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流体力学研究方向范文1
【关键词】高职教育 流体力学 教学改革 理实一体化 学习工作页
【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）04-0237-02
1.引言
流体力学是力学的一个分支，在动力工程、城市建筑工程、环境工程、航空航天工程、航海工程、水利工程等领域广泛应用[1]。因此《流体力学》是建筑工程、建筑设备工程、道路与桥梁工程等高职建筑类专业的一门重要的专业基础课。该课程的理论性强，抽象概念多，与数学、物理、理论力学等学科有紧密联系，一直以来都是教师 “难教”、学生 “难学”的一门课程。本文根据该课程在高职建筑类专业中的应用需要，结合目前高职学生特点，从教学手段、理实一体化、教学过程设计、课程考核方式等方面进行教学改革探索，并分析教师和学生角色转换对教学效果的影响。
2.教学中存在的一些问题
2.1学生基础差
随着近几年高考生源大幅减少，全国各省市的高职高专分数线降低至200分甚至更低，由此可知高职教学面对的生源学习成绩较差，数学和物理基础薄弱。因此，学生基础差成为目前高职《流体力学》教学面临的一项重大障碍，但是我们无法改变学生的过去，必须根据目前教学对象的特点调整教学方法，提高教学效果。
2.2 教学手段单一
《流体力学》是一门传统经典学科，教学内容非常固定，于是长年从事该课程教学的教师往往根据自己的喜好，采用一种固定的教学手段。有的教师每次上课都是一本书、一根粉笔，根本不采用现代教学手段，不宜帮助学生理解《流体力学》中抽象的概念或现象；有的教师将教材中的文字转移到PPT课件中照本宣科，学生很快就会在课堂上进入“梦乡”。如此单一的教学手段，势必事倍功半，教师感觉上课很累，学生学习效果也不好。
2.3 教学设计过于简单
大部分教师仍然采用传统的以讲授为主的“填鸭式”教学模式，上课只是为了完成自己的讲课任务，不关心教学效果，不重视教学设计。教学设计只是采用“集中讲授、集中听课”的简单过程。
2.4 考核方式单一[2]
《流体力学》由于其理论性强的特点，传统教学中大多数教师采用单一的期末考试形式评价学生的学习效果。考试从一定程度上确实能反应学生对知识的掌握程度，但不能全面反应平时的学习态度和学习效果，不能反应学生对知识的综合应用能力。
3.教学改革
3.1 教学手段多样化
随着科技的发展，现代教学手段越来越多，多种教学手段的组合可以充分调动学生的视觉、听觉、触觉等各种感官。
（1）PPT课件
PPT课件是目前应用最广泛的一种教学手段，通过PPT可以充分的展示教学的文字内容和图片，并且PPT中的动画设置可以突出一部分教学内容，吸引学生注意力。比如“测压管水头线和总头线”的教学中，可以在PPT图片中设置测压管水头线和总头线用不同的颜色显示，并根据讲解需要自定义线条出现的时间顺序。
（2）板书
板书是最传统的教学手段，但是在PPT广泛应用的今天，板书的利用率在降低[3]。不过，笔者认为如果将PPT和板书结合起来能够发挥它们各自的长处，比如《流体力学》计算题的讲解，如果只用板书需要将题干内容和插图以及解题过程均书写到黑板上，费时费力；如果全部以PPT显示，学生往往很难体会到解题的过程，且长时间看PPT很容易感觉单调分散精力；如果将板书和PPT结合起来，将题干内容和插图在PPT中显示，而解题过程由教师随着讲解按步骤书写到黑板上，既节省了题干书写和画图的过程，又能够通过板书带着学生一步步展开解题过程[4]。
（3）视频
《流体力学》一些抽象的概念或现象，有时仅仅用语言或图片很难生动地描述或展示给学生，比如流线的概念，教师可以借助流线演示实验视频，通过多媒体展示给学生。视频至少播放两遍，第一遍完整播放让学生对实验现象先有个初步认识，然后带着疑问观看第二遍，第二遍播放过程中教师根据需要点击暂停键进行讲解。视频教学手段的应用有效解决了缺乏实验装置无法演示或者学生人数过多实验装置现场演示观看不清的问题。
（4）flas
flas在教学中的应用也越来越广泛，《流体力学》中一些实验现象比如雷诺实验可以做成flas代替视频演示。教师也可以结合本校的实验装置将实验操作步骤做成flas，在学生实验操作前通过多媒体演示，比教师守着实验装置讲解更清晰更生动。
上述教学手段在一次课的教学过程中根据教学内容的需要至少要用到两种，只有不断的变换教学手段，才能够将“爱走神”学生的心思拉回到课堂上来。
3.2 理实一体化
在传统教学中，往往将《流体力学》课程分为理论教学与实验教学两个阶段，一般在学期最后1～2周集中进行实验教学，这种教学方式将理论学习与实验操作隔离开。笔者改变这种教学方式，将理论教学和实验教学融为一体，即将实验教学插入到相关章节理论教学过程中，使学生在实验室同时完成理论知识的学习和实验任务。这种理实一体化的教学方式，可以通过实验现象演示帮助学生理解抽象的理论知识，比如恒定流与非恒定流的演示、虹吸现象演示；通过实验操作和数据处理，帮助学生掌握理论知识的应用，比如将“毕托管测速实验”插入到“能量方程的应用――毕托管测速原理”的教学中，“沿程阻力实验”插入到“紊流沿程阻力系数”的教学中。
3.3 教学设计过程化
教学设计主要是以促进学生的学习为根本目的，运用系统方法，将学习理论与教学理论等的原理转换成对教学目标、教学内容、教学方法和教学策略、教学评价等环节进行具体计划、创设有效的教与学系统的“过程”或“程序”[5]。随着对课堂教学的不断反思，“满堂灌”的教学方式已为人诟病。如何避免出现“满堂灌”的教学方式，就需要教师课前进行精心的教学设计，结合教学内容不断调整教学手段，变换学生行为状态，让每一次课堂教学都处于动态变化中，充分调动学生积极性。教学设计要带着“为什么学”、“学什么”、“如何学”、“如何评价”四个问题进行，进而确定教学目标、教学内容、教学策略、评价策略。
教学目标的设定要将传统的以知识为出发点的目标转换为以能力为出发点的目标，比如将“掌握恒定流能量方程”转换为“（1）使学生能写出总流能量方程并复述各项的含义；（2）使学生能绘制总水头线与测压管水头线；（3）使学生能应用总流能量方程解决有关工程实际问题”。
教学内容应根据具体专业的需求进行选取，比如管路的计算在建筑设备工程技术专业应用广泛应增加相应学时比重，而明渠水流应在道路与桥梁工程专业教学中增加学时比重。
教学策略是教学设计的重中之重，是为实现教学目标而制定的、付诸于教学过程实施的整体方案，它包括合理组织教学过程，选择具体的教学方法和材料，制定教师与学生所遵守的教学行为程序[6]。因此，教师应将课堂教学划分为几个阶段，比如“沿程阻力系数”一节内容的学习，笔者将其划分为4个阶段。第1阶段理论讲解综合应用PPT、视频录像、板书等教学手段。第2阶段提出沿程阻力系数如何测定的问题，结合实验装置布置实验任务。第3阶段各小组合作完成实验操作与数据处理。第4阶段抽查1～2个小组进行汇报。在整个教学过程中充分调动了学生的脑、眼、耳、手各个器官。上课前，教师给每位学生下发提前制作好的学习过程工作页，让学生明了每个阶段要做的事情，并认真填写工作页，也方便教师检查每位学生的学习过程。
评价策略就是如何对学生的学习过程和成果进行评价，评价是课堂教学的最后环节，也是重要环节，一个科学、合理、公平的评价策略能充分调动学生的积极性，直接影响教学程序的执行情况。比如把课堂回答问题、完成任务的先后顺序、成果展示等都赋予一定的分值，让“挣分”成为教学过程有效执行的动力。
3.4课程考核方式多元化
笔者采用平时表现（遵守纪律、完成作业、课堂作答等，占30%）+实验操作与数据处理（占30%）+期末考试（占40%）的综合考核方式，对于平时表现和实验操作与数据处理取得相应分值比例95%以上的学生采取免考的方式。通过这种考核方式既能全面检验学生的学习态度和学习效果，又能最大程度上调动学生学习参与性，让其重视学习的过程，这与教学设计的过程化是相呼应的。
4.角色转换
在传统教学中，教师的角色和学生的角色是固定的，教师是讲授者，学生是接受者。《流体力学》教学改革必须率先改革这种陈旧的思想意识，教师的角色应随着教学设计而不断变换，可能是讲授者，也可能是主持者或辅导者或评价者。而学生的角色也在不断转换，可能是实验操作者，也可能是数据记录者或团队代言者或评价者。
教师角色的转换改变教师的传统形象，有利于融入学生，增进师生感情交流，提高教学效果。学生角色转换改变死板学习气氛，有利于增加学习趣味性，培养学生团队意识，提高沟通交流、语言表达能力。
5.结语
总之，《流体力学》作为高职建筑类专业的一门重要基础课程，由于其自身特点和当前高职学生特点，必须不断进行教学改革，通过教学手段、理实结合、教学设计、考核方式等全过程优化，探索适合该课程的教学方法。教学改革必须以学生为主体，以增强教学效果为根本目的，培养学生知识应用、创新、团队合作等综合能力。
参考文献：
[1]白桦.流体力学泵与风机.北京：中国建筑工业出版社，2005
[2]苏新兵等. “应用流体力学”课程教学改革情况和几点体会.中国电力教育，2011（19）
[3]李欣.流体力学课程教学改革探讨.沈阳教育学院学报，2011（04）
[4]陈霞.流体力学教学方法的探讨和研究.科技文汇，2011（09）上旬刊
[5]邓泽民等.职业教育教学设计.北京：中国铁道出版社，2011
[6]（美国）威廉・威伦等.有效教学决策.北京：教育科学出版社，2009
作者简介：
秦纪伟（1984-），男，河南周口人，北京京北职业技术学院讲师，硕士研究生学历。研究方向：建筑给水排水工程。
流体力学研究方向范文2
【关键词】三本院校：工程力学；课程教学；现状；教学改革
目前企业对人才观念有了很大的改变，之前企业过于重视技能型人员的需求，而现在很多企业更加注重综合型人才的需求。就目前教育体系而言，职业技能素质并不能完全代表劳动者的素质，因为职业道德、职业精神、安全意识、社会责任感、环保意识、团结协作能力以及矛盾处理能力等都是劳动者素质的范畴。所以培养熟练技能的劳动者并不是职业教育的唯一目标，培养具有社会责任的公民也是职业教育的主要目的。随着时代的发展，在教育观念方面，素质观逐渐取代技能观，培养学生的全面发展、让学生成为综合型人才已经成为现代职业教育的主要发展趋势。企业人才需求的观念是促进工程力学课程改革最主要的因素。
一、工程力学的应用
工程力学应用的范围主要有：材料力学、固体力学、流体力学、结构力学四种类型。具体内容如下：①材料力学。在物品生产过程中，材料选择十分重要，材料自身的刚度、强度以及韧性决定了物品使用的稳定性。在生活中，机械生产、建筑结构都运用到材料力学。就连零食的包装袋、铆钉在设计、生产的过程中也必须涉及到材料力学。②固体力学。固体力学研究内容涉及物体的塑性、弹性以及线性等诸多问题。固体力学主要应用于航空航天、房屋桥梁建设等行业。此外，在地质勘探的过程中也离不开固体力学原理的支持。③流体力学。在地球上水和空气是最常见的流体物质，因此水与空气是流体力学主要的研究领域。像飞行器、潜艇、水面舰艇、航母等军工业的发展都运用到流体力学原理。同时，像石油、天然气、地下水等与人们休戚相关的资源开发也需要流体力学原料的支持。④结构力学。结构力学主要分为：狭义结构力学与广义结构力学这两种范围。狭义结构力学的研究内容有：杠杆组成的体系、平面杠杆系。广义结构力学研究内容有：平板、壳体以及块体等领域。像汽车生产、桥梁与居民住宅建设、配电系统架构都运用到结构力学。同时在地球地质运动的研究、地震监测系统的建设等领域也存在结构力学的身影。可以说，工程力学应用与我们的生产、生活有着密切的联系。
二、三本院校工程力学课程教学中存在的问题
1、课程内容不系统
工程力学是力学的一个分支，它主要涉及机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等各种工程与力学结合的领域，分为六大研究方向：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与工程爆破。尽管工程力学一直是我国各大高校的重点专业，但是对于课程内容的选择不够系统。尤其是三本院校，由于教育投入相对较低，很多三本院校课程内容的设置并没有紧跟社会的需求，并没有以学生自身发展为中心。工程力学的学术含量较高，课程内容不系统导致毕业生缺乏社竞争力。
2、忽视实践
工程力学课程和其它专业课程存在明显不同，它是集理论与实践于一身的课程。但是就目前实际教学情况而言，很多三本院校忽视工程力学实训内容。主要体现在以下两点：第一，实训课程比例较小。在工程力学课程的教学过程中，实训课程和理论课程的比例通常为3：7，不平衡的课程比例，会影响学生的实践能力，不利于学生动手能力的培养。此外，实训课程安排时间过于集中，通常在一段时间内全部为实训课程。第二，实训成绩占总成绩的比例较低。在工程力学考试中，很多高校还是以笔试成绩为主，忽视学生的实训成绩，这会让学生从思想意识是忽视实训课程的学习。
三、工程力学教学方法改革的措施
1、增加实践
实训是学生实践的重要体现，理论和实践之间存在非常紧密的联系。理论指导实践的发展，而实践可以检验出理论的正确性，它们之间相辅相成。长期以来，很多高校忽视工程力学实训课程的发展，阻碍了学生实践能力的提升。为了学生实践能力可以采取以下两种措施：第一，增加实训课程数量。让实训课时与理论课程保持合理的比例。并且，为了增强学习效果，实训课程要与理论课程相匹配。此外，保证实训与理论课程的时间间隔，避免出现实训内容与理论内容相互脱节的情况。第二，增加实训成绩的比例。三本院校将常规的实训课程成绩纳入到学生期中、期末的成绩当中，这样可以让学生重视实训课程的学习。通过实训可以暴露出工程力学课程教学的不足之处，这样中职院校可以对教学方式进行相应的调整。并且，通过实训可以提升学生的实践能力，有利于学生动手能力的培养。
2、改革教学方法
由于教学观念的落后，板书、照本宣科仍然是工程力学课程教学的过程中最普遍的教学方式。这种填鸭式的教学方式虽然可以使短期内让学生记住工程力学的相关概念，但是学生只知定义，缺乏理解，这使得学生在实践的过程中缺乏理论性的指导。为了提高教师的教学效率，教师必须采用多种教学方式。首先，可以采取多媒体教学。很多工程力学内容过于概念化，学生很难理解。多媒体教学具有图文并茂的特点，可以将概念化的理论知识通过图片、动画、视频等形式表现出来，学生对工程力学的理解更加简洁明了、更加直观。第二，将课堂时间留给学生。长期以来，教师一直占据课堂的主要地位，学生只是一味的记笔记，这样不利于学生动手能力的培养。因此在工程课程教学中，必须将课堂还给学生，可以将学生分成若干个小组，让每个学生都能参与到学习之中，教师只是起到指导作用。
3、构建教学评价体系
教学质量是衡量工程力学课程安排是否合理的唯一标准，教学质量的提高不仅需要硬件的投入，更需要科学的教学质量评价体系。教学质量评价体系和平时学生期中、期末考试一样，通过教学质量评价体系，高校可以了解到教学中的不足，教师通过教学评价系统可以调整自己对进行的教学方法进行及时的调整，教学质量评价体系使电子教学学课程变的更加合理、更加科学、更加有效。
流体力学研究方向范文3
关键词：计算流体力学；汽车制造；导流通道；制动盘；散热性能；车轮拱轮 文献标识码：A
中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.005
当车辆处于紧急制动、频繁制动或持续下坡制动时，制动盘的温度会急剧升高，这容易导致制动失效或轮胎起火等严重交通事故。如何使制动盘在工作过程中迅速降温是汽车安全行驶的前提。通常，制动盘安装在汽车车轮的内部，其冷却过程与轮辐、轮拱等周边零部件的结构及布置方式等关系密切。因此，分析车轮的轮拱结构对制动盘散热特性的影响规律，具有重要的工程意义。
近年来，国内外学者对汽车制动过程中的动力学问题进行了大量的研究。Arthur Stephens采用实验的方法测量了在多种实际工况下，旋转径向通风制动盘的内部空气流动情况。测试工况包括：单个制动盘在静止的空气中旋转；将制动盘安装至车轮相应位置后，在静止的空气中旋转；将制动盘安装在车轮中，在流动的空气中旋转以及用四分之一实车模拟的公路制动工况。研究结果表明：与单个制动盘的制动效果相比，四分之一实车模拟的公路制动工况下的制动盘内部通道的气流显著减少。类似的，G P Voller等学者也发现：车轮的存在的确削弱了制动盘的散热效果。为了提高车辆制动的冷却效率，Zheng WQ首次提出了一种风扇式轮辐结构，它能够在保证制动盘结构不变的情况下，增强车辆的对流散热效果，并应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）方法研究了辐板数量以及辐板扭转角对制动盘冷却效果的影响规律。Thomas Schuetz以提高制动散热效果为目标，对车身结构进行了优化设计，将由发动机排出的气流直接被引流至制动器区域，大大增加了流经车轮结构及制动盘内的空气流量。
为增加车轮轮拱内的气体流量，增强车辆的制动散热效果，本文以车轮及其所在的轮拱为研究对象，在车身结构的进气格栅与轮拱之间增设导流通道，采用计算流体力学方法，分析其对制动盘散热性能的影响规律。
1 数值模型的建立
选取某款常见轿车的车身结构（基准轮拱的长、宽、高分别为2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）为研究对象，在距离车底盘8cm高度处，增设入口面积为7000mm2的导流通道。采用有限元法建立三维数值模型，分别使用四面体网格、六面体与四面体混合网格划分车轮总成结构。经过网格无关解验证后，最终确定网格总单元数为1520204。有限元模型中的各部件主要参数为轮辐、轮辋及螺栓部件的密度为7840kg/m3，定压比热为465J/（kg・K），导热系数为48W/（m・K）；制动鼓密度为7570kg/m3，定压比热为470J/（kg・K），导热系数为36W/（m・K）；空气密度为1.029kg/m3，动力黏性系数为2.06×10-5kg/（m・s），定压比热为1009J/（kg・K），导热系数为0.0296W/（m・K）。
设置车身为无滑移边界条件，采用稳态求解器进行求解。汽车车轮制动鼓散热时，车轮和车身周围空气的对流换热问题为非定常三维不可压流动传热问题，需满足如下的连续方程、动量方程及能量方程：
式中：u为速度分量；T为温度；μ为动力黏性系数；F为质量力；ρ为密度；Cp为定压比热；k为导热系数。在计算车轮及车身外部流动换热问题时，还需考虑车轮结构内部的导热问题，即满足式（3）中的能量方程。应用一阶迎风格式描述动量及能量方程的离散格式，采用基于压力求解器的隐式求解算法对式（1）至式（3）进行求解。
2 结果分析
增设导流通道后，车轮制动盘表面对流换热系数的分布云图，如图1所示。从该图可知：增设导流流通道后，制动盘表面平均对流换热系数有所提高，可达91.97W/m2・K。
从图2中可知：开设导流通道后，轮拱内部流场分布非常复杂，由于车轮的旋转及其复杂的几何形状，形成了大量的流动分离和涡流。来自车辆前方的气流通过导流通道进入轮拱，一部分流经车轮外侧直接进入周围空气；另一部分流经制动盘表面后，以涡旋流动的形式散失在轮拱外部，制动盘的散热效果增强。
3 结语
本文采用计算流体力学方法，分析了导流通道对制动盘散热效果的影响。由数值模拟结果可知：在通向轮拱内，开设导流通道可有效提高制动盘的散热特性。
参考文献
[1] 赵凯辉.汽车制动器热衰退性能及相关制动安全检测
研究[D].长安大学，2010.
[2] Burst.US patent Aerodynamic brake cooling spoiler：
United States，4810021[P].1989.
[3] Moedinger.US patent Arrangement for supplying cooling
air to a brake disc：United States，4805747[P].1989.
[4] Kawaguchi.US patent Disc brake apparatus with cooling
fins：United States，4456099[P].1984.
[5] Stephens A.Aerodynamic Cooling of Automotive Disc
brakes[D].RMIT University，2006.
[6] Voller G P，Tirovic M，Morris R，et al.Analysis of
automotive disc brake cooling characteristics[J].
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，
Part D：Journal of Automobile Engineering，2003，217
（8）.
[7] Tirovic，M，Voller，et mercial vehicle brake
cooling-ventilated disc or ventilated wheel carrier
[A].Royal Armouries Museum，Leeds，ENGLAND：
PROFESSIONAL ENGINEERING PUBLISHING
LTD[C].2004.
[8] Kang N，Zheng WQ，Liu XD.An investigation of the
influence of the wheel spoke type on the convective
cooling of the brake disc using the computational fluid
dynamics method[J].Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile
Engineering，2013，227（11）.
[9] Schutz T，Kuthada T，Wiedemann J，Wickern G.
Brake disk cooling CFD-simulation and validation
[A].F2008-12-061，FISITA 2008 World Automotive
Congress[C].2008.
流体力学研究方向范文4
关键词 微波等离子体；电磁场；电场；反射系数
中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0042-02
等离子体由于在材料科学、环境保护和生物医学等多个领域有着重要作用，受到广泛关注和应用。尤其是常压微波等离子体，更是被广泛用于材料加工，例如纳米材料合成和表面改性等；与其他形式等离子体相比又有着维护方便、应用面较广和较高的能量转化利用率等诸多优点，近些年一直都是研究的热门课题之一[1，2]。另外大体积、大功率的工业应用需求使得大功率常压微波等离子体成为一个研究方向，具备较大工业价值和良好的发展前景[3]。
随着数字仿真技术的发展，数字分析在等离子体研究中正变得越来越重要，特别是当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或实验条件无法满足时，数字仿真是一种特别有效的研究手段。在某种程度上可以说，数字仿真结果对于等离子体装置的优化和等离子体性质的研究发挥着重要作用[4]。虽然常压等离子体已经有一些前人的研究基础，但是常压等离子体的数字分析还是有一定的困难，不仅是由于等离子体的数字仿真模型需要综合考虑多个学科，例如电磁学、化学、流体力学等，还因为大量参数需要提前确定，而这些参数的确定也是一个较为困难的过程。本文对常压大功率微波等离子体的产生过程进行了初步研究，在微波等离子体产生装置的基础上设计了一个基于时间的数字仿真模型，研究了气体放电区域的等离子体产生过程的物理参数，有利于深化对常压微波等离子体的特性有更的了解和认识，同时对产生装置的设计和优化有较大帮助。
1 数字模型
等离子体的数字分析建立在许多复杂模型基础上，包括气体放电物理过程、边界条件（等离子体、电磁场和热传导等）以及工作气体的碰撞反应过程等；同时气体放电过程又是以电磁学、流体力学、化学和分子动力学等多个学科理论为基础进行表征。这些重要的参数、边界条件和理论模型的耦合是非常繁琐和复杂的，以前的工作本团队已经进行过深入研究，本文不再赘述[5]。
当气体被电离成为等离子体过程中，由于部分气体被电离气体，气体的特性也发生剧烈变化[6]。此时它的相对介电常数应该表示为
（1）
式中，，为等离子体频率；
为碰撞频率；
为激励频率。
电导率可表示为
（2）
式中，为电子数密度；
为基本电荷；
为电子质量。
将式（1）、（2）带入到麦克斯韦方程组中，可得到：
（3）
式中，k0是自由空间波数。通过对式（3）的计算，可以获得电场，对比气体激发过程中不同时刻电场的变化，从而可以反应出等离子体在激发过程中的部分特性。
2 数字分析
常压微波等离子体装置如图1所示，包括功率源、微波传输系统和微波反应器。微波反应器由矩形压缩波导、石英管、气体馈入装置和短路板组成，矩形压缩波导采用渐变型单边压缩波导结构。2.45 GHz的电磁波以TE10模式通过WR340矩形波导和压缩段，在石英管所在位置（距离短路板λG/4处）形成最大电场强度，环行器用于引导反射的电磁波能量进入负载，以保护功率源不受反射电磁波损坏。同时，金属圆柱安放在石英管外，用来防止微波从放电区域辐射到空间中。本文选用氩气作为工作气体。
图1 常压微波等离子体产生装置原理图
图2是气体在被激发前后不同时刻的电厂分布，分析结果表明：
1）入射电磁波和反射波在腔内形成驻波，此时距离短路板λG/4的开孔处获得最大电场强度。
2）激发后，放电区域的电场强度由于气体的电离消耗大量能量，明显减小。
3）随着激发过程的进行，气体电离消耗的能量减小，反射的能量增多。
（a）t=0
（b）t=
图2 不同时刻的电场分布
（a）t=0
（b）t=
图3 不同时刻的电场方向
图3是气体在被激发过程前后不同时刻的电场方向。分析结果表明，激发前，开孔处的电场方向较为一致，可随着激发过程的进行，水平方向的电场明显增多，电场方向也更为复杂。
图4 反射系数随时间的变化
图4是等离子体激发过程中不同时刻的反射系数S11，结果不仅同上文的结论相一致，即在放电区域用于激发产生等离子体的微波功率是一个先增大后减小，随之趋于稳定的过程；同时还说明微波激发产生等离子体一个非常剧烈的过程，在 s时反应消耗的微波功率达到顶峰，之后消耗的功率还是缓慢减小，0.1 s时等离子体的激发就已经趋于稳定。
3 结束语
以大功率常压微波等离子体产生装置为基础建立的三维数字仿真模型用于研究分析等离子体在产生过程中的特性。结果表明：微波等离子体的激发是一个非常剧烈的过程。气体电离所消耗的功率在激发开始时随着时间增加而增大，但在 s后，电离所消耗的功率开始缓慢减少，反射功率明显增大；直至0.1 s时消耗的功率已经趋于稳定。大量的反射波说明，如环行器和负载这类的保护装置十分有必要，能避免反射波损害微波功率源。而对电场和反射系数S11的分析有助于对常压微波等离子体激发过程与复杂特性的认识和理解。
参考文献
[1]SU L， KUMAR R， OGUNGBESAN B， et al. Experimental investigation of gas heating and dissociation in a microwave plasma torch at atmospheric pressure [J]. Energy Conversion and Management， 2014， 78（695-703.
[2]LEINS M， KOPECKI J， GAISER S， et al. Microwave Plasmas at Atmospheric Pressure [J]. Contributions to Plasma Physics， 2014，54（1）：14-26.
[3]张庆，张贵新，王黎明，等.大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验[J].强激光与粒子束，2010，22（2）.
[4]VAN DIJK J， KROESEN G M W， BOGAERTS A.Plasma modelling and numerical simulation [J]. Journal of Physics D-Applied Physics， 2009， 42（19）.
流体力学研究方向范文5
凝析天然气流量计的英文是Wet Gas Meter，国内有时也翻译成湿气流量计。对于凝析天然气或者湿气的准确含义国际上还没有统一的定义，一般指在工作条件下气相体积含率大于90%，液相与其他组分体积含率小于10%的气井产出物。其中液相成分可能由携带的和由于地面生产系统温度压力降低而凝析生成的烷烴类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成人工加入的注剂等组成；有时还有部分沙粒、铁屑等固相成份，所以凝析天然气计量属于特殊的多相流测量范畴，现有的计量技术一般将它简化为气液两相流的测量问题。
一、国内外多相计量与凝析天然气计量的研究现状
目前，国内的多相流量计研制还处于起步阶段，所推出的产品样机存在着不少问题，还没有真正的凝析天然气流量计。除兰州海默公司和西安交通大学两家能够提供商品化的多相流量计以外，胜利油田稠油所与西安交通大学合作、辽河油田与清华大学合作研制的饱和蒸汽流量计也有部分应用。针对多相流体力学、多相流动机理、气液相间传热与传质、油气水混相输送、多相流检测技术、层析成像、气力输送与混拌等不同的研究方向，国内天津大学、浙江大学、石油大学、东北大学、上海交通大学、中科院、中国农业大学等单位也都进行过或者正在进行相应的研究工作。
国际上，多相流的基础理论研究方面，英国曼彻斯特大学在流动成像、流型分析与判别；帝国理工大学在流型特征提取与流型自动识别、多相流动规律；美国的Tulsa大学在气液混相输送、水力热力计算、管道设计、旋流分离；挪威国家能源技术研究所在计算流体力学、多相流动模型、多相计量；加拿大阿尔伯塔大学在气液反应、气固流化特性、流动规律等方面都进行了长期的、大量的研究工作。由于石油天然气工业、化学工业、核工业等领域的需求推动，多相流的在线计量技术仍然是国内外当前以至今后一段时间内的研究热点，凝析天然气的在线计量技术已经引起越来越多的天然气生产者、研究者和流量计生产厂商的关注。
二、凝析天然气计量在研技术比较
下面对国内凝析天然气计量在研技术与相关产品的工作原理进行比较，其共同点是一次传感元件以文丘里管或者文丘里管的改进型为主，充分利用文丘里管压降低、流量系数对气液相的流动结构不敏感等特点；结合多相流动模型与数字信号处理技术，对测量值进行运算后得到气液相流量。它们的不同点是有些公司采用了部分分离技术，首先对凝析天然气进行气液分离，然后分别用单相仪表进行计量；有些使用多种常规传感器的组合方式直接对凝析天然气进行计量，如：双文丘里、文丘里与射线、文丘里与电容/电感传感器等组合方式获得气液相流量，并且对常规的传感器进行了不同程度的改进。
1.McCrometer的V-CONE系列流量计。该流量计的最大特点是其传感器结构的改进，V-CONE也称作V形内锥式节流件或者内文丘里节流件，它是在一段直管的中心固定一个纺锤形的阻力件，使管道流通面积发生变化，产生类似文丘里管的节流作用。单相流体的实验结果已经证明：V-CONE的测量范围、测量精度等指标均好于标准的文丘里管。
由于凝析天然气的流型以光滑分层流、分层波浪流和环状流为主，流型的共同特点是液相成分集中在管壁附近，气相成分分布在管道中心与水平管的上半部分。标准的节流装置，如孔板、文丘里管、喷嘴等用于凝析天然气流量测量时，将会由于缩颈以及流体与节流件的碰撞分离效应产生液相断续通过节流件的情况，从而产生很大的附加阻力和差压波动，导致测量精度降低。而V-CONE能够使凝析气中的自由液体成分沿管壁无阻拦的通过流量计，大大减少了这种影响，使差压的测量值更加平稳、准确；同时也减少了流量计本身对流体流型的影响，减少了其他测量参数的波动。
2.Solartron 公司的凝析天然气流量计。该流量计2002年底推出时宣称是“世界上第一款真正的凝析天然气流量计”，其测量元件采用“混合器+双文丘利管”的形式，混合器的作用是使气液相之间的速度差尽可能小，管道截面的气液相分布尽可能均匀，利用多相流体力学的均相流模型对不同流量系数的文丘里管上得到的差压信号进行运算，获得气相质量含率，然后由所测混合物总质量流量计算得到气液相分相流量，同时对气液流量进行温度、压力补偿。置信概率为90%时，气相测量精度为±3%，液相精度为±7%，基本满足生产计量需求。
另据文献报道：Solartron公司对标准的文丘里管进行了许多改进，如文丘里管的入口角度变化、喉部长度加长等，对双文丘里的最佳组合、混合器筛选等方面也进行了相应的工作。
3.PECO公司的凝析气流量计。该流量计采用美国联邦能源与环境实验室开发的加长文丘里管测量气液两相流技术，两个差压信号分别取自文丘里管入口与喉部之间的差压、加长段的压降，结合多相流模型进行运算得到气相质量含率，进一步得到两相流量。其测量原理与Solarton公司的产品相同，测量参数也都是流体温度、压力和双差压信号，仅仅是传感器结构不同而已，实际上，文丘里管入口也起到了混合器的作用，加长的喉部进一步保证液相速度与气相速度接近，因此，二者的测量精度不相上下。
4.TEA公司的VEGA流量计。该流量计实际上采用的是一种部分分离计量技术，通过一种结构紧凑的高效气液分离装置将凝析天然气分离成气液两相，然后分别利用文丘里管、涡轮等单相计量仪表测量气相和液相流量，分离后气相中夹带的少量液相成分通过一定的经验关系式或者理论模型进行修正，据报道该流量计目前已经完成工业现场试验。
流体力学研究方向范文6
关键词：CFD；数值模拟；石油化工；应用
1 概述
计算流体力学（Computational fluid Dynamics简称CFD）是20世纪60年代起伴随着计算机技术迅速崛起的学科，如今这门学科已相当成熟，应用于的范围也早已超越了传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空、航天、动力、水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域。文章就着重介绍与总结其现在石油工业方面的应用以及所带来的成效。
2 计算流体力学（CFD）简介
2.1 CFD软件的发展历程
经过几十年的发展，现代CFD技术已经能够对从简单的层流流动到复杂的湍流，燃烧，爆炸，激波等流体运动进行精细的数值模拟。而后，为了解决工程问题，世界上一些大的软件公司把那些已经经过实践检验的成熟而稳定的计算方法集合起来，形成了数值软件包，专门用于CFD数值计算。目前被广泛采用的主流商用软件包括：CFX、FIDAP、FLUENT、PHOENICS、STAR-AD。
2.2 CFD的工作步骤
2.2.1 首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。
2.2.2 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力，如今已发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。
2.2.3 在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。由于求解的问题比较复杂，比如Navier-Stokes方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。
2.2.4 在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。
3 CFD在石油工程方面的应用
由于CFD技术可以帮助人们完成与流动相关的全部的设计计算过程，从最初的基本设计到最后的参数优化选择，又可使人们能够洞察设备的复杂流动状况，使得CFD技术在石油工业上的应用十分广泛，文章作者通过下载大量文献，并通过对其中的几十篇具有典型代表的文章进行研读，总结出CFD技术在石油中的应用主要包括以下几个方面。
3.1 在油品输送管道中的应用
3.1.1 在传统的热油管道中的应用，针对埋地热油管道停输温降的过程，建立物理和数学模型，并应用FLUENT软件模拟不同土壤的导热系数，不同大气下的温度分布，并且在稳态的基础上模拟非稳态过程，得到停输后温度场在不同条件影响下的分布规律，对于优化管道建设和制定科学合理的热油输送工艺起到了重要作用。
3.1.2 在成品油管道中，应用FLUENT软件，对顺序输送混油进行CFD模拟，并将数值模拟结果与理论分析相比较，结果基本吻合，证明了混油管道数值模拟的可靠性，也为多种油品的输送顺序的先后提供了有力的验证方法，为实现管道的最优化提供了可能。
3.1.3 在多相流管道中应用。例如在气液两相流管道中，利用FLUENT对管道内的两相流流型进行数值模拟，验证了VOF模型对模拟两相流流型中的气泡流，活塞流，分层流，段塞流以及波浪流的可靠性。并且对长直圆管内气液两相流流型随气液流量的变化进行了较为详细的研究。
3.1.4 在其他流型管道中的应用。利用PHOENICS的功能建立同心和偏心环空流动的物理模型，采用K-S湍流模型和壁面函数法，对牛顿流体，幂律流体，宾汉流体的偏心环空流动进行数值计算，并利用Sci，Origin，Photoshop等后处理软件对数据、图片做了处理，得到了偏心环空流动的速度、压力、湍动能等流动参数的分布情况，进而分析得出了不同流速、偏心度、流性指数、屈服值、塑性粘度等条件对偏心环空流场特征的影响。
3.1.5 在另类管道中的使用。在油田生产中，输油管道频繁发生重大的盗油破坏事件，严重影响了油田正常的生产秩序，给国家财产造成了巨大的损失。通过分析地下盗油管道的敷设特点，展开传热分析，利用CFD软件建立数学、物理模型，便可对管道问题进行有效的数值模拟，而且模拟结果与实际红外像温度场分布基本一致，证明了此方法的可信度。
3.1.6 也可以利用CFD对实验数据进行修正。例如在管道局部摩阻损失的研究中，由于实验研究的局限性、离散型以及不准确性，导致了实验所测定的各种局部摩阻的有关数据与工程实际数据有很大的误差，利用FLUENT通用流体计算软件对管中的流动进行数值模拟，使得许多原来无法进行实验测定以及无法通过分析求解的局部摩阻等流体问题有了求的数值解的可能。而且模拟的计算值可以在一定程度上修订工程实际中采用的经验值。
3.2 在石油勘探开发中的应用
随着石油勘探开发的发展，在复杂地质情况下的深井，超深井的数量越来越多，对钻井技术，钻井质量以及钻井的平均机械转速的要求越来越高。为了保证钻井质量，提高井下破岩效率，使用先进的井下工具、新材料、先进的技术和计算机辅助已成为重要的研究方向。
3.2.1 应用CFD软件模拟涡轮钻具的机械特性。在传统的涡轮设计过程主要包括涡轮的结构设计、叶片造型设计、水力计算、内流场分析以及性能预测等部分，它们是相互独立的模块，操作困难，设计周期长，不利于探讨涡轮几何参数对其水动力性能的影响。应用Visual Basic编程软件与FLUENT流体动力分析、GAMBIT等软件相结合，将涡轮设计的各个模块集成于一体，建立集设计、造型、分析一体化的、高效率的轴流涡轮水力模型设计方案，提高了井下轴流涡轮水动力的转化效率，也为改进涡轮机械性能指明了途径。
3.2.2 利用CFD做井喷风险分析。在油气勘探和开发工程中，不可控的井喷是最危险的事故之一，而其他的一些商业软件，如“HSE软件包”往往分析不够详细而且很容易低估井喷的后果。而CFD却能全面分析并能对“HSE软件包”不欲与考虑的特殊几何边界下的井喷分析，呈现出更高准确性，表现了CFD在做井喷风险分析方面的优越性。
3.3 在炼油化工行业的应用
CFD在炼油化工行业的应用可谓数不胜数。填料床、生化反应器、干燥器、流化床、换热器等这些常见的生产设备，其内部流场流动规律较为复杂，传统实验的方法往往会受到模型尺寸、人身安全、测量精度的限制，而CFD方法却能克服上述弱点，不但节省了人力、财力，而且结果也更加可靠。
4 结束语
文章主要汇总了该软件在石油行业某些领域中应用的典型事例，虽只是冰山一角，但随着计算机运行速度的加快，石油行业中很多在现实中很难通过理论分析或者实验研究得到有效解决的问题，如普遍存在的油气水多相流问题，这些问题都是CFD软件的强项，故CFD软件在石油领域应用的前景会更加广泛，值得进行深入研究。
参考文献
[1]姚征，陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报，2002，24（2）：142.
