運用能力、實踐動手能力。流體力學(xué)教師應(yīng)該充分利用流體力學(xué)知識應(yīng)用面廣、基礎(chǔ)性強(qiáng)的特點，引導(dǎo)并指導(dǎo)學(xué)生參與此類科技活動。另外，流體力學(xué)教師還應(yīng)該經(jīng)常舉行科技講座，豐富學(xué)生的專業(yè)和學(xué)科知識，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識和科學(xué)精神。

二、課程內(nèi)容調(diào)整

目前所使用的工程流體力學(xué)課程內(nèi)容包括了流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、漩渦理論基礎(chǔ)、理想流體平面勢流、粘性流體動力學(xué)、相似理論基礎(chǔ)、流動的阻力與損失、管路的水力計算、粘性流體繞物體流動、氣體動力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)翼及葉柵理論、流體要素測量等內(nèi)容。總的來說涵蓋了流體力學(xué)工程應(yīng)用的多數(shù)情況，但是結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步調(diào)整。首先，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容較多，多年未更新，有些知識也趨于老化，應(yīng)適當(dāng)?shù)貙?nèi)容進(jìn)行增減。2006年專業(yè)調(diào)整后，能源與動力工程本科教學(xué)按一級學(xué)科制定教學(xué)內(nèi)容，在這種體系下，工程流體力學(xué)課程應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)保留的情況下，對于涉及到工程熱力學(xué)和空氣動力學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行刪減，避免不同課程的內(nèi)容重復(fù)，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學(xué)生利用有限的課時可以將流體力學(xué)主體結(jié)構(gòu)體系學(xué)得更好。另外，由于工程流體力學(xué)更多的應(yīng)該涉及流體力學(xué)的工程應(yīng)用，所以關(guān)于漩渦理論、理想流體平面勢流及粘性流體繞物體流動章節(jié)內(nèi)涉及的較多理論性知識且與工程應(yīng)用關(guān)系不大的應(yīng)該適當(dāng)精簡，減少課時占用。其次，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)適當(dāng)增加與工程應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容。美國著名的流體力學(xué)教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實際的管道流動、葉輪機(jī)械流動、環(huán)境流體力學(xué)等內(nèi)容，作為經(jīng)典流體力學(xué)主題內(nèi)容的有機(jī)補(bǔ)充[4]。哈工大工程流體力學(xué)課程也應(yīng)該針對學(xué)校定位及專業(yè)設(shè)置，在廣泛調(diào)研開課專業(yè)的需求基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加有普遍性、代表性的工程應(yīng)用知識。最后，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)更新與近期科技發(fā)展緊密聯(lián)系的內(nèi)容。由于教材不可能年年更新，教師應(yīng)該在教材內(nèi)容基礎(chǔ)之上，適當(dāng)增加與科技進(jìn)展相關(guān)的內(nèi)容，例如流動的虛擬實驗、流體參數(shù)的現(xiàn)代化測量、流體力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀、流體力學(xué)的最新應(yīng)用情況等，讓學(xué)生了解到流體力學(xué)的科技前沿，開拓學(xué)生視野，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)流體力學(xué)的熱情和興趣。

三、改革教學(xué)方法

關(guān)于教學(xué)方法，哈工大流體力學(xué)教師較早地采用了不完全教學(xué)法、潛科學(xué)教學(xué)法、社會探究法、問題教學(xué)法、角度教學(xué)法等創(chuàng)新性教學(xué)法，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體、教師活動、學(xué)生活動等課堂教學(xué)要素有機(jī)組織起來，發(fā)揮整體的最大效能。強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過主動探求問題解決的途徑和方法，培養(yǎng)能力，以展素質(zhì)；并將多媒體技術(shù)的運用與傳統(tǒng)教學(xué)手段、教學(xué)形式的改革統(tǒng)一起來，突出重點，突破難點，從而充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。目前多媒體教學(xué)在高等教育中的應(yīng)用越來越廣，在如何正確使用多媒體教學(xué)的問題上目前還有一些爭議和討論。工程流體力學(xué)課程知識點多，公式推導(dǎo)多，難度大，對于具體的知識點利用板書詳細(xì)推演在課堂教學(xué)中占用了大量的課時，同時也會影響到學(xué)生對流體力學(xué)整體思維的把握。由于工程流體力學(xué)課程的特點，很多流動現(xiàn)象概念比較抽象，難以用板書表達(dá)清楚，很顯然傳統(tǒng)教學(xué)方式達(dá)不到理想的教學(xué)效果。利用多種媒體手段可以更好地創(chuàng)設(shè)教學(xué)意境，變抽象為具體，變靜態(tài)為動態(tài)，變黑白為彩色，變無聲為有聲，通過豐富的圖例、連貫的動畫以及真實的實驗錄像，可以使枯燥、乏味的內(nèi)容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內(nèi)容變得直觀生動，同時也豐富了學(xué)生的信息量，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[5]。另外，流體力學(xué)的特點是數(shù)學(xué)分量重、理論性強(qiáng)，所以又不能過多依賴多媒體教學(xué)。對于涉及到重要理論公式推導(dǎo)的內(nèi)容，簡單地將推導(dǎo)過程搬到課件上去，并不能使學(xué)生了解重要理論公式的來龍去脈，也難以加深學(xué)生對這些關(guān)鍵知識點的理解程度。這個時候需要收起屏幕，用板書認(rèn)真書寫每個符號，推導(dǎo)每個關(guān)鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書都有各自的優(yōu)缺點，因此我們可以取其長而避其短，采用兩者兼顧而又兩者不棄的原則，交互使用，相輔相成。

四、更新考評制度

哈工大工程流體力學(xué)課程作為技術(shù)基礎(chǔ)課，目前采取了綜合性的考評方法，總成績由作業(yè)、實驗、考試三部分組成，學(xué)生共計要完成60題左右的作業(yè)，由教師進(jìn)行判分并作為總成績的10%；共計要完成11項左右的實驗，根據(jù)學(xué)生對每個實驗原理和操作技能的掌握及實驗報告的質(zhì)量情況分為優(yōu)、良、及格、不及格來評定成績，若有兩次不及格或者缺席者必須重做否則不得參加期末考試。實驗課成績占課程總成績的10%。期末考試為閉卷，占總成績的80%。流體力學(xué)考試的組卷與課堂教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)，課堂教學(xué)如果注重內(nèi)容的應(yīng)用性、靈活性和綜合性，則在組卷時應(yīng)適當(dāng)減少客觀題，豐富試題類型，加大理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性成分所占比重較大，而學(xué)生臨近考試加班加點應(yīng)付考試的現(xiàn)象。另外，根據(jù)課堂教學(xué)和課外科研實踐的特點，對于偏重于工程應(yīng)用的專題，可以探索利用撰寫科技論文、提交科研作品的方法進(jìn)行考試，與傳統(tǒng)考試成績綜合來建立起更合理、更具實踐意義的考評制度。

工程流體力學(xué)課程是面向工程應(yīng)用人才的課程，所以教學(xué)核心始終應(yīng)該是學(xué)生知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為此，在教學(xué)中貫穿流體力學(xué)思維模式和綜合分析解決問題能力的鍛煉，使學(xué)生學(xué)有所成、學(xué)有所用，是工程流體力學(xué)課程改革的一個長期方向。

參考文獻(xiàn)：

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篇5

引言

CFD即計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門通過數(shù)值計算方法求解流體控制方程組進(jìn)而預(yù)測流體的流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的學(xué)科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。進(jìn)行CFD分析的基本思路如下：將原本在時間與空間上連續(xù)的物理場如速度場或壓力場等，離散成有限的變量集合，并根據(jù)流體力學(xué)的基本假定，建立起控制方程，通過求解這些流體力學(xué)的控制方程，獲得這些變量的近似值。

我國作為一個人口眾多的發(fā)展中國家，巨大的能源消耗已成為亟待解決的問題。其中建筑耗能占到總耗能的19.8%，而室內(nèi)空調(diào)的耗能占到了整個建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空氣調(diào)節(jié)和建筑物內(nèi)外空氣流通等研究領(lǐng)域，采用CFD分析來替代傳統(tǒng)的試驗方法，可大大縮短研究時間并提高經(jīng)濟(jì)效率。而本文將著重就CFD在暖通工程節(jié)能中的應(yīng)用來展開討論。

CFD基本原理

CFD是通過計算機(jī)模擬和數(shù)值計算方法對流場進(jìn)行仿真模擬，解決物理問題的精確數(shù)值算法。它是流體力學(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機(jī)圖形學(xué)三者相互結(jié)合的產(chǎn)物。CFD是繼實驗流體力學(xué)和理論流體力學(xué)之后出現(xiàn)的第三種流體力學(xué)的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究領(lǐng)域都扮演著重要角色。尤其是在暖通空調(diào)和室內(nèi)外通風(fēng)等研究方法，CFD成為了最為行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的應(yīng)用

CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：

1.提高室內(nèi)空調(diào)效率

采用CFD分析方法可以預(yù)測氣流在房間中的流動情況，在充分考慮室內(nèi)環(huán)境、各類邊界條件與擾動的影響后，可全面地反映室內(nèi)的氣流分布情況，通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計可以得道一個合理的氣流分布方法，使空調(diào)的使用效率最優(yōu)。

2.建筑周邊環(huán)境分析

建筑周邊環(huán)境對居民日常生活起著舉足輕重的作用。對居民小區(qū)的風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，是CFD分析的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用CFD方法，在建筑設(shè)計階段即可對建筑周邊環(huán)境進(jìn)行分析和優(yōu)化，對規(guī)劃設(shè)計的效果進(jìn)行驗證，使建筑通風(fēng)和自然采光達(dá)到最佳效果，是小區(qū)居民生活品質(zhì)的重要保障。

3.室內(nèi)環(huán)境狀況分析

采用試驗方法分析室內(nèi)環(huán)境狀況，需要耗費大量的時間與經(jīng)費，而采用CFD方法進(jìn)行分析不僅可以節(jié)省時間，同時也能精確預(yù)測利房間內(nèi)的風(fēng)速、溫濕度、污染物分布等指標(biāo)，計算出通風(fēng)效率、毒害物擴(kuò)散效率和熱舒適等，進(jìn)而對室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)做出一個合理的評估。

4.暖通設(shè)備性能評估

暖通空調(diào)工程使用的大部分設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水槽、空調(diào)等，其運行狀態(tài)都受流質(zhì)運動的影響，空氣或水的流動情況是評價設(shè)備性能的重要指標(biāo)。通過CFD分析設(shè)備工作時的流場分布情況和流質(zhì)流動情況，可有效地預(yù)測設(shè)備的工作狀態(tài)。進(jìn)而選擇設(shè)備最佳工作狀態(tài)，降低設(shè)備能耗，節(jié)省運行費用。

暖通空調(diào)領(lǐng)域中CFD的求解過程

暖通空調(diào)領(lǐng)域用CFD進(jìn)行模擬仿真，其主要環(huán)節(jié)無外乎包括以下幾個方面：建立數(shù)學(xué)物理模型、進(jìn)行氣流數(shù)值求解、將數(shù)值解結(jié)果可視化等。

1.建立數(shù)學(xué)物理模型

建立數(shù)學(xué)模型是對所研究的流動問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，為數(shù)值求解做準(zhǔn)備工作?；緮?shù)學(xué)模型有：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ為流體密度（kg/m3），t為時間（s），u為速度矢量（m/s），ui為速度在i方向上的分量（m/s），p為壓強(qiáng)（Pa）Fi―――體積力（N），T為溫度（K），cp為定壓比熱，ST為粘性耗散項。

2.求解過程

（1）確定邊界條件與初始條件

初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態(tài)問題必須給定初始條件，對于穩(wěn)態(tài)問題不需要初始條件。

（2）劃分計算網(wǎng)格。

網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。簡單說，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對一個四邊形區(qū)域，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。

（3）建立離散方程并求解。離散方程常用的方法有：有限容積法、有限差分法和有限元法等。選擇合適的方法，對求解區(qū)域進(jìn)行離散。

CFD在暖通空調(diào)節(jié)能應(yīng)用情況

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平大幅提升，城市生活對化石能源的需求量越來越大。但今年來一系列能源危機(jī)提醒我們應(yīng)當(dāng)注重能源安全問題。在建筑工程領(lǐng)域，采用 CFD分析模擬，可有效減少建筑能耗，并能提高暖通設(shè)備的運行工作效率，我國暖通工作者已認(rèn)識到CFD計算在研究和設(shè)計中的重要地位。

1.我國CFD在暖通空調(diào)節(jié)能應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我們已開始采用CFD對暖通空調(diào)節(jié)能的相關(guān)因素進(jìn)行整體的系統(tǒng)模擬分析。通過在CFD模擬中改變設(shè)備參數(shù)，就有可能優(yōu)化設(shè)備組合，改進(jìn)系統(tǒng)性能。國外已把CFD用于室內(nèi)空氣流動與建筑能耗禍合模擬，我國清華大學(xué)也用CFD對空間氣流組織設(shè)計與空調(diào)負(fù)荷的關(guān)系進(jìn)行研究，這對建筑節(jié)能有重大意義。目前，我國在采用CFD解決建筑節(jié)能方面的研究還不是很深人，因而應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究和推廣的力度。

2.我國CFD應(yīng)用存在的問題

我國研究機(jī)構(gòu)很早就開始CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用研究，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動規(guī)律的模擬為主，逐漸擴(kuò)展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問題，并已形成一些可以解決實際問題的軟件。所以，從總體上看，我國暖通行業(yè)中開展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）還要建立在考慮輻射條件下計算室內(nèi)空氣的溫度分布、壁面和空氣的換熱、壁面的溫度分布的多種模型。

（2）將已有的CFD模擬技術(shù)方法進(jìn)行簡化，能夠在微機(jī)上較準(zhǔn)確地計算包括高大空間氣流組織在內(nèi)的各種通風(fēng)空調(diào)熱環(huán)境問題。

（3）考慮實際空調(diào)管道連接帶來的風(fēng)口出流特性變化，從而使室內(nèi)空氣流動模擬更加準(zhǔn)確等。

（4）CFD技術(shù)在CAE工程中已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，如果將與CAD及CAM乃至AI技術(shù)有效地結(jié)合在一起，將顯示其強(qiáng)大的生命力。

結(jié)語

篇6

關(guān)鍵詞: 城市軌道交通; 環(huán)控系統(tǒng);計算流體動力學(xué)

城市軌道交通中的地下車站和區(qū)間隧道是一個大型、狹長、與外界聯(lián)系面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機(jī)電設(shè)備的運行，以及連續(xù)的照明都會產(chǎn)生很大的熱量，不及時排除就會導(dǎo)致地鐵內(nèi)溫度逐年上升。此外，地鐵內(nèi)各種設(shè)備及列車運行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應(yīng)對車站空氣環(huán)境的擾動，以及隧道內(nèi)因潮濕造成的霉?fàn)€氣味等都會使地下環(huán)境不斷惡化。同時，當(dāng)人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內(nèi)發(fā)生事故、火災(zāi)時，人員的安全疏散和煙氣的排除也是非常重要的問題。鑒于以上各種因素，必須設(shè)置環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)，對車站和區(qū)間隧道內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災(zāi)情況下人員安全疏散措施等進(jìn)行全面控制。其中，有效、可靠的環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)對保證地鐵乘客的安全、舒適和確保設(shè)備運行及壽命是十分必要的。

地鐵系統(tǒng)是一個由車站、隧道、出入口等構(gòu)成的復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。地鐵系統(tǒng)的環(huán)控模擬，主要是研究地鐵內(nèi)的不穩(wěn)定空氣動力學(xué)和熱力學(xué)方面的問題，即地鐵車站正常工況下的三維溫度場、氣流場分布、污染物濃度分布、平均空氣年齡、人體舒適性的模擬研究以及地鐵車站和隧道事故、火災(zāi)工況下的三維溫度場、氣流場分布、煙氣流動狀況等的模擬研究。目前國際上廣泛認(rèn)可使用、相對成熟、用于地鐵環(huán)控模擬計算的軟件是Subway EnvironmentSimulation，簡稱SES。該程序是由美國交通部于1975年開發(fā)的世界上第一個地鐵環(huán)控計算機(jī)模擬軟件。1976年，SES修改后被應(yīng)用到公路隧道通風(fēng)分析中；1985年，又增加了火災(zāi)的動態(tài)模擬?，F(xiàn)在，SES已經(jīng)從DOS版本升級為WINDOWS版并形成目前的第4版。該軟件作為設(shè)計計算工具，可以模擬地鐵內(nèi)多列列車運行時車站、隧道和通風(fēng)井的溫度、濕度、風(fēng)速以及車站的空調(diào)負(fù)荷。它允許用戶模擬一定數(shù)量列車的動力與剎車系統(tǒng)；不同的環(huán)境控制系統(tǒng)（包括強(qiáng)制通風(fēng)、車站空調(diào)與車軌排風(fēng)）；設(shè)定的地下隧道與車站和通道連接所形成的空間內(nèi)的空氣流動；所希望的列車運行次序(包括由不同運行特性和發(fā)車間隔的列車的混合編組)；各種穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)的熱源；列車停在區(qū)間的緊急狀況時機(jī)械通風(fēng)與熱浮力共同作用下所形成的空氣運動；特別是能夠模擬系統(tǒng)投入運行多年后熱庫對隧道的影響。對一個有大量列車運行的地鐵，SES計算機(jī)模型提供動態(tài)的模擬過程，它允許對通過任何車站、區(qū)間、通風(fēng)井和風(fēng)機(jī)的空氣速度、溫度、濕度的連續(xù)讀值，或在設(shè)定的時間獲得空氣參數(shù)的最大值、最小值、平均值。

SES軟件主要由4個既獨立又互相關(guān)聯(lián)的子程序組成：列車運行子程序(Train Operation)，空氣動力子程序(Aerodyanmic)，溫度／濕度子程序(Thermodyanmic)，熱壑／環(huán)控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運行子程序可以計算列車的速度、加速度、位置及系統(tǒng)中所有列車的發(fā)熱；空氣動力子程序依靠這些列車參數(shù)再加上系統(tǒng)的幾何組成與通風(fēng)狀況數(shù)據(jù)，計算所有車站、區(qū)間、通風(fēng)井中的空氣流量和氣流速度；溫度／濕度子程序利用空氣動力學(xué)子程序得出的空氣參數(shù)與列車運行子程序計算出的列車發(fā)熱數(shù)據(jù)來計算系統(tǒng)中的顯熱與潛熱，從而得到各處位置的溫度和濕度。最后，列車運動子程序按氣流速度推算列車附近活塞風(fēng)作用。這些子程序計算出的地鐵通風(fēng)與熱負(fù)荷數(shù)據(jù)同室外每日與年度氣象條件參數(shù)一起，被熱壑／環(huán)控子程序用來計算地鐵內(nèi)空氣與隧道結(jié)構(gòu)、周圍土壤之間長期的熱傳導(dǎo)作用，同時也可以得到為使某些區(qū)間溫度達(dá)到設(shè)計條件而所需的冷量。通過SES軟件可以驗證設(shè)計者所設(shè)定的地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及系統(tǒng)運行模式的合理性，以便完成地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。需要注意的是該軟件本身也存在著一定的局限性，例如SES的模擬原理是伯努利方程，這就決定了它無法反映車站及隧道內(nèi)場分布的詳細(xì)情況，只能將地鐵系統(tǒng)簡化為一維模型進(jìn)行處理，只能計算某一點的氣流速度大小，而具體的變化情況諸如方向和具體流動情況則無法反映，所以SES軟件的最終輸出結(jié)果是一維的，它只能從數(shù)據(jù)上計算特定斷面的一些參數(shù)。而地鐵系統(tǒng)中的車站及隧道部分顯然是三維模型，因此，如果想了解地鐵車站及隧道中空氣的溫度、速度等具體詳細(xì)的分布情況就必須考慮借助使用其它的研究方法和手段來實現(xiàn)。

CFD(Computational FluidDynamics，即計算流體動力學(xué))是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種，是近年發(fā)展較快的一種計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)。其作用是對各種工況下氣流組織的溫度、速度場等的模擬仿真。暖通空調(diào)制冷行業(yè)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，我國暖通空調(diào)制冷行業(yè)已有不少專家對CFD的應(yīng)用研究開展了大量的工作，并取得了許多重要成果。自20世紀(jì)70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究機(jī)構(gòu)開始CFD技術(shù)的應(yīng)用研究，20年來已取得許多重要的成就，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動規(guī)律的模擬為主，逐漸擴(kuò)展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問題。近些年來，隨著CFD計算技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多工程領(lǐng)域都有了成功利用它作為模擬評價、優(yōu)化設(shè)計手段的實例。在隧道、地下鐵道的通風(fēng)工程中，CFD應(yīng)用也成績斐然。國內(nèi)部分高等院校也開始利用CFD技術(shù)對地鐵區(qū)間隧道及車站內(nèi)各種工況下的空氣流動和分布情況進(jìn)行模擬研究。對于地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，會有多種可選方案，所以計算機(jī)模擬的功能之一就是對多種方案的比選優(yōu)化；對于正在籌建的地鐵系統(tǒng)，其運營后的氣流場與溫度場無法進(jìn)行現(xiàn)場測試，所以計算機(jī)模擬能夠有效而可靠地對未建成的地鐵系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測；對已經(jīng)建成的地鐵系統(tǒng)，由于客流量較大，為了保證正常運營，有時在列車附近無法進(jìn)行現(xiàn)場測試，但可以通過計算機(jī)模擬來進(jìn)行計算分析。同時可以對一些過去沒有經(jīng)過理論計算的感性認(rèn)識進(jìn)行驗證，例如隧道風(fēng)的變化情況、排煙量對火災(zāi)溫度場的影響等，過去只是通過一些想象進(jìn)行推斷，但是對具體變化情況及具體數(shù)據(jù)缺乏理論計算及科學(xué)論證，利用CFD方法，以上問題均可以得到解決和落實。采用CFD方法可以對地鐵車站及隧道的溫度場、氣流場、污染物的濃度分布及排放、人體舒適性以及火災(zāi)情況下的通風(fēng)模式、煙氣流動狀況及此情況下的溫度場和氣流場進(jìn)行三維可視化仿真模擬。CFD的功能十分強(qiáng)大，它經(jīng)過一次完整的計算后，就可以得到任意一個斷面的任意方向上的溫度、濕度、壓力、平均空氣年齡以及PPD（預(yù)期不滿意百分率）與PMV（預(yù)期平均評價）等隨時間的連續(xù)變化值。并且模擬得出的計算數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的可視化結(jié)果是十分直觀形象的，因此，它所模擬出的結(jié)果較SES軟件更加直觀，得到的結(jié)果也更加具體，能夠為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供充分的依據(jù)。

篇7

論文摘要：根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)特點，分析了該專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課“工程流體力學(xué)”和主干專業(yè)課“水污染控制工程”在教學(xué)中存在的問題，文章從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資配置、考核方式四個方面提出了“工程流體力學(xué)”和“水污染控制工程”教學(xué)改革思路。

論文關(guān)鍵詞：環(huán)境工程專業(yè)；工程流體力學(xué)；水污染控制工程；教學(xué)改革

“工程流體力學(xué)”是研究流體（液體、氣體）處于平衡狀態(tài)和流動狀態(tài)時的力學(xué)規(guī)律、流體與固體之間的相互作用及其在工程技術(shù)中應(yīng)用的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個獨立分支，有其自身的理論體系，其基礎(chǔ)理論主要由三部分組成：流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)和流體動力學(xué)?！八廴究刂乒こ獭笔顷P(guān)于控制水體污染途徑以及各種廢水處理方法（包括物理處理方法、化學(xué)處理方法、生物處理方法等）的基本理論、工作原理及設(shè)計計算的一門科學(xué)。“工程流體力學(xué)”是環(huán)境工程專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，“水污染控制工程”是環(huán)境工程專業(yè)的核心專業(yè)課，這兩門課程在環(huán)境工程專業(yè)本科教學(xué)中有著舉足輕重的作用，同時兩者之間也存在著重要的相互理論關(guān)系。

“工程流體力學(xué)”是水利、環(huán)境、能源、土木、機(jī)械、動力等學(xué)科的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，該課程的教學(xué)內(nèi)容紛繁豐富，其特點是理論性和綜合性比較強(qiáng)，概念抽象，難于理解。“水污染控制工程”課程內(nèi)容與“工程流體力學(xué)”內(nèi)容結(jié)合相對比較緊密，如城市排水溝道系統(tǒng)、各種污水處理構(gòu)筑物等的設(shè)計計算，以及在構(gòu)筑物中的生化反應(yīng)、化學(xué)絮凝反應(yīng)中水力條件的控制等均是工程流體力學(xué)理論知識在水污染控制工程中的實際應(yīng)用。目前，在環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)方面，“工程流體力學(xué)”和“水污染控制工程”課程正面臨著比較尷尬的局面：一方面課程內(nèi)容趨于復(fù)雜和廣泛；另一方面在課時量逐漸壓縮的情況下，“工程流體力學(xué)”和“水污染控制工程”教學(xué)內(nèi)容沒有起到應(yīng)有的相互銜接，教學(xué)內(nèi)容彼此脫離。由此形成環(huán)境工程專業(yè)“工程流體力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)課銜接不夠，在教學(xué)過程中學(xué)生感到內(nèi)容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教學(xué)過程中，學(xué)生感到工程流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識不扎實，不能夠熟練應(yīng)用工程流體力學(xué)基礎(chǔ)理論解決水污染控制工程方面的實際問題。

針對目前環(huán)境工程專業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容的狀況，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資配置、考核方式四個方面提出“工程流體力學(xué)”與“水污染控制工程”教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

一、改革教學(xué)內(nèi)容

對“工程流體力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，結(jié)合環(huán)境工程專業(yè)特點，重構(gòu)環(huán)境工程專業(yè)的“工程流體力學(xué)”課程，對該課程中的主要內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，緊密結(jié)合后續(xù)專業(yè)課“水污染控制工程”的內(nèi)容進(jìn)行改編，為“水污染控制工程”的講授奠定基礎(chǔ)理論知識。“工程流體力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容主要包括理論教學(xué)和實踐性教學(xué)兩部分，其中在理論教學(xué)內(nèi)容部分，如“工程流體力學(xué)”中涉及到的流體粘滯性、流體內(nèi)摩擦定律等內(nèi)容，結(jié)合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流態(tài)所需要的雷諾數(shù)內(nèi)容為實例進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革；“流體靜力學(xué)”中絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)、真空度等概念、理論在水污染控制工程中虹吸濾池、脈沖澄清池以及沉淀池、污泥濃縮池重力式排泥所需要的靜水頭壓力等實際工程中的應(yīng)用為實例進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革；流體運動學(xué)中基本理論對“水污染控制工程”中的數(shù)學(xué)模式的建立為實例進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革；“流體動力學(xué)”中壓力損失理論在水污染控制工程中的水力計算，水射器理論在水污染控制工程中的計量作用、加藥作用、射流曝氣作用為實例進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革等。其次，“工程流體力學(xué)”實踐性教學(xué)內(nèi)容部分，改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，除驗證性實驗之外，增加工程應(yīng)用性實驗，如文丘里流量計、三角堰流量計、巴氏計量槽、畢托管測速儀、虹吸管、孔口與管嘴的工程應(yīng)用等內(nèi)容，既加強(qiáng)了動手操作能力，也培養(yǎng)了學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的綜合分析與應(yīng)用能力，不僅使教學(xué)內(nèi)容豐富，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性。

對“水污染控制工程”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革包括理論教學(xué)內(nèi)容改革和實踐性教學(xué)內(nèi)容改革，強(qiáng)調(diào)“工程流體力學(xué)”基礎(chǔ)理論知識在水污染控制工程中的應(yīng)用。在理論教學(xué)內(nèi)容方面，“水污染控制工程”中的污水溝道系統(tǒng)水力計算、水處理構(gòu)筑物中水力參數(shù)的確定、污水在構(gòu)筑物中的最佳流態(tài)、各水處理構(gòu)筑物之間高程布置、混合反應(yīng)池中攪拌強(qiáng)度的確定、過濾池中配水系統(tǒng)的設(shè)計及其濾速確定等一系列涉及工程流體力學(xué)問題的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行必要教學(xué)改革，加強(qiáng)學(xué)生對“工程流體力學(xué)”基礎(chǔ)理論知識在水污染控制工程中的工程應(yīng)用有一個更清晰的認(rèn)識，理解“工程流體力學(xué)”基礎(chǔ)理論知識在水污染控制工程中的重要性，使學(xué)生既掌握了“水污染控制工程”應(yīng)用設(shè)計方法、設(shè)計原則、計算方法等知識，也加強(qiáng)了學(xué)生對“工程流體力學(xué)”基礎(chǔ)知識在水污染控制實際工程的應(yīng)用。在實踐性教學(xué)內(nèi)容方面，加強(qiáng)工程性應(yīng)用實驗教學(xué)內(nèi)容，從不同的工業(yè)企業(yè)和居民生活區(qū)采集不同的廢水水樣，根據(jù)化驗所得廢水水質(zhì)，確定所采用的處理技術(shù)和處理工藝，并通過實驗驗證在各種廢水處理工藝中所選擇的工程流體力學(xué)水力參數(shù)，基于“工程流體力學(xué)”基礎(chǔ)理論知識分析廢水處理工藝水力參數(shù)的合理性。

二、改革教學(xué)模式

“工程流體力學(xué)”特點是理論性、綜合性、系統(tǒng)性較強(qiáng)，概念抽象、邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)。目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式基本上是教師講、學(xué)生聽，“授—受”型單一模式，盡管在學(xué)的過程中采用了多種形式的多媒體教學(xué)方式，但仍沒有改變學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的被動地位，學(xué)生缺乏主動性和實踐性。改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，實施探究式、啟發(fā)式、開放式的創(chuàng)新教學(xué)模式，結(jié)合水污染控制工程中的實際問題，以工程實例為背景，應(yīng)用工程流體力學(xué)基礎(chǔ)知識解決實際工程問題，誘導(dǎo)學(xué)生積極思考，在教學(xué)過程中形成教學(xué)互動，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和參與性。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容性質(zhì)，“工程流體力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容可以分為基礎(chǔ)理論和實際工程應(yīng)用兩個部分。在流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)和流體動力學(xué)三個基礎(chǔ)理論部分，采用形象化的多媒體演示、軟件模擬、小型實驗相結(jié)合探究式、啟發(fā)式教學(xué)模式，鼓勵學(xué)生課堂討論；在實際工程應(yīng)用教學(xué)部分，如孔口管嘴、有壓管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程實例為背景，采用適量的實際工程圖片，豐富教學(xué)信息量，刺激學(xué)生的感官，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的思路，開闊學(xué)生的視野，可以使枯燥、乏味的內(nèi)容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內(nèi)容變得直觀生動。

“水污染控制工程”特點是實踐性、工程應(yīng)用性強(qiáng)，因為不同的廢水水質(zhì)達(dá)到處理要求所采用的處理技術(shù)、處理工藝不同；即便相同的廢水水質(zhì)，如果污水量不同，所采用的處理工藝也不同；一個廢水處理工程，即廢水水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)相同，也可以采用不同的處理技術(shù)和處理工藝，工程流體力學(xué)參數(shù)的選擇是確定不同廢水處理技術(shù)、工藝的主要影響因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教學(xué)過程中，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，實施探究式、啟發(fā)式、開放式的實踐教學(xué)模式，以工程實例為背景，通過開放性的實踐性實驗正確選擇工程流體力學(xué)參數(shù)，并通過實驗研究對參數(shù)的選擇、廢水處理效果等進(jìn)行科學(xué)驗證。通過工程實例和實踐性教學(xué)改革，使學(xué)生既對廢水處理工程設(shè)計過程有一個清晰的思路，又能達(dá)到舉一反三的效果。

三、優(yōu)化師資配置

師資隊伍優(yōu)化，一靠資源，二靠制度，師資隊伍優(yōu)化也是一個相對的漸進(jìn)過程，優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)和措施與所處時代、社會背景及其自身所處發(fā)展階段和學(xué)科特色有關(guān)。環(huán)境工程專業(yè)特點要求師資隊伍結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量可靠?！肮こ塘黧w力學(xué)”與“水污染控制工程”是本專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課和主干專業(yè)課，兩門課程在講授過程中存在著千絲萬縷的必然聯(lián)系，這就對師資配置和師資隊伍建設(shè)提出了更高的要求。首先，建立高質(zhì)量的師資隊伍，定期或不定期對教師進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)和實踐工程訓(xùn)練，要求講授“工程流體力學(xué)”和“水污染控制工程”兩門課程的教師對兩個學(xué)科均有一定的研究，或者承擔(dān)一定量研究科研工作，洞悉當(dāng)前“工程流體力學(xué)”和“水污染控制工程”發(fā)展的最新前沿理論和技術(shù)；其次，在師資配置方面，要求講授“工程流體力學(xué)”的教師對“水污染控制工程”有一定的研究或承擔(dān)相關(guān)科研項目，講授“水污染控制工程”的教師對“工程流體力學(xué)”有扎實的理論研究或承擔(dān)相關(guān)的科研項目；第三，建立教師研討會制度，講授“工程流體力學(xué)”的和講授“水污染控制工程”的教師定期或不定期舉行教學(xué)研討會，避免兩門課程的講授內(nèi)容出現(xiàn)彼此分裂現(xiàn)象。如果在師資配置中，講授“工程流體力學(xué)”的教師畢業(yè)于力學(xué)專業(yè)，即使講授“工程流體力學(xué)”的教師對力學(xué)有很高的造詣，對該門課程的講授有聲有色，但如果該教師對環(huán)境工程專業(yè)“水污染控制工程”專業(yè)理論知識或?qū)嵺`工程知之甚少，那么在教學(xué)過程中，必然不能夠?qū)ⅰ肮こ塘黧w力學(xué)”與“水污染控制工程”教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，對環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生來說，這樣的師資配置，必定不是最優(yōu)化的師資配置。

四、改革考核方式

篇8

Abstract: Traffic problem is one of rigorous problems which society faces at present. It is of great practical and theoretic significance to the research of traffic-flow problem. In this paper, a new microcirculation linear car-following model for urban traffic flow is established by combining micro models and macro models of traffic flow, based on the ideas of the car-following models and fluid dynamical models. An example on traffic-flow microcirculation is designed for the application of the new model. The new model is verified and applied by numerical simulation for the example. The results show that the new model can simulate some important fundamental properties of the practical traffic-flow microcirculation better.

關(guān)鍵詞： 交通流模型；隨機(jī)擾動；交通流微循環(huán)；數(shù)值模擬

Key words: traffic flow models；random disturbance；traffic-flow microcirculation；numerical simulation

中圖分類號：O29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2010）34-0197-02

0引言

當(dāng)今社會，不論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，不管是國際大都市還是中小城市，都面臨著一個共同的交通問題，所以對交通流問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前關(guān)于交通流模型的研究主要有車輛跟馳模型，基于流體比擬的流體力學(xué)模型和元胞自動機(jī)模型三種[1-4]，這些模型都從不同的方面反映了現(xiàn)實交通流的一些規(guī)律和特征，但是由于上述這些模型主要是根據(jù)國外交通流的特點建立的，所以在應(yīng)用中往往不能很好地反映我國實際交通流的情況。同國外交通情況相比，我國的交通情況有諸多不同，主要表現(xiàn)為以下的一些特點：機(jī)動車與非機(jī)動車混合運行，城市車道過窄，行人與自行車流量較大等。所以呈現(xiàn)出車速普遍偏低，容易出現(xiàn)交通擁堵，事故頻繁的現(xiàn)狀。事實上，城市道路交通系統(tǒng)是由人、車、路及含有許多隨機(jī)因素的交通環(huán)境構(gòu)成的開放的動態(tài)的巨系統(tǒng)，道路上的交通流具有不確定性、隨機(jī)性的特征，交通流中的不確定現(xiàn)象是由隨機(jī)因素造成的，“任何”確定型的模型都不能完全解釋這一現(xiàn)象[5]。實際交通流中的隨機(jī)擾動因素很多。例如,行人橫穿公路對交通流的干擾；公交車停靠站臺或從站臺啟動對交通流的干擾；運行過程中某一車輛的突然加速或減速對交通流的干擾；交通事故與道路施工對交通流的干擾；紅綠燈的交替變化對交通流的干擾等。因此要想在交通流建模過程中能更好地再現(xiàn)實際交通流，更為準(zhǔn)確地捕獲交通流的實際現(xiàn)象，考慮含有隨機(jī)時空擾動因子的建模方法是必要的。在Weits模型中，引入了交通流隨機(jī)擾動因素，并對交通密度的變化進(jìn)行了隨機(jī)分析[5]。在文獻(xiàn)[4]中，作者指出把微觀和宏觀相結(jié)合的方法建立交通流模型可以更好地推進(jìn)交通流理論的發(fā)展，文章主要分析車輛跟馳模型和流體動力學(xué)模型的特點，建立新的模型并應(yīng)用于交通流微循環(huán)動力學(xué)行為的研究中。

1模型的建立

在交通流模型中主要考察三個最基本的參數(shù)，即交通流量q、車流密度ρ、車流速度v。它們都是時空變量，并且同時受到多種隨機(jī)擾動因素的影響。交通流中的不穩(wěn)定現(xiàn)象正是由這些隨機(jī)擾動因素造成的，為確保車輛安全行駛的前提下，在考慮城市交通流微循環(huán)線性跟馳模型的建立時著重分析了隨機(jī)擾動因素對交通流的影響，建立含隨機(jī)擾動因素的城市交通流微循環(huán)線性跟馳模型。

在文獻(xiàn)[6]中，已經(jīng)建立了如下的線性跟馳模型

v（x，t）=（1+δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（1）

在該模型中，若考慮隨機(jī)擾動因素對跟車速度的影響，引入微循環(huán)隨機(jī)控制變量R，用該變量來調(diào)節(jié)在車輛進(jìn)入微循環(huán)車道跟馳行駛和從微循環(huán)車道分流過程中對跟車速度的控制。當(dāng)頭車進(jìn)入微循環(huán)支道時，啟動微循環(huán)隨機(jī)控制變量R，決定是跟隨頭車進(jìn)入微循環(huán)支道行駛還是與頭車分流行駛；當(dāng)頭車從微循環(huán)支道進(jìn)入主（次）干道十字路口紅綠燈時，啟動微循環(huán)隨機(jī)控制變量R，決定是跟隨頭車直行通過紅綠燈路口還是與頭車分流并入主（次）干道行駛；當(dāng)與頭車在微循環(huán)車道跟馳行駛時，啟動微循環(huán)隨機(jī)控制變量R，將車速控制在微循環(huán)支道所允許的安全行車速度范圍內(nèi)。于是，由模型（1）得到如下的微循環(huán)線性跟馳模型

v（x，t）=（1+δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（2）

模型（2）就是所建立的含隨機(jī)擾動因素的城市交通流線性模型。

2模型分析

城市交通流系統(tǒng)中存在著主干道與次干道，次干道與次干道，次干道與微循環(huán)支道，微循環(huán)支道與微循環(huán)支道等彼此之間的分流和并道等復(fù)雜的車輛跟馳行為。應(yīng)用微循環(huán)可以解決以下兩方面重要的交通問題：

2.1 應(yīng)用微循環(huán)解決主干道上的“左轉(zhuǎn)”問題。如（圖1）所示的辦法，通過三次微循環(huán)支道“右轉(zhuǎn)”來解決車輛主干道上的“左轉(zhuǎn)”問題．在該“左轉(zhuǎn)”過程包括兩次通過主干道紅綠燈交叉路口，一次主干道分流，一次次干道并流與分流以及兩段微循環(huán)支道跟馳行駛。

2.2 應(yīng)用微循環(huán)解決主干道上的“分流”問題。如（圖2）所示，該“分流”的交通行為包括一次主干道分流，一次微循環(huán)支道與次干道紅綠燈十字路口，一次三段微循環(huán)支道跟馳行駛并入次干道。

下面來分析影響微循環(huán)隨機(jī)控制變量R的相關(guān)因素。首先，經(jīng)過主、次干道上紅綠燈十字路口時，微循環(huán)隨機(jī)控制變量R的選擇與綠燈放行的時間τ密切相關(guān)。其次，當(dāng)頭車經(jīng)過主、次干道分流或并流時，不論跟車與頭車是同向行駛還是分流行駛，跟車的微循環(huán)隨機(jī)控制變量R都與該車道車流密度ρ的變化密切相關(guān)，若分流行駛，那么主、次干道車流密度ρ減小，跟車微循環(huán)隨機(jī)控制變量R隨之正向變化；若并流行駛，那么主、干道車流密度ρ增大，跟車微循環(huán)隨機(jī)控制變量R隨之反向變化。再次，若車輛在微循環(huán)支道上跟馳行駛，則主要考慮頭車速度的變化對跟車的擾動，此時跟車的微循環(huán)隨機(jī)控制變量R完全退化。

綜合上述的分析，可以將跟車的微循環(huán)隨機(jī)控制變量R表示為R=R（τ，ρ）。于是，模型（2）就表示為

v（x，t）=（1+δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（3）

的形式。

3模型在交通流微循環(huán)中的應(yīng)用

【實例模擬】“跟車行駛”的交通流微循環(huán)動力學(xué)行為模擬。

城市交通流微循環(huán)中，不論是主干道上的“左轉(zhuǎn)”還是“分流”問題，都離不開主、次干道以及微循環(huán)支道上的“跟車行駛”行為。而“跟車行駛”所考慮的相關(guān)因素主要涉及到路段的車流密度ρ，路段的限速要求vf，某一時刻通過該路段頭車的初始速度v0（x，t）以及該路段上的隨機(jī)時空擾動因素等。應(yīng)用模型（3），可以模擬車輛在主、次、支道上城市交通流微循環(huán)的“跟車行駛”動力學(xué)行為，模擬結(jié)果如（圖3）所示（程序genchexing1.m）：

該結(jié)果表明，路段上各輛車的速度變化規(guī)律，即隨著時間的變化，路段上各車輛的速度跟隨頭車速度隨機(jī)波動。在該交通行為中，若對車速不加限制或車速控制不當(dāng)，很容易發(fā)現(xiàn)交通流中“激波”的產(chǎn)生，從而有發(fā)生交通事故的危險．所以，應(yīng)用城市交通微循環(huán)支道來解決主干道上的“左轉(zhuǎn)”和“分流”問題，可以有效地降低主干道上的車流密度，減小主干道上的交通壓力，提高主干道上的行車速度，從而避免或減少交通流中“激波”的產(chǎn)生，有效地控制城市交通“擁堵”的問題。

參考文獻(xiàn)：

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篇9

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；教學(xué)改革；創(chuàng)新實踐；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0064-02

一、現(xiàn)狀及存在的問題

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。一方面，要求產(chǎn)品品質(zhì)高、價格低，且具有創(chuàng)新性；另一方面要求產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)周期短，以節(jié)約人力、物力和財力。國內(nèi)外研究表明：CFD技術(shù)是解決這一要求的最好途徑。實際上，CFD技術(shù)是解決工程中復(fù)雜流動和傳熱問題的一種有效手段，同時也是一門新型的獨立學(xué)科。讓廣大設(shè)計人員學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，是提高其設(shè)計水平的具體途徑。目前，國內(nèi)有多所高校為本科生開設(shè)CFD技術(shù)課程，集中講授20世紀(jì)直至本世紀(jì)CFD技術(shù)方面的最新成就，具有理論性和實踐性的雙重特點。我們在近五年的教學(xué)過程中深深體會到：學(xué)生要學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，一方面要學(xué)好CFD技術(shù)的基本原理，另一方面還要進(jìn)行大量的自主實踐。更重要的是，要在自主實踐過程中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。而在目前的教學(xué)中，大多強(qiáng)化基本原理的講授，缺少對實際問題的分析和處理，從而造成大學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題能力的欠缺。針對這種現(xiàn)象，我們認(rèn)為構(gòu)建CFD技術(shù)平臺，提高大學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實意義。

二、構(gòu)建CFD技術(shù)平臺

基于CFD技術(shù)課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，我們提出構(gòu)建CFD技術(shù)平臺。具體內(nèi)容包括：組建教學(xué)團(tuán)隊，組織教師編寫教材、建設(shè)軟件平臺以及引導(dǎo)學(xué)生參與科研實踐等四個方面。對于組建教學(xué)團(tuán)隊，這是構(gòu)建CFD技術(shù)平臺最為重要的一件事情。通過各學(xué)科方向教師自愿報名，教研室推薦，學(xué)院公開選拔的方式，組建一支高水平、高素質(zhì)的教學(xué)團(tuán)隊。這樣就可以確保承當(dāng)CFD技術(shù)課程的教學(xué)工作的各位教師是學(xué)院各個學(xué)科專業(yè)方向的優(yōu)秀教師。因為大家知道，只有高水平高素質(zhì)的教師，才能更好地引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。對于教材的編寫，現(xiàn)有的關(guān)于計算流體動力學(xué)方面的教材有很多種，但大多以介紹基本原理和計算理論為主，缺乏相關(guān)軟件的應(yīng)用及實例的介紹，不能滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。對此，教學(xué)團(tuán)隊需要重新制定CFD技術(shù)課程大綱，廣泛收集國內(nèi)外CFD技術(shù)的最新科技成果，編寫反映科研與教學(xué)相結(jié)合的特色，重點、難點突出，并具有自身特色的教材。對于軟件平臺的建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊?wèi)?yīng)根據(jù)能源動力類各專業(yè)方向所使用的CFD軟件情況，從眾多商用CFD軟件中挑選出適合能源動力類本科生學(xué)習(xí)和使用的軟件，同時建設(shè)一個可容納30人以上的計算機(jī)機(jī)房，并通過局域網(wǎng)絡(luò)連接建立一個交互式的軟件平臺，供廣大學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和自主實踐。軟件平臺由學(xué)生實行自主維護(hù)、自主管理，教學(xué)團(tuán)隊只需安排任課教師不定期通過軟件平臺引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生實踐創(chuàng)新。對于科研實踐，教學(xué)團(tuán)隊需要安排任課教師組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實踐中來，讓學(xué)生通過科研實踐的鍛煉，提高自身的實踐與創(chuàng)新能力。讓學(xué)生參與基礎(chǔ)研究，可以從深度方面提高學(xué)生對所學(xué)知識的理解能力，為培養(yǎng)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力作鋪墊、打基礎(chǔ)；讓學(xué)生參與應(yīng)用研究，則可以從廣度方面提高學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用能力，為今后在實踐中進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

三、利用CFD技術(shù)平臺培養(yǎng)大學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力

目前，教學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)成立，分別由來自五個學(xué)科方向的、具有一定教學(xué)經(jīng)驗的優(yōu)秀教師組成，他們集中代表能源動力各學(xué)科的發(fā)展動向。教學(xué)團(tuán)隊定期召開教學(xué)會議，對構(gòu)建CFD技術(shù)平臺和培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力過程中出現(xiàn)的各方面問題進(jìn)行研討，大家共同協(xié)商，尋找解決方案。與此同時，教學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)編寫了一本適用于能源動力類本科生的教材《計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用》，該教材最大的特點是理論與實踐并重。該教材不但講述CFD技術(shù)的基本理論，而且還提供了大量的CFD技術(shù)應(yīng)用實例，幫助學(xué)生進(jìn)行自主實踐。該教材已于2011年1月由華中科技大學(xué)出版社正式出版發(fā)行。在編寫教材的同時，教學(xué)團(tuán)隊還利用學(xué)院現(xiàn)有的計算機(jī)機(jī)房（擁有50臺電腦），建立了一個CFD技術(shù)軟件平臺，該平臺擁有多種CFD軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，現(xiàn)已成為廣大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主實踐CFD技術(shù)的優(yōu)良場所。教學(xué)團(tuán)隊根據(jù)學(xué)生的需求，安排任課教師不定期地通過軟件平臺為學(xué)生解惑答疑，引導(dǎo)學(xué)生實踐創(chuàng)新。與此同時，教學(xué)團(tuán)隊還組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實踐中來，培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。比如，引導(dǎo)學(xué)生將CFD技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)生科技創(chuàng)新項目中，優(yōu)化設(shè)計葉片翼型，模擬計算小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能，使得風(fēng)力機(jī)輸出功率和效率大為提升。同時，該項目榮獲2010年第三屆全國大學(xué)生節(jié)能減排科技創(chuàng)新作品一等獎。再比如，學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行自主創(chuàng)新，應(yīng)用CFD軟件對水力渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使原來的水輪機(jī)組效率提高1%，每年增加的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)百萬元之多。還有，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下研究格子Boltzmann算法，將之與IP算法、DSMC算法對比，分析不同算法之間的優(yōu)劣，對格子Boltzmann算法進(jìn)行改進(jìn)。具體成果體現(xiàn)在，學(xué)生以第一作者在能源動力學(xué)科領(lǐng)域國際頂級期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇。

創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。大學(xué)生不僅需要扎實掌握專業(yè)知識，更要具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。目前，高等學(xué)校在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面還有待加強(qiáng)，為此，本文提出了通過構(gòu)建CFD技術(shù)平臺培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，并給出了實施過程中的一些具體措施和經(jīng)驗。

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篇10

關(guān)鍵詞CDIO；流體力學(xué)；能力培養(yǎng)；教學(xué)改革

1引言

“流體力學(xué)”作為理工科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，它的重要性是眾所周知的，作為力學(xué)分支，其在安全工程專業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，與泄漏、火災(zāi)、爆炸、通風(fēng)等有著密切的關(guān)系，是后續(xù)工業(yè)通風(fēng)、消防工程等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。近年來流體力學(xué)學(xué)科發(fā)生深刻變化，對流體運動認(rèn)識加深，測量手段更為先進(jìn)，對流體運動分析和處理的能力空前強(qiáng)大，與工程應(yīng)用結(jié)合更加緊密。然而“流體力學(xué)”這門課程概念抽象、數(shù)學(xué)公式多，在以往課程教學(xué)過程中更多重視理論知識的傳授，人才培養(yǎng)過程中存在著過分偏重理論知識學(xué)習(xí)，缺乏對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)等不足之處。因此，本文借鑒國際流行的CDIO工程教育理念，擬對安全工程專業(yè)“流體力學(xué)”課程進(jìn)行教學(xué)改革，使理論知識服務(wù)于后續(xù)的安全知識學(xué)習(xí)及工作實際，將知識教育和能力培養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)真正地更好地融入之后的安全工作中。

2CDIO工程教育理念

CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Imple-ment）和運行（Operate）的簡稱?！癈”構(gòu)思指系統(tǒng)性的構(gòu)想、思考，明確產(chǎn)業(yè)需求?！癉”設(shè)計是把將要被實現(xiàn)的計劃通過視覺的形式描述出來的活動過程；“I”實施是執(zhí)行、施行實際的行為，指把設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程；“O”運行是指產(chǎn)品實現(xiàn)之后（即實施之后）使用其來達(dá)到想要的價值的過程。從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的全過程就是產(chǎn)品的整個生命周期，用它來代表工程的范疇[1]。CDIO教育模式提倡培養(yǎng)具有較高專業(yè)理論水平和符合產(chǎn)業(yè)需求的綜合性應(yīng)用能力并重的高等工程教育專業(yè)學(xué)生，這種模式在安全工程專業(yè)領(lǐng)域具有一定的借鑒意義[2]。CDIO強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)和產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的真實工程實踐環(huán)境中培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，通過引導(dǎo)學(xué)生以主動的、實踐的、知識之間有機(jī)聯(lián)系的方式培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，使學(xué)生在創(chuàng)新思維能力、終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊合作能力和工程實踐能力等方面得到全面的訓(xùn)練和提高。

3基于CDIO理念的流體力學(xué)課程實施

3.1優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)時，教材的選取是非常重要的，首先要選擇一本好的教材，然后圍繞教材的內(nèi)容，進(jìn)行全方位的內(nèi)容設(shè)計。湖南工學(xué)院安全工程專業(yè)選用的教材為蔡增基、龍?zhí)煊逯骶幍摹读黧w力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》，該教材詳細(xì)介紹了流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)知識，并配有豐富的習(xí)題供學(xué)生課后練習(xí)鞏固，另圍繞教學(xué)大綱，每章設(shè)置了思考題。但教材內(nèi)容多是從供熱通風(fēng)空調(diào)類專業(yè)角度出發(fā)，內(nèi)容較多。按照安全專業(yè)職業(yè)能力與素質(zhì)需求為導(dǎo)向，結(jié)合我校安全工程專業(yè)對該課程課時安排較少，學(xué)生文科生多，理科基礎(chǔ)薄弱的特點、安全工程專業(yè)需求及其與后續(xù)專業(yè)課程之間的關(guān)系，課程教學(xué)內(nèi)容分為四部分：（1）流體靜力學(xué)。掌握流體平衡的規(guī)律，對其中與安全工程關(guān)系不大的小節(jié)進(jìn)行刪除。（2）流體動力學(xué)。研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關(guān)系，以及流體的運動特征與能量轉(zhuǎn)換等。（3）有關(guān)流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，如孔口與管嘴恒定流、管道恒定流等。注重與工業(yè)通風(fēng)、消防、安全工程中常見的泄漏等問題相結(jié)合。（4）泵與風(fēng)機(jī)工作原理及運行知識，重點掌握如何選擇泵與風(fēng)機(jī)。由于課時有限，其他知識可通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)來完成。內(nèi)容設(shè)置注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力和分析解決問題的能力，不因課時少而刪除其物理背景、力學(xué)建模和求解過程等方面的學(xué)習(xí)，只講授結(jié)果、計算公式、圖表等這種短視的做法培養(yǎng)出來的學(xué)生只是現(xiàn)成公式的計算機(jī)器，面對新的問題將束手無策，學(xué)生沒有創(chuàng)新能力，沒有利用所學(xué)知識解決實際問題的能力。只有掌握正確的基本概念和流體運動一般規(guī)律，才能認(rèn)識特殊規(guī)律，才能有分析實際問題的能力，才能正確應(yīng)用和處理流體力學(xué)商業(yè)軟件。

3.2轉(zhuǎn)變教學(xué)方法

在課堂教學(xué)中注重學(xué)生綜合思維、系統(tǒng)思維和工程能力的培養(yǎng)。結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)方法，采用以問題學(xué)習(xí)的形式，要求學(xué)生基于問題學(xué)習(xí)。（1）首先要講授該門課程的性質(zhì)及作用，讓學(xué)生掌握該課程在整個專業(yè)培養(yǎng)中的作用以及工程實踐中的具體應(yīng)用價值，以及該課程與其他課程之間的關(guān)系，從而在學(xué)生的整體知識架構(gòu)中建立起清晰的課程邏輯聯(lián)系[3]，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。（2）各知識點的教學(xué)過程采用啟發(fā)式教學(xué)法，先由老師設(shè)置問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行學(xué)習(xí)；學(xué)完之后讓學(xué)生思考學(xué)了什么，有什么用；除了基本的教學(xué)過程外，在課程中設(shè)置一些小專題討論，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。（3）傳統(tǒng)的教學(xué)模式由于缺乏對知識的應(yīng)用，學(xué)生通常將通過考試作為學(xué)習(xí)目標(biāo)而專注于記憶考試內(nèi)容。因此在教學(xué)中注重相應(yīng)知識點的講解的同時，注重對各知識點的應(yīng)用和拓展，各知識點多方面地與安全工程專業(yè)相結(jié)合（如在講述孔口管嘴出留時與危險化學(xué)品物質(zhì)泄漏進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒事故相結(jié)合；講述流動阻力時與工業(yè)通風(fēng)管道設(shè)計、消防水管道設(shè)計相結(jié)合），強(qiáng)調(diào)其對專業(yè)的支撐作用，要求理論知識必須服務(wù)于安全工作實際，將知識教育和工程能力培養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合起來。

3.3實驗教學(xué)改革

實驗環(huán)節(jié)是CDIO模式下教學(xué)環(huán)節(jié)的非常重要的組成部分，學(xué)生工程能力的培養(yǎng)和綜合應(yīng)用能力的提高，有賴于此環(huán)節(jié)[4]。實驗教學(xué)方面通過建設(shè)流體力學(xué)實驗室，將實踐教學(xué)貫穿于學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)對學(xué)生的動手實踐能力、技術(shù)應(yīng)用能力、研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗?zāi)K分為基礎(chǔ)驗證類實驗?zāi)K、綜合性實驗?zāi)K和開放性實驗?zāi)K?；A(chǔ)驗證類實驗主要包括雷諾實驗、能量守恒驗證實驗、沿程阻力實驗、局部阻力實驗、文丘里管實驗、流量計實驗、離心泵實驗等[5]。這些實驗過程簡單，能幫助學(xué)生更好地理解流體力學(xué)的基本原理和定律，但缺乏創(chuàng)造性，沒有與安全工程專業(yè)實際相結(jié)合。綜合性實驗如與工業(yè)通風(fēng)課程相結(jié)合，設(shè)計一個通風(fēng)除塵管道模型，學(xué)生通過流體力學(xué)知識制定實驗方案，使用儀器測量風(fēng)速、壓強(qiáng)等相關(guān)參數(shù)計算通風(fēng)阻力。讓學(xué)生把流體力學(xué)知識更好地與安全工程專業(yè)相結(jié)合，解決專業(yè)實際問題。綜合類型的實驗相對較復(fù)雜，采用團(tuán)隊協(xié)作的方式，通過互相交流討論解決實驗過程中遇到的問題，發(fā)散思維，實驗結(jié)束后進(jìn)行匯報，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和溝通能力。開放性實驗?zāi)K通過建設(shè)開放性實驗室，為學(xué)生參加各類學(xué)科競賽、科技創(chuàng)新活動、自主實驗、參與大學(xué)生研究性與創(chuàng)新性實驗項目、參與教師科研項目提供實踐平臺。如學(xué)生可進(jìn)行計算機(jī)虛擬流體力學(xué)實驗、利用flunet軟件模擬火災(zāi)發(fā)生時煙氣流動過程。開放性實驗可鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力。

4結(jié)論

1）安全工程專業(yè)“流體力學(xué)”課程作為一門學(xué)科基礎(chǔ)課，其教學(xué)改革應(yīng)以專業(yè)能力需求為導(dǎo)向、學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，引入CDIO理念進(jìn)行教學(xué)改革，可提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力、系統(tǒng)思維能力、和工程能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的工程意識及大工程觀。2）基于CDIO理念的“流體力學(xué)”課程教學(xué)改革應(yīng)注重學(xué)生主體作用的發(fā)揮，以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，采用問題學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生用基礎(chǔ)理論分析、解決實際問題的能力。3）在“流體力學(xué)”課程教學(xué)改革中，應(yīng)注重實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)除了基本的基礎(chǔ)驗證類實驗外，組織學(xué)生做一些綜合性、設(shè)計性、開放性實驗，教學(xué)中注重學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力，人際交往能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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