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流体动力学基础范文1
关键词光电子学,质子照相,综述,质子加速器,磁透镜
AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.
Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens
1引言
高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattanproject）,并持续到现在,它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先,照相客体是厚度很大的高密度物质,要求能量足够高;其次,客体内的流体动力学行为瞬时变化,要求曝光时间足够短.
目前,世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯•阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统,一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像,并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是,DARHT也仅有两个轴,这是获得三维数据的最小视轴数目,最多只能连续拍摄4幅图像,不能进行多角度多时刻的辐射照相,获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥,电子束不能无限压缩,束流打到转换靶上,产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径,从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm,制约了空间分辨率的提高.
研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照
相,从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年,美国LANL的科学家ChrisMorris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像,其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆,20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程,使其成为闪光照相的理想束源.SteveSterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子,中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯•阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人GerryGarvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？”Morris将这些思想统一起来,利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］,以及NickKing在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.
高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短,则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长,则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.
2质子与物质相互作用机制
高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先,需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.
所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力,质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:
如果是弹性碰撞,以某种角度散射的质子保持其特性和动量,质子因受核力的强大作用,会偏转很大角度,这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器,这部分贡献可以忽略）；
如果是非弹性碰撞,质子被吸收,也就是说,损失大部分能量分裂核,产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级,质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为
NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)
其中N0,N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量;λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级,核反应截面几乎不变,单就穿透能力而言,质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建,因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.
由于质子带电,它也通过长程电磁作用力与物质相互作用.当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:
质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射,穿过原子核的每个质子,即使和核并不接近,也能导致质子方向发生小的变化,每个小散射效应可以累积,这种现象叫做多重库仑散射.多重库仑散射的理论由EnricoFermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:
dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)
式中θ0为多次散射角的均方根值,可用下式表示:
θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)
式中p为束动量,β是以光速为单位的速度,Ri是材料的辐射长度,其值近似地表示为
Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)
其中A是原子量,Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要,特别是对重物质,最终导致图像模糊.另一方面,因为Ri与材料的原子序数有关,也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.
质子和电子之间也会产生库仑力作用,通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小,库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变,而对质子的方向和能量只产生缓变.也就是说,质子通过电离原子(把电子击出轨道),损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变,但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量,能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为
ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)
当质子能量达到GeV量级,dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位,则
E=T+1,E2=P2+1.(6)
因此,能量损失引起的动量分散为
δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)
质子通过物体后损失能量,发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同,也将导致模糊,这就是所谓的色差［8］.
3质子照相原理
质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.
由于多重库仑散射,穿过被照物体的质子束有不同的散射方向,形成一个相对于入射方向的锥形束,需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话,质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年,Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应,最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来,LANL的另一位物理学家JohnZumbro改进了磁透镜系统的设计方案,称为Zumbro透镜［4］.
Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流,实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散,不同能量的质子具有不同的焦距,导致图像模糊.基于这样的考虑,Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matchinglens),匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联,即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且,角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］.这样,可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.
剩余的色差项为
x=-x0+Cxθ0δ,(8)
式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此,为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响,质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价,根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求,LANL为先进流体动力学试验装置(AHF)建议的质子能量为50GeV.
质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先,质子束通过金属薄片扩散,再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外,还可以使质子束在击中物体前发散开来,以便覆盖整个物体,避免了使用很厚的金属作为扩束器),这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组,分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.
TomMottershead和JohnZumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面),可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面,散射角等于0的质子位于中心,散射角越大,半径越大.离开这个透镜后,质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器,可以将某些散射角度的质子束准直掉,对允许的角度范围进行积分,得到总质子通量为
NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)
第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］,则第一幅图像接收到的质子通量为
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)
第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,则第二幅图像接收到的质子通量为
NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)
角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围,可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据,可以提供密度和材料组分的信息.
考虑到探测器记数服从泊松统计分布,面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104,每幅图像大约需要的质子数应为1011.如果一次流体动力学试验需要获得12个角度,每个角度20幅图像,则每次加速的质子总数达3×1013个.4质子照相装置
质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来,LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验,其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯•利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的,直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV）,小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术,验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力,以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言,质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节,需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是,质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.
LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统,图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器,一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器,经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后,磁透镜系统对质子束信号进行分类,由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.
图2LANL的质子加速器和分束方案
LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV,空间分辨率优于1mm,密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个,每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为200ns,质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲,视轴数12个,覆盖角度达165°.这样,一次流体动力学试验可获得12个角度,每个角度20幅图像.
2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元,其中质子加速器系统使用原有的部分设备,需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年,分几个阶段进行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年,8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看,原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此,这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.
5质子照相与X射线照相的比较
我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.
(1)三维动态照相.由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术,因此,质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像,这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像.而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外,质子照相不需要转换靶,保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶,需要考虑束斑的影响.
(2)精细结构分辨.高能质子穿透能力强,其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下,X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度,此时其穿透能力只有高能质子的1/10.质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制.散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.
(3)质子对密度和材料都比较敏感,可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上,质子散射的利大于弊,它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统,通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析,可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感,故分辨不出密度差别不大的两种物质.
(4)曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”,每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此,质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔,对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时,可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定,一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定,只能以固定的时间间隔照相,研究人员只能指定第一幅图像的时间.
(5)探测效率高.质子是带电粒子,直接与探测介质中的电子相互作用产生信号,因此,很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和γ光子.
(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像,没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法),图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊,但质子散射是可控的,可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子,而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同,也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统,消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相,空间分辨率可到100μm,最近的质子照相实验已达到15μm,并有达到1.2μm的潜力.
6结束语
质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节,多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型,多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来,科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前,X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天,质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.
参考文献
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流体动力学基础范文2
关键词：中国水墨画；流体动力学；数字水墨书画系统
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）07-1699-05
中国水墨画源远流长，有着朴素抽象、注重神似的画风，其影响至日本、韩国、东南亚一带，在东方乃至全世界都自成体系，可以说是东方文化的象征与瑰宝[1]。
西方的油画、水彩画等在绘制工具、表现技法上与中国水墨画有着本质不同。西方的绘画更理性，它遵循严格的透视原理及光学原理，以写实为主，追求“形似”。而中国水墨画在表现手法上往往不遵守客观规律，其更注重神似。正是由于这些差异，使得现有的关于西方绘画艺术的仿真方法无法直接应用于水墨画的模拟[2]。如何运用逻辑严谨规范的计算机技术对极为随意挥洒的中国水墨画进行仿真研究是极具挑战性的课题。
目前，对中国水墨画的仿真方法可分为两类：基于物理建模的方法和面向艺术效果的方法[3]。该文研究的是采用物理建模的方法对水墨画进行仿真。该文在Curtis[4]的研究基础上，提出了水墨画运移、传输的三层模型，并将流体动力学理论引入水墨粒子在浅水层、墨粒沉积层以及毛细作用层的运移和传输规律的研究，通过Helmholtz-Hodge 分解，求解基于Navier-Stokes偏微分方程组的水墨运动模型。以此作为理论基础，设计实现了一个交互式的数字水墨书画系统。
1 相关工作
水墨画的创作用具主要为笔、墨、纸。纸是水墨画的载体，所以纸的建模直接关系到水墨效果仿真的质量。关于纸张建模的研究工作可参考文献[4-6]。
在虚拟笔刷的建模及毛笔笔迹的模拟仿真方面，笔交互应用开始时就有研究者进行毛笔书法效果的模拟研究。1986 年，Strassmann[7]提出通过增加控制点连成矩形来填充毛笔笔迹的算法，1990年Chua[8]提出使用贝塞尔曲线来拟合毛笔笔迹，1991年Guo 和Kunii[9]提出了基于纸张纤维束的毛笔笔迹扩散模型，Pahm[10]提出了使用B 样条来模拟笔道的轮廓，中间使用四边形来拟合填充毛笔笔迹。
在水墨运动的物理建模方面，石[11]提出基于粒子系统的算法来仿真水墨扩散过程。王[12]将渗流力学引入水墨运移物理规律的研究。Nelson S.-H [6] 运用网格玻尔兹曼模型（Lattice Boltzmann methods）对水墨运移及传输过程进行仿真，并在GPU上实现了其算法。
2 基于流体动力学的水墨画绘制算法
本节给出基于流体动力学的水墨画仿真算法的定义、形式化描述及算法伪码。
2.1 水墨粒子运移、传输的三层模型
在Curtis的研究基础上本文提出水墨粒子运移、传输的三层模型。三层模型分别为：浅水层、墨粒沉积层、毛细作用层。三层模型相互作用，会产生不同的绘制效果。
浅水层用于模拟水墨在纸张表面的流动，主要模拟墨粒在水中浮起并被水传送到不同的区域这一过程。在浅水层中，水的流动被限制在湿区域内。
墨粒沉积层用于模拟墨粒在纸上被吸附和解吸附的现象，主要控制墨粒在浅水层和墨粒沉积层之间的转移。墨粒的密度、着色能力和粒度都会影响纸的吸附和解吸附能力[13]。
毛细作用层模拟水在纸张毛孔的迁移，将根据纸的水饱和度处理湿区域，在毛细作用层的作用下，湿区域会逐渐扩展。
2.2基于Navier-Stokes方程的水墨运动模型
本文采用Jos Stam [14]提出的Navier-Stokes方程作为模拟水流运动的物理模型，同时增加描述墨粒子密度因水流速度场变化而扩散的方程，两者一并构成水墨粒子在浅水层运动的基本物理模型。形式化定义为：
其中[??u=0]。公式（1）右边第一项表示速度场的自身平流，叫做平流项。第二项，称作压力项，代表了外力施加于水墨流体时，微观上所产生的不均匀的压力及加速度。第三项表示由于水墨浓稠度的不均匀所形成的阻碍，并由此造成了动量的扩散，同时影响了流体速度的分散。第四项是外力施加到水墨流体上而增加的加速度。
2.3 Helmholtz-Hodge分解定理
为求解以上方程，该文通过Helmholtz-Hodge 分解得到水墨粒子浅水层运移和传输算法[14]。
定义一个空间区域[D]，边界法线为[n]，标量场[p]。据Helmholtz-Hodge 分解定理有[D]上的矢量场[w] 能唯一分解为：
其中[u]是散度为零的矢量场（即[??u=0]），[p]为标量。把散度算子应用到方程（3）两边，有：
根据Helmholtz- Hodge分解定义一个投影算子[P]， 将矢量场[w] 投影到无源分[u]。应用到方程， （3）得到：
根据[P]的定义有[Pw=Pu=u]，固[P（?p）=0]，将此投影算子应用到方程（1）的两边有：
因为u的散度为0，左边的导数也是无散度的，同时[P（?p）=0]，有：
定义一个算子S，及各分量算子，平流A、扩散D、外力F、投射P， 整个求解过程变为：
从左到右进行运算，则整个求解过程，首先是平流，接着是扩散、外力和投射，即：
2.4基于流体动力学的水墨画浅水层运移和传输算法
2.4.1外力项
外力项由外界对水墨流体施加的力组成，并假设该外力在其时间步长内保持恒定，形式化定义为：
2.4.2平流项
平流项表示速度场沿着扩散方向传输自身和水墨粒子。这里使用隐式解法[14]，形式化定义为：
2.4.3扩散项
对扩散项的求解实际转化为对泊松方程的求解，形式化定义为：
可采用Gauss-Seidel法进行求解[14]。
2.4.4投影项
经过外力、扩散、平流运算后得到一个有散度的速度场w3（x），通过投影算子将其改变为无散度的速度场w4（x）。具体求解方法可参考文献[14]。对方程（2）的求解可参考以上所示进行。
3.4.5水流浅水层运移和传输算法伪码
详细的代码实现可以参考文献[15]。
2.4.6墨粒子浅水层运移和传输算法伪码
其中u， v为给定的水流速度场速度，diff为墨粒子扩散系数。更详细的代码实现可以参考文献[15]。
2.5水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法
在仿真的每一步，墨粒子都会被沉积层以一定数率吸附，同时也会以一定数率解吸附会浅水层。墨粒的密度[ρ]、着色能力[w]，粒度[r]和纸张的高度[h]都影响纸的吸附和解吸附能力。下面给出水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法的伪码。g为墨粒沉积层粒子密度，d为浅水层墨粒子密度。该文在Curtis的研究基础上，提出了水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法。
2.6水墨粒子毛细作用层运移和传输算法
当墨汁向正要变干但仍保持潮湿的区域进行扩散时会产生回吸现象。这个时候墨汁会被浅水层以一定的吸收率[α]吸收，同时向毛细作用层扩散。每个网格单元都会向其邻近区域传输墨汁，直到达到饱和容积率[c]。当饱和度超过[?]时，该网格单元被标记为潮湿区域。这样，由于毛细作用层的作用，就会形成不规则的分支形状，以此模拟水墨粒子的非规则扩散现象。该文在Curtis的研究基础上，提出了水墨粒子毛细作用层运移和传输算法。
3 实验结果
图1为运用具有不同浓稠度的水墨画笔书写的笔划（其扩散效果形态不同），图2为使用本文开发的数字水墨书画系统所书写的“蛇”字。图3为本文开发的数字水墨书画系统的用户界面。实验表明本文所设计的数字水墨书画系统能较好的仿真水墨书画的效果。
在当今数字娱乐产业蓬勃发展的时代，如何开发出具有实用价值，符合市场需求的数字水墨书画系统软件，是未来值得探索和深入研究的科学热点问题[16]。
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流体动力学基础范文3
【关键词】空气滤清器；CFD；流阻特性
对进气系统的研究，过去主要着重于进气效率、滤清效率以及压力损失等方面，随着技术的发展以及对汽车舒适性要求的提高，进气系统的声学特性方面的研究也越来越有必要。空气滤清器除了要有良好的声学性能外，同时要考虑其动力学性能，以保证发动机有良好的动力性能。
本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立计算流体动力学模型（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），主要计算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空气流量下含滤纸滤清器流阻与内部流场。同时，为便于比较分析，还对上述空气流量下该滤清器空腔本体流阻及内部流场也进行了计算。
1.空气滤清器内流场分析模型的建立
根据空气滤清器的三维模型，建立用于CFD计算的该空气滤清器内腔的三维实体模型，采用四节点四面体单元对该空气滤清器实体模型进行网格离散，通过收敛性分析确定的合适单元尺寸，得到的内腔网格模型，节点51788个，单元264448个，其实体模型及网格模型不做介绍。
假设空气滤清器中的流动为恒温、稳态流动，已知空气滤清器的流量，在计算中给定入口压力边界条件和出口速度边界条件，滤纸给定多孔介质边界条件。设定压力值为101325Pa，空气流出速度可通过已知流量及出口截面面积等数据计算得到，如表1.1中所列。
表1.1 不同空气流量下出口平均速度
设定滤纸多孔介质的边界条件，需要设置粘性阻力系数和惯性阻力系数惯性阻力系数两个参数，粘性阻力系数1/α=150μ（1-ε）
Dε，惯性阻力系数C2=1.75ρ（1-ε）
Dε，代入多孔介质的流阻特性经验公式?P=μv
α+C2v2，其中，μ是空气的粘性阻力系数，D是滤纸的孔隙平均直径，ε是滤纸的孔隙率。
2.空滤器本体空腔内流场结果
在CFD求解器进行网格检查和优化处理后，定义流体物理参数、施加进出口边界条件，不考虑滤纸影响，经过多次计算迭代后得到收敛结果。不同流量下空气滤清器本体空腔压力场和速度场结果分别不同。
空气滤清器内进气管（插入管）出口冲击区域压力较高。出气管为突然收缩管，在与腔体连接处，压力损失比较大。
表2.1 不同流量下空气滤清器本体空腔进出口压差计算结果
表2.1分别给出不同空气流量下，滤清器本体空腔、即不含滤纸条件下的进出口压力差结果。可以看出，进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。
3.带滤纸空滤器内流场结果
给定流体物理参数、进出口边界条件，设置滤纸区域多孔介质边界条件，对不同流量下带滤纸空气滤清器的内流场分别进行了计算。计算得到的内腔压力场和速度场也不同。
以360m3/h工况为例，过出口轴线平面内的压力场分布结果可以看出，滤纸下部腔内压力较高，滤纸区域自下而上压力下降明显；滤纸上部整个腔体内压力基本相等。由于截面突然收缩，在出口管处压力梯度较大，压力损失也较大。
过出口轴线平面内的速度矢量结果、并参考无滤纸滤清器内的速度场结果可以看出，滤纸对速度有阻碍作用，经过滤纸后速度明显减小，并且加滤纸后速度矢量在滤清器内没有折返现象。
表3.1 有滤纸空气滤清器不同流量下进出口压差计算结果
表3.1、给出不同空气流量下，含滤纸滤清器进出口压力差计算及实测结果。可以看出，采用滤纸模拟方法计算得到的不同流量下含滤纸空气滤清器进出口压差与实测流阻结果基本吻合。含滤纸滤清器进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。
由表3.1、中还可看出，虽然随流量增加、滤纸对空气流动的阻力会有增长，但滤纸对整个空滤系统流阻的贡献率却随流量的增大而减小。采用CFD仿真结果可以计算得到，滤纸阻力在总流阻中所占比重由90m3/h时的45.83%下降至540m3/h时的7.35%左右。参考不带滤纸结构本体空腔流阻计算结果可知，该空气滤清器本体空腔进气阻力占系统总流阻的主要部分。总体来说，该空气滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。
4.结论
本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立CFD仿真模型，通过对不同空气流量下空气滤清器空腔本体及含滤纸滤清器系统的内部流场进行计算，深入了解该空气滤清器阻力及内部流场压力、速度特性，并在此基础上对其流阻特性进行评估。结果表明，滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。计算得到了不同流量下滤清器内部流场、压力场结果，该结果对了解该空气滤清器实际工作性能与状态具有重要指导意义。同时，基于多方案的CFD计算可在概念与方案设计阶段结构型式与尺寸参数的确定提供数据支持，采用滤纸模拟模型具有较高精度，可在今后公司类似结构滤清器流阻计算中采用。
【参考文献】
流体动力学基础范文4
关键词:EHD;离子风;电晕放电;电流体泵
随着科学技术的发展,现代人对家居环境质量的要求日益提高,高噪音的风扇空气压缩机等设备的噪音成为一大困扰,同时由于全球能源危机的加剧,特别是在我国建设节约型社会的倡导下,摒除传统电机驱动风扇做功的新型装置日益受到研究者关注。研究表明在电晕放电时会产生高速离子射流流动,这种离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动,形成附加的流体运动,即所谓的电诱导二次流。离子的高速运动将会催动空气的流动。这为我们研究新兴空气传输装置提供了思路。特别是近年来,随着电流体动力学的发展,在EHD领域的电流体泵机理成为高压直流下空气流动的研究基础。本文将从电流体泵驱动机理方面定性阐述装置的理论基础,并提出一种简单的实现装置,即利用单片机控制的高压直流电源驱动电晕放电,结合线板式电极设计,形成一个完整的空气传输装置。
一、EHD原理实现空气传输的定性分析
(一)机理简介。EHD(Electrohydrodynamics,电流体动力学)作为流体力学 的一个重要分支,其研究方向为电场对流体介质的作用,也被看做是在运动电介质中的电场力学。介于此,在电场中,空气作为一种特殊的电介质会产生很多重要的现象,其中在强化传热方面、电流体泵方面渐渐为各方所重视。本文结合EHD领域电流体泵机理,着重讨论EHD在空气传输方面的应用,其中涉及直流高压放电下空气流动的数学建模计算。电流体泵有两种驱动机理,一是利用高压直流电场驱动流体,即离子泵拖拽,另一种是高压行波驱动流体;其介质中电荷来源于高压电极发射的单极性离子或是电解质分子受电击所产生的离子。本文正是讨论在直流高压下,由线―线电极放电促成“离子雪崩”效应,大量离子带动空气流动,从而实现空气传输的效应。
二、系统总体设计
该系统的基本结构如图3所示,它由电晕极、直流高压电源、收集极和气流通道组成。 其基本原理为,空气中的电子和离子在强电场的加速下,碰撞空气中的中性分子。使空气分子电离产生电子和正离子,能量足够大的电子继续撞击中性空气分子又使其电离产生电子和离子,与此同时有些能量不够大的电子吸附在空气中性分子中产生负离子,诱导其发生电子雪崩。空中的正离子在电场的作用加速,于此同时正离子将所获得的动能传递给空气分子,使其向前运动产生空气流。电晕放电以电晕为特点的一种放电,本装置是依据电晕放电而产生离子风。在电极制作上,吸取国内外在电晕放电领域的研究成果,通过大实验确定电极形状及间距。电源上,运用单片机技术保证脉冲频率及其波形以利于最大限度的电离空气。
三、电极结构设计
(一)电晕放电原理。本作品电极的设计基于脉冲电晕放电原理。脉冲电晕放电法脉冲放电产生等离子体的基本物理过程如下:在前沿陡峭、脉宽窄的脉冲高电压作用下,放电电极间的气体击穿,形成不均匀的很细的火花通道。电离产生的电子在电场作用下,以很高的速度向阳极运动,使气体进一步电离,形成电子流,电子流逐步扩大以致沟通整个放电通道,使储存在电容器上的电能通过放电通道迅速地释放。由于电容器释放出较大的能量,脉冲电流很大,可达每平方厘米数千安培,因而会在电极间形成等离子体。
(二)线板式电极结构。常见的脉冲放电等离子体反应容器有三种:线――筒(应该把―都改成――),线――板和针――板。本装置中将采用线――板式电极结构,线板型电极特性。放电线数一定时,线板电极间距增加,脉冲电压峰值和直流偏压增加,单次放电能量减小。线板电极间距一定时,随着线线间距变化,反应器上放电电压的峰值、流光能量有一最大值范围,直流偏压随着线线间距的增加而降低并渐趋稳定。本实验中线线与线板间距大致相当时,流光能量较大。线板电极间距一定时,随放电线间距增加,放电线数减少,峰值电压、直流偏压和流光消耗的能量逐渐减小并趋于平缓。但直流偏压在放电线数少到一定值时有增加趋势。
此为我们设计同性电极间距与异性电极间距及整个电极排布布局的依据。
四、驱动电源设计
电源作为本装置重要的工作元件,要求具有高频高压,稳定高效,低成本等优点。针对本装置的要求――产生电子雪崩效应应满足以下要求。
首先,鉴于上文所述脉冲电晕放电的相对直流电晕的优点,我们选用脉冲电晕放电,即要求脉冲频率可调,脉冲频率频率在1KHz到100KHz可调,电压上升时间
结束语:本装置立意新颖,目前国内在这一领域还未有应用实例,其关键在于装置的实现难度较大,具体体现在电晕放电分为暗流放电、辉光放电、刷状放电、流注放电、火花放电等情况,而电晕放电较不稳定,研究表明电晕放电最稳定状态为其辉光放电阶段。因此,为得到稳定的离子风,将设法使设备工作在辉光放电状态。要将设备控制在辉光放电状态,且使设备产生的离子风最大化,其对外部电压及极间距离有相当高的要求,而这则是该装置研究的核心难点所在。
作者单位:浙江理工大学
参考文献:
流体动力学基础范文5
【摘要】目的 观察微波热凝治疗牙本质过敏症的临床效果。方法 48例牙合面磨损的牙本质敏感患者160颗患牙,随机分为2组,每组80颗。对照组用常规的75%氟化钠甘油脱敏,治疗组用微波热凝脱敏。结果 75%氟化钠脱敏一周有效率77.5%,6个月有效率75%;微波脱敏一周有效率93.75%,6个月有效率90%。两组比较差异有统计学意义(P
【关键词】微波热凝;牙本质过敏;颌面磨损
1 材料与方法
1.1 病例分析选择2004～2007年门诊就诊诊为牙本质过敏症患者48例,牙合面磨损患牙160例患牙,其中男30例,女18例,年龄35～74岁,平均年龄48岁。
1.2 判断标准治疗前后用锐利探针探测患牙敏感区的位置和范围,三用枪水雾刺激敏感区,测患者的酸痛程度做详细记录。轻度敏感:有酸痛但可忍受;重度敏感;对刺激不能忍受。
1.3 设备材料EC-100型微波手术治疗仪器(南京亿高微波子源工程有限公司),75%氟化钠(上海第二医科大学口腔材料厂),中华牙膏(联合利华有限公司)。
1.4 方法将160颗患牙随机分为2组,每组80颗,治疗组用微波热凝脱敏:用3%双氧水擦拭,吹干,患牙隔湿,将少量牙膏均匀涂于敏感区,微波治疗仪器的功率调到60W。用柱状探头置于患牙敏感区,持续3s,然后用探针刺激患牙敏感区,查症状是否消失。若有酸痛再次脱敏,直至症状消失。对照组用75%氟化钠甘油脱敏:患牙用3%双氧水擦拭,隔湿,吹干,涂75%氟化钠2分钟共3次,治疗后1周,6个月复查。
1.5 疗效标准以自觉症状、探诊、三用枪水雾喷冲敏感区为依据分为三级:显著:自觉症状消失,对上述检查无不适。好转:自觉症状明显好转,对检查有轻度不适。无效:自觉症状及客观检查均无明显改善。显著、好转为有效。
2 结 果
治疗组和对照组分别用微波和75%氟化钠进行脱敏治疗后1周和6个月的临床效果见表1.治疗1周后,治疗组有效率93.75%,对照组有效率77.5%。脱敏6个月后,治疗组有效率90%,对照组有效率75%,2组有效率差异有统计学意义(P
3 讨 论
牙本质过敏症发病机理的学说有3种:神经学说,牙本质纤维传到学说,流体动力学说。主要倾向于流体动力学说,临床治疗措施也以此为基础[1]。有研究证实,敏感牙本质小管开放率达75%,不敏感者为24%,充分支持牙本质敏感症治疗中封闭牙本质小管的重要性,而微波热凝治疗也正是此基础上,利用热效应,在短时间内,使牙本质内蛋白凝固,从而引起阻断刺激,消除敏感症状的目的[2,3]。本研究结果显示,治疗组与对照组相比差异有统计学意义。这可能由于氟化钠甘油中颗粒大小不等,渗入牙本质小管的氟离子有限,疗效不定所致。但治疗过程中功率不可过大,时间不可过长,以免对牙髓组织造成不可逆性损伤。
【参考文献】
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流体动力学基础范文6
论文摘要：根据环境工程专业特点，分析了该专业技术基础课“工程流体力学”和主干专业课“水污染控制工程”在教学中存在的问题，文章从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出了“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学改革思路。
论文关键词：环境工程专业；工程流体力学；水污染控制工程；教学改革
“工程流体力学”是研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中应用的一门科学，是力学的一个独立分支，有其自身的理论体系，其基础理论主要由三部分组成：流体静力学、流体运动学和流体动力学。“水污染控制工程”是关于控制水体污染途径以及各种废水处理方法（包括物理处理方法、化学处理方法、生物处理方法等）的基本理论、工作原理及设计计算的一门科学。“工程流体力学”是环境工程专业的重要技术基础课，“水污染控制工程”是环境工程专业的核心专业课，这两门课程在环境工程专业本科教学中有着举足轻重的作用，同时两者之间也存在着重要的相互理论关系。
“工程流体力学”是水利、环境、能源、土木、机械、动力等学科的一门技术基础课程，该课程的教学内容纷繁丰富，其特点是理论性和综合性比较强，概念抽象，难于理解。“水污染控制工程”课程内容与“工程流体力学”内容结合相对比较紧密，如城市排水沟道系统、各种污水处理构筑物等的设计计算，以及在构筑物中的生化反应、化学絮凝反应中水力条件的控制等均是工程流体力学理论知识在水污染控制工程中的实际应用。目前，在环境工程专业教学方面，“工程流体力学”和“水污染控制工程”课程正面临着比较尴尬的局面：一方面课程内容趋于复杂和广泛；另一方面在课时量逐渐压缩的情况下，“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学内容没有起到应有的相互衔接，教学内容彼此脱离。由此形成环境工程专业“工程流体力学”教学内容与专业课衔接不够，在教学过程中学生感到内容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教学过程中，学生感到工程流体力学基础理论知识不扎实，不能够熟练应用工程流体力学基础理论解决水污染控制工程方面的实际问题。
针对目前环境工程专业课程设置及教学内容的状况，本文从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学改革，提高教学质量，培养学生综合能力。
一、改革教学内容
对“工程流体力学”教学内容进行改革，结合环境工程专业特点，重构环境工程专业的“工程流体力学”课程，对该课程中的主要内容进行优化设计，紧密结合后续专业课“水污染控制工程”的内容进行改编，为“水污染控制工程”的讲授奠定基础理论知识。“工程流体力学”教学内容主要包括理论教学和实践性教学两部分，其中在理论教学内容部分，如“工程流体力学”中涉及到的流体粘滞性、流体内摩擦定律等内容，结合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流态所需要的雷诺数内容为实例进行教学内容改革；“流体静力学”中绝对压强、相对压强、真空度等概念、理论在水污染控制工程中虹吸滤池、脉冲澄清池以及沉淀池、污泥浓缩池重力式排泥所需要的静水头压力等实际工程中的应用为实例进行教学内容改革；流体运动学中基本理论对“水污染控制工程”中的数学模式的建立为实例进行教学内容改革；“流体动力学”中压力损失理论在水污染控制工程中的水力计算，水射器理论在水污染控制工程中的计量作用、加药作用、射流曝气作用为实例进行教学内容改革等。其次，“工程流体力学”实践性教学内容部分，改革传统的实验教学内容，除验证性实验之外，增加工程应用性实验，如文丘里流量计、三角堰流量计、巴氏计量槽、毕托管测速仪、虹吸管、孔口与管嘴的工程应用等内容，既加强了动手操作能力，也培养了学生将基础理论知识转化为现实生产力的综合分析与应用能力，不仅使教学内容丰富，也提高了学生学习的热情和积极性。
对“水污染控制工程”教学内容进行改革包括理论教学内容改革和实践性教学内容改革，强调“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的应用。在理论教学内容方面，“水污染控制工程”中的污水沟道系统水力计算、水处理构筑物中水力参数的确定、污水在构筑物中的最佳流态、各水处理构筑物之间高程布置、混合反应池中搅拌强度的确定、过滤池中配水系统的设计及其滤速确定等一系列涉及工程流体力学问题的相关内容进行必要教学改革，加强学生对“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的工程应用有一个更清晰的认识，理解“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的重要性，使学生既掌握了“水污染控制工程”应用设计方法、设计原则、计算方法等知识，也加强了学生对“工程流体力学”基础知识在水污染控制实际工程的应用。在实践性教学内容方面，加强工程性应用实验教学内容，从不同的工业企业和居民生活区采集不同的废水水样，根据化验所得废水水质，确定所采用的处理技术和处理工艺，并通过实验验证在各种废水处理工艺中所选择的工程流体力学水力参数，基于“工程流体力学”基础理论知识分析废水处理工艺水力参数的合理性。
二、改革教学模式
“工程流体力学”特点是理论性、综合性、系统性较强，概念抽象、逻辑结构严谨。目前传统的教学模式基本上是教师讲、学生听，“授—受”型单一模式，尽管在学的过程中采用了多种形式的多媒体教学方式，但仍没有改变学生在学习过程中的被动地位，学生缺乏主动性和实践性。改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的创新教学模式，结合水污染控制工程中的实际问题，以工程实例为背景，应用工程流体力学基础知识解决实际工程问题，诱导学生积极思考，在教学过程中形成教学互动，调动学生学习的主动性和参与性。根据教学内容性质，“工程流体力学”教学内容可以分为基础理论和实际工程应用两个部分。在流体静力学、流体运动学和流体动力学三个基础理论部分，采用形象化的多媒体演示、软件模拟、小型实验相结合探究式、启发式教学模式，鼓励学生课堂讨论；在实际工程应用教学部分，如孔口管嘴、有压管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程实例为背景，采用适量的实际工程图片，丰富教学信息量，刺激学生的感官，激发学生的学习兴趣，拓宽学生的思路，开阔学生的视野，可以使枯燥、乏味的内容变得趣味盎然，使抽象、晦涩的内容变得直观生动。
“水污染控制工程”特点是实践性、工程应用性强，因为不同的废水水质达到处理要求所采用的处理技术、处理工艺不同；即便相同的废水水质，如果污水量不同，所采用的处理工艺也不同；一个废水处理工程，即废水水质、水量数据相同，也可以采用不同的处理技术和处理工艺，工程流体力学参数的选择是确定不同废水处理技术、工艺的主要影响因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教学过程中，改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的实践教学模式，以工程实例为背景，通过开放性的实践性实验正确选择工程流体力学参数，并通过实验研究对参数的选择、废水处理效果等进行科学验证。通过工程实例和实践性教学改革，使学生既对废水处理工程设计过程有一个清晰的思路，又能达到举一反三的效果。
三、优化师资配置
师资队伍优化，一靠资源，二靠制度，师资队伍优化也是一个相对的渐进过程，优化的标准和措施与所处时代、社会背景及其自身所处发展阶段和学科特色有关。环境工程专业特点要求师资队伍结构合理、质量可靠。“工程流体力学”与“水污染控制工程”是本专业的主要技术基础课和主干专业课，两门课程在讲授过程中存在着千丝万缕的必然联系，这就对师资配置和师资队伍建设提出了更高的要求。首先，建立高质量的师资队伍，定期或不定期对教师进行专业培训和实践工程训练，要求讲授“工程流体力学”和“水污染控制工程”两门课程的教师对两个学科均有一定的研究，或者承担一定量研究科研工作，洞悉当前“工程流体力学”和“水污染控制工程”发展的最新前沿理论和技术；其次，在师资配置方面，要求讲授“工程流体力学”的教师对“水污染控制工程”有一定的研究或承担相关科研项目，讲授“水污染控制工程”的教师对“工程流体力学”有扎实的理论研究或承担相关的科研项目；第三，建立教师研讨会制度，讲授“工程流体力学”的和讲授“水污染控制工程”的教师定期或不定期举行教学研讨会，避免两门课程的讲授内容出现彼此分裂现象。如果在师资配置中，讲授“工程流体力学”的教师毕业于力学专业，即使讲授“工程流体力学”的教师对力学有很高的造诣，对该门课程的讲授有声有色，但如果该教师对环境工程专业“水污染控制工程”专业理论知识或实践工程知之甚少，那么在教学过程中，必然不能够将“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学内容相结合，对环境工程专业学生来说，这样的师资配置，必定不是最优化的师资配置。
四、改革考核方式
