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流体动力学原理范文1
【关键词】翼片；动力学；ADAMS；FLUENT
1.引言
空投滑翔体与飞机分离一段时间后滑翔翼展开。此时滑翔体具有较高的水平运动速度和一定的竖直运动速度，翼板在展开机构和在空气动力的共同作用下迅速展开，运动到极限位置与限位固定锁紧装置发生碰撞并锁紧。该过程是一个及其复杂的过程，在设计过程中，明确翼板的展开方式，掌握翼板的动力学参数，对翼板的结构设计具有重要指导意义。
本文对包腹翼展开过程进行了动力学分析，建立了动力学模型；通过对翼板流体动力学仿真计算，得到了翼板的流体动力方程。在此基础上，应用ADAMS建立了翼板展开过程的动力学仿真模型，通过仿真计算，得到了翼板在展开过程中的运动学和动力学参数。
2.系统动力学分析
2.1 坐标系
在分析过程中，由于开翼时间比较短，忽略系统纵向速度变化，并且假设滑翔体不动，受到系统运动反方向的气流，这样该系统就简化成一个二自由度系统，建立如图1所示的直角坐标系xoy。为了更方便进行动力学分析，采用广义坐标系θ1、θ2来描述该系统，其中θ1是翼片1的弦与竖直方向的夹角，θ2为翼片2的弦与竖直方向的夹角。A、B分别为翼片1和翼片2的质心。
3.动力学仿真
在ADAMS中建立模型，如图3所示。
仿真结果可以看出，展开过程中翼片2首先开始动作，绕两翼片的连接轴旋转展开，只到两翼片限位机构发生碰撞并锁定，在此过程中翼片1保持不动，当两翼片之间锁定之后，一起绕翼片1与滑翔体之间的轴旋转展开到位。整个过程用时0.18s，两翼片所受最大流体力分别为730N和623N，翼片展开最大角速度为1336°/s。
4.结束语
本文对翼片展开全过程的系统动力学特性进行了研究，得到了翼板的流体动力特性、运动学和动力学特性，为翼片结构的强度校核提供了输入，对翼片的设计和修改提供了强有力的技术支持，也为同类机构的设计提供了快捷的研究方法。
参考文献
[1]李莉，任茶仙，张铎.折叠翼机构展开动力学仿真及优化[J].强度与环境，2007，34（1）：17-21.
[2]谭湘霞.折叠翼弹性动力学分析[D].西北工业大学801教研室硕士学位论文，1999.
流体动力学原理范文2
关键词：船舶；风轮机；圆筒型风帆；贝壳式风帆；风帆助航；流体动力；有限元分析
Advanced Surface Sail Assisted System and Structural Design
ZHANG Guangyin, HU Yihuai, CUI Shuang
( Shanghai Maritime University, Shanghai 200135 )
Abstract: Along with the development of automation technology, there are three possible development directions. First, adaptive control to sail would be realized by computer. Second, sail and power plant's combination would be optimized for economic speed. Third, the factors of manipulation, line sail application and promotion would be possible .The type line of sail in modern design has great improvement, just like wing shape, combination wing type, circular arc form of cylinder type, shutters, and the wing of high lift. In the design of circular arc sail, by taking the fluid dynamic characteristics of the numerical analysis and wind tunnel test results, we have improved the type line and analyzed the windward central unloading. We use the Pro\E to sail of 3d surface design. By the analysis software we analyze shells on the wind pressure type sail distribution of numerical analysis. The results of numerical analysis coincide with test results in wind tunnel, which can be the guidance for the development of sail assisted propulsion.
Key words: Ship; Wind turbines; Circular arc sail; Shell type sail; Sail assisted; Fluid dynamics ; FEA
常规远洋船舶大多采用柴油机和燃气轮机作为主动力装置，少数特殊工种船舶采用核动力装置，但核动力目前有诸多因素制约其在节能减排方面的应用。风能作为开发潜力巨大的一种清洁能源，若能实现高效大范围利用风能将会长久可持续性地造福人类及地球环境。
随着电子计算机和自动化技术的发展,风帆助航系统在以下方向发展成为可能：① 利用计算机实现对风帆的自适应操纵；② 风帆与主动力装置的优化配合，以经济航速航行；③ 随着自动化程度的不断提高，复杂型线风帆的应用和推广成为可能。风帆的型线设计在近代有着较大的改进，早期的布帆有三角形、梯形桁或尾斜桁等，目前有骨架式风帆：机翼形、组合翼型、圆弧型[1]（上海海事大学2009）、圆筒型（日本）、百叶窗型（上海海事大学2010）、多翼面高升力型等，还有风筝式（德国“天帆”2010.4）风轮机助航（德国Wagner 250kW双叶片2008）均采用了微机自动控制系统。
1 风帆的坐标系和空气动力分量
分析风帆的空气动力，在风轴航向坐标系中可由各个力和力矩分量表示。坐标系如图1所示，直角坐标系O-LDZ，其原点O位于模型底板中心，Z轴竖直向上，在水平面内的L轴为升力方向，D轴为阻力方向。风向角a规定为风速矢量与帆平面方向的夹角(几何攻角)， 为风帆转角。
空气动力被分解为升力FL、阻力Fd两个分力和弯矩ML、Md和扭转 三个力矩，MZ力矩的参考点为坐标原点O。对应于升力和阻力的空气动力系数： （1）
（2）
式中，S为风帆面积； 为空气密度；V为风速。
2 复杂型线设计目的
1）克服风帆在风向与航向小角度攻角（0o~10o）情况下“之”字形航行路线的缺点[2]；
2）实现风帆在风向与航向大角度攻角（100o~145o）情况下能有较大的升力；
3）应急风力发电，实现主动力装置发生故障时，船员可人工轻松操帆，为空压机、应急蓄电池、空调等系统供电。
3 贝壳式风帆方案要点
1）由风帆迎风面的中下部挖洞，用以卸除一部分风力载荷，实现船舶在航向-风向小角度攻角情况下的直线航行，同时起到减震、船体防侧向倾覆的效果[2]；
2）在风帆迎风面的中部洞口加设风轮机，综合翼型风帆与圆筒式风帆原理：迎风面上的压力沿着叶轮旋转方向，顺风力方向逐渐减小[1]，配合风帆起到助航作用；
3）该风轮机可根据风速、风向，由计算机系统自动调节叶片螺旋角，产生基本稳定变化的感应电动势，实现应急发电；
4）采用雷达式旋转底座实现水平旋转；带有自锁功能的二维连杆机构实现迎风面高低位切换；见附图
5）采用嵌入式气动遥控与人工手动控制两种模式，实现船舶在复杂工况下的助航作用。
4 圆弧形风帆流体力学的数学模型
利用ANSYS的 模块对风帆的流体动力特性进行数值模拟[3-6]。为分析圆弧形风帆流体动力学特性，应用较为广泛的 紊流模型，数值分析圆弧型帆的结构尺寸和风力参数变化等对风帆的流体动力性能的影响。并作以下假设：① 船舶在航行时风的流场是稳态的；② 空气视为不可压缩流体；③ 受风力作用时，忽略风帆的温度变化及影响；④ 忽略船舶稳态对风帆流体实时性能的影响。
圆弧形风帆流体动力学性质的 紊流模型的控制方程[9]。
连续方程:
动量方程：
K方程：
方程：
式中： 为速度矢量； 为流速矢量 在三个坐标方向上的分量；i, j = 1, 2, 3分别代表三维直角坐标系的三个方向；P为压力； 为密度； 分别为分子动力粘度和湍流粘性系数； 为常数，数值见表1，风帆迎风面主视图、俯视图见图3、图4所示。
5 有益效果
1）较普通硬软帆增加了有效航程比例以增加经济性；
2）添加应急发电装置以辅助人工操帆，增加船舶在恶劣海况突发停车情况下的安全可操性；
根据最佳对首转帆角度的计算公式[7,8]。上述最佳转帆角只是从帆本身的性能出发考虑的，并未考虑与船体的动力平衡或匹配的问题，因此，只能讲与最佳值相距不远。因为如果帆的流体动力与船体的流体动力不平衡，船速和漂角均可能有变化，这样，相对风风向角也与原来的不一样。
普通帆船在不同的真风航向角时可达的最大航速画成极线图则如图6[2]，一艘好的普通帆船在4个罗径点(1罗径点等于11o15')的真风航向角或更小一些仍能航行，通过反复的换抢，帆船可沿“之”字形航线驶向上风目标。由图5也可看出，帆船在横风（β=110o~140o）行驶时比顺风要快些，原因是横风时帆的有效推力比顺风时更大。
贝壳式风帆若单纯采取中部卸载，在该种小角度真风航向角情况下最大推力不及普通风帆，但由于此时帆体处于横倾状态，硬质骨架的帆体重心下降横低，且可以伸出侧舷，增加船体稳定性 。
随着化石燃料的枯竭以及与日俱增的能源需求，应对全球气候变暖的挑战，我国的航运事业节能减排已刻不容缓，建造节能环保型船舶已经成为趋势。为实现可持续发展新能源的开发已势在必行，以风能作动力直接带动各种机械系统的装置如风力助航、风轮机发电已成为研究的热点，许多国家已经走在了前列。如日本设计出商用风帆助航船舶“新爱德号”。研究表明，风帆助航技术的应用可以降低燃油消耗，提高船舶的环保特性。据统计，由于利用风帆而得到的节能效果约15%左右，每平方米风帆面积平均获得的功率约0.22～0.3 kW。目前，现代船舶以机主帆副为宜，即是通常所称的风帆助航节能船舶。
贝壳式风帆是剖面为不规则型线的圆弧形风帆。这种风帆装于现代船上，与其自动控制系统一起合称为风帆助航节能装置系统。对贝壳式风帆这种圆弧型硬质风帆的拱度和所受风力几何攻角等参数的研究仍需更深一步的分析，并将会在以后的风洞试验中的实验结果进行比较。
6 结语
采用k-e紊流模型方程描述一种复杂型线设计的圆弧型风帆受风力时的流体动力学特性，对圆弧型风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力的特性进行了数值分析，由分析结果可见：
1）顺风力方向时，贝壳式风帆迎风面上的压力沿着纵向轴线压力向四周递减，同时中部卸载区压力受风轮机叶片螺旋角影响较大。
2）船舶迎风航行时，由于风帆表面受力的不均匀性，受风力后，风帆产生的作用力转化为船舶驱动力的升力和阻力。受风力攻角的影响，单个贝壳式风帆产生的升力存在一个最大值，大于风帆产生的阻力，有利于增大船舶的驱动力。因此，在大角度迎风航行中，应根据风向实时调帆旋转支架转角，使风帆受风力后产生较大的船舶驱动力，实现风帆产生驱动力实时大于其产生的阻力。
3）当风向攻角不变时，风轮机旋转平面与风向的夹角不同，风力对风帆的侧推力也会不同，当风轮机旋转平面相切于风力场是，产生最大侧推力。适时改变贝壳式风帆中部风轮机的旋转平面角度能够实现大角度甚至180o风向攻角附近仍能获得正推力，有利于风帆驱动船舶迎风航行。同时还能辅助舵机工作，实现航线快速转向。
4）对于复杂型线风帆的设计，要以先进的三维曲面软件为依托，通过建立模型进行数值分析，进而通过仿真得出结论，随较之于风洞试验有数据偏差，但可为开发商用风帆助航节船舶能提供一定的方向指导作用。
参考文献
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王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版, 2006
作者简介：张广印（1986-），男，硕士生，研究方向：船舶与海洋工程
胡以怀（1964-），男，教授
流体动力学原理范文3
关键词：工程流体力学；教学改革；大学；专业基础课
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）03-0030-02
“工程流体力学”课程是以高等数学、大学物理、工程力学、工程热力学为基础，集概念、公式、实际应用于一体的一门专业基础课。该课程基本概念抽象，公式结构复杂，实际应用众多，尤其在石油行业尤为突出。石油工业中的许多问题都要采用流体力学理论解决，诸如钻井液循环压力和流速的设计，套管强度的校核，采油过程中油井采出的流体在泵或井筒内的流动规律分析，地面管线的布设，管径设计，管线强度的校核，压差与流量之间关系的确定，输液泵的选择和安装位置的确定，储油罐强度的校核，油品装卸时间的计算，油品和天然气的计量，气蚀和水击等现象的预防等。解决这些问题，要求从事石油工程技术的科学工作者必须具备“工程流体力学”知识，以便在石油工程的建设和管理中更好地发挥作用。为了使学生能够更好地学习掌握该课程的内容，教学环节尤为重要。对如何设计教学环节，本文主要从以下四个方面加以说明。
一、教学由多媒体与板书共同完成
教学板书是教师教学思路的整体反映，是教师在教学过程中引导学生学习，帮助学生理解和记忆，以及启发学生思考的重要手段，是教学过程中不可缺少的组成部分。教学板书以文字、符号、图表等手段将教学内容直接诉诸学生的视觉，丰富了学生的感知表象，有助于学生吸收和掌握知识信息。在授课过程中，笔者把学生对使用板书和多媒体的意见进行调查，90%的学生更倾向于使用板书教学。
由于“工程流体力学”课程，基本概念多、难理解，公式复杂难懂，采用板书边写边讲解，给学生留有足够的时间去理解，去认知，接受起来更容易一些。但是流体本身运动复杂，没有固定的形状，在外力作用下，流体流动状态、流动规律是什么样的，在板书上表达起来可能不够准确，不够形象、逼真；而采用多媒体[1]，将其制作成图片或动画课件，则直观明了，生动具体，给学生在视觉上以新颖的感觉，在头脑里的印象会更深刻一些。比如：讲工程流体力学的发展史，单纯讲授枯燥无味。此时，制作多媒体课件展示给大家， 比如弧线球也称香蕉球，找一个足球明星踢弧线球的视频放里面，边放映边讲解，学生很感兴趣，还学到了知识，同时也激发了学生的学习热情，起到了很好的引导效果。
二、将计算流体动力学软件融入到理论教学中
“工程流体力学”一般采用理论方法、实验方法和数值计算三种方法研究，其中，数值计算就是使用计算流体动力学软件计算[2]，是当今比较常用也比较流行的方法。计算流体动力学（简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，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。CFD可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。CFD方法克服了理论方法和实验方法的局限性，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算机并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节；如激波的运动、强度、涡的生成与传播、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有区别。
目前，CFD软件中比较著名的就是Fluent软件。所以可以在教学中使用Fluent软件模拟，给学生展示流动规律和流动结果。例如：冯・卡门涡街，不同形状物体绕流使用Fluent进行模拟，既直观又能清楚地展现流动规律，同时对流体本身产生无限的向往，对“工程流体力学”课程充满了期待和兴趣，为学生以后学习软件打下了基础。
三、实施双语教学
随着我国与世界的接轨，随着世界一体化进程，迫切需要大量精通两种以上语言的人才，作为一种培养国际化人才的有效手段，双语教学势在必行。高等教育作为教育的前沿阵地，也要同国际接轨。双语教学本身就是我国高等教育国际化趋势的客观要求，对高校来讲，可以加强国内高校和国外高校的教学合作，高校之间的合作项目越来越多，有助于国内外专业领域知识体系的统一和完善；对教师来说，可以促进国内高校教师同国外高校教师的学术交流，国内高校教师可从中了解到很多世界前沿知识，并有效地传递给学生；从学生自身来看，打破了语言障碍，学生能够在专业技术领域内较好地将母语和英语这两种语言之间根据交际对象和工作环境的需要进行切换，有效地开展交流与合作，并且多掌握一种语言，就多了一份生存的手段，多了一份了解外部先进世界的途径，多一份机会。双语教学不仅可以培养学生运用外语解决实际问题的能力，而且有利于学生学习、掌握、精通一门外语（主要是英语），能够多一种思维方式，学会从多种角度，用不同观点看问题，进而提升竞争能力，同时也为培养“复合型”人才奠定了基础。
现今实施“双语教学”，既符合与时俱进的要求，又能够提升教学水平，这意味着在教学中实施“双语教学”势在必行。在“工程流体力学”专业基础课教学中改变使用单纯母语（汉语）的教学方式，将外语（主要是英语）运用于其教学的全过程之中，使之与母语教学互相融合、互相促进，既体现专业基础课教学的特色和针对性的同时，又能够全面提高学生的外语应用能力和综合素质，使教学更好地适应新世纪人才培养目标的要求。在“工程流体力学”教学中推行双语教学，使学生在双语教学课堂中提高英语水平，学会用英语表达专业知识，继而过渡到用英语去思维、求知、交流，以便熟练地用外语来解决实际问题。这种教学模式既符合经济迅速发展对涉外人才基本素质的要求，也符合大学各专业交叉融合的发展方向，是教学改革的重要内容。
根据“工程流体力学”课程的特点，在其教学中可以使用综合型教学模式。即对一些基本概念、基本理论，比较好理解的，可以采用浸入型；而对一些公式的推导，专业性比较强的，难于理解的采用过渡型。另外，将一些流体发展的历史、实例用多媒体教学手段进行授课，达到直观的效果。
四、注重实验环节
“工程流体力学”也是一门实验科学[3]。很多流体力学理论都是以实验为基础建立起来的，理论分析得出的结果需要通过实验来验证，而实验的进行又需要用分析得出的理论来指导。因此，实验是“工程流体力学”课程的重要组成部分，是必不可少的教学环节。它不仅是为了验证理论，有助于学生学好流体力学，而且是培养学生进行科学研究、提高独立工作和创新能力的重要环节。
随着大学教育的普及，受教育的人数迅猛增长，而实验教学设备与人数增长不成比例，导致教学和实验的间隔周期较长，使得实验前，有些学生并没有做好充分的准备，并且缺乏必要的理论复习，对即将做的实验相关知识没概念，致使理论和实验严重脱节，实验效果不佳。但是对学生的考核仅仅是一份实验报告，导致有些报告抄袭严重，甚至有些学生做实验，看别人怎么做就怎么做。这样，学生的动手能力、实践能力怎么能培养出来？更不用说培养学生的创新能力和发散思维。实验课是教学的必要环节，也是重要环节，不容忽视。
1.实验前，回顾与实验相关的知识点，让学生在短时间内了解本次实验和相关理论，这里的相关理论不是本实验的结论，实验结论应该由学生通过做实验总结出来；也可以将本实验过程录制成一段视频，让学生提前看一下，熟悉一下实验过程，视觉在人心中留的印象会更深刻一些，做到心中有数，这样真正自己动手做实验就不会茫然。
2.由于时间和设备的限制，实验只能就某一种情况进行操作，对其他条件变化时会有什么样的规律不能面面俱到，这时在实验教学中应用计算流体动力学软件演示也会收到很好的教学效果。所以，计算流体动力学软件不仅在教学中，在实验中的作用也是显著的。
3.在实验课教学改革的同时，实验课考核的方法也应该相应地加以整改。通过纯粹的书面实验报告和出勤率进行考核，学生互相抄袭，敷衍了事，实验做完后真正的原理还没弄明白。为了避免此类情况的发生，一方面，考核每个学生亲自动手做实验，边做实验边讲解，不仅能够锻炼学生动手的实验能力，语言表达能力相应地也有所提高，为此应该增加实验教师的人数；另一方面，除了增加实验课在最终成绩的比例（10%）外，还要在期末试卷中增加实验内容，以检验学生对实验的理解能力和掌握情况。
为了使学生能够更好地掌握“工程流体力学”课程的内容，教学需要改革，这就要求当代大学教师不断地尝试、不断地探索新的教学模式，充分调动学生的学习热情。本文针对“工程流体力学”这门专业基础课程的特点，提出了几点教学建议，希望对工作在一线的流体力学教师有点帮助。
参考文献：
[1]于靖博，张文孝，李广华.工程流体力学课程教学改革与实践[J].装备制造技术，2011，（11）.
流体动力学原理范文4
关键词：混凝土输送泵；双向系统；应用分析
混凝土输送泵，又名混凝土泵，由泵体和输送管组成。是一种利用压力，将混凝土沿管道连续输送的机械，主要应用于房建、桥梁及隧道施工。目前主要分为闸板阀混凝土输送泵和S阀混凝土输送泵。再一种就是将泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，而组成的泵车。混凝土输送泵的可靠性与使用寿命直接受到系统的控制，尤其是颗粒污染物和粘度等参数对其影响重大，本文根据流体动力学的基本理论，针对混凝土泵送设备两个输送缸交替送料的特性，提出新的双向系统，并在实际中的应用对该系统加以分析。
1.传统泵送系统的特性
混凝土输送泵在混凝土的输送过程中，设置了油脂系统，以确保输送砼和缸的绝对，并且预防输送缸内的水泥渗入到砼密封体导致砼活塞配件磨损而漏浆。砼输送泵的砼活塞、换向阀和搅拌轴承座等运动部件因其负荷大、运动频率高，是重点部位，对脂的要求也比较高，并且须使用脂泵按照一定的频率强制加压。泵送来的脂直接送入各分配器，推动活塞向点供油；该系统的工作原理是：压力从一个入口流入，带动脂活塞吸入油脂，当油脂从另外一个入口流入时，带动脂活塞排出油脂，油脂经过阻尼器到分配阀，再逐步分配到输送缸各个点。
以上传统的泵送系统存在一定的缺陷，其不能准确的随动砼活塞，而且每次换向，而且油脂在同一缸内每次都会注射在同一个点上，而另外一个缸的脂在点处总是注入水中，基于此，会导致设备经常在不良的状态下工作，加剧设备的磨损，导致检修周期缩短，增加维修成本，同时效果相当差，油浪费严重。
2.双向系统的技术方案
笔者通过多年的工作经验，针对上述不足，提出了一种新型的双向系统解决方案，可以有效的改善混凝土机械易损件的使用寿命，其原理主要是采用往复柱塞式脂泵，由液压油驱动双液压缸柱塞，使其做往复式运动并各自独立完成吸油和压油过程。当压力油从前一个口进入推动柱塞时，带动另一液压缸柱塞打开吸油孔吸油脂，并使液压缸柱塞向前压油，油脂从后一个口进入双向阀。当压力油换向且压力油从后一个口进入推动柱塞时，带动另一液压缸柱塞打开吸油孔吸油脂，并使液压缸柱塞向前压油，油脂从前一个口进入双向阀。如此往复，泵的两个液压缸柱塞随液压压力油交替换向工作，同时交替向双向阀供油脂。随着液压系统的交替换向，实现两砼缸活塞定点同步。
3.结合流体原理，分析双向系统的应用
3.1.流体基本方程
连续方程，即质量守恒方程，是物理学质量守恒定律在流体力学中的具体表现形式，系统中的介质在管路中的流动服从Reynolds方程，其方程式可写成如下形式：
方程式（1）中：p为流体压力；ρ为流体密度；u，v，w 分别为流体在x，y，z方向上的速度分量。
Navier-Stokes方程是黏性牛顿流体的微分运动方程，又称动量方程，将连续方程和Navier-Stokes方程联解，可得出描述流体油膜压力分布的基本方程，即Reynolds方程：
方程式（2）中，左边第1，2项分别为流体油膜里由于压力梯度所产生的x向和z向的压力流变化；右边第1，2项分别表示表面速度引起的剪切流；右边第3，4，5项为Y向挤压运动所引起的流量变化；右边最后一项为该处密度变化产生的流量变化。所显示的广义Reynolds方程是黏性牛顿流体动力的基本微分方程，方程的待求变量为x向和z向的压力分布。它允许计及密度和黏度的变化，允许采用不同的膜厚公式，允许考虑固体表面的弹性变形对特性的影响。
3.2.数值计算方法
分析力学问题需要求解非线性离散方程组，且剂在变黏度、变密度效应下，方程的系数都不是常数，整个方程呈现高度的非线性特征。而对于非稳态问题，方程中含有膜厚的时间导数项，既要考虑切向卷吸运动，又要考虑法向挤压运动。本文采用FTCS（时间向前空间中心）差分格式求解Reynolds方程，并且用Matlab软件编写程序计算，考虑到对称性，砼活塞环可只分析其圆周长的四分之一。计算时首先给定压力分布和中心膜厚的初值，依此计算各节点处的膜厚、油黏度及油密度等参数，然后求解Reynolds方程，得到新的压力分布。如压力分布不满足收敛条件，则修正压力分布进行下一次计算，直到新旧压力差小于某个定值，然后由压力分布积分求解载荷。
由于该问题的数值稳定性差，雅可比法的收敛速度是比较慢的，当网格数较多时，并不是现实的解法。采用高斯一塞得尔迭代虽然比雅可比法稍好，但对于网格数较大的算例来说，耗时仍然过长。因此这里采用SOR（逐次超松弛法）来求解上述差分方程，并采用一定的方法来解决数值稳定性问题。
3.3.计算结果分析
4.双向系统的优点
双向系统在户外施工部门的使用过程中，证明双向系统具有极佳的稳定性，在工程机械领域，沃尔沃、凯斯、詹阳动力等品牌部分机型的使用客户配置了该系统。
4.1.领先的技术
双向系统适合能在低压下加注到点的高级脂。脂的加注工作通常在机器启动时进行，加注时双向系统会保证在准确的时间间隔内定时定量地注入脂。这将使脂在轴承支承面达到最佳分布状态，不断维持良好的密封状态同时使脂的消耗量减 半。双向系统中含有双固态管道系统，并可通过定量加注器向每一个点施加脂，这种坚固结构可在任何施工环境下保证过程中的操作安全性。双向系统能防止不必要的磨损，减少机器意外故障的发生率。
4.2.良好的经济效益
在连续活动部件的作用下，机器将保持最佳工作状态。双向系统可使机器在持续工作的状态下不间断得到，帮助操作者预防由机械损伤及相关安全风险所导致的机器停工现象的发生。操作者也可从油渍的、费时的手动加注工作中解脱出来，同时减少环境污染，节约资源。双向系统可减少液的消耗量达35%左右。使用双向系统可减少使用维护成本，减少运动件之间的切削磨损，提高密封性能，防潮防腐，有效排除杂质。
4.3.友好的用户界面
驾驶室内显示器会显示所有相关信息，例如脂罐中脂液位较低。双向系统泵中的数据管理系统可对过程实施连续性的监控。该系统还将在存储器中存储有关控制和诊断方面的操作信息，并通过操作台显示器通知操作员。
5.结束语
双向系统通过交替换向液压系统压力油，实现了两砼缸活塞同步准确定点，不仅延长了输送泵的使用寿命，有效的改善了输送泵的效果，还可以减少剂使用量，大大的降低了成本，为今后实现产品高效、环保、节能及深入的理论研究提供了新的方向和很好的解决方案。
参考文献：
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流体动力学原理范文5
力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。
力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体；固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。
一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学，有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外，还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。
一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中，又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等；属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成，现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交*结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。
力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。
力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。
力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交*分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。
运动学发展简史
运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。
用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系，因此，单纯从运动学的观点看，对任何运动的描述都是相对的。这里，运动的相对性是指经典力学范畴内的，即在不同的参照系中时间和空间的量度相同，和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时，时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动，即物置的改变；所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。
运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。
在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。
运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。
运动学的发展历史
运动学在发展的初期，从属于动力学，随着动力学而发展。古代，人们通过对地面物体和天体运动的观察，逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动，已有了速度的概念。
伽利略发现了等加速直线运动中，距离与时间二次方成正比的规律，建立了加速度的概念。在对弹射体运动的研究中，他得出抛物线轨迹，并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则，伽利略为点的运动学奠定了基础。在此基础上，惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中，各自独立地提出了离心力的概念，从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。
18世纪后期，由于天文学、造船业和机械业的发展和需要，欧拉用几何方法系统地研究了刚体的定轴转动和刚体的定点运动问题，提出了后人用他的姓氏命名的欧拉角的概念，建立了欧拉运动学方程和刚体有限转动位移定理，并由此得到刚体瞬时转动轴和瞬时角速度矢量的概念，深刻地揭示了这种复杂运动形式的基本运动特征。所以欧拉可称为刚体运动学的奠基人。
此后，拉格朗日和汉密尔顿分别引入了广义坐标、广义速度和广义动量，为在多维位形空间和相空间中用几何方法描述多自由度质点系统的运动开辟了新的途径，促进了分析动力学的发展。
19世纪末以来，为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用，于是，机构学应运而生。机构学的任务是分析机构的运动规律，根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展，提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题，作为机构学的理论基础，运动学已逐渐脱离动力学而成为经典力学中一个独立的分支。
固体力学发展简史
固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。
固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体.
自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计和计算都应用了固体力学的原理和计算方法。
由于工程范围的不断扩大和科学技术的迅速发展，固体力学也在发展，一方面要继承传统的有用的经典理论，另一方面为适应各们现代工程的特点而建立新的理论和方法。
固体力学的研究对象按照物体形状可分为杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件是指长宽厚尺寸都不是同量级的固体物件。在飞行器、船舶和建筑等工程结构中都广泛采用了薄壁杆件。
固体力学的发展历史
萌芽时期 远在公元前二千多年前，中国和世界其他文明古国就开始建造有力学思想的建筑物、简单的车船和狩猎工具等。中国在隋开皇中期(公元591～599年)建造的赵州石拱桥，已蕴含了近代杆、板、壳体设计的一些基本思想。
随着实践经验的积累和工艺精度的提高，人类在房屋建筑、桥梁和船舶建造方面都不断取得辉煌的成就，但早期的关于强度计算或经验估算等方面的许多资料并没有流传下来。尽管如此，这些成就还是为较早发展起来的固体力学理论，特别是为后来划归材料力学和结构力学那些理论奠定了基础。
发展时期 实践经验的积累和17世纪物理学的成就，为固体力学理论的发展准备了条件。在18世纪，制造大型机器、建造大型桥梁和大型厂房这些社会需要，成为固体力学发展的推动力。
这期间，固体力学理论的发展也经历了四个阶段：基本概念形成的阶段；解决特殊问题的阶段；建立一般理论、原理、方法、数学方程的阶段；探讨复杂问题的阶段。在这一时期，固体力学基本上是沿着研究弹性规律和研究塑性规律，这样两条平行的道路发展的，而弹性规律的研究开始较早。
弹性固体的力学理论是在实践的基础上于17世纪发展起来的。英国的胡克于1678年提出：物体的变形与所受外载荷成正比，后称为胡克定律；瑞士的雅各布第一·伯努利在17世纪末提出关于弹性杆的挠度曲线的概念；而丹尼尔第一·伯努利于18世纪中期，首先导出棱柱杆侧向振动的微分方程；瑞士的欧拉于1744年建立了受压柱体失稳临界值的公式，又于1757年建立了柱体受压的微分方程，从而成为第一个研究稳定性问题的学者；法国的库仑在1773年提出了材料强度理论，他还在1784年研究了扭转问题并提出剪切的概念。这些研究成果为深入研究弹性固体的力学理论奠定了基础。
法国的纳维于1820年研究了薄板弯曲问题，并于次年发表了弹性力学的基本方程；法国的柯西于1822年给出应力和应变的严格定义，并于次年导出矩形六面体微元的平衡微分方程。柯西提出的应力和应变概念，对后来数学弹性理论，乃至整个固体力学的发展产生了深远的影响。
法国的泊阿松于1829年得出了受横向载荷平板的挠度方程；1855年，法国的圣维南用半逆解法解出了柱体扭转和弯曲问题，并提出了有名的圣维南原理；随后，德国的诺伊曼建立了三维弹性理论，并建立了研究圆轴纵向振动的较完善的方法；德国的基尔霍夫提出粱的平截面假设和板壳的直法线假设，他还建立了板壳的准确边界条件并导出了平板弯曲方程；英国的麦克斯韦在19世纪50年代，发展了光测弹性的应力分析技术后，又于1864年对只有两个力的简单情况提出了功的互等定理，随后，意大利的贝蒂于1872年对该定理加以普遍证明；意大利的卡斯蒂利亚诺于1873年提出了卡氏第一和卡氏第二定理；德国的恩盖塞于1884年提出了余能的概念。
德国的普朗特于1903年提出了解扭转问题的薄膜比拟法；铁木辛柯在20世纪初，用能量原理解决了许多杆板、壳的稳定性问题；匈牙利的卡门首先建立了弹性平板非线性的基本微分方程，为以后研究非线性问题开辟了道路。
苏联的穆斯赫利什维利于1933年发表了弹性力学复变函数方法；美国的唐奈于同一年研究了圆柱形壳在扭力作用下的稳定性问题，并在后来建立了唐奈方程；弗吕格于1932年和1934年发表了圆柱形薄壳的稳定性和弯曲的研究成果；苏联的符拉索夫在1940年前后建立了薄壁杆、折板系、扁壳等二维结构的一般理论。
在飞行器、舰艇、原子反应堆和大型建筑等结构的高精度要求下，有很多学者参加了力学研究工作，并解决了大量复杂问题。此外，弹性固体的力学理论还不断渗透到其他领域，如用于纺织纤维、人体骨骼、心脏、血管等方面的研究。
1773年库仑提出土的屈服条件，这是人类定量研究塑性问题的开端。1864年特雷斯卡在对金属材料研究的基础上，提出了最大剪应力屈服条件，它和后来德国的光泽斯于1913年提出的最大形变比能屈服条件，是塑性理论中两个最重要的屈服条件。19世纪60年代末、70年代初，圣维南提出塑性理论的基本假设，并建立了它的基本方程，他还解决了一些简单的塑性变形问题。
现代固体力学时期 指的是第二次世界大战以后的时期，这个时期固体力学的发展有两个特征：一是有限元法和电子计算机在固体力学中得到广泛应用；二是出现了两个新的分支——断裂力学和复合材料力学。
特纳等人于1956年提出有限元法的概念后，有限元法发展很快，在固体力学中大量应用，解决了很多复杂的问题。
流体动力学原理范文6
关键词:农林高校;热工基础及流体力学;课程教学;实践创新
当前，在“绿色发展理念”深入人心的时代背景下，农林类高校迎来了很好的历史发展机遇;同时社会和企业对农林类专业人才的需求更加重视质量，对人才的知识深度、广度和对专业基础课、专业特色课核心知识的实践运用能力，均提出了更高要求。提高机械设计制造及其自动化专业学生林业装备系统总体及其子系统技术的掌握程度，拓展学生在林业装备系统上运用专业基础课、专业特色课中核心知识的科研能力，是农林类高教工作者面临的共同课题［4］。
1课程教学剖析
1．1课程内容
“热工基础及流体力学”这门课程是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业基础课，是后续液压与气体传动、泵与风机、林业机械等专业及特色专业课的重要基础。课程目标包括:掌握工质的热力学性质、热力学第一定律、第二定律、热工转换的规律和理想气体的热力学过程，学会基本的理论分析与计算方法;通过对热量传递的三种基本方式、导热基本理论、对流换热基本规律、黑体辐射基本定律等内容的学习，使学生具备对基本的传热学问题进行分析和总结的能力;掌握流体的主要物理性质和流体静力学的基本理论知识，学会流体上的作用力分析，能够推导流体动力学方程的连续性方程和伯努利方程，针对黏性流体，能对管内流动状态进行判断;能够对“传热学”“工程流体力学”的实验结果进行分析和解释，通过实验数据综合分析工程中的现象及问题，并得到合理有效的结论。总体来看，本课程讲授内容包括工程热力学、传热学以及工程流体力学三大板块的内容，是在高等数学、大学物理、理论力学、材料力学的基础上进行深化学习，拓展到实际的工程问题，所以本课程不仅理论性强，而且工程应用性也很强;与机械设计制造及其自动化专业其他课程相比，该课程涵盖了本应三门独立开设的课程内容，知识难点聚集、微积分公式众多、三大知识板块思维跨度大、学生融会贯通掌握难。但是，学生对课程内容的掌握程度直接影响后续专业特色课程的学习情况。
1．2教学思路
目前，本课程总学时为48学时，理论授课42学时，实验授课6学时。三大板块的教学内容多，理论授课课时较少，矛盾突出:(1)学生由固体学科切换到流体学科的学习需要较长适应期;(2)课程中较多章节内容抽象，且涉及大量公式推导及专业的概念铺垫，加之为了跟上教学进度教学内容更新较快，学生普遍反映课程难度较大;(3)教学内容和后续专业及特色专业课内容衔接性不够紧密;(4)从内容的充实性和课程的结构上来看，“热工基础及流体力学”这门课程的教学内容已经满足要求，但是对接林业机械领域最新技术，强化学生创新思维方面，当前的课程建构仍无能为力;(5)由于本课程的学习不涉及具体的机械装备系统，使得同学们对本课程在专业中的地位认知不足，学习积极性欠佳，这些现状使得提升教学效果难度较大。针对上述课程特点及教学现状，结合农林类高校“机械设计制造及其自动化”专业的实际情况，制定了如下教学思路:(1)授课时，使学生从机电系统、固体力学等学科的思维中切换出来，将空间观测法跟同学们探讨透彻，基于空间观测法开展“热工基础及流体力学”的课程教学。(2)在教学大纲中删除过于抽象、应用面较窄的教学内容，深入讲解与后续“液压与气体传动”“泵与风机”“林业机械”等课程关联度较深的内容，为专业及特色专业课的学习做好扎实铺垫。(3)结合在林业机械领域与“热工基础及流体力学”紧密关联的科研经历，探索寓教学于科研、科研反哺教学的授课模式，强化同学们对“热工基础及流体力学”在“机械设计制造及其自动化”专业里占有重要地位的基础认知，显著提升同门们自愿学习、自主学习的热情。(4)注重思维方式、终身学习意识的培养。教学过程中注重切入问题角度的讲解，使得同学们在明白问题的同时更养成学习思考问题方法的习惯;从固体学科到流体学科是一个较大的跨越，在跨越的过程中，使同学们树立终身学习意识，为以后培养同学们提出、解决林业机械领域学科前沿性、热点性问题的能力打下坚实基础。
2课程构建探讨
在“碳达峰、碳中和”的硬性发展要求及“绿水青山就是金山银山”的发展理念加速推进的浪潮之下，农林高校“机械设计制造及其自动化”专业的毕业生在高等教育系统中的地位不断提升，所以基础专业课程构建更需获得与之地位匹配的重视。一方面，基础专业课课程构建要体现基础知识的深度和广度;另一方面，内容要很好衔接并服务于核心专业课、特色专业课，为学生后期毕业设计、研究生科研深造做好铺垫。
2．1课程内容深度衔接核心专业课
“林业机械”是南京林业大学“机械设计制造及其自动化”专业的核心专业课，内容涵盖林业动力、整地、清理、苗圃、造林、抚育、保护、防火、采伐、采摘、智能化等机械。其中，和“热工基础及流体力学”专业基础课相关的包括动力、清理、保护、采摘等板块。林业动力机械(包括泵、风机)涉及“工程热力学”中热能和机械能之间的转化问题，同时也涉及“工程流体力学中”可压缩混合气体压强、温度变化和装置的动力匹配问题;林业清理机械涉及“工程流体力学中”不可压液态水在管道内部的流动，在雾化器内的流态分布、出口后雾化粒径分布等复杂多相流问题，如图1所示;林业保护机械中喷雾射程、喷雾穿透涉及“工程流体力学中”可压缩流体空气的外部流动及耦合风场、雾滴的多相流动问题，如图2所示;林业采摘机械中，基于负压的采摘系统涉及可压缩流体空气的管内流动问题。从衔接核心专业课的角度来看，一方面，农林类高校“热工基础及流体力学”这门专业基础课程应该深耕“工程热力学”和“工程流体力学”，而“工程流体力学”应该是重点中的重点;另一方面，也好兼顾课程内容的完整性，“传热学”也要适度调整。
2．2匹配三大板块关系，优化课程结构
建议协调、平衡三大板块的课时占比，同时明晰课程内容的内在逻辑关系，在此基础上进一步优化课程结构。在“工程热力学”(热能的间接应用)板块中，我们将实现热力学能向机械能转化的媒介称之为“工质”，媒介一般是“单一气体”或者“混合气体”，热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质及理想气体的热力过程等课程内容和专业核心课程林业机械吻合度较好。“工程流体力学”中，对流体的终结性定义是“抓不起来的物体”，一般性的定义是“气体和液体”的总称，但课程内容中流体基本概念的铺垫、流体静力学、流体运动学、流体动力学及黏性流体等课程内容都是基于不可压的液体，同为流体，但气体和液体的性质及研究重点相差甚远，“气体”这种流体相关课程内容的缺失为后续专业核心课程的学习带来很大知识结构缺陷。“传热学”(热能的直接应用)中，对导热、对流传热(混合传热，主要是流体和固体之间)、辐射传热的基本原理、工程应用等课程内容做了比较详细的讲解，但是后续专业核心课程对传热学中的知识需求很少，仅仅在脉动燃烧技术这一研究领域有所涉及。总体来看，不管是“工程热力学”中的“工质”，还是“工程流体力学”中的“气体”，再或者“对流换热”中的“流体”，其中“气体”是课程的“最大公约数”，也是和林业机械这一专业核心课程相关的“最大公约数”。鉴于此，“工程热力学”教学内容总体上可以维持不变，部分章节可以简化，不重要的知识点减少不必要的推导，侧重理论、公式概念的理解和应用，这样可省出一部分课时。总课时不变的情况下可以合理缩减“传热学”的课时，对辐射传热只做一般性介绍;考虑到相似原理在流体力学的试验研究中也有重要应用，可以在这里对相似准则进行深入讲解，省出较多课时。将“工程流体力学”放在最突出的位置，省出来的课时分配给这一部分;增加可压缩流体“漩涡势流理论”“相似理论中的量纲分析法”、包括气体动力学中“扰动在外空间流场中的传播”及“管内气体的流动”等内容，以匹配林业机械核心专业课。
2．3树立自主学习、终身学习意识
目前，流体力学板块中关于可压缩流体的课程内容匮乏，教学中会鼓励同学们在MOOC上寻找优秀资源进行线上学习，使同学们树立自主学习意识。通过工程流体力学板块，我们在体力学的范畴内将研究运动的方法由拉格朗日法提升到欧拉法，这是一个显著的改变，也是重要的进步，通过这一步，有助于培养同学们的终身学习意识。
结语
