導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇流體動力學(xué)基礎(chǔ)，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）06-0117-02

流體動力學(xué)的發(fā)展動力是生產(chǎn)的發(fā)展和需要，它的任務(wù)就是解決科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的有關(guān)流體流動的問題。因此，流體動力學(xué)涉及的技術(shù)部門較多，除了航空、水利之外，還涉及機(jī)械、動力、航海、冶金、建筑、環(huán)境等技術(shù)部門。[1]同樣，流體動力學(xué)作為高等學(xué)校一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，所涉及的專業(yè)領(lǐng)域也較多，對各專業(yè)的多門后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都有著重要的影響。流體動力學(xué)具有理論不易掌握、概念多而抽象、難以理解、易混淆、對高等數(shù)學(xué)知識要求高等特點(diǎn)。如果學(xué)生的高等數(shù)學(xué)知識薄弱，更容易造成“教師難教，學(xué)生難學(xué)”的現(xiàn)象。[2] [3]國內(nèi)外學(xué)者在流體動力學(xué)課程教學(xué)方法改革方面做了較多的探討和研究。[4] [5] [6] 而且，流體動力學(xué)理論性較強(qiáng)，但并非純理論課程，它與工程實(shí)際是息息相關(guān)的?；诖耍P者根據(jù)流體動力學(xué)教學(xué)、設(shè)計(jì)及科研經(jīng)驗(yàn)，就流體動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及考核方法方面的改革進(jìn)行了研究。

針對流體動力學(xué)課程的特點(diǎn)以及教學(xué)過程中普遍存在的問題，本文首先明確了流體動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及考核方法改革的目標(biāo)：各高校應(yīng)該根據(jù)自身辦學(xué)等條件，注意優(yōu)化整合教學(xué)資源，注重理論教學(xué)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法手段、考核方式方面，應(yīng)在一定程度上突出學(xué)生的主體作用，建立良好教學(xué)氛圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、積極創(chuàng)新的思想和素質(zhì)，真正使流體動力學(xué)這門課程起到從基礎(chǔ)理論到工程實(shí)際應(yīng)用的橋梁作用，為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）理論教學(xué)內(nèi)容

在理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)，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(yùn)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，其模塊化形式如圖1所示：

圖1 模塊構(gòu)建示意圖

從圖中可以看到，“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(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，而對流場進(jìn)行分析和計(jì)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?yàn)樗搅顺Ｒ?guī)的描述固體運(yùn)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種，其中實(shí)驗(yàn)是學(xué)生應(yīng)用理論解決實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想?；诖?，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為必做實(shí)驗(yàn)?zāi)K、選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K三個模塊。這三個模塊分別具有以下的含義：

（1）必做實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由傳統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

（2）選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，或者與流體動力學(xué)課程相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

（3）自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：由學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。

其中，在選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)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(shí)驗(yàn)臺架和主要的科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。針對大部分高?，F(xiàn)有的條件，在自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)施過程中具有一定的難度，但是可考慮利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“虛擬實(shí)驗(yàn)”，或者采用針對個別學(xué)生實(shí)施這部分實(shí)驗(yàn)，然后再增加學(xué)生人數(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)?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(shí)際需要，將理論問題形象化，并注意將理論教學(xué)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)值模擬的思想。

例如，“雷諾實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)和工程實(shí)際的應(yīng)用。這樣既說明了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬之間相輔相成，又將實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)。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(jì)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)。總之，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(jì)方面應(yīng)該是考核目的的體現(xiàn)。

四、結(jié)語

流體動力學(xué)的學(xué)習(xí)對于學(xué)生后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)是非常重要的，作為一名優(yōu)秀的教師，應(yīng)該在教學(xué)實(shí)踐過程中，不斷地總結(jié)、反思所授的課程，而且要注意針對學(xué)生的特點(diǎn)，不斷改進(jìn)和完善教學(xué)方法，幫助學(xué)生學(xué)好課程，同時還應(yīng)起到育人的作用。

[ 注 釋 ]

[1] 莫乃榕.工程流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[2] 閔春華.流體力學(xué)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)[J].消費(fèi)導(dǎo)刊，2009（18）：199.

[3] 吳光林.《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革的思考[J].科技信息（科技教研），2008（14）：172-173.

[4] 于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].裝備與制造技術(shù)，2011（11）：205-207.

[5] 王峰，王宏燕.建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)《流體力學(xué)》課程的教學(xué)改革[J].中國建設(shè)教育，2008（10）：12-12.

[6] 周滔.熱能動力專業(yè)《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》課程改革的基本思路[J].電力職業(yè)技術(shù)學(xué)刊，2009（4）：41-42.

篇2

關(guān)鍵詞 光電子學(xué)，質(zhì)子照相，綜述，質(zhì)子加速器，磁透鏡 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計(jì)劃（Manhattan project），并持續(xù)到現(xiàn)在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點(diǎn):首先，照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì)，要求能量足夠高;其次，客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時變化，要求曝光時間足夠短.

目前，世界上最先進(jìn)的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng)，一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個軸，這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目，最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像，不能進(jìn)行多角度多時刻的輻射照相，獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥，電子束不能無限壓縮，束流打到轉(zhuǎn)換靶上，產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴(kuò)展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計(jì)最小的電子束直徑為1—2mm，制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實(shí)現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維動態(tài)過程圖像.l995年，美國LANL的科學(xué)家Chris Morris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像，其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶， 20世紀(jì)90年代初期武器研制計(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強(qiáng)脈沖產(chǎn)生中子，中子通量都不足以在流體動力學(xué)試驗(yàn)短時間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？” Morris將這些思想統(tǒng)一起來，利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強(qiáng)度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］，以及Nick King 在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的快速成像探測系統(tǒng)［5］.

高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短，則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長，則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.

2 質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制

高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先，需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進(jìn)行分析研究.

所有質(zhì)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強(qiáng)作用力和電磁作用力［6］.強(qiáng)作用力是短程力，質(zhì)子與核的強(qiáng)作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞，以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動量，質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用，會偏轉(zhuǎn)很大角度， 這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器，這部分貢獻(xiàn)可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質(zhì)子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分別為入射到被測物體上的質(zhì)子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，核反應(yīng)截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建，因?yàn)橘|(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.

由于質(zhì)子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用. 當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級時，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:

質(zhì)子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射，穿過原子核的每個質(zhì)子，即使和核并不接近，也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化，每個小散射效應(yīng)可以累積，這種現(xiàn)象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p為束動量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長度，其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序數(shù).多重庫侖散射的結(jié)果很重要，特別是對重物質(zhì)，最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面，因?yàn)镽i與材料的原子序數(shù)有關(guān)，也正是這個特性使質(zhì)子照相具有識別材料組分的獨(dú)特能力［7］.

質(zhì)子和電子之間也會產(chǎn)生庫侖力作用，通常是非彈性的.因?yàn)殡娮淤|(zhì)量與質(zhì)子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變，而對質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變. 也就是說，質(zhì)子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導(dǎo)致質(zhì)子運(yùn)動方向大的改變，但會導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機(jī)制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位，則

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質(zhì)子通過物體后損失能量，發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同，也將導(dǎo)致模糊，這就是所謂的色差［8］.

3 質(zhì)子照相原理

質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).

由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向，形成一個相對于入射方向的錐形束，需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話，質(zhì)子照相的潛力可能永遠(yuǎn)不會被發(fā)掘出來.1995年，Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進(jìn)而消除模糊效應(yīng)，最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的觀點(diǎn)的正確性.后來， LANL的另一位物理學(xué)家John Zumbro改進(jìn)了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流，實(shí)驗(yàn)客體對質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散，不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距，導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設(shè)計(jì)使得入射到被測物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián)，即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計(jì)有關(guān)［9］. 這樣，可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項(xiàng).

剩余的色差項(xiàng)為

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此，為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響，質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價，根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的精度要求，LANL為先進(jìn)流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置 (AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.

質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨(dú)特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質(zhì)子束通過金屬薄片擴(kuò)散，再經(jīng)過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開來，以便覆蓋整個物體，避免了使用很厚的金屬作為擴(kuò)束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負(fù)恒等透鏡組，分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據(jù)庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質(zhì)子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準(zhǔn)直器，可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉，對允許的角度范圍進(jìn)行積分，得到總質(zhì)子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］，則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù)，可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計(jì)分布，面密度的測量精度要達(dá)到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104，每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011. 如果一次流體動力學(xué)試驗(yàn)需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個.

4 質(zhì)子照相裝置

質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國LANL被論證以來，LANL和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(BNL)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機(jī)構(gòu)（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進(jìn)行的小型動態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV），小型動態(tài)實(shí)驗(yàn)主要包括:高能炸藥的爆轟特性實(shí)驗(yàn)、金屬和材料對強(qiáng)沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗(yàn)證內(nèi)爆過程后期的材料動力學(xué)和材料狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進(jìn)行的用于診斷大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的高能質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進(jìn)行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù)，驗(yàn)證采用質(zhì)子照相進(jìn)行大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的能力，以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(xué)試驗(yàn)客體而言，質(zhì)子照相的質(zhì)量遠(yuǎn)好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)節(jié)，需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是，質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學(xué)試驗(yàn)閃光照相設(shè)施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng)，圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器，一臺3GeV的增強(qiáng)器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強(qiáng)器注入50GeV主加速器，經(jīng)過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實(shí)驗(yàn)靶上.質(zhì)子束穿過實(shí)驗(yàn)靶后，磁透鏡系統(tǒng)對質(zhì)子束信號進(jìn)行分類，由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實(shí)驗(yàn).

圖2 LANL的質(zhì)子加速器和分束方案

LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達(dá)到50GeV，空間分辨率優(yōu)于1mm，密度分辨率達(dá)到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個，每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達(dá)到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質(zhì)子到達(dá)靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖，視軸數(shù)12個，覆蓋角度達(dá)165°.這樣，一次流體動力學(xué)試驗(yàn)可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計(jì)劃.整個裝置預(yù)計(jì)投資20億美元，其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備，需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年，分幾個階段進(jìn)行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強(qiáng)器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看，原計(jì)劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此，這個計(jì)劃要推遲.最新的研究計(jì)劃未見報道.

5 質(zhì)子照相與X射線照相的比較

我們通過與現(xiàn)有最好的流體動力學(xué)試驗(yàn)裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點(diǎn)和優(yōu)勢［13］.

(1) 三維動態(tài)照相. 由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù)，因此，質(zhì)子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內(nèi)爆運(yùn)動過程的動態(tài)圖像. 而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外，質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶，保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶，需要考慮束斑的影響.

(2) 精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強(qiáng)，其穿透深度和流體動力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時才能達(dá)到最大圖像對比度，此時其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10. 質(zhì)子照相能測定密度細(xì)微變化的另一個理由是質(zhì)子散射能得到控制. 散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質(zhì)子對密度和材料都比較敏感，可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實(shí)際上，質(zhì)子散射的利大于弊，它能用于識別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級成像系統(tǒng)，通過對兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感，故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).

(4) 曝光時間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進(jìn)行曝光.因此，質(zhì)子照相可任意選定曝光時間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔，對較慢的運(yùn)動進(jìn)行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時，可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定，一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定，只能以固定的時間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質(zhì)子是帶電粒子，直接與探測介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號，因此，很薄的探測器就能將質(zhì)子探測出來.如此薄的探測介質(zhì)接收不到被探測客體中產(chǎn)生的中子和 γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像，沒有聚焦過程(事實(shí)上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法)，圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會引起圖像模糊，但質(zhì)子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子，而且能減小次級粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同，也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進(jìn)了透鏡系統(tǒng)，消色差提高了圖像品質(zhì).對于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)已達(dá)到15μm，并有達(dá)到1.2μm的潛力.

6 結(jié)束語

質(zhì)子照相是美國國防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國防基礎(chǔ)研究共同立項(xiàng)，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動力學(xué)試驗(yàn)的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié)，多角度照相有利于建立完整的流體動力學(xué)模型，多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來，科學(xué)家們加緊了對高能質(zhì)子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學(xué)試驗(yàn)的主要設(shè)備.總有一天，質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.

參考文獻(xiàn)

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篇3

“纖維/高速氣流兩相流體動力學(xué)及“應(yīng)用基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目解決了纖維在高速氣流場中的耦合相互作用問題，這在國內(nèi)外同類研究中未見報道。作為基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目，東華大學(xué)紡織學(xué)院獲得紡織之光2012年度科技獎一等獎的項(xiàng)目，為紡織新技術(shù)、新工藝的產(chǎn)生與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

紡織氣流問題是紡織科學(xué)中的重要基礎(chǔ)性課題。自上世紀(jì)80年代高速氣流在噴氣織機(jī)、噴氣紡紗機(jī)得到商業(yè)化應(yīng)用以來，在陸續(xù)產(chǎn)生了變形絲、網(wǎng)絡(luò)絲、空氣捻接、熔噴非織造和噴氣渦流紡紗等現(xiàn)代紡織新技術(shù)中，高速氣流技術(shù)已成為現(xiàn)代紡織加工的主流技術(shù)之一。

高速氣流與其加工對象——纖維或紗線之間的耦合作用特性是這些技術(shù)共有的基本特征。但是，國內(nèi)外的相關(guān)研究還主要局限在低速氣流，纖維/高速氣流兩相流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術(shù)的紡織應(yīng)用提供有力的支撐。

項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)于1995年起，在國家自然科學(xué)基金委、教育部和上海市等科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學(xué)開展了系統(tǒng)的研究工作，實(shí)現(xiàn)了五個方面的技術(shù)創(chuàng)新。

作為項(xiàng)目組成員之一，東華大學(xué)教授曾泳春為我們做了更加詳細(xì)的介紹。首先，構(gòu)建了基于柔彈性特征的纖維模型?！爸椤獥U”鏈?zhǔn)胶突谟邢迒卧ǖ睦w維模型，將纖維的柔彈性物理特征納入其中，實(shí)現(xiàn)了纖維在高速氣流中位置、取向及變形的合理描述。二是揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運(yùn)動變形規(guī)律。在國際上首次實(shí)現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運(yùn)動的數(shù)值模擬，獲得了纖維運(yùn)動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。三是實(shí)現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試。四是對纖維，高速氣流兩相流體動力學(xué)理論研究成果在高速氣流紡紗中進(jìn)行應(yīng)用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線毛羽的機(jī)理，設(shè)計(jì)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紡紗噴嘴，實(shí)現(xiàn)了工藝的系統(tǒng)優(yōu)化與成紗質(zhì)量的精確預(yù)測。五是將纖維，高速氣流兩相流體動力學(xué)模型拓展應(yīng)用于超細(xì)纖維紡絲拉伸技術(shù)中。

篇4

自上世紀(jì)80年代以來，高速氣流在紡織行業(yè)內(nèi)逐漸得到廣泛應(yīng)用，但業(yè)內(nèi)對纖維/高速氣流兩相流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術(shù)的紡織應(yīng)用提供有力的支撐。在這種背景下，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)于1995年起，在國家自然科學(xué)基金委、教育部和上海市等科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學(xué)開展了系統(tǒng)的研究工作。目前，該項(xiàng)目已通過評審驗(yàn)收，研究工作的總體水平達(dá)到國際先進(jìn)，形成了數(shù)項(xiàng)自主創(chuàng)新成果，主要表現(xiàn)為以下4 個方面。

針對纖維/氣流兩相流動中的剛性圓柱桿和橢圓形顆粒模型無法體現(xiàn)纖維柔性和彈性特征的不足，構(gòu)建與完善了基于柔彈性特征的“珠-桿”鏈?zhǔn)嚼w維模型和基于有限單元法的纖維模型，新模型不僅可合理描述纖維的位置與取向，同時可有效表征纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等變形情況。

實(shí)現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試。國內(nèi)最早采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對紡織工藝中（如噴氣紡紗噴嘴內(nèi)）高速氣流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并通過激光多普勒（LDV）技術(shù)和同粒子成像測速（PIV）技術(shù)以及高速攝影等實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法進(jìn)行了測試，獲得的結(jié)果更加真實(shí)、可靠。

揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運(yùn)動變形規(guī)律。采用拉格朗日-歐拉法構(gòu)建了纖維/氣流的耦合動力學(xué)模型，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運(yùn)動的數(shù)值模擬，獲得了纖維運(yùn)動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。

篇5

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0039-02

流體力學(xué)是一門研究流體的受力與運(yùn)動規(guī)律的嚴(yán)密科學(xué)，是一門材料科學(xué)與工程專業(yè)中理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在流體力學(xué)的教學(xué)過程中，涉及到的數(shù)學(xué)公式很多，過程較為復(fù)雜。歷年來，學(xué)生們普遍認(rèn)為流體力學(xué)課程枯燥無味，難以學(xué)懂，興趣不大，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。分析材料科學(xué)與工程專業(yè)現(xiàn)狀可知，目前，該課程體系教學(xué)中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應(yīng)用的有效結(jié)合；另一方面，忽視了課程的基礎(chǔ)作用，片面強(qiáng)調(diào)課程的專業(yè)性。為此，本文結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)的課程設(shè)置，對課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革探索。課堂教學(xué)是提升學(xué)生認(rèn)知的重要手段。筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面來提高流體力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

縱觀材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程體系，可將之分為基本理論知識、基本應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)部分、與其他學(xué)科的交叉內(nèi)容、工程實(shí)際應(yīng)用等方面。在教學(xué)過程中，筆者認(rèn)為采用模塊化教學(xué)方式能夠達(dá)到較好的效果。所謂模塊化教學(xué)是指根據(jù)學(xué)科或?qū)I(yè)的不同需求選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，將每個內(nèi)容或環(huán)節(jié)定義為模塊。每個模塊的目標(biāo)明確，針對性強(qiáng)，而且學(xué)時數(shù)相對較少，容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。當(dāng)然，各個模塊之間并不是孤立的，在教學(xué)實(shí)施過程中，模塊是相對獨(dú)立的，但從課程的整體架構(gòu)上來說又是有機(jī)關(guān)聯(lián)的，步步為營，內(nèi)容豐富，難度螺旋式上升，使整個流體力學(xué)課程具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和完整性。目前，國內(nèi)材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學(xué)理想流體運(yùn)動動力學(xué)實(shí)際流體運(yùn)動：一元流體相似理論泵與風(fēng)機(jī)。每部分的研究方法較為統(tǒng)一，所形成的體系由簡到繁、由易到難，并且很容易實(shí)現(xiàn)模塊化處理。例如在講授流體運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)、動力學(xué)基礎(chǔ)時，可以先從實(shí)際流體流動的基本方程入手，使學(xué)生在本門課程開始就接觸到流體動力學(xué)的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動力學(xué)及一元流體動力學(xué)問題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動的條件代入有關(guān)方程，即可得到理想流體、一元流動的動力學(xué)方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點(diǎn)，條理清楚。這樣一來，教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學(xué)及理想流體動力學(xué)問題，就可略去大量的公式推導(dǎo)過程，節(jié)省了大量的課時，內(nèi)容組織層次感較強(qiáng)，講起來重點(diǎn)更突出，教學(xué)過程卻相對簡化。

二、更新教材結(jié)構(gòu)

同時，考慮到材料科學(xué)與工程專業(yè)的特色與應(yīng)用范疇，非常有必要對教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化處理，根據(jù)材料科學(xué)與工程的課堂要求，淡化一些理論推導(dǎo)過程，以工程應(yīng)用為根本。從學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律來看，一般學(xué)生剛學(xué)習(xí)課程的時候積極性和重視程度都比較高，在學(xué)習(xí)時花費(fèi)時間較長，但隨著課堂內(nèi)容的推進(jìn)，學(xué)生們的興趣減弱，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革與優(yōu)化勢在必行。材料科學(xué)與工程專業(yè)的流體力學(xué)課程內(nèi)容并不包括本領(lǐng)域的全部專業(yè)知識，主要講授流體流動的基本原理與基本思路，并側(cè)重于工程應(yīng)用。因此，教材的選取要更具科學(xué)性，要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和需要，結(jié)合學(xué)生興趣與學(xué)習(xí)層次，有針對性地選取講義，教材要更側(cè)重于基本原理與基本公式的講述與應(yīng)用，做到簡單易懂，實(shí)用性較強(qiáng)。

三、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在流體力學(xué)教學(xué)的開始，教師就應(yīng)該緊緊抓住學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，在緊扣教學(xué)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前熱點(diǎn)問題為引導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。因此，在流體力學(xué)教學(xué)的過程中，如何將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐相結(jié)合，與熱點(diǎn)問題相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提升教學(xué)效果的重要措施之一。比如在給學(xué)生上緒論課的時候，可以通過一些生動的圖片、視頻、動畫給學(xué)生形象地展示大自然與人類生活密切相關(guān)的流體力學(xué)現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生對流體力學(xué)的感性認(rèn)識與興趣，如汽車為什么要做成流線型的；高爾夫球?yàn)槭裁丛诒砻嬗泻芏嗫樱换鸺秊槭裁茨軌蛏咸?；海岸為什么是弧形；?zhàn)斗機(jī)為什么頭部是尖的等。這些問題是日常生活中經(jīng)常見到的，通過這些問題的設(shè)計(jì)與引導(dǎo)，可以讓學(xué)生們知道本課程的主要學(xué)習(xí)目標(biāo)是什么，能解決什么樣的實(shí)際問題，讓學(xué)生們帶著疑問和興趣去學(xué)習(xí)，效果將事半功倍。

四、改革教學(xué)手段

目前，流體力學(xué)教學(xué)過程中教學(xué)手段較為豐富，但仍以板書和多媒體教學(xué)兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書為輔”的方法。多媒體教學(xué)較為直觀、形象，所傳輸?shù)男畔⒘烤薮蟆Ｍ瑫r，伴隨著信息網(wǎng)絡(luò)化大形勢的進(jìn)一步深化，網(wǎng)絡(luò)電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時間。但這種方式也有不足之處，最主要表現(xiàn)在多媒體授課速度偏快，學(xué)生尚未形成知識結(jié)構(gòu)體系就一帶而過，課堂上考慮的時間不足，很難形成師生之間的互動。相對而言，板書備課時間較長，課堂上書寫時間也較長，對于一些較難理解的內(nèi)容，可以給學(xué)生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進(jìn)行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識點(diǎn)，易于形成師生間的“一問一答”式的互動關(guān)系。因此，在流體力學(xué)授課過程中宜采用二者結(jié)合的方式，對于系統(tǒng)性較差的知識點(diǎn)來說采用多媒體方式，而對于重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容則主要采用板書的形式，真正做到對該知識點(diǎn)的側(cè)重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學(xué)生對課程既有充足的知識量，又有重點(diǎn)突出，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

五、重視實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)

流體力學(xué)課是一門與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的學(xué)科。因此，在課程開展的過程中應(yīng)該對實(shí)驗(yàn)課與工程教學(xué)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前可以分為演示型和驗(yàn)證型，但教學(xué)方法單一，限制了學(xué)生分析問題、解決問題的能力；同時，由于長期以來實(shí)驗(yàn)教學(xué)從屬于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程教學(xué)的課程建設(shè)與發(fā)展受到了嚴(yán)重制約。因此非常有必要對實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)進(jìn)行改革來適應(yīng)目前高校的培養(yǎng)模式。首先，實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)要注重同專業(yè)知識相結(jié)合。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較多適用于試驗(yàn)臺環(huán)境下，是國家根據(jù)課程規(guī)劃以及人才的知識結(jié)構(gòu)需要設(shè)立的，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生們與工程實(shí)踐的有效溝通，因此，可以針對學(xué)生所學(xué)專業(yè)逐步設(shè)立既符合本專業(yè)又具有工程背景的可操作性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用以適應(yīng)學(xué)生對專業(yè)領(lǐng)域知識的理解與創(chuàng)新需求。其次，有效利用高?？蒲袃?yōu)勢，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)與工程教學(xué)的發(fā)展。以學(xué)科為依托，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)互補(bǔ)，將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣可以開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。第三，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與個性實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，開展一些更具有研究性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，這樣對理論知識的學(xué)習(xí)有一個較為有利的補(bǔ)充，同時也可以鍛煉學(xué)生們實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、整體規(guī)劃的能力，積極調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。

參考文獻(xiàn)：

篇6

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.198

0 引言

嬰兒培養(yǎng)箱是一種嬰幼兒保育設(shè)備，采用“空氣對流熱調(diào)節(jié)”的循環(huán)方式，維持嬰兒艙內(nèi)域流場參數(shù)的穩(wěn)定性。在空氣流動循環(huán)過程中，路程較長，過程復(fù)雜，空氣流動狀態(tài)比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態(tài)。本文以計(jì)算流體動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，利用CFD計(jì)算機(jī)流體仿真軟件，對嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場進(jìn)行的可視化模擬研究。

1 嬰兒培養(yǎng)箱空氣流動循環(huán)原理

目前，多數(shù)廠家生產(chǎn)的嬰兒培養(yǎng)箱是由風(fēng)扇驅(qū)動，采用“縱向空氣對流熱調(diào)節(jié)”方式，維持內(nèi)部空氣往復(fù)循環(huán)的過程。通過空氣入口，補(bǔ)充在循環(huán)過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制空氣流場的分布狀態(tài)等。其空氣循環(huán)通道結(jié)構(gòu)主要包括風(fēng)扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內(nèi)襯板、上內(nèi)襯板、后內(nèi)襯板、嬰兒床等。如圖1。

2 CFD建模與仿真

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場仿真模型，利用CFD計(jì)算機(jī)流體仿真軟件進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流場循環(huán)過程[1]。

建立三維仿真模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格的劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用瞬態(tài)模擬，設(shè)置流體計(jì)算域和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)計(jì)算域。計(jì)算域介質(zhì)為理想空氣，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域的運(yùn)動模式為旋轉(zhuǎn)模式，旋轉(zhuǎn)速度為100rad/s?？諝膺M(jìn)口溫度設(shè)為環(huán)境溫度25℃，出口溫度設(shè)置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設(shè)置為絕熱條件。

參照GB 11243-2008，在模型中設(shè)置五個監(jiān)控點(diǎn)，分別命名為A、B、C、D、E，分別監(jiān)控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據(jù)求解器收斂情況，判斷程序求解運(yùn)行過程是否正常，及確認(rèn)求解結(jié)束。

3 仿真結(jié)果分析

利用CFD軟件的后處理器對計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點(diǎn)的速度和溫度進(jìn)行分析，與樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。如表1，2。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算值與實(shí)測值的分布狀態(tài)一致，并且五個監(jiān)控點(diǎn)速度平均值均在0.1m/s以下，監(jiān)控點(diǎn)溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標(biāo)不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流動狀態(tài)分析使用參數(shù)要求，因此可以確認(rèn)仿真結(jié)果是合理的。

4 總結(jié)

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流動狀態(tài)，得到嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)部空氣流動特性。經(jīng)過仿真結(jié)果后處理分析，能夠進(jìn)行全方位的視覺觀察嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)部空氣的整個循環(huán)過程和流動特性，并提供詳細(xì)和完整的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了仿真模型的形象化，可視化，參數(shù)化，彌補(bǔ)理論分析的抽象化、簡單化和實(shí)驗(yàn)分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進(jìn)一步開展的系統(tǒng)研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面提供參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

篇7

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0180-03

流體力學(xué)是人們在利用流體的過程中逐漸形成的一門學(xué)科，它起源于阿基米德對浮力的研究，由于數(shù)理學(xué)科和流體工程學(xué)科相互推動而得到發(fā)展[1]。現(xiàn)如今已經(jīng)成為航空航天、車輛、機(jī)械、環(huán)境生物等工程學(xué)科的基礎(chǔ)之一。通過對流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，結(jié)合汽車工況，發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)在汽車設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用。

汽車自19世紀(jì)末誕生至今，汽車工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。當(dāng)今21世紀(jì)科技突飛猛進(jìn)，汽車工業(yè)已成為與人類生活息息相關(guān)的時代驕子。近年來，國家加大交通設(shè)施的投資建設(shè)，高速公路、高架橋等交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)，不僅縮短了城市之間的距離，更極大地改善了人的日常生活。為減少汽車的能耗、汽車的操縱穩(wěn)定性以及改善汽車的動力性，對汽車設(shè)計(jì)中的安全性、環(huán)保性提出了更高的要求[2]。為此，本文以流體力學(xué)基本理論，對汽車行駛時的空氣阻力、汽車表面受到的壓力、氣動升力、氣動側(cè)力等不可忽視的關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析，探討流體力學(xué)在汽車研究方面的應(yīng)用。

一、基于流體力學(xué)的汽車空氣阻力分析

汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇χ饕譃槟Σ磷枇蛪毫ψ枇?，期中壓力阻力約占空氣阻力的91%，成為汽車阻力的主要作用?？諝庾鳛榱黧w，具有粘性，根據(jù)牛頓定律，粘性流體在流動過程中層與層之間存在相互作用，空氣在車身表面產(chǎn)生的切向力即為摩擦阻力，這是合力在行駛方向的分力；而作用在汽車車身表面上的法向壓力的合力稱之為壓力阻力，可分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。其中，形狀阻力是壓力阻力的主要部分，并與車身形狀有直接關(guān)系，是影響空氣阻力的主要因素；干擾阻力是車身表面凸起物引起的氣流干擾而產(chǎn)生的阻力，只占壓力阻力的14%；內(nèi)循環(huán)阻力（12%）是空氣流經(jīng)車體內(nèi)部時構(gòu)成的阻力；誘導(dǎo)阻力（7%）也叫壓差力，是由于流經(jīng)車頂?shù)臍饬魉俣却笥诹鹘?jīng)車底的氣流速度，使得車底的空氣壓力大于車頂，從而空氣作用在車身上的垂直方向的壓力形成壓力差[3，4]，如圖1所示。

空氣阻力是影響燃油消耗的重要因素。最大限度地減小整車空氣阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同時也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗(yàn)表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。因此，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數(shù)的減小[4]。目前，汽車空氣阻力的計(jì)算或仿真多以流體仿真為基礎(chǔ)，從動力學(xué)理論出發(fā)，利用相應(yīng)的物理模型，建立相關(guān)流體運(yùn)動模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來，PowerFLOW分析軟件是汽車行業(yè)中空氣動力學(xué)的重要工具。利用此軟件可以分析整車的總體空氣阻力數(shù)據(jù)外，也可以充分利用流場數(shù)據(jù)，研究環(huán)繞整個車身的空氣流體動力學(xué)行為，研究阻力的細(xì)化、量化等，以此來指導(dǎo)汽車設(shè)計(jì)并優(yōu)化[5]。

二、基于流體力學(xué)的汽車表面壓力分析

汽車行駛時，前方氣流首先與車身前部作用，使氣流受阻，降低速度，在氣流壓力作用下，車頭前部形成一個正壓區(qū)，汽車周圍的壓強(qiáng)分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股，一部分通過發(fā)動機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、駕駛室頂向后流去；另一部分，通過車身下部，向車尾流去，如圖2 b）中所示。流向上方的這股氣流在流經(jīng)車頭上緣時，由于緣角半徑相對較小，氣流來不及轉(zhuǎn)折，導(dǎo)致局部分離，所以在上緣角附近存在很大的吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發(fā)動機(jī)罩上。

傳統(tǒng)的汽車外形設(shè)計(jì)、壓力分析等以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究為主，實(shí)驗(yàn)成本極高[4，6]，對汽車外形的氣動特性研究十分困難。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的一個重要分支，以計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展為基礎(chǔ)，是流體力學(xué)理論分析、計(jì)算科學(xué)及數(shù)值計(jì)算方法共同發(fā)展的產(chǎn)物。伴隨著CFD方法的不斷發(fā)展、進(jìn)步，利用CFD軟件分析汽車氣動性能成為可能。采用這一軟件對空氣動力學(xué)的計(jì)算，能夠較為精確地分析汽車三維外流場，準(zhǔn)確的研究汽車表面壓力，可以幫助工程技術(shù)人員直觀、深入地分析汽車氣動特性；更重要的是相對于實(shí)驗(yàn)分析，CFD軟件研究可以縮短汽車設(shè)計(jì)研發(fā)周期、降低成本。

三、基于流體力學(xué)在氣動升力分析中的應(yīng)用

汽車氣動升力的來源與機(jī)翼類似，由于汽車是在地面上行駛，地面效應(yīng)是影響汽車氣動升力的重要因素。汽車氣動升力包括壓差升力和粘性升力，其中壓差升力占主要部分。壓差升力一方面是由于汽車上下表面曲率不同，形成上下表面壓差產(chǎn)生；另一方面是由于地面效應(yīng)，汽車底部和地面之間形成了一個類似于漸縮噴管的氣流通道，使得汽車底部形成負(fù)升力。

研究表明，當(dāng)汽車速度超過70km/h，車身所受的氣動力成為影響汽車性能的主要因素之一[7]。汽車在行駛中，氣動升力隨車速的提高，對汽車的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。氣動升力的存在降低了汽車輪胎對地面的壓力，影響了汽車的動力性和制動性能；同時，氣動升力的存在降低了輪胎的側(cè)向附著力和側(cè)偏剛度，從而影響了汽車的操縱穩(wěn)定性[8]。

當(dāng)汽車高速行駛時，氣動力對汽車各性能的影響占主要地位。隨著汽車速度的增加，汽車的滾動阻力受氣動升力的影響逐漸減??；而汽車的氣動阻力則隨著車速的增加迅速提高。研究表明，當(dāng)汽車車速為70km/h左右時，汽車所受的氣動阻力和滾動阻力幾乎相同。當(dāng)汽車車速大于150km/h后，所受的氣動阻力是滾動阻力的2―3倍。顯然，汽車高速行駛時，氣動升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全，對高速行駛時的氣動升力提出了更高的要求[9]。

空氣作為汽車受力分析中的主要流體，在流過汽車車身的整個過程都受流體質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等流體力學(xué)的支配。計(jì)算流體力學(xué)就是通過這些基本的控制方程來分析汽車周圍流場中空氣的運(yùn)動。在理論方面，對氣動阻力和氣動升力的研究是根據(jù)伯努利提出的“路徑理論”為基礎(chǔ)進(jìn)行分析[10]，這一理論基礎(chǔ)便是流體動力學(xué)，理論中要充分考慮雷諾數(shù)、流態(tài)等基本流體動力學(xué)要素；在數(shù)值計(jì)算上，也主要是基于氣動力學(xué)計(jì)算的流體模型進(jìn)行分析。當(dāng)今社會，車輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車速度越來越快，所以解決高速行駛時發(fā)飄的問題是非常有必要而且是保障駕駛安全的重要舉措。

四、流體力學(xué)在氣動側(cè)力分析中的作用

危險不一定來自背后，危險也會來自側(cè)面。在高速下發(fā)生的交通事故，除了氣動升力的作用外，還有相當(dāng)一部分是由于氣動側(cè)力的作用。當(dāng)氣流與汽車的縱對稱面平行時，是不存在氣動側(cè)向力的。但在汽車實(shí)際行駛中，氣流不會總是與汽車的縱對稱面平行，當(dāng)氣流與汽車存在橫偏角時，汽車都會產(chǎn)生氣動側(cè)向力。也就是說側(cè)向力的來源就是由于受到了側(cè)向氣流的作用。在實(shí)際h境中側(cè)向來流的來源比較復(fù)雜，如自然界陣風(fēng)、汽車駛過大橋、車輛超車等情況。

氣動側(cè)力對汽車性能影響的研究是一個較廣泛的領(lǐng)域，而且對汽車主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車受側(cè)向風(fēng)時，在車身側(cè)板處就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流。這一氣流的存在不但破壞了駕駛室與車身之間正常的小渦流狀態(tài)，而且還會形成旋渦稠密氣流區(qū)，增大車身正前方的阻力，使汽車相對原直線行駛方向發(fā)生偏移，造成潛在危險[12]，因此，氣動側(cè)力也是汽車設(shè)計(jì)中必須分析的一個重要因素之一。

自然界中的側(cè)向風(fēng)變化非常復(fù)雜，側(cè)風(fēng)的方向、波長的變化等都對流場產(chǎn)生重要影響，所以氣動側(cè)力的分析相對更加復(fù)雜。采用復(fù)雜的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法可以對側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，但利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)汽車遇到側(cè)風(fēng)的復(fù)雜工況是非常困難的。而采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法研究瞬態(tài)側(cè)風(fēng)是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態(tài)變化信息，可對實(shí)際行駛過程中的汽車氣動性能進(jìn)行更深入的研究[13]。

五、結(jié)語

流體力學(xué)相關(guān)理論及對應(yīng)的軟件在汽車研究設(shè)計(jì)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，不但可以節(jié)約成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，相關(guān)軟件的使用也使設(shè)計(jì)更科學(xué)、安全、環(huán)保和人性化?，F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，車輛的設(shè)計(jì)速度和公路允許的行車速度越來越快，空氣阻力是影響車輛動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等汽車性能的重要影響因素，汽車的安全性能是當(dāng)今人們高質(zhì)量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學(xué)在汽車空氣阻力、壓力、氣動力等方面的應(yīng)用來提高車輛各方面的性能。流體力學(xué)與汽車設(shè)計(jì)相關(guān)知識的交叉，將對汽車實(shí)車造型與分析評價產(chǎn)生重大影響，逐漸成為汽車產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)的主要理論知識。

參考文獻(xiàn)：

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[2]簡潔，張鐵山，嚴(yán)萍華，邵成峰.空氣動力學(xué)對汽車性能的影響[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2012，39（5）：37-41.

[3]谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]張楠.計(jì)算流體力學(xué)軟件在汽車氣動問題研究中的應(yīng)用[J].重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2011，20（2）：125-127.

[5]章林鳳.汽車空氣阻力和散熱性能的仿真及優(yōu)化[J].汽車科技，2013，（1）：31-36.

[6]王俊，龔旭，李義林，葉堅(jiān).CFD技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2013，（4）：14-17.

[7]谷正氣，郭建成，張清林，金益峰.某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2012，32（3）：248-252.

[8]張勇，谷正氣，劉水長.車身姿勢對風(fēng)洞試驗(yàn)氣動升力測量影響研究[J].汽車工程，2015，37（3）：295-299.

[9]劉加利，張繼業(yè)，張衛(wèi)華.真空管道高速列車氣動阻力及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2014，34（1）：10-15.

[10]劉強(qiáng)，白鵬，李鋒.不同雷諾數(shù)下翼型氣動特性及層流分離現(xiàn)象演化[J].航空學(xué)報，2016，（35）：1-11.

篇8

           characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass graftingqi xingyi， hu qiangfu, huang weiqingdepartment of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, chinaabstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

   

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術(shù)的廣泛開展,人們對其血流動力學(xué)及病理生理變化的認(rèn)識更加深入。非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(opcabg)與常規(guī)體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(cabg)比較有很多優(yōu)點(diǎn),如不激活補(bǔ)體和炎癥系統(tǒng),不消耗凝血因子和血小板,血細(xì)胞破壞減少,可降低圍手術(shù)期用血量,降低住院費(fèi)用等等[ 1～3]。但由于opcab術(shù)中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標(biāo)冠狀血管，因此血流動力學(xué)波動難以避免，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，術(shù)中減少其變化是手術(shù)成功的關(guān)鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學(xué)指標(biāo)的變化,以期發(fā)現(xiàn)術(shù)中血流動力學(xué)變化特點(diǎn), 探討維持術(shù)中血流動力學(xué)穩(wěn)定的管理措施。

   

1  資料與方法

1.1  一般資料

    

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術(shù)前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分?jǐn)?shù)(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術(shù)前1個月內(nèi)發(fā)生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2  麻醉方法

    

術(shù)前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術(shù)日晨，術(shù)前1 h口服地西泮10mg,術(shù)前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮(zhèn)靜，入手術(shù)室后常規(guī)面罩吸氧，監(jiān)測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續(xù)監(jiān)測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規(guī)依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導(dǎo)。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復(fù)合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續(xù)靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內(nèi)靜脈穿刺置入swan-ganz導(dǎo)管及三腔靜脈導(dǎo)管，經(jīng)口置入食道超聲（tee）探頭。術(shù)中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術(shù)中自體血回收,維持血細(xì)胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內(nèi)動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結(jié)束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復(fù)至術(shù)前水平。胸部正中切口, 取左乳內(nèi)動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側(cè)壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產(chǎn)。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學(xué)的穩(wěn)定，防止心肌缺血和心梗的發(fā)生，加強(qiáng)心肺腦腎和血液五大保護(hù)，促使病人早期拔管。

1.3  監(jiān)測指標(biāo)

    

于麻醉誘導(dǎo)后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術(shù)畢(t5)各時間點(diǎn)記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細(xì)血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(shù)(ci) 、體循環(huán)阻力(svr) 、肺循環(huán)阻力(pvr)和右室射血分?jǐn)?shù)(rvef) 。

1.4  統(tǒng)計(jì)方法

   

計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。統(tǒng)計(jì)分析采用spss11.5統(tǒng)計(jì)軟件包，各個時間點(diǎn)的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

   

2  結(jié)  果

   

本組60例病人均按術(shù)前計(jì)劃在非體外循環(huán)下順利完成了心臟的完全再血管化。手術(shù)時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術(shù)中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術(shù)中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術(shù)時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學(xué)數(shù)據(jù)。每例患者移植血管支數(shù)平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術(shù)期心肌梗塞。

    行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值（誘導(dǎo)后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學(xué)指標(biāo)都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci、map、rvef較基礎(chǔ)值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎(chǔ)值明顯升高(p<0.05)。術(shù)畢各血流動力學(xué)指標(biāo)趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術(shù)前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1  60例非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植手術(shù)術(shù)中血流動力學(xué)變化(略)注：與誘導(dǎo)后15 min相比#p<0.05。

   

3  討  論

    opcabg由于不用體外循環(huán),簡化了手術(shù)操作,縮短了手術(shù)時間,避免了體外循環(huán)帶來的損害,可獲得與體外循環(huán)下cabg同樣的效果，現(xiàn)在應(yīng)用越來越普遍,而且適應(yīng)證拓寬,尤其對于高?；颊吒衅鋬?yōu)越性[4，5]。opcabg術(shù)中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉(zhuǎn)，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學(xué)的穩(wěn)定, 尤其是對于心功能較差者,可導(dǎo)致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴(yán)重者可導(dǎo)致心律紊亂及心跳驟停。因此,術(shù)中維護(hù)血流動力學(xué)穩(wěn)定對于opcabg手術(shù)的成功至關(guān)重要。

    運(yùn)用opcabg一般首先完成前降支的吻合,這是由于前降支分布區(qū)域的重要性及前降支顯露良好,無需過多地搬動心臟, 各心腔幾何結(jié)構(gòu)無大幅度改變,對血流動力學(xué)影響較小。本組病人行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，血流動力學(xué)變化不大。前降支吻合完后，左室血供增加，可視心臟狀況予多巴胺3～5μg/kg·min 持續(xù)泵入以增加心肌收縮力，改善血流動力學(xué)。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap 、pvr明顯升高，svr 輕度升高，但比吻合lcx 時的變化幅度要小。其原因主要是心臟左旋、心尖抬高, 造成三尖瓣的部分梗阻和固定器對右室后壁心肌的直接壓迫, 心臟垂直位所致的右心室舒張性充盈障礙, 順應(yīng)性下降, 肺阻力增加，右心收縮功能較差, 肺血流量和心輸出量（co）減少，為了維持co, hr代償性增加。tredelenburg使血液重分布,增加回心血量,改善前負(fù)荷,同增加的hr一起,補(bǔ)償心肌收縮力下降引起的co降低。mathison等[6]報道血流動力學(xué)衰減的主要原因是右心室舒張功能受損，導(dǎo)致co下降。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, 血流動力學(xué)波動最明顯，同基礎(chǔ)值相比,rvef顯著降低, ci、map顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr明顯升高，可能由于在進(jìn)行吻合時,左室受到壓迫,但左室較厚,此時右室也受壓,心室壁較薄,進(jìn)而引起右室功能明顯下降。說明在進(jìn)行回旋支吻合時,右心功能受到較大影響。經(jīng)食道超聲(tee)監(jiān)測顯示,此時室間隔移向左側(cè),左室無擴(kuò)張,右室小部分被擠壓,這些改變都符合右室舒張功能受損的診斷。對于大心臟者,在搬動時尤其是進(jìn)行回旋支吻合時,應(yīng)打開右側(cè)胸膜腔為右心提供足夠的空間。另外,的變化對于維持右心功能也是非常重要的,在進(jìn)行回旋支吻合時, trendenburg對于維持血壓及暴露血管非常重要。我們同時觀察到,如果固定器應(yīng)用后,血壓經(jīng)反復(fù)藥物調(diào)整后仍舊較低,可先心臟回位,等血流動力學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定后再行固定,如此反復(fù)幾次可使絕大多數(shù)病人得以耐受。對于嚴(yán)重的左心功能不全的患者,術(shù)前應(yīng)提倡應(yīng)用主動脈內(nèi)氣囊泵（iabp）以保證防止因?yàn)樽笮墓δ懿蝗鹩倚牡乃ソ摺Ａ硗鈙hane等[7]應(yīng)用三維超聲動圖重建技術(shù)觀察到opcabg術(shù)中,暴露各支冠脈時都發(fā)生了二尖瓣變形,引起功能性二尖瓣狹窄或加重原有二尖瓣返流,最終引起sv下降,所以,二尖瓣關(guān)閉不全也是可能原因之一。同心電圖相比, tee觀察心肌缺血更敏感,當(dāng)冠狀動脈被暫時阻斷時, tee可以觀察到局部心室壁的運(yùn)動異常。這種運(yùn)動異常在恢復(fù)灌注后30min基本消失。持續(xù)存在的新出現(xiàn)的室壁運(yùn)動異常通常提示搭橋的冠狀動脈的通暢度不佳[8]。

    影響術(shù)中血流動力學(xué)變化的因素主要有冠狀動脈病變部位及程度、心功能、心肌氧供耗平衡狀態(tài)、心臟的變化等。冠心病病人的心肌氧供、氧耗平衡處于邊緣狀態(tài)，冠脈儲備能力差，只有降低心肌氧耗，才能保持心肌氧供耗的平衡?？刂菩穆?、血壓極其重要。術(shù)中心率一般小于70次/min，控制適當(dāng)水平的血壓，血壓過低不能保證心肌的氧供，過高增加心臟的后負(fù)荷，增加心臟的氧耗。故應(yīng)盡可能維持和改善其平衡狀態(tài)。tee可隨時觀察心臟的形態(tài)學(xué)及血流動力學(xué)變化，配合持續(xù)心電圖s-t段分析，可及時發(fā)現(xiàn)心臟缺血。對重癥擇期手術(shù)患者，充分的術(shù)前心功能調(diào)整，代償性擴(kuò)大的心臟常可明顯縮小，而且大部分患者的心功能狀態(tài)和射血分?jǐn)?shù)都會有一定程度的改善?？梢娦g(shù)中密切觀察心臟狀況，控制液體平衡，及時發(fā)現(xiàn)心肌缺血，正確應(yīng)用藥物輔助，opcabg是安全可行的。

【參考文獻(xiàn)】

  characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass grafting

qi xingyi， hu qiangfu, huang weiqing

department of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, china

abstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術(shù)的廣泛開展,人們對其血流動力學(xué)及病理生理變化的認(rèn)識更加深入。非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(opcabg)與常規(guī)體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植術(shù)(cabg)比較有很多優(yōu)點(diǎn),如不激活補(bǔ)體和炎癥系統(tǒng),不消耗凝血因子和血小板,血細(xì)胞破壞減少,可降低圍手術(shù)期用血量,降低住院費(fèi)用等等[ 1～3]。但由于opcab術(shù)中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標(biāo)冠狀血管，因此血流動力學(xué)波動難以避免，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，術(shù)中減少其變化是手術(shù)成功的關(guān)鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學(xué)指標(biāo)的變化,以期發(fā)現(xiàn)術(shù)中血流動力學(xué)變化特點(diǎn), 探討維持術(shù)中血流動力學(xué)穩(wěn)定的管理措施。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術(shù)前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分?jǐn)?shù)(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術(shù)前1個月內(nèi)發(fā)生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2 麻醉方法

術(shù)前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術(shù)日晨，術(shù)前1 h口服地西泮10mg,術(shù)前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮(zhèn)靜，入手術(shù)室后常規(guī)面罩吸氧，監(jiān)測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續(xù)監(jiān)測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規(guī)依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導(dǎo)。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復(fù)合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續(xù)靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內(nèi)靜脈穿刺置入swan-ganz導(dǎo)管及三腔靜脈導(dǎo)管，經(jīng)口置入食道超聲（tee）探頭。術(shù)中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術(shù)中自體血回收,維持血細(xì)胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內(nèi)動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結(jié)束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復(fù)至術(shù)前水平。胸部正中切口, 取左乳內(nèi)動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側(cè)壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產(chǎn)。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學(xué)的穩(wěn)定，防止心肌缺血和心梗的發(fā)生，加強(qiáng)心肺腦腎和血液五大保護(hù)，促使病人早期拔管。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)

于麻醉誘導(dǎo)后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術(shù)畢(t5)各時間點(diǎn)記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細(xì)血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(shù)(ci) 、體循環(huán)阻力(svr) 、肺循環(huán)阻力(pvr)和右室射血分?jǐn)?shù)(rvef) 。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。統(tǒng)計(jì)分析采用spss11.5統(tǒng)計(jì)軟件包，各個時間點(diǎn)的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

2 結(jié) 果

本組60例病人均按術(shù)前計(jì)劃在非體外循環(huán)下順利完成了心臟的完全再血管化。手術(shù)時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術(shù)中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術(shù)中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術(shù)時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學(xué)數(shù)據(jù)。每例患者移植血管支數(shù)平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術(shù)期心肌梗塞。

行前降支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值（誘導(dǎo)后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎(chǔ)值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學(xué)指標(biāo)都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci較基礎(chǔ)值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠(yuǎn)端吻合時, ci、map、rvef較基礎(chǔ)值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎(chǔ)值明顯升高(p<0.05)。術(shù)畢各血流動力學(xué)指標(biāo)趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術(shù)前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1 60例非體外循環(huán)冠狀動脈旁路移植手術(shù)術(shù)中血流動力學(xué)變化(略)注：與誘導(dǎo)后15 min相比#p<0.05。

3 討 論

篇9

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油、天然氣、化工及電力等工業(yè)生產(chǎn)中的重要機(jī)械設(shè)備，其管道系統(tǒng)又是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕緩?，然而管道系統(tǒng)的振動會對安全生產(chǎn)造成很大的威脅，眾多生產(chǎn)實(shí)踐表明壓縮機(jī)管路的絕大多數(shù)振動問題都是由氣流脈動引起的，而壓縮機(jī)吸排氣的間歇性、周期性特點(diǎn)是產(chǎn)生氣流脈動的主要原因。因此研究氣流脈動的產(chǎn)生機(jī)理，建立合理的流體動力學(xué)模型進(jìn)行管道中氣流脈動的預(yù)測具有重要的理論意義和工程實(shí)用價值。

現(xiàn)有研究氣流脈動較為成熟的方法大多基于平面波動理論[1]或一維非定常流動理論[2]，它們均未考慮流體流動時湍流的影響，同時對緩沖器、孔板、冷卻器、分離器等管路元件的氣流脈動計(jì)算精度也較差。隨著計(jì)算機(jī)速度的提高和近年來CFD技術(shù)的發(fā)展，選用有限元方法[3，4]及有限容積法[5]計(jì)算管系的氣流脈動取得了一定的成效。CFD方法[6]應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)的工業(yè)流場模擬已有較多的報道，但對非穩(wěn)態(tài)的脈動流場研究較少。

本文基于CFD方法建立管道系統(tǒng)流體動力學(xué)模型。在考慮湍流的情況下[7]，模擬了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系統(tǒng)非定常流動時氣流脈動及流場特性。通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了CFD方法計(jì)算管道系統(tǒng)氣流脈動的合理性及準(zhǔn)確性。

一、CFD模擬計(jì)算理論

目前廣泛用于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值方法有有限差分法、有限元法、有限體積法等，其目的都是將控制方程離散化，本文用到的CFD軟件FLUENT[8-9]采用有限體積法將非線性偏微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格單元上的線性代數(shù)方程，然后通過求解線性方程組得出流場的解。因此對于所有流動，F(xiàn)LUENT都求解質(zhì)量和動量守恒方程；對于包含傳熱或可壓性流動，還需要增加能量守恒方程；如果是湍流問題，還有相應(yīng)的輸運(yùn)方程需要求解；我們稱以上各方程為控制方程。根據(jù)模型特點(diǎn)，本文所用FLUENT中的標(biāo)準(zhǔn) 湍流模型對低速可壓管流問題有良好的表現(xiàn)。

1.統(tǒng)一控制方程形式

式中， 為通用變量，可以代表 ， ， ， 等求解變量； 為廣義擴(kuò)散系數(shù)； 為廣義源項(xiàng) ，式中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)（transient term）、對流項(xiàng)（convective term）、擴(kuò)散項(xiàng)（diffusive term）和源項(xiàng)（source term）。

2.標(biāo)準(zhǔn) 方程

標(biāo)準(zhǔn) 模型需要求解湍動能 和耗散率 方程。該模型假設(shè)流體流動為完全湍流，忽略分子的粘性影響。該模型的湍動能 和耗散率 方程為：

-由于平均速度梯度引起的湍動能；

-由于浮力影響引起的湍動能；

-可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

-湍流粘性系數(shù)， 。

此模型中的各個常數(shù)在FLUENT中的默認(rèn)值為 ，

，湍動能 和 耗散率 的湍流普朗特?cái)?shù)分別為： ，

該模型適合對完全湍流流動的模擬。

二、氣流壓力脈動實(shí)驗(yàn)及管道系統(tǒng)計(jì)算模型

1.孔板消減氣流脈動實(shí)驗(yàn)

為了對管道系統(tǒng)氣流脈動的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，依照圖1搭建了往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)壓力脈動測試實(shí)驗(yàn)平臺。測試系統(tǒng)主要由一臺往復(fù)式壓縮機(jī)、變頻器、與其相連的管道系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、壓力傳感器、示波器、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)組成。

2.管道系統(tǒng)的計(jì)算模型

根據(jù)搭建的管道系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，在不影響模擬結(jié)果的前提下，為提高計(jì)算效率采用如圖2所示（尺寸單位為mm）的二維計(jì)算模型。將模型導(dǎo)入Gambit中劃分單元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)化（Pave）

的四邊形網(wǎng)格（Quad），共得到17644個單元。最后在Gambit中對管道系統(tǒng)添加邊界條件，入口邊界條件采用非定常壓力入口邊界條件，出口邊界條件為壓力出口邊界。

三、氣流脈動模擬及實(shí)驗(yàn)分析

1.模擬分析

將在Gambit中化分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，在Fluent中根據(jù)管道內(nèi)部介質(zhì)的性質(zhì)采用基于密度（耦合式）的隱式2ddp（二維雙精度）求解器，并指定其計(jì)算模式為非穩(wěn)態(tài)；計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)

雙方程湍流模型；流體類材料為理想空氣。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件，出口邊界條件采用非定常壓力邊界條件： （根據(jù)其公式用C語言編譯非定常速度UDF函數(shù)）即施加一個頻率為7.3Hz（模擬轉(zhuǎn)速為438r·min-1壓縮機(jī)）、壓力不均勻度為24%的脈動壓力條件，入口邊界條件采用定常壓力邊界條件（由儲氣罐上的背壓閥控制），文中設(shè)定為101325Pa。圖3為未加孔板時緩沖器前后壓力脈動曲線圖，由圖可以看出緩沖器對消減氣流脈動有一定的作用；圖4為加入孔徑比為0.5的孔板后緩沖器前后壓力脈動曲線圖，對比圖4發(fā)現(xiàn)孔板對消減氣流脈動有明顯的作用效果，但在加入孔板時需要選擇適當(dāng)?shù)目讖奖?，由圖可知0.5的孔徑比衰減效果很理想。

2.實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

圖5為當(dāng)壓縮機(jī)以438 r？min-1轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，添加孔徑比為0.5，厚度為8mm的孔板后，孔板前后主管線上壓力脈動的對比圖；與模擬結(jié)果 （圖4所示曲線）十分吻合。從二者對比結(jié)果可看出利用CFD的方法計(jì)算管道系統(tǒng)的脈動壓力具有直觀、形象、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

四、結(jié)論

1.基于CFD技術(shù)，通過利用FLUENT軟件對管道系統(tǒng)內(nèi)部流場的計(jì)算，直觀形象的驗(yàn)證了緩沖器、孔板等管路原件對氣流脈動的消減作用。

2.通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對照，發(fā)現(xiàn)利用CFD技術(shù)計(jì)算氣流脈動更加可靠、準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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[7] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

篇10

一、概述

伯努利方程是理想流體作穩(wěn)定流動的動力學(xué)方程，意為流體在忽略粘性損失的流動中，流管中任意截面位置處的動壓和靜壓之和為一個常量。這個理論是由瑞士數(shù)學(xué)家D.（Bernoulli，Daniel）在1738年提出的，當(dāng)時被稱為伯努利原理。后人又將重力場中歐拉方程在定常流動時沿流線的積分稱為伯努利積分，將重力場中無粘性流體定常絕熱流動的能量方程稱為伯努利定理。這些統(tǒng)稱為伯努利方程，是流體動力學(xué)基本方程之一。

對于重力場中的不可壓縮均質(zhì)流體，伯努利方程為：

式中p、ρ、v分別為流管中任一截面處流體的壓強(qiáng)、密度以及流速；h為截面所處的高度；g重力加速度。

從能量的角度來理解伯努利方程，則上式等式左邊從左向右依次表示為單位體積流體的壓強(qiáng)能、動能和重力勢能，在沿流線運(yùn)動過程中，總和保持不變，即總能量守恒。顯然，二、推導(dǎo)思路及注意的問題

（一）推導(dǎo)思路

從作功和能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系出發(fā)，結(jié)合圖1，假設(shè)流體從左往右流（圖1所示為從下往上）對伯努利方程的推導(dǎo)思路總結(jié)如下：

1.首先，需要對研究對象（一段流體）進(jìn)行受力分析，如果用功能原理來推導(dǎo)，則重力當(dāng)成是內(nèi)力不需考慮，但若用動能定理來推導(dǎo)的話，則需要考慮重力，它是屬于外力范疇的。很明顯，除了重力以外，流體還受到了來自周圍流體或管壁的壓力及前后流體的壓力作用。

2.接著在1的基礎(chǔ)上，再對各力的作功情況進(jìn)行分析，即在所有的外力中，哪些力是作功的，哪些是不作功的，由于功是有正負(fù)之分的，所以在作了功的外力中，還要分清楚哪些力是作正功的，哪些是作負(fù)功的。在圖1中，重力作負(fù)功，周圍或管壁所施的壓力垂直于流管的側(cè)面，因此是不作功的；來自后面流體的壓力起到推動流體往前流動的作用，因此作正功，而前面流體起到阻礙流動的作用，因此其施加的壓力在流動的過程中是作負(fù)功的。

3.接著在完成步驟2后，把每個外力作功的結(jié)果用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，即可得出“凈功Δw”，注意它是所有外力所作功的“代數(shù)和”。

4.根據(jù)功能原理或動能定理寫出最后的結(jié)果。

（二）需注意的一些問題

1.我們在理想流體流動的空間中取出一段流管，為什么假設(shè)流體是從下往上流而不是從上往下流的呢？因?yàn)槿绻〕蓮纳贤铝鞯脑挘苊黠@，由于流體是理想流體，在流動的過程中，流體之間是不存在摩擦力的，這樣勢必會存在一個往下的加速度，從而使得流體加速流動，也就是說，這樣的結(jié)果是為：不能保證在同一個位置不同的流體粒子前后不同時刻經(jīng)過該位置時，保持流速是不變的。換句話說，這樣的流動并不是穩(wěn)定流動。

2.運(yùn)用動能定理的時候要注意，Δw=Ek2-Ek1，其中（Ek2-Ek1）表示的是該段流體末初兩狀態(tài)的動能差，圖中所示的v2和v1分別表示的是y和x這兩個位置處的截面處的平均流速，它們不能代表整段研究流體的總的末初兩態(tài)的平均流速，所以不能直接利用動能的定義式 來表示該段流體所具有的初末兩態(tài)的動能。但是（Ek2-Ek1）最終寫成與 是相等時，而這里的m則表示的不是整段流體的質(zhì)量，而僅表示為xx′或yy′段流體的質(zhì)量，這兩段流體的質(zhì)量和體積都是相等的。

3.圖中所示的h1和h2表示的是x和y兩個位置截面所處的高度，它們并不能代表所研究的這段流體的初態(tài)和末態(tài)的重心高度。所以寫重力作功表達(dá)式的時候得注意，不能直接利用重力勢能的定義式mgh來表示初末態(tài)的重力勢能。但重力所做的功的最終結(jié)果表示為（mgh1-mgh2），這里的m與上2中的意思相同。

三、結(jié)束語

伯努利方程在流體動力學(xué)中非常重要，雖然它的對象是針對理想流體的，是理想流體就需滿足兩個絕對化的條件：①絕對不可壓縮；②完全沒有粘性。而對于實(shí)際的流體而言，并不完全滿足以上兩個條件，但是在壓縮性和粘性都很小的情況下，實(shí)際的液體或氣體可近似看成是理想流體，當(dāng)它們作穩(wěn)定流動時，伯努利方程同樣是可以用來描述其運(yùn)動規(guī)律。文章針對伯努利方程的推導(dǎo)思路進(jìn)行了分析總結(jié)，并從細(xì)節(jié)方面對需注意的地方進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)

[1]徐愛英.伯努利方程的推導(dǎo).科技信息