流體動力學原理精選(九篇)

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第1篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：工程流體力學；環境類；教學難點；教學方法；銜接技巧

作者簡介：齊旭東（1981-），男，河北唐山人，河北工業大學能源與環境工程學院，講師。（天津 300401）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0130-02

一、環境類工程流體力學的學科特色分析

環境類專業涉及流體力學的內容廣泛，而且與機械、熱能動力、水利等傳統學科對流體力學的要求有明顯不同。[1-3]河北工業大學（以下簡稱“我校”）環境工程專業采用聞德蓀先生編著的《工程流體力學》教材，由高等教育出版社出版，分上下兩冊，上冊為《理論流體力學基礎》，下冊為《應用流體力學》。該教材與其它傳統學科所采用的流體力學教材相比區別較大：由于人類生活和生產主要局限在生物圈，生物圈中水和氣是無處不在的，環境類專業主要圍繞水和氣，因此，上冊《理論流體力學基礎》的覆蓋面極大，包括靜力學、運動學、動力學、恒定平面勢流、流動相似原理、流動阻力和能力損失等模塊；下冊《應用流體力學》包括孔口和管嘴出流、有壓管流、明渠流、堰流、滲流等模塊。下冊以水為主，旁及氣體，實際上是水力學基礎。但是，與傳統水力學又有著明顯的不同，這一不同并不是教材主要內容的差異，而是學科體系的構建不同。傳統水力學在學科構建上有著鮮明的學科特色，而環境類專業所學習的《應用流體力學》（教材下冊）是采用更加簡單的方式初步介紹水力學。換言之，是上冊《理論流體力學》的動力學在幾種特殊邊界流場中的具體應用，這些特殊流場的研究對于設計和計算環境類的反應器、構筑物的形式和尺寸，以及流體輸配具有重要意義。

工程流體力學與三大力學（理論力學、材料力學、結構力學）相比，其主要概念和原理幾乎沒有相似之處，[4-6]與大學物理學相比也無相似之處。[7]換言之，在工程流體力學中涉及的概念和原理對本科生來說幾乎是全新的。工程流體力學建立在連續介質假設基礎上，是通過牛頓經典力學和高等數學知識對流體靜止和運動規律進行研究，通過歐拉法或拉格朗日法對流動現象建立數學模型，從而用微積分等高等數學方法解決流體流動問題。該學科的基本概念和原理在三大力學或大學物理學中幾乎是從未提及過的。

可見，工程流體力學的學科特點鮮明，是環境類專業的重要骨干課程。筆者從事工程流體力學教學7年有余，并主動向老教師或其他同行學習探討，發現除了要把握好該課程的學科特點外，對教學難點也要廣泛篩選、收集和研究，并結合教學方法進行探討論證，[8-12]具體分析見表1及下文。

表1 若干教學難點與教材章節對應一覽表

序號 教學難點 教材章節[1]

1 連續介質假設 第一章緒論

2 隔離體受力分析 第一章緒論

3 流體相對平衡 第二章流體靜力學

4 流體靜力學基本方程、阿基米德原理 第二章流體靜力學

5 拉格朗日法、歐拉法 第三章流體運動學

6 亥姆霍茲速度分解定理 第三章流體運動學

7 理想流體動力學、實際流體動力學 第四章理想流體動力學和平面勢流、第五章實際流體動力學基礎

8 牛頓一般相似原理、單項力相似準則 第六章量綱分析和相似原理

9 普朗特混和長度理論 第七章流動阻力和能量損失

10 孔口、管嘴出流和有壓管流 第九章有壓管流和孔口、管嘴出流

11 堰流 第十章明渠流和閘孔出流及堰流

12 滲流 第十一章滲流

二、環境類工程流體力學的教學難點與教學方法銜接技巧分析

連續介質假設（序號1）是工程流體力學的基礎，其重要性不言而喻，但是作為一門新課程的開始，學生往往很難接受這樣的模型假設。因此，宜采用討論法處理該問題，討論法的難點是避免討論課的無計劃性。質點的概念對于研究流體運動是至關重要的，但是有大半學生掌握不到要領。具體體現在，把流體質點的概念與物理學剛體質點的概念混淆，覺得二者完全一致，沒有特殊涵義。面對這一問題，與學生針對兩個“質點”概念進行詳細的機理分析是很必要的。連續介質假設的核心理念是流體質點概念的提出，流體質點是這樣定義的：流體質點是指尺度大小同一切流動空間（流場）相比微不足道又含有大量分子，具有一定質量的流體微元；物理學中的剛體如果只發生平移運動的話，該剛體可簡化成質點處理，即用一個質點代替剛體，使物理運算變得很方便。因此，這兩個“質點”概念有著不同的涵義，流體的主要特點之一就是易流動性，流場的形狀受制于邊界條件，流場在流動過程中，邊界形狀不斷變化，所以，流場形狀也在不斷變化，因此，流體質點不能替代流場，而是由大量的流體質點組成連續介質，填充整個流場。

工程流體力學本質上講是力學問題，需要在解題前進行受力分析（序號2）。在中學物理學中，受力分析貫穿始終，為中學生所熟知。所以，該部分的學習推薦采用自學指導法和對比分析法，這樣可以充分調動學生的學習積極性。由于流場形狀受制于邊壁，流體的受力分析規律性不明顯，這與中學物理學的剛體受力分析區別較大。流體受力分析，均可從兩個方面進行，即質量力和表面力。質量力包括重力和慣性力，屬于遠程力，作用在整個流場的所有質點上，其中，慣性力的存在與否取決于坐標系的選擇。如果選擇慣性坐標系，則慣性力肯定不存在；如果選擇非慣性坐標系，則慣性力肯定存在。表面力包括切應力和壓應力，概念的內涵與剛體的表面力相似，切應力和壓應力之間的區別在于作用力方向的不同。

很多學生不了解學習流體相對平衡（序號3）的意義何在，根據該知識的特點，可采用探究發現法處理該部分內容。流體相對平衡的意義，在于將特殊的運動問題轉化成相對靜止的問題，從而使計算得到簡化。當整個流場與固體邊壁無相對運動時，選擇非慣性坐標系，根據達朗貝爾原理引入慣性力，可用相對平衡條件來處理該問題，即對隔離體采用受力平衡條件，可使計算過程大大簡化。

中學物理學所熟悉的流體靜力學基本方程（）和阿基米德原理（F浮=ρgV排），二者如何從流體靜力學的角度來重新定義（序號4），也是這一章的難點。該難點的講解宜采用啟發性談話法，該方法一定要注意談話內容的設計合理性，以期對整個談話過程有的放矢。流體靜力學基本方程的限定條件是質量力僅有重力，也就是說，坐標系為慣性坐標系。如果將其推廣到非慣性坐標系，則計算方法應為歐拉平衡微分方程的積分式，歐拉平衡微分方程是建立在牛頓第二定律基礎上的。該部分需要學生將流體靜力學基本方程與歐拉平衡微分方程積分式進行對照。阿基米德原理是計算浮力的基本原理為中學生所熟知，在中學物理中往往解釋成由實驗研究獲得，實際上在大學工程流體力學中可以解釋成曲面所受靜壓力的合效應使其意義更廣泛。

流動現象如何用數學語言描述，這是流體力學建立的基礎，該難點的處理宜采用講授法。描述流體運動的方法有兩種，即拉格朗日法和歐拉法（序號5）。拉格朗日法是從流場中選擇關鍵性流體質點組成流體質點系，跟蹤每一個流體質點，研究其運動規律，進而總結出質點系運動規律，從而推演出整個流場運動規律，該方法概念清晰，但是分析和計算過程復雜。歐拉法是從流場中選擇有代表性的空間點，分析這些空間點的運動規律，從而總結出整個流場運動規律。在計算流體力學中，常常采用拉格朗日法，在工程流體力學中常常采用歐拉法。

流體微元運動的基本形式包括平移、轉動、角變形、線變形等。在流體微元內部，如果已知其中一點的運動要素，在微元內其他空間點的運動要素可以用已知點的運動要素表達出來，該定理稱為亥姆霍茲速度分解定理（序號6）。很多學生對該定理存在疑問：微元內部這兩個空間點之間怎么會存在聯系？該問題適合采用探究發現法進行介紹，教師可首先將其轉化成高等數學的模型，提示學生用微積分的方法來處理，具體而言，二者之間的聯系是通過高等數學中的泰勒公式建立的。

理想流體動力學和實際流體動力學（序號7）在工程流體力學中是可以合并講授的，采用系統講授法更合適，這樣更有利于知識的完整性。流體動力學主要涉及三大方程的后兩個，即能量方程和動量方程。首先介紹理想流體運動微分方程和實際流體運動微分方程，前者也稱為歐拉運動微分方程，后者也稱為N-S方程，這兩個重要方程均由牛頓第二定律推導獲得，二者可作為計算流體力學基礎，由此也可推導出能量方程。另一點需要注意，能量方程有兩種形式，理想流體能量方程和實際流體能量方程，前者可以統一到后者中去，由于實際流體存在粘滯力，可產生能量損失，即單位重量流體從計算斷面1-1運動到計算斷面2-2時的平均能量損失；如果是理想流體，則粘滯力不存在，產生的能量損失為0。

量綱分析和相似原理主要涉及到（動力）相似準則里的牛頓一般相似原理和單項力相似準則之間的辯證關系（序號8）。該部分知識瑣碎，宜采用講授法。兩個流動，即原型和模型流動，如果要實現流動相似，幾何相似和初始條件、邊界條件相似是基礎，動力相似是保證，運動相似是目標。如果要實現動力相似，需要對應空間點處各個同名力方向相同，大小成固定比例，這稱為牛頓一般相似原理。但如果在幾何相似和牛頓一般相似原理都成立的前提下，原型和模型的幾何形狀和大小完全一致，失去了模型實驗可縮小原型幾何尺寸的意義。正是基于此，所以提出單項力相似準則，在流動中起主導作用的力往往只有一種，這是流動現象的特點，所以如果在原型和模型中，起主導作用的力相似的話，可認為二者的動力相似已實現。

普朗特混和長度理論（序號9）是學生學習的難點，大多數學生感覺該部分不知所云。比如說，該半經驗理論的意義是什么，問題從何而來？該部分宜采用討論法。流體處于湍流狀態時，運動參數可以分為時均流速和脈動流速，時均流速產生時均切應力，脈動流速產生附加切應力，時均切應力的計算采用牛頓內摩擦定律，附加切應力計算采用脈動流速計算，即，其中脈動流速ux’和uy’計算困難，需要通過普朗特混和長度理論進行計算，該理論通過將湍流脈動與理想氣體自由程理論進行類比，提出自由程概念，從而將脈動速度與時均速度建立聯系，實現了附加切應力的計算可行性。

孔口、管嘴出流和有壓管流（序號10）是研究水力設備和輸配水管網的基礎，這一部分的模型主要涉及孔口、管嘴、短管、長管、管網，對這些模型的深入研究需要采用上冊流體動力學的連續性方程和能量方程，在深入分析流動規律后，可得最一般的規律性，即流量和斷面平均流速的計算公式。這部分可以看成針對幾種特殊邊界應用動力學方程來求解計算題，所以在介紹了孔口或短管以后，其他形式的邊界流動由學生通過練習法和討論法來自學，最后由教師進行總結。

在緩流中，為控制水位和流量而設置的頂部溢流的障壁稱為堰，緩流經堰頂溢流的局部水流現象稱為堰流（序號11）。在環境類專業中，堰是常用的溢流集水設備和量水設備，在一確定的堰流中，流量與其它特征量的關系明確。薄壁堰可在環境類構筑物中作為出水設施，如二次沉淀池出水等。該部分內容生疏，宜采用演示法和講授法。

滲流（序號12）是指流體在孔隙介質中流動，該流動狀態在地下水中廣泛存在，對地下取水井的設計往往要采用該模型的相關理論。該部分多在研究生階段深入學習。

三、結語

工程流體力學在環境類專業中的現實意義和理論意義重大，在注冊環保工程師基礎考試中份額可觀。該課程學習難點頗多，對于本科生來說學習的壓力較大，需要教師在知識點梳理、難點篩選、師生溝通、教學方法總結等方面多做工作，筆者通過對環境類專業工程流體力學教學的自身體會完成此文，希望對教學一線的教師有所幫助。

參考文獻：

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[6]王煥定，章梓茂，景瑞.結構力學[M].第3版.北京：高等教育出版社，2011

[7]東南大學等七所工科院校.物理學[M].第五版.北京：高等教育出版社，2008

[8]教育部人事司.高等教育學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[9]教育部人事司.高等教育心理學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[10]河北省教師教育專家委員會.教育原理[M].石家莊：河北人民出版社，2007.

第2篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：油氣成藏動力，學油氣運移油，油氣成藏機理

 

1.油氣成藏動力學研究方法

成藏動力學研究是在綜合分析區域鉆探、地球物理、分析測試和地質地化等資料的基礎上, 采用靜態描述和動態模擬相結合的方法, 其中計算機模擬方法可以定量地、動態地刻劃各種因素相互作用的歷史過程, 從而更深刻地揭示其內在規律性, 因此是成藏動力學過程研究的一項關鍵技術。成藏動力學模擬實質上是成藏動力學過程模擬, 是一項高度復雜的系統工程, 它需要以當代最先進的地質學和石油地質學理論為基礎, 全面利用各種地質、物探資料, 采用最先進的盆地描述和盆地模擬技術方可進行[1]。，油氣成藏機理。盆地描述部分用于刻劃盆地現今的構造、沉積巖性和各種地質參數的空間展布特征, 為盆地模擬奠定基礎。盆地模擬方面包括構造、沉積、儲層、古水動力場、古地溫、生烴、排烴、圈閉演化和油氣運移聚集等各個部分。其中, 從生烴到運移的模擬構成成藏動力學過程模擬的主體, 而其他的描述和模擬則是成藏動力學過程模擬必不可少的重要基礎。成藏動力學過程模擬的最終結果體現在油氣資源量計算部分上, 包括計算出盆地的生烴量、排烴量、烴碳轉換量、油氣損失量, 最后要計算出盆地中聚集的油氣資源量[2]。，油氣成藏機理。

2.油氣成藏動力學系統的劃分及類型

田世澄(1996) 提出將受地球深部動力學控制的盆地構造2沉積旋回作為一個成藏動力學系統, 把改變地下成藏動力學條件, 影響成藏動力學過程的區域不整合和區域分布的異常孔隙流體壓力界面作為不同成藏動力學系統的界面。并據動力學特征將成藏動力學系統分為開放型、封閉型、半封閉型3 種類型, 據油源特征又區分為自源成藏動力學系統和他源成藏動力學系統。因此共可劃分出6 種油氣成藏動力學系統[3-6]。康永尚(1999) 根據系統動力的來源、去向和系統的演化方式將油氣成藏流體動力系統分為重力驅動型、壓實驅動型、封存型和滯留4 種。，油氣成藏機理。實際上重力驅動型對應開放型, 壓實驅動型對應半開放型, 封存型和滯留型則對應封閉型。，油氣成藏機理。，油氣成藏機理。因此二者是一致的。這種以油氣成藏的動力因素來劃分油氣系統的方法比經典的含油氣系統的一套源巖對應一個油氣系統的粗略劃分方法更深入, 更能體現油氣作為一種流體的運動分布規律, 從而有效指導我國陸相含油氣盆地的勘探[7]。

3.油氣成藏主要動力因素的研究

沉積盆地實際上是一個低溫熱化學反應器, 油氣的富集是由溫度、力和有效受熱時間控制的化學動力學過程, 及由壓力、地應力、浮力和流體勢控制的流體動力學過程的綜合結果, 也是盆地中各個成藏動力學系統中的油、氣、水三相滲流過程的結果。張厚福(1998) 認為: 地溫場、地壓場、地應力場等“三場”系受地球內能控制, 是地球內部能量在地殼上的不同表現表現形式。“三場”相互之間彼此影響與聯系。“三場”的作用使地殼上形成海盆、湖盆等各種水域, 才衍生出水動力場, 有了水體才能出現化學場與生物場, 后二者也相互聯系與相互制約。綜合這些場的作用, 在含油氣盆地內才出現油氣成藏動力系統與流體壓力封存箱等地質實體, 后二者之間互有聯系和影響。油氣從烴源巖生成并排出到相鄰的輸導層經運移聚集而成藏及成藏后發生的物理化學變化這一系列過程都始終貫穿“三場”的作用[8-10]。

4.含油氣系統和油氣成藏動力學的關系探討

目前對含油氣系統和油氣成藏動力系統之間的關系眾說紛紜。主要有3 種說法。(1) 含油氣系統研究是油氣成藏動力學研究的起點。(2) 油氣成藏動力學研究是含油氣系統研究的基礎。王英民(1998) 認為含油氣系統劃分是成藏動力學研究的結果。，油氣成藏機理。(3) 含油氣系統和油氣成藏動力學系統是交叉關系。筆者認為由油氣運聚的物質空間和動力因素控制的流體輸導系統的研究是油氣成藏動力學研究的核心內容, 油氣成藏動力學研究應按照從源巖到圈閉這一歷史主線, 側重于油氣成藏的動力學與運動學機制的研究。但油氣成藏動力系統對應的狀態空間是油氣藏。而含油氣系統是從油氣顯示開始, 而不考慮其是否具有工業價值。因此油氣成藏動力系統是在大的合油氣系統研究基礎上進一步按油氣運聚動力學條件而追蹤油氣分布規律。因此筆者傾向于第一種說法, 認為在含油氣系統宏觀研究思路基礎上進行油氣成藏動力學過程的系統研究, 并根據成藏動力源泉進一步劃分油氣成藏動力系統, 才能弄清我國陸相盆地的成藏機理和油氣分布規律并建立當代高等石油地質理論, 從而更好地指導21 世紀的油氣勘探[11]。

參考文獻

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[2]孫永傳1石油地質動力學的理論與實踐[J]1地學前緣,1995,2(224):92141

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[6]胡朝元,等1成油系統概念在中國的提出及應用[J]1石油學報,1996,17(1)1

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[8]張厚福,等1石油地質學[M]1北京:石油工業出版社,19931

[9]田世澄,等1論成藏動力學系統[J]1勘探家,1996,1(2):202241

[10]張厚福，石油地質學新進展[M]1北京:石油工業出版社,19981

[11]費琪,等1成油體系與成藏動力學論文集[C]1北京:地震出版社,19991

第3篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：海洋科學 課程實踐 改革

隨著我國海洋事業的不斷發展，對海洋類科技人才的要求也越來越高。流體力學是海洋科學類專業的一門專業基礎課，在整個海洋科學專業的教學體系中占據重要地位。本課程的任務是通過學習，了解流體運動學和動力學的基本知識，掌握理想流體動力學的基本知識，掌握理想流體動力學的研究方法和理論，掌握不可壓縮理想流體的無旋運動、粘性不可壓縮流體動力、邊界層理論、湍流等的基本理論和研究方法。這門課程具有極強的理論性和實踐性，從而決定了這門課的教學目的既要使學生掌握理論知識，又要使學生學會如何運用到實際工程中去。然而，隨著教學體制的改革，學分制實施，流體力學的教學學時不斷縮短。課程教學多是為了滿足培養方案的要求，對系列化專業課程支撐不夠，教學效果不甚理想。因此，為了適應新形勢下對人才培養的要求，我們對流體力學課程教學過程的各方面進行了改革和實踐，以達到以培養出合格的海洋類人才的目的。

1.教學理念改革

流體力學課程的特點是抽象概念多、理論性強、體系復雜、難度較大，許多知識點都包含了大量的數學推導，對學生的數學基礎要求比較高。也正是由于這些特點，所以需要改變傳統的以教師為中心的知識傳授型的教學理念，因為這種方式并不能使學生對所學知識留下深刻的印象，因而教學過程效率低，容易造成學生為了考試而學習的現象，不利于學生的綜合能力的培養。新教學理念增強教學過程師生間的互動，突出學生的主體性，改變以往學生在學習過程中被動接收的地位，合理設計教學內容，利用現代化的教學方式，是以培養學生的學習能力、科研素質、創新意識為目的，全面提高學生的綜合素質。希望通過流體力學課程的學習，使學生系統掌握流體運動的一般規律及其有關的基本概念、基本理論、基本方法和基本實驗技能，同時具備較強的自學能力以及創新意識，為以后專業知識的學習，打下牢固的基礎。

2.教學內容的改革

由于海洋科學類專業教學要體現海洋特色，海洋學的研究對象是海洋，而海水是海洋最重要的組成部分，動力海洋學研究宏觀海水的運動，所以無論在研究對象、研究目的還是研究方法上面，動力海洋學都是流體力學的具體應用和發展。

針對這一教學內容的要求，我們進行了流體力學教學內容改革，使之適應于當前的海洋科學專業類的教學。考慮到目前國內的流體力學課程內容相當寬泛，并不是特別適合海洋科學專業的教學需要，所以在內容上作了調整，保留經典流體力學的基本原理，同時加入了流體力學基本原理在海洋學中的具體應用。例如，在講授研究流體運動的兩種方法歐拉方法和拉格朗日方法時，介紹了兩種方法在海洋調查研究中的應用；在講授有旋運動動力學中，將環流定理擴展到海洋和氣象等方面的具體應用；在講授粘性流體動力學時，補充了柯氏力場中粘性流體的運動，并深入講授了風生海流、地球轉動對梯度流方向隨深度變化的影響等。

這些內容的加入和調整，使學生不但能夠深入理解相關的教學內容，還能夠了解其具體的海洋學應用，真正做到學以致用，并且可以平滑過渡到一些后續海洋類專業課程，如物理海洋學、海洋氣象學、大洋環流等，的學習當中，同時也為將來考研或者研究生階段的學習打下良好的基礎。

3.教學方式的改革

教師教學方式就是教學中為達到教學目標，教師所采用的一系列的教學行為和活動方式、方法的結合。考慮到流體力學的學科特點，其基本方程、原理的推導較多，所以在傳統上以教師教授法為主，即以教師為主體進行知識的講授教學活動。但是單純的講授法存在一些問題，就是容易在課堂上與學生缺乏互動交往，從而不能有效的調動學生的學習積極性。為此，在流體力學的教學過程中，轉變教學思路，將以教為主的教學設計和以學為主的教學設計結合起來，通過多種方式實現教學的良性互動，提高教學質量。

3.1多媒體教學改革

傳統的板書教學方法的特點是推導過程細致、講解入微，這在一些復雜的定理推導過中可以有效的幫助學生理解整個推導過程，也有助于學生掌握推導方法和技巧。但是，板書教學也有不足之處，一是采用板書教學傳授的信息量不夠大，由于流體力學的教學內容中存在大量的公式原理的推導，所以往往需要較多的課時才能滿足教學要求；二是部分教學內容不夠直觀，流體力學的一門理論與實際結合的學科，所以很多的理論都有其對應的實際流動現象，所以板書對此無能為力。

多媒體教學可以有效的彌補板書教學上存在的不足，單課時能夠提供較多的教學信息量，有效提高教學效率。另外，多媒體教學可以增加課堂教學內容的表現效果，通過一些多媒體素材展示了相關的流動現象，通過視覺、聽覺等多種信息傳遞方式，幫助學生理解教學內容，這對于抽象的流體力學理論教學是一種相當好的授課形式。但是多媒體教學也存在一些不足之處，在公式的推導過程中，翻頁式的教學明顯加快了教學節奏，使得學生對推導過程了解不夠深入，部分細節不明所以，學生的思考時間減少，另外就是多媒體教學的推廣，很多學生都沒有了記筆記的習慣。

針對以下兩種教學方式的特點，在海洋科學專業流體力學的教學過程中，我們采用了兩種教學方式相結合的方法。對于一些重要的基本原理，仍然采用傳統的板書式教學，力求傳授給學生流體力學的研究方法和研究思路。而對于推導結果，則采用多媒體的方式進行展示，在實際的教學中，引用了大量的海洋、大氣等流體力學現象，如波浪、海流、臺風等，將其以直觀的形式與對應的流體力學理論結合，這樣既加深了學生的理解，也引發學生進行海洋學研究的興趣。實際的教學過程顯示，課堂教學效果較好。

3.2課堂教學過程改革

為了能夠使學生更好的融入課堂教學，在講授法的基礎上，采取了問答法、引導法多種教學方式作為輔助。

問答法是教師通過提出問題引導學生積極進行思考，學生自己得出結論來獲取知識，可以有效的使學生主動參與課堂學習。在流體力學的教學過程中，合理的設計課堂問題，避免問題過易或者過難，前者不能達到啟發引導學生思考的效果，后者會讓學生對流體力學的教學內容產生畏難情緒，不利于知識的深化教學。同時，問題的設計也要有啟發性、典型性，問題的數量一般控制在每節課2個左右，根據相關的知識點進行設計。

引導法是教師引導學生通過閱讀教材、課件提示等材料，以自己相對獨立的形式學習的教學方式，這種方法更能鍛煉學生的學習能力。在流體力學的教學過程中，對于引導法的使用一般安排在內容相對簡單，或者教學內容有相似重復處。如將雷諾輸運定理應用于連續方程、動量方程等的推導，教師講授連續方程的推導，而其后對于動量定理、能量定理等的推導引導學生獨立完成。通過這樣的引導過程，使得學生能夠舉一反三，牢固掌握基本原理，并培養了自學能力和創新能力。

3.3引入現代網絡教學方法

為了能夠有效的利用現代網絡技術進行教學，推進課程的網絡化改革，建設了流體力學網絡課程。為避免網絡課程成為簡單的課堂內容的重復再現，在網絡課程的設計過程中考慮與實際的課堂教學的互動性與互補性，除了提供課程教學視頻錄像供學生復習以外，還提供了非常豐富的相關多媒體教學資源、輔導資料，并將網絡課程作為學生自學的一個重要的課后輔導工具，提供在線答疑。另外學生還可以網絡課程提出對于教學過程的各種建議反饋，促進教學改革。網絡課程的開設，使得流體力學的整個教學過程具有了交互性、共享性、開放性、協作性和自主性等特點。

4.結語

通過近幾年較為系統的流體力學課程教學改革，包括更新教學理念、調整和補充部分海洋特色的教學內容、運用現代化的教學手段、改革課堂教學過程等途徑，大大調動了學生學習的積極性，顯著提升了教學效果，提高了課程的教學質量。但仍需進一步完善教學體系，提高教學水平，將教與學有機結合，對海洋科學類專業流體力學課程的教學改革進行不斷探索和實踐。

參考文獻：

[1]孟祥林.不同教學模式下師生角色、教學效率對比及改革思路.湖南師范大學教育科學學報，2004年1月，第3卷第1期.

[2]萬三敏，沈振劍.多媒體教學方式與傳統教學方式的耦合機制研究.首都師范大學學報（自然科學版），2010年10月，第31卷第5期.

第4篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：流體力學；教學模式；改革

作者簡介：楊衛波（1975-），男，湖北安陸人，揚州大學能源與動力工程學院，副教授；毛紅亞（1976-），女，湖北天門人，揚州大學財務處，會計師。（江蘇 揚州 225127）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0083-02

“流體力學”作為土木、機械、能源、動力、環境、化工等學科的一門主干技術基礎課程，由于其理論性強、概念抽象、方程繁瑣、難以理解與記憶，導致學生學習的難度較大，從而影響教學進程和專業人才培養的質量。因此，如何針對“流體力學”課程自身特點，結合專業建設目標，探索出一套新的適合各專業培養目標的流體力學教學模式具有非常重要的意義。本文結合工科院校學生的實際情況及筆者教學實踐與體會，從教學內容、教學方法及考核方式三方面對流體力學教學模式改革進行了深入的探析。

一、教學內容

1.教學內容的選擇

教學內容的選擇對于提高教學質量、改善教學效果具有重要的意義。根據教育心理學理論，[1]在教學中應把課程中具有廣泛遷移價值的科學成果作為教材的主要內容，從而可實現利用已有知識來同化現有知識的作用，提高學生的接受能力。“流體力學”作為大學工科專業的一門課程，雖然其內容相對比較陌生，但其所包含的基本知識卻貫穿于中學相關課程之中。如流體力學中的速度、壓力、壓強、質量守恒方程、能量守恒方程及動量守恒方程等，學生均在中學物理中均學過，因此在講述相關內容時可以將其與中學內容相聯系，從而提高學生的理解能力。又如在講述管路的串聯與并聯特性時，其流量、阻力及阻抗特性正好與中學物理中電學的串聯與并聯電路的電流、電阻特性一致，如果在講述之前引出中學的電路串并聯原理，則可大大加強學生對管路串并聯水力特性的理解能力。因此，根據學習遷移理論，將相關內容與學生已有知識進行對接，并闡述其相互之間的關系，不僅可以有效發揮學生利用所學知識來同化現有知識的作用，而且對于改善教學效果具有積極作用。

2.教學內容的編排

要合理編排教學內容就必須使教材結構化、一體化，以使構成教材內容的各要素具有科學、合理的邏輯關系。目前，國內“流體力學”課程的教學體系一般包括流體靜力學、流體動力學（理想流體流動與實際流體流動）、流動阻力損失、孔口管嘴管路流動及特殊流動現象等。每部分內容既獨立，同時各部分之間又有相互的聯系。為了使學生容易學習，可以按照流體力學實際應用路線由簡單到復雜的方式來編排教學內容。如可以從最簡單的流體靜力學部分開始，因為靜力學部分中學物理中已講授，生活中很常見，學生容易接受。由于靜止是相對的，運動才是絕對的，自然界流體應用中更多的是運動著的流體，讓學生明白這個道理后很自然將教學內容過渡到流體動力學部分，從而可提高學生繼續往下學習的興趣。在講述流體動力學部分時，先從簡單的一元理想流體運動部分著手，然后逐步過渡到多元理想流體流動及實際流體運動。在講到實際流體運動時，由于能量方程中出現了阻力損失項，這樣就很自然將內容過渡到流動阻力損失計算這一部分內容。由于生活中的復雜管路往往是由簡單管路串聯與并聯而構成，因此，復雜管路的水力特性（流量、阻力等）需要確定，這樣就可以根據流體力學實際應用需要將內容由阻力損失部分轉移到孔口管嘴管路流動部分。最后，根據各專業培養需要，選擇適合的特殊流動現象內容進行講解，以加強流體力學的實際工程應用。這種以流體力學實際應用路線由簡單到復雜作為主線的教學內容選擇模式，內容組織層次感較強，講起來更加引人入勝和重點突出，教學過程相對簡化。

3.教學內容的彈性化

教學內容彈性化有兩個方面的含義：一方面要根據每屆學生不同的知識背景和不同的定位要求，采用不同的表達方式，以滿足學生多樣化的學習需要。另一方面是要根據時代的發展，不斷更新教學內容，以適應最新科技發展的需要。[2]例如在“流體力學”教學過程中，為了讓學生更容易接受，可以刪去大量的數學公式推導，如流體連續性方程、動量方程、能量方程的推導等，這些內容對于學生是否掌握流體力學基本知識并無影響。又如，對于不同的學生群體，應根據學生今后的定位不同選擇適當的教學內容，對于高職高專的學生，由于其畢業后大多數要走出校門從事實際工作，因此，在講述時應側重于流體力學實際應用方面的知識。而對于普通本科院校的學生而言，畢業后有相當一部分的學生要繼續從事相關的研究工作（如考研等）。因此，應加強學生流體力學理論方面的教學與培養，以提高學生將來的研究能力。隨著時代的發展和計算機的普及，將計算機用于求解流體力學問題的計算流體力學已越來越顯示出其重要的作用。所以，流體力學教學中，適當介紹當今常用的計算流體力學商業軟件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以擴充學生的知識視野，為今后有意繼續深造的學生提供鋪墊。

4.教學內容與工程實際相結合

興趣是最好的教師。教育心理學[1]的研究表明：當學習內容與學生已有的知識和生活實際相聯系時，才能激發學生學習和解決問題的興趣。因此，在流體力學教學過程中，應結合專業目標盡可能多地介紹流體力學廣泛的工程應用背景，引導學生提高自主學習流體力學的興趣和積極性。如在講述流體靜力學中液體作用在曲面的總壓力計算時，可以介紹1998年特大洪水災害長江決堤事件等；在講到流體靜力學中平面總壓力計算時，可以適當引入長江三峽水壩閘門的設計與計算；在講到沿程與局部阻力損失[3]時，可以講述如何選擇水泵，并以每天生活用水管道供水為例來分析等；在講到動量方程應用時，引入如何確定彎管及分叉管路中水流對管道的沖擊力，從而可計算出管道支墩所受的推力；在講述畢托管時，可講述如何測量風管的風量與風壓，在講述傾斜式微壓計時，可與畢托管一起講述如何利用兩者來測量正壓與負壓風管段的動壓、靜壓及全壓等。任課教師在平時授課過程中，結合專業培養目標適當穿插講述一些發生在我們身邊的與流體力學有關的實例，使學生認識到流體力學在生活及工程中的重要性，激發其學習興趣，以提高教學效果。

二、教學方法

目前課堂授課中常用的教學方法主要有傳統教學模式與以多媒體技術為代表的現代教學模式。傳統教學模式是指教師通過口授、板書完成特定教學內容的一種課堂教學形式，該模式學生容易接受，可以達到預期教學目標。但缺乏創新與探索知識的功能，尤其是在當今知識快速更新的年代，更是面臨嚴峻的挑戰。現代教學模式是指在課堂教學中引入多媒體技術，通過形象逼真的動畫的運用，生動形象地展示教學內容，從而可以充分發揮學生學習的積極性，使教學方式形象生動，有利于培養學生的思維能力、想象能力和創造能力。

考慮到傳統與現代教學模式各自的優缺點，在流體力學教學過程中應將兩種教學方法有機結合起來。如在講述相關理論公式時，就以傳統的板書教學為主，對公式的推導和例題的講解，用板書的方式條理化，通過板書一邊寫、一邊對學生提問，一邊推導相關公式，讓學生參與到教學中，從而可以加強學生與教師間的互動，激發與調動學生的學習積極性。而在流體力學理論的工程應用部分則較多地采用多媒體課件，例如在講授層流與紊流[3]這部分內容時，單純地板書講解其概念很抽象，用多媒體課件展示雷洛實驗講解則直觀生動，容易理解。在講解孔口管嘴管路流動及虹吸現象時，用生動動畫顯示其流動全過程，可說明其流動過程中截面收縮及可能出現的真空現象，從而給學生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教師教與學生學的情況，及時發現問題以便改進。考核方式的合理性不僅能激發學生學習的興趣，同時還可以提高教學效果。“流體力學”作為一門理論性極強的基礎課程，傳統的考核通常采用平時考核與期末閉卷考試相結合的方式，兩者所占比例通常為30%與70%。平時考核主要是學生的出勤率與作業完成情況，而期末考試主要是卷面所取得的成績。這種考核方式存在一定的問題，不僅不能激發學生的學習熱情，在某種程度上還會使學生產生抵觸心理。由于流體力學中有大量的經驗公式和圖表，如阻力系數計算公式與莫迪圖、納維-斯托克斯方程等，若采取閉卷考試，則勢必要求學生背熟這么多的公式，容易陷入死記硬背的怪圈。

事實上，這部分內容的教學要求是讓學生能熟練應用這些公式和圖表解決工程實際問題，而不需要死記硬背。因此，在考核方式中可以嘗試平時開卷考核與期末閉卷考核相結合的考核方式。即將不適合閉卷考試的一些無法記憶而又要求學生掌握與應用的內容，放在平時教學中進行開卷考核，而將一些基本原理、基本概念、基本計算方法的考核放在期末閉卷考試中。這樣，一方面，通過平時不定期的考核能提高平時學生的出勤率，另一方面，通過平時考核也可以激發學生平時的學習興趣，提高學習效率；此外還可以通過考核及時發現問題，改善教學方法。通過這樣的考核方式，既能激發學生平時的學習興趣，同時還可以提高教學效果，考試結果能較真實地反映學生對本課程知識的掌握和應用能力。

四、結語

教學不僅是一門科學，也是一門藝術。每一種教學模式都有其特定的適用范圍和條件。流體力學作為工科院校相關專業的一門主干技術基礎課，由于其理論性強、概念抽象、經驗公式多，給其教與學帶來難度。如何根據專業特點將其與各專業培養目標進行有機結合，通過教學模式的探索使其教學融入到各專業人才培養中，將是“流體力學”教學模式改革的進一步目標。

參考文獻：

[1]譚頂良.高等教育心理學[M].南京：河海大學出版社，2006.

[2]劉立平，師少鵬.傳熱學課程教學的改革探索[J].高等農業教育，

第5篇：流體動力學原理范文

NavierStokes方程描述、刻劃了自然界中粘性流體（又稱真實流體）流動的基本力學規律，在流體力學中具有十分重要的意義。NavierStokes方程是當今非線性科學研究中的重點研究對象，其研究已有100多年的歷史，現已成為非線性偏微分方程、數值分析和動力系統研究的推動力量。美國克萊數學研究所在公元2000年把三維不可壓縮NavierStokes方程整體光滑解的存在性或局部光滑解在有限時間內爆破列為七個“千禧難題”（又稱世界七大數學難題）之一。著名數學家 Fefferman在公元2006年專門為這個問題作了介紹和評論。他斷言，如果沒有新的分析工具和數學思想，這個問題是很難完全解決的。

本書主要關注平面域上的粘性不可壓縮NavierStokes方程，共分兩部分。第1部分是介紹基本理論，含第1-6章：1.引言；2.光滑解的存在性和唯一性；3.光滑解的旋度在Lebesgue空間中的范數估計；4.解算子的延拓；5.速度場在初始時刻為一般測度時的唯一性；6.長時間的漸近解，包括靠近穩態解時的衰減速率等；最后介紹源自于泛函分析中一些非常有用的定理。

本書的第2部分主要研究近似解，即數值計算性質，含第7-14章：7-8.引言和常用符號、格式；9.二階邊值問題的有限差分近似，三點拉普拉斯的最大原理分析、能量估計、矩陣表示及其收斂分析等；10.從厄米特導數到緊致離散雙調和算子及該算子的有限元方法，三點雙調和算子的精確度、穩定性質、矩陣表示及用該表示進行收斂分析等；11.離散雙調和算子的多項式方法，包括在長方形和不規則區域中的雙調和問題；12.利用流函數方法對NavierStokes 方程進行緊致逼近分析，包括用流函數表示NavierStokes 方程，對流函數方程離散化以及相應的收斂分析等；13.對NavierStokes 方程進行完全的離散逼近，包括對一般邊值條件下的四階逼近、對時間的隱式-顯式離散化格式及相應的穩定性分析，以及數值模擬結果；14.帶驅動的腔問題的數值模擬，對雷諾數由小變大時，考察了二階格式趨于穩態解的收斂性。

本書研究平面域上的粘性不可壓縮流體NavierStokes方程，涉及的內容相當廣泛，包括理論、數值計算及模擬等；給出了基于流函數方法的一大類詳細的現代緊致格式，特別對完全非線性問題給出了完整的證明。本書可供應用數學（特別是計算流體動力學）、偏微分方程和數學物理等領域的科研人員、工程師和高校教師及研究生使用、參考。

韓丕功，研究員

（中國科學院數學與系統科學研究院）

Han Pigong Professor

（Academy of Mathematics and

System Science ，CAS）Yogendra P Chaubey

Some Recent Advances in

Mathematics and Statistics

2013

第6篇：流體動力學原理范文

引言

CFD即計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門通過數值計算方法求解流體控制方程組進而預測流體的流動、傳熱和化學反應等相關物理現象的學科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。進行CFD分析的基本思路如下：將原本在時間與空間上連續的物理場如速度場或壓力場等，離散成有限的變量集合，并根據流體力學的基本假定，建立起控制方程，通過求解這些流體力學的控制方程，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%，而室內空調的耗能占到了整個建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空氣調節和建筑物內外空氣流通等研究領域，采用CFD分析來替代傳統的試驗方法，可大大縮短研究時間并提高經濟效率。而本文將著重就CFD在暖通工程節能中的應用來展開討論。

CFD基本原理

CFD是通過計算機模擬和數值計算方法對流場進行仿真模擬，解決物理問題的精確數值算法。它是流體力學、數值計算方法以及計算機圖形學三者相互結合的產物。CFD是繼實驗流體力學和理論流體力學之后出現的第三種流體力學的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究領域都扮演著重要角色。尤其是在暖通空調和室內外通風等研究方法，CFD成為了最為行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的應用

CFD在暖通空調中的主要應用領域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調工程的問題：

1.提高室內空調效率

采用CFD分析方法可以預測氣流在房間中的流動情況，在充分考慮室內環境、各類邊界條件與擾動的影響后，可全面地反映室內的氣流分布情況，通過進一步的優化設計可以得道一個合理的氣流分布方法，使空調的使用效率最優。

2.建筑周邊環境分析

建筑周邊環境對居民日常生活起著舉足輕重的作用。對居民小區的風環境和熱環境進行預測，是CFD分析的又一重要應用領域。采用CFD方法，在建筑設計階段即可對建筑周邊環境進行分析和優化，對規劃設計的效果進行驗證，使建筑通風和自然采光達到最佳效果，是小區居民生活品質的重要保障。

3.室內環境狀況分析

采用試驗方法分析室內環境狀況，需要耗費大量的時間與經費，而采用CFD方法進行分析不僅可以節省時間，同時也能精確預測利房間內的風速、溫濕度、污染物分布等指標，計算出通風效率、毒害物擴散效率和熱舒適等，進而對室內環境狀態做出一個合理的評估。

4.暖通設備性能評估

暖通空調工程使用的大部分設備，如風機、水槽、空調等，其運行狀態都受流質運動的影響，空氣或水的流動情況是評價設備性能的重要指標。通過CFD分析設備工作時的流場分布情況和流質流動情況，可有效地預測設備的工作狀態。進而選擇設備最佳工作狀態，降低設備能耗，節省運行費用。

暖通空調領域中CFD的求解過程

暖通空調領域用CFD進行模擬仿真，其主要環節無外乎包括以下幾個方面：建立數學物理模型、進行氣流數值求解、將數值解結果可視化等。

1.建立數學物理模型

建立數學模型是對所研究的流動問題進行數學描述，為數值求解做準備工作。基本數學模型有：

質量守恒方程：

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（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。對于瞬態問題必須給定初始條件，對于穩態問題不需要初始條件。

（2）劃分計算網格。

網格分結構網格和非結構網格。簡單說，結構網格在空間上比較規范，如對一個四邊形區域，結構網格多是成行成列分布的，而非結構網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，對求解區域進行離散。

CFD在暖通空調節能應用情況

隨著我國經濟迅速發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提醒我們應當注重能源安全問題。在建筑工程領域，采用 CFD分析模擬，可有效減少建筑能耗，并能提高暖通設備的運行工作效率，我國暖通工作者已認識到CFD計算在研究和設計中的重要地位。

1.我國CFD在暖通空調節能應用現狀

目前，我們已開始采用CFD對暖通空調節能的相關因素進行整體的系統模擬分析。通過在CFD模擬中改變設備參數，就有可能優化設備組合，改進系統性能。國外已把CFD用于室內空氣流動與建筑能耗禍合模擬，我國清華大學也用CFD對空間氣流組織設計與空調負荷的關系進行研究，這對建筑節能有重大意義。目前，我國在采用CFD解決建筑節能方面的研究還不是很深人，因而應進一步加強研究和推廣的力度。

2.我國CFD應用存在的問題

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

（1）還要建立在考慮輻射條件下計算室內空氣的溫度分布、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模擬技術方法進行簡化，能夠在微機上較準確地計算包括高大空間氣流組織在內的各種通風空調熱環境問題。

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

（4）CFD技術在CAE工程中已表現出巨大的優勢，如果將與CAD及CAM乃至AI技術有效地結合在一起，將顯示其強大的生命力。

結語

第7篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：積雪層密度變化；凝固融化；計算流體動力學；雪荷載；FLUENT

中圖分類號：G267 文獻標識碼：A 文章編號：

1.概述

積雪壓力與積雪的密度變密切相關，在自然環境下由于受到氣溫、地溫、太陽輻射、積雪時間等因素的影響，積雪密度也會隨之變化，從而導致積雪壓力產生變化。如果要將這些影響因素加入到降雪模擬中，利用當前的技術手段和計算機自動化技術是很難實現的。因此，分別對各影響因素進行分析，評價其對積雪密度的影響范圍與強度，對優化降雪模擬的計算結果有著積極的作用。研究也得到了積雪密度與氣溫之間的關系。

諸如此類的影響因素在這里就不一一列舉了。然而筆者認為，雖然這類自然環境因素對積雪密度的影響難以考慮全面，但在當前利用計算機進行積雪模擬的過程中是可以通過找到修改計算參數的規律來滿足計算結果與實驗數據相符合的要求的。但是如果存在一些對積雪密度造成影響的非自然條件因素，那么就不能單純的依靠修改計算參數來滿足對計算結果的要求。筆者將提出一種冬季北方建筑特有的對積雪密度產生影響的因素。并通過模擬分析找到其對積雪壓力的影響規律。

2 積雪密度的非自然影響因素

在冬季北方的建筑物中存在一種普遍的非自然狀態，那就是冬季的建筑物內部供暖。由于室內的供暖使建筑物表面形成一定范圍的溫度在0℃以上熱空氣團，當降雪時，雪顆粒降落到建筑物屋面后，受到屋面熱空氣團的影響融化成水并與后續降落的雪顆粒混合成冰水混合物附著在建筑物屋面表面，隨著降雪過程的繼續，屋面的熱量不斷被雪顆粒吸收，由于屋面以下空氣的導熱系數低于水和雪顆粒的導熱系數，屋面的溫度持續降低到0℃以下，使此時附著在屋面表面的冰水混合物凝固成冰，最終導致屋面形成積雪層底部帶冰層的冰雪混合型積雪，使積雪的平均密度增加，并在屋面積雪體積不變的情況下造成積雪壓力的增加。

在有人員活動的冬季供暖輕型建筑中，由于屋蓋材料普遍選用苯板、擠塑板或聚碳酸酯實心陽光板等導熱系數不同的保溫材料，使屋面積雪融化結冰的速度和冰層厚度存在差異。屋面保溫材料導熱系數越低，保溫效果越好，積雪底部結冰速度越快，冰層越薄。相反，屋面保溫材料導熱系數越高，保溫效果越差，積雪底部結冰速度越慢，冰層越厚。

3 積雪融化結冰數值模擬

在某些流動的過程中，流體微元之間會存在熱量的傳導和交換，這種傳導和交換必須遵循熱力學的基本定律。故在直角坐標系下三維瞬態導熱控制方程為：

（1）

式中，為流體微元的溫度，為密度，為流體材料的比熱容，為熱源產生的單位熱量，為時間，為材料的導熱系數。

如果不考慮導熱系數的函數變化，（2.19）得以簡化：

（2）

通過流體流動的基本控制方程，可以對流體微元之間的各種物理量的傳遞和轉換有充分的了解，方便對不同的流動形式做出合理的分析，對后期CFD軟件平臺的運用，和各項參數的計算與選定起到指導性的作用。

本次對屋面積雪融化結冰現象的模擬依舊采用CFD軟件的FLUENT平臺。計算使用能量模型和凝固融化模型完成。采用二維單精度處理器進行計算。

前期模型的建立采用1:1比例建立高度為5m的輕型建筑，由于計算過程忽略室內的空氣對流流動，室內設置為固體邊界條件。屋面設置為封閉的獨立承載積雪空間，采用流體邊界條件。

4 計算結果分析

在FLUENT的計算中，首先對計算域進行溫度場的計算。室外溫度設置為263k，室內地面的溫度設置為310k，從結果中可以看出，屋面表面存在暖層溫度為275.13k。

初始溫度場計算收斂之后，在屋面封閉空間內初始設置積雪之后繼續進行非定常計算。時間步長0.1s，共計算72000步。

從計算結果中可以看出，在整個積雪融化結冰的過程中，由于冰層的變化，整個積雪層的密度不斷增加，并隨著積雪深度呈線性變化。整個過程在20分鐘左右時趨于平衡，可以形成1-3cm的冰層。而每形成1cm的冰層，積雪厚度將減少5cm-6cm，新雪補充后，積雪荷載每平方米將增加0.067KN-0.089KN。

5 結語

通過上述的模擬過程可以看出，在建筑物存在冬季供暖的條件下，屋面積雪底部有可能出現一定厚度的冰層。在形成冰層的過程中積雪的內部會產生明顯的密度變化，同時由于密度變化產生的這部分積雪體積的縮減會被持續的降雪所補充，最終導致積雪荷載再次產生變化。經過計算統計冰層的厚度受室內外溫差和建筑物高度影響明顯，同時室內的空氣對流也會對熱量傳導產生影響。

參考文獻：

[1] 楊大慶，張寅生，張志忠．烏魯木齊河源雪密度觀測研究［J］．地理學報，1992,47(3):260-266

[2] 莫華美; 典型屋面積雪分布的數值模擬與實測研究 [D];哈爾濱工業大學;2011年

[3] 田靜.積雪融化過程中水、熱、溶質運移規律的研究[D].遼寧:沈陽農業大學，2004.

第8篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：高速工況；動力電池；電池產熱量；動態仿真；電池散熱

中圖分類號：U469.72文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.08

隨著社會的進步以及環境問題的不斷升級，新能源產業得到蓬勃的發展，而新能源汽車以其噪聲低、污染小的優點得到世界各國的普遍重視，作為電動汽車核心部件的動力電池也自然成為很多學者的研究重點。電池組溫度的一致性直接關乎動力電池的壽命，是電池研究的核心領域，因此，很多學者將精力投入到電池熱管理的研究當中。姬芬竹等[1]對鋰離子電池的生熱速率進行了討論，并利用Fluent軟件對電池的散熱系統進行了分析。雷志國等[2]以錳酸鋰電池為研究對象，探究了電池的低溫性能，并對低溫加熱方法進行了討論。周萌等[3]對動力電池的液冷熱管理系統進行分析，并獲得了較為良好的冷卻效果。但現階段大多數研究工作都沒有將汽車實際運行工況與動力電池的熱管理相結合，更側重于理論性。本文基于汽車的實際高速運行工況，對純電動汽車動力電池的散熱特性進行研究，具有更加重要的實際意義。

2 電池動態特性分析

當電動汽車實際運行時，動力電池的輸出電流并非是一成不變的，而是隨著路況的變化而不斷變化的。通過Advisor軟件搭建純電動汽車仿真模型，可以分析電池輸出電流的變化規律，為動力電池的散熱性能分析提供前提。

2.1 HWFET工況

汽車的理論運行工況很多，一般用于分析的有新歐洲駕駛循環（The New European Driving Cycle，NEDC）工況，美國的FTP75工況以及日本的JC08工況等，雖然這些工況主要用于輕型車排放油耗試驗，但也同樣適用于汽車其它方面的性能測試。

HWFET工況是公路行駛工況，也是高速行駛工況，該工況歷時765 s，總行程 16.45 km，汽車的平均行駛速度為77.7 km/h，HWFET運行工況如圖1

所示。

2.2 動態仿真分析

仿真分析時，汽車運行工況為高速工況，整車質量為1 200 kg，電機的峰值功率50 kW，鋰電池容量為60 Ah。利用Advisor軟件搭建的仿真模型如圖2所示。

通過仿真分析，可以得出在HWFET工況下，純電動汽車動力電池輸出電流曲線，具體電流變化規律如圖3所示。

動力電池輸出電流曲線反映了電流隨時間（路況）的變化規律，從電流變化曲線中可以清楚地看出，在HWFET工況下，動力電池輸出電流幾乎全部低于80 A，即當電動汽車在此高速工況下行駛時，輸出電流最高為80 A。

因此，基于上述分析結果，我們對電動汽車進行產熱及散熱特性分析時，選擇其工作電流為81 A，由于電池容量為60 Ah，也即令電池以1.35 C放電倍率持續運行，研究電池包的散熱特性。

3 搭建電池包模型

3.1 模型前處理

根據整車布置需求，電池包設定為階梯式外形結構，電池為最常用的鋰離子電池，冷卻方式為并行冷卻[5]。

首先利用三維建模軟件CATIA搭建電池包模型，由于理論分析時只需要與流體接觸的表面，因此，在模型前處理過程中，去除電子電器件以及外表面的支架和螺栓等對理論分析影響不大的幾何結構，并對其進行適當的簡化。將簡化后的電池包結構進行網格劃分，經過幾何清理和網格劃分后的結構如圖4所示。

3.2 模型計算參數

在進行分析時，由于研究動力電池散熱性能隨時間的變化規律，因此選擇瞬態分析。流體速度較快，絕大部分處于湍流狀態且流線彎曲程度較大，故選擇Realizable K-epsilon湍流模型。動力電池作為均勻體積熱源，并耦合能量方程[6]。

3.3 模型邊界設定

在進行計算流體動力學分析時，邊界條件準確與否直接關系到仿真結果的精確性，因此需給定符合實際和物理規律的邊界條件。

計算過程中，電池組的初始溫度為30 ℃，電池包與電池包外空氣換熱為自然對流換熱，其它具體邊界條件見表1[7]。

4 電池包散熱特性分析

在對電池組進行瞬態分析時，讓電池組以1.35 C的放電倍率持續放電30 min，分析其散熱效果[8]。

4.1 數值仿真分析結果

4.1.1 電池包內氣流速度場分析

當氣流以4 m/s的速度進入電池包時，電池包內的氣流分布狀況如圖5所示。

從電池包內氣流組織分布圖中可以粗略地看出，電池包內上下部氣流分布較為良好，而流經電池組兩側壁面附近的氣體較少，整體上看，氣流組織良好。

流線圖可以反映氣流的大致分布狀況，但很難反映具體氣流分布狀況，如電池包壁面處的氣流幾乎無法反映出來，因此，需要對電池包內速度場作進一步分析。截取電池包中心截面，截面上的速度矢量分布如圖6所示[9]。

從電池組的中心截面速度矢量分布圖中可以看出電池包進口側速度較快，出口側速度較慢，階梯形拐角處速度更慢一些，氣流速度只有0.5 m/s左右。

綜上可知，氣流總體組織狀況較為良好，流速分布也比較均勻，但階梯形拐角結構處氣流組織稍差，流速較低，這可能會引起局部溫度偏高。

4.1.2 電池組溫度場分析

速度場可以從整體上分析氣流的分布狀況以及氣流組織的合理性，但卻無法直觀地反映電池包的散熱效果，因此，需對電池組溫度分布進行討論。截取z方向（圖6）的電池組中心截面，中心截面的溫度場云圖可以反映出電池組的最高溫度，同時，該截面處的最低溫度也與整個電池組的最低溫度相差不大。因此，可以用中心截面溫度云圖來評價電池包的散熱性能，其溫度場云圖如圖7所示。

從電池組的中心截面溫度分布圖中可以看出，整個截面的溫度分布較為均勻，在階梯形拐角位置處溫度略高，這也與速度場分析結果相吻合。截面的平均溫度為32.833 ℃，最大溫差也接近10 ℃，但截面處各電池單體的溫差較小，均在2 ℃左右。整體上看，該并行冷卻系統的散熱效果良好，滿足一般乘用車電池熱管理系統的冷卻要求。

為進一步研究散熱系統在不同擋位下的冷卻性能，增加進口風速，研究其它擋位下電池包的散熱性能。

4.2 進口風速對電池散熱的影響

分別對電池包在進口風速6 m/s（中擋位）和8 m/s（高擋位）時的電池組進行仿真分析，得到不同風速下的電池組平均溫度及溫差見表2。

將表2中的電池組中心截面平均溫度和電池組溫差繪制成隨風速變化的曲線，如圖8所示。

由圖8可知，隨著進口風速的提高，電池組的平均溫度和溫差都在逐漸降低，但電池組的溫差降幅已逐漸變緩。因此，通過增加進口風速可以有效降低整個電池組的平均溫度和溫差，但過高風速對降低電池組溫差的效果并非十分理想，也就是說并非冷卻系統擋位越高，降溫效果越好。選擇合適的風速（擋位）既能達到良好的散熱效果，又能節約能源。

5 結論

（1）采用Bernardi生熱模型，通過試驗計算出電池的產熱速率和比熱容。

（2）利用Advisor軟件搭建純電動汽車模型，并分析動力電池在HWFET工況下的動態特性，得到電池輸出電流的分布，為后續電池包散熱分析提供前提。

（3）在1.35 C放電倍率下，對電池組進行瞬態仿真分析，得到電池包內速度場和電池組中心截面的溫度場分布。結果顯示截面處整體溫度均勻，局部溫度略高，在并行冷卻結構下電池組散熱效果良好。

（4）基于仿真分析，得到電池組平均溫度及溫差隨進口風速的變化曲線。該曲線顯示隨著進口風速的提高，可有效降低電池組平均溫度，但對于降低電池組溫差，效果并非十分理想。

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第9篇：流體動力學原理范文

關鍵詞：流體力學；課程改革；考核方式；教學方法

0引言

《流體力學》是工科專業的一門基礎課程，在各工程領域也有著非常廣泛的應用[1-3]。通過對流體力學的學習掌握就可以為后續專業課的學習奠定堅實的基礎，而在實地教學中卻存在諸多問題。因為大部分本科生以前接觸的力學都是簡單的固體力學，研究的是看得見摸得著的事物。而流體力學著重研究流體的靜止及運動狀態的規律，研究流體的質量守恒、能量守恒及動量守恒三大定律及其應用，對數學學習要求較高，課程中的概念較抽象、公式較復雜[4]，使很多學生難以理解其知識點，難以把握學習的要領，進而容易遺忘或者產生厭學情緒。因此，根據安全工程專業特點，對流體力學課程教學內容和教學方法等進行改革是非常必要的。

1課程教學特點及現狀

《流體力學》是安全工程專業的一門學科基礎必修課程，是一門多學科交叉融合的課程，涉及數學、物理學、力學等，理論性和工程實用性都較強。課程的研究對象為流體，區別于固體的主要特點是易流動，課程中的許多概念較為抽象，且方程的推導需要運用數學的方法，對學生運用數學知識分析問題的能力要求較高，總體來說，學生學習難度較大。目前，《流體力學》的課堂教學以理論知識講解為主，習題練習為輔，要求學生數學基礎、理解能力、邏輯思維能力較好，課上認真聽講，課后及時復習鞏固。但是學生的學習主動性和積極性不高，課程作業的完成質量不高，只是單一的應付考試。

2課程改革探討

為提高學生的學習效果，適應新形勢下應用型人才的培養目標，培養學生嚴謹、認真的學習態度，培養學生分析及解決流體力學問題的能力，及運用流體力學方法進行科學研究的基本能力，并為后續專業課程的學習打下良好的基礎。本文擬從教學內容、教學方法、考核形式三個方面對《流體力學》課程進行改革。

2.1教學內容

根據《流體力學》在安全工程專業中的課程定位，將流體力學的內容分為流體靜力學、流體動力學基礎、流動阻力及能力損失、管路流動、相似原理及因次分析等五大模塊。課程內容圍繞流體靜止、運動兩個狀態及力學的三大方程展開，由淺入深。培養學生的工科思想及意識，能夠對安全工程專業的流體力學問題進行分析。

2.2教學方法

整合傳統和現代教學手段，采用不同的教學方式，如課堂教學與網絡輔助教學相結合，將相關的習題解答方法及課堂練習同步至超星在線課堂，給學生課后復習鞏固提供資料，并通過網絡資源及時進行解答；多媒體教學與板書結合，將復雜的流體流動過程以多媒體動畫的形式展現出來，讓學生更直觀的了解某種現象，增加對理論知識的理解和掌握；增加課堂習題練習及講解，注重師生互動，注重理論練習實際，在課堂組織教學中通過師生互動調動學生學習積極性，并通過該環節了解學生課堂知識的掌握情況，及時調整講授方法。

2.3考核方式

采用多元化的考核方式，變單純的期末考試為平時和期末多層次考試，建立平時成績考核機制。平時成績考核包括章節測試、期中測試、課后作業、課堂練習及課考勤四部分內容，其中每一部分成績占總成績的10%；期末考試成績占總成績的60%。章節測試一般是針對每一章的重點難點，用3-5道典型習題，耗時45min，檢測學生的掌握情況。要求學生在規定時間內完成，章節測試的平均成績計入期末綜合評定成績。對于章節測試的習題進行批改、統計成績、分析成績，并對教學方法進行反饋，及時調整。課堂練習一般針對課堂中的知識點進行測試，習題主要以填空、選擇、判斷的形式出現，方便、靈活、易于控制時間。通過練習，讓學生查缺補漏，同時根據練習情況及時調整授課進度及方法，確保學生對課程知識的主要內容了解和掌握。課后練習是對課程內容的鞏固和補充，是對學生理論知識運用情況的檢測，但課后作業易出現抄襲現象，對于疑似抄襲的作業，作業的分值不會給高分，通過課堂的互動可以判斷抄襲者的范圍，在課后習題講解過程中有意讓抄襲者進行講解，同時通過作業重復練習，讓學生真正理解作業的解題思路及方法。