前言：中文期刊网精心挑选了流体力学的应用领域范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
流体力学的应用领域范文1
引言
CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门通过数值计算方法求解流体控制方程组进而预测流体的流动、传热和化学反应等相关物理现象的学科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。进行CFD分析的基本思路如下：将原本在时间与空间上连续的物理场如速度场或压力场等，离散成有限的变量集合，并根据流体力学的基本假定，建立起控制方程，通过求解这些流体力学的控制方程，获得这些变量的近似值。
我国作为一个人口众多的发展中国家，巨大的能源消耗已成为亟待解决的问题。其中建筑耗能占到总耗能的19.8%，而室内空调的耗能占到了整个建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空气调节和建筑物内外空气流通等研究领域，采用CFD分析来替代传统的试验方法，可大大缩短研究时间并提高经济效率。而本文将着重就CFD在暖通工程节能中的应用来展开讨论。
CFD基本原理
CFD是通过计算机模拟和数值计算方法对流场进行仿真模拟，解决物理问题的精确数值算法。它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。CFD是继实验流体力学和理论流体力学之后出现的第三种流体力学的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究领域都扮演着重要角色。尤其是在暖通空调和室内外通风等研究方法，CFD成为了最为行之有效的分析方法。
CFD在暖通工程的应用
CFD在暖通空调中的主要应用领域CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：
1.提高室内空调效率
采用CFD分析方法可以预测气流在房间中的流动情况，在充分考虑室内环境、各类边界条件与扰动的影响后，可全面地反映室内的气流分布情况，通过进一步的优化设计可以得道一个合理的气流分布方法，使空调的使用效率最优。
2.建筑周边环境分析
建筑周边环境对居民日常生活起着举足轻重的作用。对居民小区的风环境和热环境进行预测，是CFD分析的又一重要应用领域。采用CFD方法，在建筑设计阶段即可对建筑周边环境进行分析和优化，对规划设计的效果进行验证，使建筑通风和自然采光达到最佳效果，是小区居民生活品质的重要保障。
3.室内环境状况分析
采用试验方法分析室内环境状况，需要耗费大量的时间与经费，而采用CFD方法进行分析不仅可以节省时间，同时也能精确预测利房间内的风速、温湿度、污染物分布等指标，计算出通风效率、毒害物扩散效率和热舒适等，进而对室内环境状态做出一个合理的评估。
4.暖通设备性能评估
暖通空调工程使用的大部分设备，如风机、水槽、空调等，其运行状态都受流质运动的影响，空气或水的流动情况是评价设备性能的重要指标。通过CFD分析设备工作时的流场分布情况和流质流动情况，可有效地预测设备的工作状态。进而选择设备最佳工作状态，降低设备能耗，节省运行费用。
暖通空调领域中CFD的求解过程
暖通空调领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节无外乎包括以下几个方面：建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。
1.建立数学物理模型
建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本数学模型有：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
式中；ρ为流体密度（kg/m3），t为时间（s），u为速度矢量（m/s），ui为速度在i方向上的分量（m/s），p为压强（Pa）Fi―――体积力（N），T为温度（K），cp为定压比热，ST为粘性耗散项。
2.求解过程
（1）确定边界条件与初始条件
初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。
（2）划分计算网格。
网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。
（3）建立离散方程并求解。离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。
CFD在暖通空调节能应用情况
随着我国经济迅速发展和人民生活水平大幅提升，城市生活对化石能源的需求量越来越大。但今年来一系列能源危机提醒我们应当注重能源安全问题。在建筑工程领域，采用 CFD分析模拟，可有效减少建筑能耗，并能提高暖通设备的运行工作效率，我国暖通工作者已认识到CFD计算在研究和设计中的重要地位。
1.我国CFD在暖通空调节能应用现状
目前，我们已开始采用CFD对暖通空调节能的相关因素进行整体的系统模拟分析。通过在CFD模拟中改变设备参数，就有可能优化设备组合，改进系统性能。国外已把CFD用于室内空气流动与建筑能耗祸合模拟，我国清华大学也用CFD对空间气流组织设计与空调负荷的关系进行研究，这对建筑节能有重大意义。目前，我国在采用CFD解决建筑节能方面的研究还不是很深人，因而应进一步加强研究和推广的力度。
2.我国CFD应用存在的问题
我国研究机构很早就开始CFD模拟技术的应用研究，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。所以，从总体上看，我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面：
（1）还要建立在考虑辐射条件下计算室内空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型。
（2）将已有的CFD模拟技术方法进行简化，能够在微机上较准确地计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。
（3）考虑实际空调管道连接带来的风口出流特性变化，从而使室内空气流动模拟更加准确等。
（4）CFD技术在CAE工程中已表现出巨大的优势，如果将与CAD及CAM乃至AI技术有效地结合在一起，将显示其强大的生命力。
结语
流体力学的应用领域范文2
关键字：分数阶微积分；微分系统；差分系统；解的存在性；解的多重性
近年来，分数阶微积分越来越广泛地应用于工程、经济、物理等许多领域，关于分数阶微分与差分系统是众多数学学者们研究的热门对象，本文的主要工作主要分为三个部分：首先，简要介绍了当下分数阶微积分的研究发展理论和背景；其次重点阐述了几类常见的微分和差分系统解的存在性和多重性；最后，提出了相关的结论。
一、分数阶微积分的研究发展
不难发现，根据不动点定理求解分数阶微分方程边值问题解的存在性，其中微分系统为，这里的是黎曼-刘维尔分数阶导数；另外，我们还查阅了与测度相关的不动点定理解决具有Caradory函数的分数阶系统解的存在性；甚至，在物理领域的脉冲方程涉及分数阶微分问题方面，也有大量的数学科研人员做此类方面的工作。
二、预备知识
引理2.2（不动点定理） 不妨设是空间，其中是的一个人凸子集，且令这样的连续紧映射，则
（1）映射在上有一个不动点；
（2）存在和，使得
三、几类分数阶微分系统和差分系统解的存在性和多重性分析
经过上文的预备知识，我们基本了解了分数阶黎曼-刘维尔积分和导数的定义以及分数阶导数的定义，许多不同类型的分数阶系统都是由这几种分数阶微积分所构造的，本文简单介绍以下几类常见的微积分系统解的存在性和唯一性。
1.分数阶模型。这一模型来源于生物研究理论中种群的生长竞争关系，研究这一模型解的存在性以及多解性能够为生物种群的发展以及灭绝的预测带来帮助。常见的分数阶方程如下：
，这里的，不难发现，只要根据预备知识中的不动点定理即可证明分数阶系统解的存在，且解是唯一的，这样我们就可以在生物研究应用中准确地分析出生物种群数量变化、关系变化以及未来发展趋势。
2.分数阶扩散波动方程系统。这一分数阶系统被广泛应用于物理力学等工程学科领域，根据我们熟知的波动原理和扩散原理将实际问题抽象成为数学模型，就得到了如下系统：
，不难发现，当时候是经典的扩散方程，即抛物方程；当时，是经典的波动方程，即双曲线方程。根据不动点定理以及求解常微分方程的基本解法，我们可以论证分数阶扩散波动系统的解的存在性与唯一性，研究这一解的特点对于物理学乃至整个工科领域意义深远。
3.分数阶黏弹性模型系统。这一系统首次提出了运用导数进行描绘流体力学中材料的高度合理性，这一模型大大拓宽了黏性材料研究范围，为控制学的发展带来了福音，其中最为经典的分数阶黏弹性模型系统为：
流体力学的应用领域范文3
（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）
【摘 要】为了满足现代社会对能源领域应用型人才的需求，并提高学生在就业择业过程中的竞争力，三峡大学结合该校培养“高素质、强能力、应用型”人才的办学方针，对学校新建的能源与动力工程专业进行了改革，提出“弱化专业方向，提炼专业共性，增厚专业基础”的人才培养改革思路，并以此为指导制定专业人才培养方案和建立校内外实验/实践基地。实践表明，本次改革取得了较好的效果。
关键词 能源动力；人才培养；改革
基金项目：三峡大学（高等）教育科学研究项目（1307，1345）；三峡大学教学研究项目（J2013008）。
作者简介：陈从平（1976—），男，湖北荆州人，三峡大学机械与动力学院，副教授。
能源是国民经济的命脉，是国家可持续发展的重要物质基础和根本保证。能源与动力工程类专业正是致力于培养能从事能源开发与利用的技术与管理人才。目前，全国有200余所高校开设了能动相关本科专业，其中大部分已经建设较为成熟，部分985和211高校的能动专业在国内已具备一定的影响力且具备鲜明特色[1]。而三峡大学的能动专业于2011年才开始立项建设，并同年开始招生。作为地方高校新开设的能动专业，在人才培养方面必须适应社会和行业需求，符合我校 “高素质、强能力、应用型”的人才培养的目标，因而，在专业建设伊始，就不能完全照搬其他高校能动专业人才培养模式，需要结合实际情况，大胆改革和创新，才能在国内同类专业中快速占领一席之地，并以高起点快速稳健发展。
1 国内外研究现状
欧洲和美国的大学将能动类专业设置在机械工程系中，且不以专业来单列，而只是机械类的一个方向，称为热流科学（Thermal and Fluid science）或能量系统（Energy system），而核工程与核技术则一般单独设立，或者设在化工系中，例如美国麻省理工学院、佛罗里达大学等，机械工程的教学与研究范围覆盖了目前国内本科生专业目录中的机械类、能源动力类的范围，这样就大大扩展了能动专业的学科基础和专业领域，以此来适应“应用型”人才培养的需求，使学生获得坚实的专业理论和宽广的专业知识。
我国能源动力类专业形成于20世纪50年代[2]，当时在苏联教育体制的影响下的分为10个三级专业，经1993、1998、2012年三次修订最终合并为1个专业：能源与动力工程，使得专业覆盖面被大幅度拓展，要求本专业学生主要学习动力工程及工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术，受到现代动力工程师的基本训练；具有进行动力机械与热工设备设计、运行、实验研究的基本能力。要实现以上人才培养目标，关键在于如何紧跟行业需求并结合高校自身情况，制定科学的人才培养方案并认真执行。然而，经前期大量调研结果表明，目前国内高校尤其是地方院校在能动专业人才培养上存在以下特点或不足：
（1）专业划分过细，口径太窄。大部分高校在能动专业中设置了多个专业方向，如水力发电、火力发电、清洁燃烧、供暖、制冷等，并将专业课分方向模块进行教学，这极大地限制了学生的选择空间，不利于学生专业知识拓展，使学生在择业时被固定在某个方向上，缺乏竞争力。
（2）人才定位不尽合理。经前期广泛调研发现，随着我国现阶段加快能源建设的力度，国内目前需要更多的是能源动力行业运行、维护与管理方面的技术人才[3]，对于高端人才如设计研究类人才虽然稀缺，但由于能动专业实践性强的特性，一般难以由高校直接培养此类人才，即高端技术人才亦需要从工程实践中磨砺而出。所以作为地方院校，尤其新开设能动专业的地方高校，不能一味照搬985、211高校以及部分经过几十年专业建设已经具备自己鲜明特色和专业实力的高校的人才培养模式，必须紧跟行业需求，以培养应用型人才为主线，并充分利用和发挥高校自身的特色和优势。
2 三峡大学能动专业人才培养模式改革
三峡大学的能动专业于2010年底才开始立项建设，并于当年从我校2010级机械设计制造及其自动化专业中分流出53位学生按照能源与动力专业人才进行培养，2011年开始以能源与动力工程专业独立招生，故截至目前实际上已有一届学生毕业（2010级），且2015年度即将毕业的学生目前绝大部分已经签订了就业协议。近五年来，学校在专业本专业建设过程中积极探索，对兄弟高校及能动相关的企事业单位进行了广泛调研，并紧密结合我校能动专业“新开设、新起点”的现实情况，培养和提炼自己的专业特色，并对本专业的人才定位和培养进行了以下改革：
（1）在人才培养与定位方面，以培养“高素质、强能力、应用型”人才为指导，制定了专业人才培养方案，着重提炼专业所覆盖知识体系的共性，拓宽专业口径、增厚专业基础、突出方向共性、弱化专业方向、提升就业能力，扩大就业口径。具体为：1）以流体机械动力学为基础，设置适用于水力发电、热力发电、风力发电中能量转换动力装备的动力学相关系列必修基础课程，突出水力发电专业课，并辅以风力发电等专业课程；2）以热-力转换原理为基础，设置适用于火力发电、生物质能发电、核电等热动力学、热交换、热传输相关的系列必修基础课程，专业课设置方面突出火电、核电，辅以生物质能相关课程。即将动力工程专业分为流体机械和热力机械两个方向，但在培养过程中，大大拓宽了专业基础必修课的范围，增加学生后续就业时行业选择的范围。
（2）在实验/时间教学方面，以厚基础、宽口径、应用型人才培养为指导，建设和整合实验、实践教学条件。取消零散的课程实验/实践，开设系列综合实验/实践课程，使实验/实践教学具有层次性、连贯性、交叉性、系统性和良好的可操作性。避免以课程为单位开设实验时的连续性差、重复度高、综合性不强、效果差的缺点，同时在一定程度上降低建设成本。此外，学校还积极开发校外实践基地，挖掘学校所在地区及周边区域广泛的能源动力行业/企业资源，作为本专业有效的实践基地。
（3）以校外实践基地建设为抓手，开发专业初期就业资源。任何一个高校新专业就业时其情况都或多或少存在不确定性，其原因主要在于社会和行业对于特定高校新专业的认识度不高。因而打开就业工作局面难度大，故无论从短期还是长远来看，都需要充分利用所建立的校外实践基地作为就业渠道，使基地发挥更大作用，这需要在基地建设过程中同时做好基地管理制度建设，以协议的形式为本新专业向基地输送人才提供保证。
3 改革效果
近五年来，学校在建设能动专业过程中不断探索，最终形成以上建设意见和改革措施，并取得了显著成效：
（1）制定了科学合理的能动专业人才培养方案，确定以掌握能源转换装备运行及转换机理为基础，在传统的专业基础课程中，将《流体机械原理》、《水轮机及调节器》、《汽轮机》等增设为专业公共基础课，在专业拓展模块课程中按水电、热电、流体机械、新能源发电等设置小学分模块供学生选修，但不限制选择模块数量。目前学生就业反馈情况表明，在弱化专业方向、增厚专业基础课程后，学生在择业过程中即使不在个人专业方向上就业，只要未跨出能动行业，就能很快适应新领域的工作。
（2）整合实验/实践教学计划和条件。如将以往随理论课程开设的《流体机械原理》、《流体力学》、《液压传动与控制》、《泵站工程》、《水轮机及调节器》等的课程实验进行专门设计，整合成32学时的《流体综合实验》课程；将《热力学》、《传热学》、《汽轮机》、《热电厂动力工程》、《锅炉原理》等课程的实验内容整合成32学时的《热工综合实验》；将《测试技术》、《控制工程》、《电厂自动化》等课程实验整合成16学时的《测控综合实验》等，并根据相关理论课开设时间将综合实验课内容分为两个学期开设。这样学生能够得到更为系统的、连贯的实践训练，相比随理论课程开设的零散实验，综合实验教学效果更好随
（3）目前已在学校所在地区及周边能动企业建立本专业的实践/实习基地，且已经有效运行，如安能（宜昌）热电（生物质能发电）、长江电力（葛洲坝）、安能（襄阳）火电、三峡电厂、清江的隔河岩电站、高坝洲电站、向家坝电站、黄龙滩（十堰）电站、湖北宜化集团、宜昌安琪酵母、黑旋风工程机械等20多家能源企业和流体机械设计制造企业，可完全满足学生毕业实习、生产实习及其他培训的接待需求，极大地缓解了专业实践条件建设需要大投入的困难。
（4）专业就业情况良好，第一届毕业生（2010级，共53人）就业率达100%，其中除4人继续攻读硕士研究生外，15人进入水力发电厂，17人进入火电、生物质能电厂，6人进入电力部门事业单位，11人进入与流体机械及能源装备设计、制造相关企业。其中17人（32.1%）在本专业校外实践基地相关企业就职。截止2015年3月中旬，第二届毕业生（2011级，共81人）已签就业协议的达72人，已确定攻读硕士研究生5人。学校以专业调研、毕业生就业企业回访等多种形式，进一步拓宽和加深了与行业内相关企事业单位的联系，并就用人单位对我校毕业生在生产实践过程中的综合素质和表现进行跟踪回访，结果表明学生的综合能力水平总体较高。
4 结语
能源动力类专业是实践性、技术性很强的专业，且专业覆盖的技术领域非常广泛，针对具体的应用领域其技术专业性又较强，而高校在该专业人才培养的过程中一方面不可能面面俱到，设置过多的专业方向，另一方面又不能过于集中，而使得学生的专业知识领域过窄，导致就业方向没有选择余地。因而，在人才培养过程中要更多地考虑专业领域的共性，增厚专业基础，拓宽专业口径，使学生获得尽量宽广的专业综合知识，才能具备一定的竞争力，以适应现代能源动力领域对专业人才的需求。
参考文献
［1］徐翔,余万,陈从平,方子帆,李响,赵美云.三峡大学“能源与动力工程”专业培养方案的制订与完善[J].科教文汇:上旬刊,2014(6):60-61.
［2］刘会猛,黄荣华,王兆文,成晓北,叶晓明.强化工程素养着力能力培养——能源动力类专业教学模式改革初探[J].科教文汇:上旬刊,2012(5):63-64.
流体力学的应用领域范文4
关键词： 绿色建筑；CFD；自然通风
中图分类号：TU2文献标识码： A
1概述
建筑活动是人类对自然资源、环境影响最大的活动之一。我国正处于经济快速发展阶段，资源消耗总量逐年迅速增长。因此，绿色建筑已成为是建筑设计发展的方向。绿色建筑设计强调全过程控制，各专业在项目的每个阶段都应参与讨论、设计与研究，绿色建筑以充分地利用自然资源、减少建筑能耗为特征，采用绿色技术与环境友好的技术设备。自然通风作为健康、舒适、节能的室内环境调节方式是绿色建筑不可或缺的一项。
长期以来，建筑设计中有关自然通风设计普遍采用的方法是基于定性分析的常规静态设计，即以城市的主导风向和风速为主要设计依据，采用简单流量平衡，估计建筑物内部空间在主导风向和风速下的静态空气流向和流量，从而定性地给出采用自然通风时的估计结果。而绿色建筑设计强调以定量化分析与评估为前提，提倡在规划设计阶段进行包括自然通风在内的多种技术策略的定量化分析与评估。CFD技术，即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），是通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。目前，CFD计算模拟已成为绿色建筑自然通风设计定量分析的重要手段，能为建筑物的平面布局、空间组织、剖面设计和门窗设置等提供理论上的依据。
2CFD方法简介
计算流体动力学是20世纪60年代起伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering, 简称CSE）迅速崛起的一门学科分支，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，一个重要的标志就是近十几年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域。由于CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，现在我们利用它来模拟计算建筑自然通风状况，也算是在较新的领域中应用。
目前国际上可以用于通风模拟的CFD软件有很多，最典型并且公认精确、可靠的CFD软件大致有 PHOENICS、FLUENT、AIRPAK等。
PHOENICS是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，除了通用CFD软件应该拥有的功能外，PHOENICS软件还最大限度地向用户开发了程序，用户可以根据需要添加用户程序、用户模型，可以读入几乎任何CAD软件的图形文件。PHOENICS可以定义物体的运动，克服了使用相对运动方法的局限性，提供了多种湍流模型、多项流模型、多流体模型、燃烧模型、辐射模型等。同时，PHOENICS提供了若干专用模块，用于特定领域的分析计算。如FLAIR可用于小区规划设计及高大空间建筑设计模拟。
FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，以及能够快速准确的得到CFD分析结果。FLUENT软件拥有模拟流动，湍流，热传递和反应等广泛物理现象的能力，在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧，从鼓泡塔到钻井平台，从血液流动到半导体生产，以及从无尘室设计到污水处理装置等等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧，空气声学，涡轮机械和多相流系统的模拟工作。
Airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是HVAC领域。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。Airpak是目前国际上比较流行的商用CFD 软件。
目前，国内外的CFD技术发展较快，在建筑通风的应用研究方面，主要可分为以下五个方面：
（1）自然通风的数值模拟：主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；
（2）置换通风的数值模拟：如地板置换通风、座椅送风等；
（3）高大空间的数值模拟：以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；
（4）洁净室的数值模拟：对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；
（5）有害物散发的数值模拟：借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；大气环境污染模拟。
3CFD在建筑通风设计中的应用
CFD在绿色建筑通风设计中的应用主要有两个方面：建筑室外风环境的模拟分析和建筑室内通风的模拟分析。
3.1建筑室外风环境的模拟分析
建筑室外风环境对在建筑区域内活动的人群有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。
室外风环境还涉及建筑节能，建筑室外风环境不良，在夏季可能阻碍室内外自然通风的顺畅进行，增加空调的负荷；在冬季又可能会增加维护结构的渗透风而提高采暖能耗。因此，设计良好风环境品质的建筑能有效地降低建筑能耗。
在《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中明确规定，建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风，严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa，夏季、过渡季建筑前后压差大于1.5Pa。
采用CFD技术可以方便地对建筑室外风环境进行模拟分析，定量地评价建筑通风效果，从而设计出合理的建筑单体和建筑群布局。
图1 室外风速分布图2建筑外表面风压分布
3.2建筑室内通风的模拟分析
室内空气品质的优劣，直接影响室内人员的身体健康和舒适度，充分合理的利用自然通风，既能满足室内人员对空气品质的需求，同时还能减少对空调通风设备的依赖，从而大大的降低建筑运行能耗。
在《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中明确规定，各户型在夏季和过渡季形成有效的贯穿式自然通风，主要居住空间不处于通风死角区域。
采用CFD技术可以对建筑户型和房间进行自然通风和热舒适性模拟，通过改进建筑外窗的位置、大小、室内空间分隔等，保证住户在室外气象条件满足自然通风的时间段能够利用自然通风来满足室内的热舒适性要求，以达到节约能源和提高人体舒适性的目的。
图3 室内风速分布
4结论
自然通风作为被动式通风降温方法，即有利于改善建筑室内外空气质量，又有助于减少建筑能耗，因而受到高度重视。研究自然通风条件下的室内空气流动以及对热环境影响的规律，是保证科学设计室内环境的重要条件。通过运用CFD技术，能够定量的分析评价建筑自然通风设计效果的优劣。随着流体计算模型的完善和计算速度的提高，数值模拟方法将会成为建筑室内外气流模拟、室内空气品质及舒适评价的有效工具。
参考文献：
[1] 洪亮, 周志勇, 葛耀君. 复杂外形建筑物黏性流动CFD数值研究[J]. 水动力学研究与进展, 2006, 21(2): 267-275.
[2] 闫凤英, 王新华, 吴有聪. 基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟[J]. 天津大学学报, 2009, 5(42): 407-412.
流体力学的应用领域范文5
Abstract： Widely used in various fields of engineering practice， finite element method has become a powerful numerical tool. This article， combined with the practical teaching experience and thinking of the author， the teaching objective， the choice of teaching mode and teaching content， teaching method improvement， and the appraisal way are discussed and summarized. The course objective focuses on enhancing students' interest in learning the finite element method， and improving the quality of teaching， training students' ability of solving engineering problem with finite element software.
关键词：有限元法；教学方法；工程实践
Key words： finite element method；teaching method；engineering practice
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0111-03
0 引言
有限元法起源于50年代中期，是求解各种复杂数学问题最有效的数值计算方法之一，是在求解弹性力学问题的基础上发展起来的，可以分析固体力学、流体力学、传热学、电磁学等领域的复杂工程问题[1]。目前，有限元法已经发展成为一种在工程设计中广泛应用的分析方法。有限元法课程是为西华大学机械类专业硕士研究生开设的一门重要专业选修课，主要介绍有限元法的起源、基本思想和应用领域；有限元分析软件的发展历程、功能和计算分析步骤，用有限元法分析的工程问题；利用弹性力学求解平面问题原理，介绍有限元法的基本原理，包括单元插值函数的构造、单元分析、整体分析、载荷施加与约束简化；轴对称问题的有限元法；等参单元的优缺点及应用；基于稳态传热原理的加权余量有限元法；同时结合工程结构实际分析应用，为学生进一步学习或实际应用及参加科研项目工作打下基础。经过多年的教学实践，积累了一些体会和认识，现就课程的教学目的、教学模式和教学内容的选择、教学方法的改进以及考核方式等方面进行了探讨和总结。
1 明确教学目的
西华大学机械类硕士生有限元法课程的教学目的，是从数学力学基础、有限元软件、工程应用几个方面开展教学工作，使学生从较高层次（数力原理）上掌握有限元方法的基本原理，熟练使用有限元分析软件，具备初步分析工程设计问题的能力；给学生提供一个自主建模分析的优良环境；以培养研究生的综合素质和创新能力。结合工程实际，精选和设计具有代表性的课堂Project，在国际上先进的有限元分析软件平台（如ANSYS）上，进行几何建模、单元划分、约束处理、外载处理、参数设定、计算设定以及结果分析等环节的教学。
2 选择合理的教学内容和教学模式
开设有限元法课程，在介绍抽象的有限元分析理论和方法的同时，必须与实际工程问题分析相结合。教学效果取决于在教学过程中如何找到平衡点，提高教学效果的关键在于教学内容的广度、深度和适应度的把握。
关于有限元法课程的教学模式，一般有两种：侧重于分析理论的教学和学习，目的是培养理论研究能力；侧重于工程实际应用的教学和学习，目的是培养工程技术应用能力，教学内容偏重于有限元分析模型的建立、单元类型选择及网格划分、载荷施加、边界条件简化处理、收敛方法选择及计算结果分析和应用等[2]。第一种模式比较适合研究型或研究教学型大学采用，可在本科高年级或研究生基础知识学习阶段开设此课程，而第二种模式则适合教学研究型或教学型大学的本科和硕士生。西华大学机械类硕士生的培养目标是培养具有较强工程实践能力和创新能力的高层次、复合型工程技术和工程管理人才，所以我们选用第二种教学模式。无论选择哪种教学模式都必须注意，有限元法课程要根据学生的实际情况，处理好理论教学与工程实践应用的轻重关系。鉴于西华大学大多数机械类硕士生没有弹性力学的基础知识，因此课程的教学主要从以下几个方面使学生得到训练。
2.1 有限元法基本原理及计算步骤
有限元法的基本思想，用简单问题代替复杂问题：首先将连续分布结构离散成数目有限的有限单元。各单元仅在有限个结合点处相联，用单元组合体近似代替原来的连续结构。在结点上引入等效结载荷代替作用在单元上的实际动载荷。对每个单元，选择简单的位移模式来近似地表达单元位移的分布规律，并按弹性力学的变分原理建立单元结点力与结点位移的关系，即单元分析，最后把所有单元的这种关系集合起来，得到以所有结点位移为未知量的动力学方程组。给定初始条件和边界条件，就可求解动力学方程。
对于不同数学模型和物理性质问题，具有相同的基本分析步骤，但是具体公式和运算求解方法是不相同的。基本步骤一般为：定义问题及求解域；离散求解域；状态变量及控制方法的确定，将微分方程转化为等价的泛函形式；构造单元合适的近似解，即建立单元矩阵；整体总装求解；求解联立方程组和结果分析、应用。
2.2 有限元软件的使用
早在60年代，国内外众多机构就开始开发有限元算法和分析程序，但真正比较成熟的有限元软件诞生于70年代初期，而近30年则是有限元软件商品化的快速发展阶段。目前有通用有限元分析软件（如ANSYS、MARC、ADINA等）、专用有限元分析软件（如ADAMS等）和嵌套在CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块（如嵌套在I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNIGRAPHICS等系统中的有限元分析模块）。目前主流有限元软件的发展特点主要表现在：与CAD三维建模软件无缝集成，强大的自动网格划分能力，由求解线性问题领域发展到非线性领域，由求解结构场发展到多耦合场，程序具有二次开发功能。ANSYS有限元分析软件通用性好，是融结构、流体、电场、磁场、温度场、声场和医学工程分析于一体的通用分析软件，擅长于多物理场、线性和非线性问题的工程问题分析，在机械、材料成型、汽车、桥梁和建筑等领域应用最广。
本课程先介绍ANSYS有限元分析软件的基本使用方法，然后通过后续的工程实例分析练习，使学生掌握软件的基本使用及分析问题简化、三维建模、单元划分、载荷施加、约束的简化、分析、感兴趣结果的输出、结果的理解判断与应用的一般步骤，熟悉有限元分析的整个过程。
2.3 典型工程分析案例剖析
近年来，随着工程设计、科学研究等要求的不断提高以及计算机运算能力的快速发展，有限元分析方法已成为解决复杂工程问题的重要分析手段，主要表现在：提高设计产品和工程的可靠性；在产品设计阶段发现潜在的问题并加以改进；经过模拟分析计算，采用优化设计方法，降低产品设计成本；缩短产品开发周期；模拟物理试验，减少试验次数，从而降低试验经费。
结合实际工程问题，介绍典型的工程分析案例，加深学生对有限元方法在实际工程应用中的感性认识。工程案例主要包括：结构设计分析，主要包括静、动态分析，结构拓扑优化设计，振动模态分析，齿轮接触应力分析，液压单体冲激振动分析，曲屈和失稳分析等；热分析，主要包括柱塞密封摩擦副热传导分析、对流散热分析和热辐射分析等；流体分析，主要包括机械密封端面流场分析、热固耦合分析等。
3 改进教学方法
3.1 学习兴趣的激发
西方教育家夸美纽斯说：“兴趣是创造一个欢乐光明的教学途径之一。”激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，是“以学生为主体”的现代教学理念的落脚点[3]。我们在讲授有限元法课程绪论时，通过公元3世纪，我国数学家刘徽提出的用割元法求圆周长的方法即是有限元基本思想的体现，以及“曹冲称象”典故所反应的离散逼近思想等，使学生对“有限元法”有感性认知，激发学习兴趣。同时，对发现问题、分析问题和解决问题也有感性认识。
有限元法在实际工程分析中的典型应用，也可以激发学生的学习兴趣。例如，1952年，Clough建立了由一维梁与桁架组拼成的delta翼模型来模拟结构的振动和颤振分析；1990年，波音公司对新型客机B-777进行无纸化设计，仅用三年多时间，就成功开发了新一代波音客机，这是设计、制造史上划时代的成就，有限元分析起了相当重要的作用。此外，利用有限元分析软件，可以建立人体三维骨骼和肌肉等器官模型，并能够模拟其生物力学特性。对模型进行仿真，可模拟拉伸、弯曲、扭转和疲劳等力学性能，从而掌握在不同工况下的变形、应力、应变分布及极限破坏等情况。这些都是“有限元法”的典型工程应用案例。
3.2 注重实践
有限元法涉及弹性力学、泛函分析、矩阵运算和数值计算方法等，其中不乏有抽象、复杂晦涩的公式。因此，单纯讲解有限元分析理论，就会因为繁琐的公式推导，使学生对其有“望而生畏”的感觉。通过介绍有限元法在实际工程分析中的应用，不但可加深其对基本原理的理解，而且可使其真正体会到有限元法解决工程分析问题的能力，激发学习兴趣，从而培养其利用有限元法分析具体问题的能力，提高课教学质量。以往在教学过程中会花绝大部分课时讲解理论基础知识。
目前“有限元法”的教学资源比较缺乏，常用简面问题及杆梁结构很难让学生掌握结构简化、有限单元选择与网格划分、边界约束处理与载荷施加、计算结果分析等具体环节，缺少利用有限元技术解决实际工程问题的例子。为此，笔者结合承担的多项项目的研究，对所研究的典型机械密封、钻井筛箱、液压单体以及机载设备安装架等结构进行简化处理，将案例分析引入到教学环节。通过介绍分析问题的来源及工程背景、筛箱动态特性分析、液压单体冲激振动分析、安装架拓扑优化、机械密封流固耦合分析等，激发学生的兴趣和求知欲。同时，通过后续的实际工程分析操作，让学生掌握有限元分析的基本步骤，初步具备利用有限元软件分析实际工程问题的能力。
3.3 多种教学手段结合
利用网络资源、引进多媒体和现代利用信息技术进行教学手段和教学方法的改革，进行多媒体课件的研制工作，完成了《有限元法分析》课程的多媒体课件，所用素材内容丰富、经典生动，学生反映良好，使用方便省时高效；使教师授课空间由二维的黑板扩展到了更真实、自然的多维空间，为改革传统的教学方法和教学手段提供了新的发展机遇。利用校园网提供的网络教学平台，为学生提供了教学课件、学习指导、复习思考题、练习题等大量的学习资源，节省了学时，提高了教学效率和教学质量，也培养了学生的自学能力。最后通过完成简单工程问题的实际分析以达到熟练操作软件的目的。
3.4 改革考核方式
本课程考核的重点是有限元基本原理及其在实际工程分析中的应用。考虑到课程教学内容的应用性强，课程的考核力求体现综合性、应用性和多样性，重点考核学生运用所学有限元原理、分析方法解决实际工程问题的能力。结合西华大学机械类研究生专业特点，精选出难度适中、具有代表性的实际工程分析问题，要求学生利用ANSYS软件自主完成有限元建模和分析计算，并撰写简单的工程分析报告。此部分内容侧重考核学生独立思考、工程分析和动手等综合能力，单纯依靠笔试难以实现。另外，课程考核中还包含要求学生根据所学专业、专长或根据导师科研的要求，选择实际工程问题，撰写出利用有限元软件分析的初步技术路线。学生最终成绩的评定将根据大作业、上机操作以及笔试等情况并按一定比例综合评定。
4 结语
课程教学改革的关键在于更新教学理念。实践新的教学理念，就必须从精选教学内容，改革教学方法和手段以及注重工程实际应用等方面着手。针对有限元法课程应用性强的特点，笔者根据西华大学机械类硕士生的培养目标，结合承担的多项项目的研究成果，探索将最新分析成果融入教学内容，通过典型机械密封、钻井筛箱、液压单体以及机载安装架等实际的工程分析案例剖析，提高了学生的学习积极性，增强了学生对有限元方法在实际工程应用中的感性认识，培养学生具备初步分析工程设计问题的能力，为后续的专业课程学习打下了良好的基础。
参考文献：
[1]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.
流体力学的应用领域范文6
1 化学工程与工艺概述
化学工程，简称化工，是研究以化学工业为代表的，以及其他过程工业生产过程中有关化学过程与物理过程的一般原理和规律，如石油炼制工业、冶金工业、食品工业、印染工业等，并应用这些规律来解决过程及装置开发、设计、操作等问题，它是以数学及少量的物理观念为基础应用于化学工业上，主要研究大规模改变物料中的化学组成及其机械和物理性质，来替生产化学品或是物料工厂提供一个反应流程设计方式。实验研究、本文由收集整理理论分析和科学计算已经成为当代化工研究中不可或缺的三种主要手段。
化学工程的研究领域最初只是化工单元操作，如：输送现象（为化工学科当中“单元操作”的理论基础）、化工热力学输送现象。随着发展，后来又发展出一些新的分支，化学工程领域的分支庞大，可应用在各类化学相关领域的研究及实务上的操作，因应现代工业发展的需要，以化工的知识背景为基础，例如半导体工业。随计算机的快速发展，数值模拟（cfd）在化工的发展占据重要的地位。
2 化学工程与工艺专业简介
2.1 化学工程与工艺任务。根据化学工程与工艺专业的性质，化学工程与工艺专业的任务是培养学习化学工程学与化学工艺学等方面的基本理论和基本知识，受到化学与化工实验技能、工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本训练.具有对现有企业的生产过程进行模拟优化、革新改造，对新过程进行开发设计和对新产品进行研制的基本能力。由于涉及化工的学科和领域很多，化学工程与工艺专业除了让学生学习一般应用化工的基本知识和基本技能外，还应该结合本地区、本行业及本校的实际情况，重点学习化工在某个或某几个领域中的具体应用，以便形成不同高校应用化工专业的特色专业方向。
2.2 化学工程以及化学工业的一些特点。以物理学、化学和数学为基础，并结合工业经济基本法则，研究化工单元操作以及有关的流体力学、传热和传质原理、热力学和化学动力学等在化学工业上的应用，以指导各种过程及其设备的开发、改进和发展属于化学工程学的内容。化学工程是随着化学工业的大规模生产发展而形成的。化学工程包括过程动态学及控制、化工系统工程、传递过程、单元操作、化工热力学、化学反应工程等方面。化学反应是化工生产的核心部分，提供过程分析和设计所需的有关基础数据，研究传递过程的方向和极限，化工热力学是单元操作和反应工程的理论基础，它决定着产品的收率，对生产成本产生重要影响。对单元操作的研究，可用来指导各类产品的生产和化工设备的设计；传递过程是单元操作和反应工程的共同基础，化学工业在新的形势下要求处于化学核心地位的催化技术和化学工程都必须用跨学科的战略进行多学科的研究。动量传递、热量传递和质量传递，这三种传递，实质上就是各种单元操作设备和反应装置中进行的物理过程。
合成化学是化学学科的核心，化学家不仅发现和合成了众多天然存在的化合物，同时也创造了大量非天然的化合物，使人类社会所有的化合物达到2230万个（美国化学文摘1999年12月10日收录的化合物数），并且以几个月就有100万个的速度发展，大量新化合物的产生是化学工业产品开发的基础。信息技术及工程技术的进步为设备和工艺创新创造了条件，推动了化工行业的技术进步。 化学工业的生产技术和许多深度加工的产品更新换代快，要求化学工业必须不断发展和采用先进科学技术，从而提高生产效率和经济效益。不断寻求技术上最先进和经济上最合理的方法、原理、流程和设备是化学工业工艺创新追求的目标。化工新技术开发程序是一套科学的程序，它是以市场为导向、以创新为宗旨，以工业化和商业化为目的的创新过程。世界上经济发达国家化学工业的研究开发费用、科研人员以及专利和文献的数量都居各工业部门的前列。
3 化学工程与工艺实验数据处理分析
传统的化工实验的数据处理是相当复杂的，需要花费大量的人力物力，由于化工实验需要平行实验，数据处理过程的重复性也非常大。借助matlab软件的应用，可以使人们从大量的数据处理当中解脱出来。
化学工程与工艺专业实验是初步了解、学习和掌握化学工程与工艺科学实验研究方法的一个重要的实践性环节。化工实验的特点流程较长，规模较大，数据处理也较为复杂。因此依靠计算机处理数据会使繁琐的数据处理过程变得简单快捷，大大提高工作效率。数据处理是每一个化学工程实验必不可少的步骤，也是至关重要的一个步骤。通过实验可以建立过程模型、分析工艺技术的可行条件。但是化工实验数据的处理往往并不是那么简单，它需要通过复杂的数学计算，若仅仅依靠手工计算则需要花费大量的时间，而且化工实验数据的处理量很大、重现性很高，因此应用计算机来处理实验数据可以大大提高工作效率。化学工程与工艺专业是一个以实验为基础的专业学科。实验的目的是通过有限的实验点去寻找某一对象或某一过程中各参数之间的定量关系，从而揭示某化工过程所遵循的客观规律。
matlab在化学工程与工艺实验中的应用进行初步的尝试。传统的化工实验的数据处理是相当复杂的，需要花费大量的人力物力，由于化工实验需要平行实验，数据处理过程的重复性也非常大。而matlab是一个强大的数学软件，能够方便地绘出各种函数图形，一方面可以解决符号演算问题，另一方面可以解决数学中的数值计算问题。matlab的应用范围非常广，包括信号和图像的处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。它已成为国际控制界的标准计算软件。借助matlab软件的应用，可以使人们从大量的数据处理当中解脱出来，利用matlab软件编写一个数据处理程序：只需输入任意一组原始数据，就可以把实验结果，数据模型以及作图一起显示出来。
