流體力學的常用研究方法精選(九篇)

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第1篇：流體力學的常用研究方法范文

關鍵詞：工程流體力學；計算流體力學；CFD軟件及源程序；教學研究

中圖分類號：G6420；TU 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）05015404

一、工程流體力學與CFD軟件、源程序

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）軟件通過計算機數值計算和圖像顯示后處理，對包含流體流動和有熱傳導等相關物理現象作出系統的分析。目前，CFD 技術已經廣泛應用到航空、航天、氣象、船舶、水利、化工、建筑、機械、汽車、海洋、體育、環境等領域，取得了令人矚目的成就。在現代科學技術高度發展的今天，計算技術已被引入到流體力學領域，使以前因計算過于復雜而影響進一步探討的流體力學問題逐步得以解決，計算流體力學已經成為研究流體力學的重要方法[1-3]。常用的CFD計算軟件有FLUENT 、CFX、Phoenix等。FLUENT 軟件是目前常用的一套高性能的數值軟件，是專門針對流體工程數值計算與仿真需求而開發的一種流體數值仿真軟件。

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

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

二、 教學案例

（一） 圓管中的層流及紊流教學實例

在工程流體力學教學中，管中流動是主要章節的內容，涉及的理論和公式多，不易理解。圓管流動有層流和紊流兩種流動狀況。雷諾數是判別流體流動狀態的準則數。為加深學生對流速分布和壓強分布規律的理解，在教學中可安排課外作業，設置用FLUENT軟件來模擬研究三維圓管的層流和紊流流動狀況，作出驗證分析。

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

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

圖 3 圓管內部壓強分布

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

L≈0.058 dRe （2）

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

圖 4 圓管軸線上速度分布

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

圖 5 主流方向截面流速分布圖

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

uu=1Klny+C（3）

圖6 Y方向中心軸線的流速分布

（二）管路中的沿程阻力教學實例

在流體力學教學內容管中流動一章的教學實踐中，筆者利用前期研發的程序[6]設置了以半擴散角為4o、擴散度為3.92的錐形漸擴管路內的不可壓縮流動數值模擬算例，旨在將對接科研成果的教學模式用于輔助工程流體力學課程教學實踐。已知條件：錐形漸擴管路前接管直徑為30 mm，后續管直徑為50 mm，總長度為70 mm。管內流動介質為空氣，進口速度為1m/s。 網格模型如圖7所示。

圖7 錐形漸擴管路系統內流場網格模型

數值計算結果如圖8所示。從圖中可清晰看出，在突然擴大段，壓力逐漸增大，表現擴壓效果，但中心線上的速度呈下降趨，若擴散角增大時，在漸擴段會出現局部回流區，這是造成局部能量損失的重要原因。

圖8 錐形漸擴管路內壓力場

局部阻力誤差分析：對于錐形漸擴管的局部阻力，可以用包達定理的形式表示：

hζ=ku1-u222g（4）

其中，k為經驗系數。由式可知，錐形漸擴管局部阻力損失理論計算公式為：

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

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

hζ理=0.004 305 m

實際流體的伯努利方程為[7]：

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

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

η=hζ模-hζ理hζ模×100%

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

（三） 后臺階流動教學實例

為讓學生對雷諾數有更進一步的感性認識，利用開源CFD程序[8]可設置后臺階流動教學實例，比較不同入流Re數時臺階后渦的大小和長度，現選擇四種Re數工況的計算結果進行后處理，得到如圖9所示的流線圖。從圖中可以看出，隨Re數的增加，臺階后方主渦的大小呈增大趨勢，在Re=1 000時在上方有次生渦的出現。

圖9 不同雷諾數下的流線圖

三、 教學實踐中的幾點體會

（一） 理論教學與數值實驗教學的合理利用

在工程流體力學理論教學時可結合數值實驗教學加以輔助，例如在管中流動一章教學時，可以用上述相關教學實例。由于在進行課堂演示教學時，依計算機性能及不同問題的規模難易程度，數值模擬求解的時間將有不同，要掌握合理數值模擬時間。可采取讓學生安裝CFD程序及軟件，并要求學生事先自學使用方法，嘗試數值預測，預習理論知識。然后教師理論教學時對學生預測結果進行抽樣調查分析，將理論結果與計算結果比較分析。條件許可的話，也可以通過高性能集群提交計算作業，在較短的時間內獲得計算結果。這樣學生對復雜的理論就能有深入的認識，同時也鍛煉了學生的科研能力。

（二）適當安排精選案例教學

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

（三） 源程序和軟件互補

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

四、結 語

通過上述幾個數值模擬實例可以看出，數值模擬過程并不太難，但結果更形象直觀。借助計算機輔助手段，在工程流體力學課堂教學中，利用CFD軟件及源程序進行數值模擬輔助理論教學， 將理論性較強的內容形象化，可以開闊學生的視野， 激發學生的學習興趣和創新意識， 加深學生對基礎理論的理解。此外，通過對接科研成果，用源程序進行數值實驗教學還可以培養學生的動手能力和科研能力，豐富數值實驗教學內容。參考文獻：

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

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

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

[4]張也影.流體力學[M].2版.高等教育出版社，2009.

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

[6]何永森，舒適，蔣光彪，等.管路內流體數值計算與仿真[M]. 湖南 湘潭： 湘潭大學出版社，2011.

第2篇：流體力學的常用研究方法范文

[關鍵詞] 模塊化 分層次 力學 課程體系

力學既是一門重要的基礎學科,又是一門在絕大多數科學技術和工程領域具有重要作用的技術學科,特別在現代工程技術的發展與進步中起著重要作用。力學課程是工科院校中一類重要的基礎課程。我校力學課程包括“理論力學”、“材料力學”、“工程力學”、“結構力學”、“彈性力學”及“工程流體力學”等。為了適應國民經濟建設的發展對人才的需要,滿足高等教育改革的要求,在“厚基礎、寬口徑、強能力”的思想指導下,以工程技術為背景,突出工程實踐能力和創新精神培養,拓寬知識面,增強適應性。以培養學生的創新精神,培養創造性人才為核心,建立與之相適應的力學課程教學體系。

中國地質大學(北京)關于修訂本科培養方案的原則意見中提出,新的培養方案要深化通識基礎課和學科基礎課的教學改革,實施分級或分層次教學。力學類課程作為學科基礎性課程和專業基礎課程在培養方案中起著承上啟下的作用,但不同專業對力學類課程的要求不同,為此建立模塊化結構的多層次力學課程體系,為滿足不同專業的需要提供選擇,達到提高教學效率的目的。

一、力學類課程單元模塊的設置

力學類課程單元模塊的設置要圍繞為專業服務這個核心,課程體系構建要形成以能力培養為目標的課程功能模塊;要以能力為中心構建力學類課程分層次教學體系,加強學生在分析和運用等方面能力培養,提高綜合素質。課程單元模塊的設置要做到統一性和多樣性相結合,形成方向特色課程模塊,滿足不同專業學生個性發展和適應能力的需要,同時與專業發展、學科建設相互交叉,擴展學生知識面,使學生能形成合理的知識結構,增強學生適應能力和創新能力,提高學生綜合素質。

以能力培養為核心,首先要按照“必需夠用”的原則來設置課程單元模塊,單元模塊要突出應用性;其次要將力學知識與專業知識結合起來,增強力學知識的適應性,使知識能轉化為能力;最后要加強學生創新能力的培養和拓展,強化能力水平的滲透性,讓知識和能力“遷移可用”。根據以上原則,結合我校情況,共設置了22個模塊,主要內容如下:

靜力學(16學時):最基礎的一個模塊,要求掌握靜力學基本理論、受力分析、力系的合成(簡化)、力系的平衡及應用。

運動學(16學時):包括點的運動學和剛體運動學,重點是點的復合運動和剛體的平面運動。

動力學(16學時):重點是剛體和剛體系統的動力問題,包括動力學普遍定理及應用和動靜法。

分析力學基礎(16學時):屬于擴展模塊,主要內容為虛位移原理及應用、動力學普遍方程及應用、第二類拉格朗日方程及應用。

振動力學基礎(16學時):專題模塊,主要內容為單自由度系統的自由振動、衰減振動、無阻尼受迫振動及有阻尼受迫振動。

基本變形(32學時):重點研究桿件在軸向拉伸與壓縮、剪切與擠壓、圓軸扭轉、梁的平面彎曲時的內力、應力、強度、變形、剛度計算等,本模塊含實驗4學時,包括材料力學性能測試和電阻應變測量技術的應用。

應力狀態強度理論及應用(16學時):包括應力狀態理論、常用強度理論及組合變形強度計算,此外將壓桿穩定和動載荷與交變應力并入這一模塊,含實驗2學時。

能量法及靜不定系統(16學時):屬于擴展模塊,包括能量法及應用、簡單靜不定系統。

靜定結構(16學時):結構力學基本模塊,含體系的幾何組成、靜定結構內力和位移計算。

超靜定結構(1)(16學時):包括力法解超靜定結構、位移法解超靜定結構。

超靜定結構(2)(16學時):力矩分配法、矩陣位移法、影響線及內力包絡線。

結構動力學(16學時):結構力學擴展模塊,包括結構動力分析、結構穩定性計算、結構的極限載荷3個專題。

彈性力學基本理論(16學時):彈性力學平面問題和空間問題的基本理論。

彈性力學基本解法(16學時):彈性力學平面問題基本解法(含直角坐標和極坐標),柱體彈性扭轉、板的彈性彎曲。

彈塑性基本理論(16學時):應力分析理論、應變分析理論、應力與應變關系理論。

彈塑性基本方法(16學時):厚壁圓筒的彈塑性分析、柱體扭轉的彈塑性分析、板的彈塑性彎曲、塑性極限分析理論及應用。

線彈性斷裂力學(24學時):線彈性斷裂力學理論及應用、復合斷裂理論及應用。

彈塑性斷裂力學(8學時):彈塑性斷裂力學理論及應用。

損傷力學(8學時):損傷力學理論及應用。

工程流體力學基礎(16學時):流體靜力學、流體運動學、流體動力學基礎。

工程流體力學應用(16學時):流體力學在工程的應用,含實驗4學時。

有限元法基礎(16學時):有限元素法的基本理論。

二、根據單元模塊構建分層次課程體系

為構建適應不同專業的分層次力學課程體系,首先要與各專業負責人溝通,了解各專業培養目標中對力學課程的要求,在合理設計學生知識、能力、素質結構的基礎上,力求科學地處理各單元模塊及教學環節的關系,通過整體優化,改善課程結構,增強教學效果。同時要注意理論教學與實踐教學的有機結合,密切注意學科前沿的發展和學生創新思維和創新能力的培養。對不同專業學生,要考慮到因材施教的問題。

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

在設置單元模塊和與專業結合的基礎上,根據21個模塊可以方便靈活地組成不同層次、適應不同專業的力學課程,如工程力學課程:

工程力學A(48學時)=靜力學(16學時)+基本變形(32學時)

工程力學B(64學時)=靜力學(16學時)+基本變形(32學時)+應力狀態強度理論及應用(16學時)

工程力學C(64學時)=靜力學(16學時)+基本變形(32學時)+工程流體力學基礎(16學時)

其中,工程力學A適應我校對力學要求不高的理工科專業,如材料科學與工程、地質學、海洋科學等。工程力學B和C適應要求稍高的安全工程、資源勘查與工程、地球物理、地下水科學與工程、石油工程等專業。對于要求更高的勘查技術與工程、土木工程、機械設計制造及其自動化、地質學基地班,可選擇理論力學和材料力學,或者固體力學基礎。

理論力學A(48學時)=靜力學(16學時)運動學(16學時)+動力學(16學時)

理論力學B(64)=靜力學(16學時)運動學(16學時)+動力學(16學時)+分析力學基礎(16學時)或振動力學基礎(16學時)

材料力學A(48)=基本變形(32學時)+應力狀態強度理論及應用(16學時)

材料力學B(64)=基本變形(32學時)+應力狀態強度理論及應用(16學時)+能量法及靜不定系統(16學時)

固體力學基礎A(48)=基本變形(32學時)+彈塑性基本理論(16學時)

固體力學基礎B(64)=基本變形(32學時)+應力狀態強度理論及應用(16學時)+彈塑性基本理論(16學時)

對土木工程、勘查技術與工程、機械設計制造及其自動化、安全工程專業,后續課程可選擇結構力學、彈性力學、工程流體力學等課程。

結構力學A(32學時)=靜定結構(16學時)+超靜定結構(1)(16學時)

結構力學B(48學時)=靜定結構(16學時)+超靜定結構(1)(16學時)+超靜定結構(2)(16學時)

結構力學C(64學時)=靜定結構(16學時)+超靜定結構(1)(16學時)+超靜定結構(2)(16學時)+結構動力學(16學時)

彈性力學(32學時)=彈性力學基本理論(16學時)+彈性力學基本解法(16學時)

彈性力學及有限元(48學時)=彈性力學基本理論(16學時)+彈性力學基本解法(16學時)+有限元法基礎(16學時)

工程流體力學(32學時)=工程流體力學基礎(16學時)+工程流體力學應用(16學時)

對于要求更高的高年級學生或研究生可選擇彈塑性力學、斷裂力學等課程。

彈塑性力學(48學時)=彈塑性基本理論(16學時)+彈性力學基本解法(16學時)+彈塑性基本方法(16學時)

彈塑性力學及有限元(64學時)=彈塑性基本理論(16學時)+彈性力學基本解法(16學時)+彈塑性基本方法(16學時)+有限元法基礎(16學時)

斷裂力學(32學時)=線彈性斷裂力學(24學時)+彈塑性斷裂力學(8學時)

斷裂及損傷力學(32學時)=線彈性斷裂力學(24學時)+損傷力學(8學時)

以上列舉了部分課程,根據單元模塊還可組合成其它課程,供不同專業在設置培養方案時選擇。由于可選擇范圍寬、層次多,該方案受到我校各專業修訂培養方案負責人的好評。

三、分層次力學課程體系構建應注意的問題

1.力學課程體系要以“必需、夠用、有效、實用”為度

由于我校未設置力學類專業,所以力學類課程要注重為專業基礎和專業課服務。力學課程體系構建要緊密結合理工科專業的發展,重點放在如何利用力學知識分析、解決工程問題的能力上。在課程設置中堅持以能力為本,探索培養學生工程意識與相應的實踐能力、綜合運用能力相結合的分層次力學課程教學體系。達到為專業培養目標服務。

2.制定切實可行的教學大綱是保證教學質量的前提

教學大綱是根據課程在培養方案中的地位、作用以及課程性質、目的和任務制定的課程內容、體系、范圍和教學要求的基本綱要。它是實施教育思想和教學計劃的基本保證,是進行教學質量評估的重要依據,也是學生學習的指導性文件。結合新課程體系的構建,制定符合各專業要求、切實可行的教學大綱是保證教學質量的前提,也是進行教學研究與改革的基礎。

3. 師資隊伍建設是課程體系改革得以順利開展的重要保證

第3篇：流體力學的常用研究方法范文

關鍵詞 虛擬現實 實驗室 安全

一、“虛擬實驗室”的優點

相對于傳統的實驗教學模式，利用虛擬現實技術創建虛擬實驗室，不僅可以節約實踐教學成本，突破時間和空間的限制，更有利于學生實踐技能和創新能力的培養，是計算機技術在實踐教學中應用的一個重要發展方向。想比較傳統實驗室而言，虛擬實驗室具有系統開放靈活，與計算機技術保持同步發展、價格低廉、開發與維護費用低、技術更新周期短、用戶可定義儀器功能等優點。

在教學方面，虛擬實驗室也具有得天獨厚的優勢。

（一）立體化、多視角呈現教學內容

以往，教學信息多是以文字、圖片、視頻、動畫等形式呈現，學生受視角限制，缺乏立體感且略顯單調、乏味，而利用虛擬現實技術的三維仿真特性，我們可以講教學內容以三維模型的方式進行立體化多視角地呈現，使學生以真實世界的感受完成學習、提高學習質量。

（二）突破時間和空間的限制

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

（三）遠離實驗傷害，減低安全隱患

在傳統的實踐模式中，往往采用播放電視錄像的方式來代替一些危險實驗。利用虛擬現實技術，學生可以在虛擬場景中完成，豐富感性認識，例如虛擬的化學實驗。

（四）創設人性化學習環境，激發學生學習熱情。

虛擬實驗室交互性好，可操作性強，學生在虛擬現實環境中是一個主動觀察者，他可以通過不斷進行探索，分析、判斷，完成真實實驗完成不了的操作，從而激發學生的積極性，加強創造能力。

二、“虛擬實驗室”的開發工具

構建“虛擬實驗室”有多種方法，目前常用的實現構建技術有：JAVA 、ActiveX、VRML、QTVR、Flash等，這幾種技術各有特點。其中，三維的虛擬實驗室適宜用VRML技術開發，綜合性能較好；二維的虛擬實驗室適宜用Flash開發，綜合性能比較好。

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

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

就供油安全工程教學來說，主要涉及化學、流體力學以及油庫安全工程等多種學科，其中許多內容需要以實驗的方式來示教，虛擬技術發揮空間巨大。

三、“體力學虛擬實驗室”的開發

（一）實驗內容

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

（二）開發工具以及實現方法

1．針對不同的實驗分析其機理、規律，建造數學模型，應用Flash自帶的ActionScript編寫程序。

2．應用Flash制作或手繪實驗所需的各種儀器和設備模型，應用Flas技術完成流體擺動，各種狀態流動的動畫模型。

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

4．應用ASP和Access數據庫編寫實驗報告、自動評判程序以及教師調閱頁面。

（三）操作流程

1．登陸實驗網頁選擇實驗。

2．學習實驗相關原理及在線觀看實驗演示。

3．進行虛擬實驗，在實驗報告表單中記錄數據、填寫實驗報告，回答問題。

4．系統自動評測實驗結果，教師可以遠程抽調學生的實驗報告，了解情況予以評判。

5．實驗結束，學生可以選擇重做實驗。

四、“有機化學虛擬實驗室”的開發

（一）實驗內容

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

（二） 設計思想以及開發工具

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

五、總結

實驗室的建設與發展已經成為高校內涵建設的重要內容之一，虛擬技術在實驗室建設方面，優勢明顯，虛擬實驗室具有耗資少、配置靈活、交互能力強、仿真程度高等優點，很大程度上解決了硬件設備相對短缺、實驗課時和實驗場地不夠的問題，對于改變傳統實驗教學模式，促進實驗室的開放和提高學生的實踐創新能力具有重要作用。

參考文獻：

第4篇：流體力學的常用研究方法范文

傳熱學教學方法改革《傳熱學》是研究熱量傳遞過程規律的科學，作為一門專業基礎課，廣泛開設于熱動、建環、化工、電子等各專業領域。這門課程與先修課程《工程熱力學》和《流體力學》相比較，具有更為復雜的知識結構，因此，在對這門課的學習過程中，部分學生感到困難頗多，甚至有些無所適從。

一、上好緒論課

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

二、合理設置問題情境

設置問題情景，也叫“問題教學法”，就是教師在課堂講授時，并不是把教學內容作為現成的知識向學生傳授，而是將所要講授的內容作為一個個問題向學生提出，采用課堂上一問一答的上課方式。這樣不僅可以引起學生的注意，使學生集中精力聽課，而且還能激發學生積極思維，調動學生學習的積極性和主動性。

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

三、充分利用比擬法教學

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

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

四、多媒體教學手段的應用

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

在傳熱學教學中適當地輔助多媒體的手段，不僅可以使教師更加生動和清晰地講解知識點，及時便捷地完善教學內容，而且也有助于學生對知識的理解、記憶和應用，極大地提升了學習效率。

五、結束語

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

參考文獻：

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

[2]章學來，施敏敏，汪磊.多媒體在傳熱學教學中的應用[J].中國電力教育，2009，（3）.

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

第5篇：流體力學的常用研究方法范文

關鍵詞：有限元 機械工程 應用 前言

有限元方法誕生于20世紀中葉，隨著計算機技術和計算方法的發展，已成為計算力學和計算工程領域里最為有效的計算方法。許多工程分析問題，如固體力學中的位移場和應力場分析、電磁學中的電磁場分析、振動特性分析、熱學中的溫度場分析、流體力學的流場分析等，都可歸結為在給定邊界條件下求解其控制方程的問題。有限元技術的出現為機械工程結構的設計、制造提供了強有力的工具，它可以解決許多以往手工計算根本無法解決的問題，為企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。在現代機械工業中要設計生產出性能優越、可靠的機械產品，不應用計算及進行輔助設計分析是根本無法實現的，因此目前各生產設計部門都非常重視在設計制造過程中采用先進的計算機技術。 有限元法簡介

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

3.有限元法在機械工程中的應用

近年來，國內外許多學者對機械零部件的有限元分析進行了大量的研究，歸納起來主要是以下幾個方面：

（1）靜力學分析。當作用在結構上的載荷不隨時間變化或隨時間的變化十分緩慢，應進行靜力學分析。這是對機械結構受力后的應力、應變和變形的分析，是有限元法在機械工程中最基本、最常用的分析類型。

（2）動力學分析。機械零部件在工作時不僅受到靜載荷作用，當外界有與其固有頻率相近的激勵時，還會引起共振，嚴重破壞結構從而引起失效。故零部件在結構設計時，對復雜結構，在滿足靜態剛度要求條件下，要檢驗動態剛度。

（3）熱應力分析。這類分析用于研究結構的工作溫度不等于安裝溫度時或工作時結構內部存在溫度分布時，結構內部的溫度應力。

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

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

5.有限元法的設計過程

5.1 模型簡化

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

5.2定義材料特性

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

5.3 載荷狀況（工況）定義

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

5.4 作業定義

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

5.5 單元類型定義

定義完作業后需要進行單元類型定義，因為在該軟件中，不同類型的結構對應著不同類型的單元類型及輸出結果。本例采用了單元類型為80的用于平面應變分析的四邊形單元。

6.有限元技術發展趨勢

有限元法最初應用在求解結構的平面問題，發展至今已由二維問題擴展到三維問題、板殼問題，由單一物理場的求解擴展到多物理場的耦合，由靜力學問題擴展到動力學問題、穩定性問題，由結構力學擴展到流體力學、電磁學、傳熱學等學科，由線性問題擴展到非線性問題，由彈性材料擴展到彈塑性、塑性、黏彈性、黏塑性和復合材料，從航空技術領域擴展到航天、土木建筑、機械制造、水利工程、造船、電子技術及原子能等，其應用的深度廣度都得到了極大的拓展。有限元法的發展過程是與計算機技術的發展緊密相聯的。只有計機技術高度發展以后，有限元法才得到廣泛的應用。一個復雜的問題的求解，過去用小型機花費幾天才能得到結果，現在用PC機幾個小時就能完成同樣的工作。商業有限元軟件也由只能在大中型計算機上使用，轉入到多數都能在PC平臺上運行。可以預期，隨著計算機技術的進一步發展，有限元法的應用還將進一步擴大，并將成為工程技術中更重要、更有力的數值計算工具。

7.結束語

有限元的應用大大提高了企業的設計效率，優化了設計方案，縮短了產品的開發周期。越來越多的企業和技術人員意識到CAE技術是一種巨大是生產力。可以預見，不久的將來，有限元法的應用，必將更加普及，將會有更大的突破必將推動了科技進步和社會發展，并且會取得巨大的經濟效益。

參考文獻：

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].清華大學出版社，1997

[2]趙松年，佟杰新，盧秀春.現代設計方法[M].北京：機械工業出版社，1996

第6篇：流體力學的常用研究方法范文

關鍵詞：橋梁抗風；風致振動；動力作用

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

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

中圖分類號：K928.78文獻標識碼：文章編號：

一、橋梁抗風發展過程、研究方法和現狀

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

目前對橋梁風致振動的研究方法主要有四類：理論分析、風洞試驗、數值模擬和現場觀測。本文主要介紹橋梁風工程中的理論分析、風洞試驗、數值模擬這三種方法。

1.1理論分析

根據荷載的表達方式不同，風致振動分析理論主要有頻域分析和時域分析。

在頻域內分析橋梁結構顫振的理論有經典耦合顫振理論、分離流顫振理論和多模態顫振理論。經典耦合顫振理論最早是Bleich用Theodorsen的平面薄翼理論研究懸索橋顫振而發展起來的，該理論以Theodorsen自激力模型為基礎。

在時域內分析橋梁結構抖振的理論有Davenport抖振分析理論、Scanlan抖振分析理論、Scanlan多模態抖振理論。Davenport于20世紀60年代研究了橋梁結構的抖振問題，他運用概率統計的方法和隨機振動理論建立了柔性細長結構的湍流抖振響應分析模型，并給出了抖振力模型。Davenport抖振分析理論認為風速的脈動決定了風荷載的統計特性，柔性細長結構的陣風響應可以通過模態疊加求得。Davenport對抖振分析的重要貢獻是在功率譜中引入氣動導納來修正按準定常氣動力模型計算的誤差,，引合承受函數來描述氣動力沿橋跨方向的相關性。

1.2風洞試驗

橋梁結構模型風洞試驗可分為節段模型試驗、全橋模型試驗、拉條模型試驗；按照懸掛方式的不同，節段模型試驗可以分為剛性懸掛節段模型試驗、強迫振動節段模型試驗、自由振動節段模型試驗、彈性懸掛節段模型試驗。

1.3數值模擬

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

二、風荷載分類

2.1風的靜力作用

靜力作用指風速中由平均風速部分施加在結構上的靜壓產生的效應，可分為順風向風力、橫風向風力和風扭轉力矩。在順風平均風的作用下，結構上的風壓值不隨時間發生變化，作用與橋梁上的風力可能來自任一方向，其中橫橋向水平風力最為危險，是主要的計算對象。它所造成的橋梁破壞的特點主要是強度破壞或過大的結構變形。在橋梁的靜風作用分析中，通常將風荷載換算成靜力風荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構件上，進行結構的計算分析。

2.2風的動力作用

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

三、橋梁抗風的方法措施

3.1結構構造的制振方法

增加扭轉剛性對提高大跨度橋梁設計的發散振動極限風速是非常有效的。如在加勁桁架上設置無鋼筋網絡相連的行車道橋面結構時，采用設置上下橫梁的方法形成準閉合斷面可以顯著增加扭轉。另外，還可以在纜索支撐橋梁上加一些輔助設施同樣可以提高其抗風穩定性。比如，在懸索橋的主纜與主梁之間加中央扣可以大大提高發散風速。

3.2空氣動力的制振方法

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

3.3機械構造的制振方法

由于纜索體系橋梁的跨度較大，橋梁結構更輕更柔，結構的阻尼特性減弱，造成風和車輛等因素激勵下結構響應值加大，故常需要增加結構的阻尼來抑制風振。常常采用被動抑振(如TMD，TLD或ID)和主動抑振(AMD)。被動抑振又分為調諧附加質量方法(如TMD等)和非調諧質量法(如ID沖擊阻尼器)。主動抑振方法是采用計算機系統進行監控，如達到需要抑振時，自動驅一套裝置改變質量分布、剛度或阻尼等方法來抑振。

四、結束語

隨著近年來人們對橋梁抗風問題認識的逐漸加深，橋梁抗風研究已經取到一定的成果，但在以下幾方面仍然存在薄弱點，需要通過創新實現突破性進展。

4.1風振機理研究

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

4.2風振理論的精細化

對于非危險性的限幅風致振動，如抖振和渦振，應該說雖然已經建立起一套可用于解決工程抗風設計的近似方法，但對于風特性參數的合理取值，氣動參數、特別是氣動導納函數的識別以及通過節段模型識別參數時的雷諾數效應等都存在著一些不確定性和難度，致使分析結果與現場實測數據還不能取得一致，需要通過典型工程的案例研究加以對比和驗證，對現行的抖振和渦振分析理論進行精細化的改進，甚至建立新的分析理論和方法。可以說，要更好地解決橋梁抖振和渦振的分析和控制問題，還有許多工作要做。

4.3概率性評價方法

風是一種隨機荷載。對各種風振的安全檢驗和評價理應采用概率性的方法。然而，由于動力可靠度分析在理論上的困難以及各種統計參數的缺乏，目前雖然國內外部分學者對幾座大橋做了概率性評價的初步探索，但幾乎所有國家的抗風設計規范仍采用基于經驗安全系數的確定性方法來進行各類風振的安全檢驗。在世界橋梁設計規范已經向基于可靠度理論的方向過渡的總形勢下，應當通過努力盡快改變抗風設計規范的落后局面。

4.4 CFD技術和數值風洞

目前，對于氣動彈性分析的數值模擬技術，在二維模型和均勻來流條件下的計算已比較成熟，正在向三維模型、紊流風場和高雷諾數方向發展。數值模擬和縮尺物理模型實驗相比，可以避免縮尺模型制作帶來的材料本構關系的相似性困難和其他的縮尺效應問題(如雷諾數效應)。此外，前面提到的關于風振機理研究和風振理論精細化研究也有賴于數值模擬方法的幫助，以便于揭示致振機理、改進參數識別精度、提高抗風措施的有效性以及建立更為合理的抖振和渦振理論框架等。可以預期，隨著計算流體動力學理論的進步，數值模擬方法將會逐步替代風洞實驗形成“數值風洞”新技術。因此，數值模擬方法應當是本世紀的研發目標。

參考文獻

[1]陳羽,張亮亮 橋梁抗風研究方法綜述 四川建筑 2010.12

[2]陳政清,項海帆.橋梁風工程 人民交通出版社 2005

[3]譚建領,田萬濤,李穎 風荷載對橋梁結構影響分析.黃河水利職業技術學院學報 2007.7

第7篇：流體力學的常用研究方法范文

作者認為，如果想讓自然通風被更有效的利用來積極地影響環境，本書的新觀點需要被廣泛的傳播。作者寫作本書的目標是想把最新的現代建筑天然通風設計和控制思想傳遞給更多的建筑和工程專業人員。作者希望本書能讓讀者更好地處理自然通風，成為機械通風和空調的有效輔助與替代方案。

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

本書作者Chenvidyakarn博士是劍橋大學的講師，也是劍橋大學莫德林建筑學院的研究員。作者在劍橋大學獲得碩士和博士學位，現在劍橋大學英國石油公司研究院與工程建筑系進行講授和研究，主要面向建筑物可持續設計領域。作者經常在領域內重要國際期刊上發表文章，例如《建筑與環境》、《能源和建筑》、《CIBSE屋宇裝備工程技術研究》及《國際通風期刊》等，他還是兩個國際期刊《城市建筑—室內景觀設計與技術》與《建筑學研究與學習》的編委。

寧圃奇，博士，副研究員

（中國科學院電工研究所）

第8篇：流體力學的常用研究方法范文

關鍵詞：火災科學數值模擬 火災調查 火災動力學

1、火災調查中的問題

火災是現代社會造成損失最大的安全問題，火災一旦發生，不僅造成大量的人員傷亡，還會造成巨額的財產損失。隨著現代社會經濟的越來越發達，火災對人員的生命安全和財產造成的損失也更加巨大，給人民生活帶來了慘痛的教訓。火災調查結果的準確與否直接關系到能否依法處理追究事故的責任者或犯罪分子。因此，確定火災發生的起火原因，什么原因引起的火災，防止類似的情況再次發生；同時，還可獲得相關的證據，不斷增加火災調查經驗，研究火災發生發展規律，為預防和滅火提供科學依據。

在我國，火災調查主要是消防總隊、支隊的相關人員對發生的火災事故進行火災起火原因、起火點的認定調查。然而，由于火災發生的不確定性以及火災形勢的多樣化，目前我國的火災調查工作遇到前所未有的挑戰，有關的火災訴訟案件也日益增多。這要求我國的火災調查人員必須具備相關的法律知識和技能技術，盡快查明火災發生原因，明確事故責任。因此，計算機數值模擬技術被逐漸應用到火災事故的調查工作當中，輔助火災調查人員獲取相關的證據，并且這種應用被普遍接受和認可。

2、火災動力學模擬軟件簡介

火災動力學模擬軟件(FDS)由著名的美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開發，是一個對火災引起流動的流體動力學計算模型，是專門從數值計算方面解決一系列適合于熱驅動、低速流動的Navier-Stokes方程，重點適用于火災導致的熱煙傳播和蔓延的數值模擬。FDS利用了大渦流流體力學模型（Large Eddy Simulation，LES）來處理火場流體的紊態流動。專家和學者通過對真實火災場景的模擬研究證明FDS具有有很高的準確性和可信性。火災動力學模擬軟件FDS目前已經被廣泛應用在火災科學的研究和火災事故調查的證據。

3、數值模擬在火災調查工作中的應用現狀

3.1 國外應用研究

Daniel Madrzykowski等人應用FDS火災模擬軟件模擬了美國華盛頓的一起真實的室內火災。火災模擬的資料是根據火災調查機構提供的真實的火災現場情況為依據，確定了火災熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場中煙氣的流動方向和速度、氧氣濃度、室內壓力等相關數據。起火建筑為三層，根據火災調查報告的認定，發生火災是由位于地下室天花板內的電器設備引起的，開始在地下室內蔓延并且在地下室內發生了轟然，從地下室通向樓梯處的門在火災發生時一直處于開啟狀態，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結果來看，火勢是沿著天花板開始蔓延，散落下的火星引燃了室內的其他可燃物，直至地下室內的氧氣被消耗盡。

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

3．2 國內應用研究

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

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

4．數值模擬技術在火災調查工作中的應用前景研究

目前國內外對火災事故類型的分析通常由專業人員采用長期工作積累的經驗、或采用半經驗的方式，很少有數值模擬手段應用于火災調查。通過國內外學者、專家以及火災調查工作者在火災事故調查工作中對數值模擬技術的應用證明，FDS能夠很好的重現真實的火災場景。利用火災動力學模擬軟件FDS建立實際火災場景的數學模型，對真實的火災事故進行計算機數值模擬對火災事故結果的準確性是一種很好的研究方法。在建模時需要清晰知道起火建筑物的詳細資料，包括建筑物尺寸及材料、內部裝修材料、建筑物的開口大小、當時的通風及天氣狀況、周圍建筑物的布局等，這些資料可通過火災調查機構或部門、氣象部門獲得。通過采用火災動力學模擬軟件（FDS），對可能的起火點、起火原因建立火災場景進行火災動力學模擬，可以計算火災現場關鍵部位的火場溫度、可見度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數據與火災現場勘探的數據進行比較，排除不合理的起火點、起火原因及人員死亡原因，為火災調查人員提供合理的依據，解決了火災現場看勘察很難確定的問題，進一步完善了火災調查報告的準確性。對模擬過程中的火災蔓延趨勢的再現，也為采取消防保護措施提供了依據。隨著計算機技術的飛速發展和人們對火災事故調查的嚴密性，數值模擬技術將能將廣泛用來輔助火災事故調查。

5．總結

通過對火災調查現狀和火災動力學模擬軟件介紹分析及國內外的應用分析，FDS在對有焰燃燒的火災事故模擬，較真實的重現火災場景，并且已經成為火災事故調查不可或缺的技術手段，能夠很好的輔助火災調查工作人員進行火災事故調查，對有異議的火災事故結論提供更加可信的依據。

參考文獻：

[1]陳琨, 舒慧慧. FDS 數值模擬技術在某“商住合用”建筑火災調查中的應用. 消防技術與產品信息,2008, (7): 64-67

第9篇：流體力學的常用研究方法范文

【關鍵詞】煉油廠；加熱爐；熱效率；節能

1、常用管式加熱爐的節能建議

1）冷空氣進預熱器前先預熱

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

2）改善爐管的受熱狀況

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

3）嚴格控制排煙溫度

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

4）減小加熱爐漏風量

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

5）使用高溫輻射涂層

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

2、CFD系統運用建議

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

參考文獻

[1]ANSI/ API 560 1996， 一般煉油裝置用火焰加熱爐[S] .

[2]舒邦春.加熱爐余熱回收系統腐蝕狀況調查及預防[J].石油化工腐蝕與防護， 2005，（1）： 63 65.

[3]魏宏學.CO 余熱鍋爐改造[J].石油化工設備，2005，34（4）：76 77.

[4]趙振榮.原油加熱爐爐管腐蝕與預防[J].管道技術與設備，2004，（5）：43 45.

[5]趙振榮.直接式加熱爐爐管腐蝕與預防[J].石油化工腐蝕與防護.2005，22（1）32.

[6]舒邦春.加熱爐余熱回收系統腐蝕狀況調查及預防[J].石油化工腐蝕與防護.2005，22（1）60.