流体的力学特征精选(九篇)

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第1篇：流体的力学特征范文

本书主要讨论在科学研究及工程实践中遇到的流体问题中偏微分方程的变换与求解问题，书中所讨论的内容在航空航天、生物力学、化学、机械工程、流体力学及地球物理学流动等领域均得到了广泛应用。

本书一共分为8章。1，介绍了复数的基本知识、解析函数、积分与柯西定理、实积分的应用等内容；2，介绍了Gamma函数，一些用微分方程定义的函数如Legend-re函数、Bessel函数、超几何函数、cheby―shev函数和airy函数等特殊函数及部分函数的积分；3，特征值问题与特征函数展开。内容包括Rayleigh判据，Sturm―Li―ouville问题，特征函数展开及应用实例，非标准特征值问题，Fourier-Bessel级数；4，格林函数边值问题，介绍源项与基本解、有源项的球壳导热问题、格林函数一阶与高阶问题、伴随与自伴问题、一阶系统：格林矩阵、特征函数展开及实例；5，主要介绍Laplace变换及逆变换、双边Laplace变换；6，Fourier变换及逆变换、Mellin变换。7，主要介绍了背风波、远场动量尾迹、Kelvin-Helmholtz不稳定度、平板Couette流动稳定性等物理问题中的微风方程的应用；8，积分的渐进展开，主要介绍渐进展开基本知识、部分积分法、Laplace积分、Watson引理、最速下降法、稳相法及Kelvin结果等内容。

本书两位作者曾多年从事相关领域研究生课程教学工作，具有丰富的教学经验，书中很多内容就是在教学笔记的基础上整理编写出来的。I.H.赫伦教授曾在哈佛大学任教，美国西北大学、马里兰大学、麻省理工学院和美国Los Alamos国家实验室等单位进行访问研究，现在任职于伦斯勒理工学院，主要从事流体流动稳定性理论研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大学荣誉退休教授，曾在里海大学、伦敦大学学院、邓迪大学和曼彻斯特大学等进行访问研究，目前是伦斯勒理工学院兼职教授，获得过多个教学和科研奖项，是《流体动力学》、《流体物理学》、《力学学报季刊》和《应用数学》等国际杂志的审稿人，专业是理论流体动力学。

本书结构清晰，各种概念、定理解释透彻，书中结合实际物理问题安排了大量实例，十分便于读者理解理论知识，既可以作为非数学专业学生运用数学方法研究流体力学课程的教科书，也可以作为数学专业的辅助课程参考书，同时还可以作为相关领域研究人员的参考资料。

第2篇：流体的力学特征范文

关键词：石墨烯；量子输运；流体力学方程；剪切粘

石墨烯由于其准粒子的无质量相对分散特性和高迁移率吸引了各界关注，并且它还显示出了一系列优异的性质，如：超高的导电率[1]；剪切粘度与熵之比超低[2]；不仅有特殊的结构强度，而且结合了力学灵活性[3]和光透明度[4]。最近的研究显示石墨烯提供了一种特有方式，去观察在适度的高温下，极端相对论粒子的等离子体输运特性[5]。如将纯石墨烯设在一个特定的参数空间，则其费米表面收缩至两点，且在许多其他方面的表现，也与接近更复杂量子临界点的系统非常相似[6]。由于石墨烯的无质量狄拉克（Dirac）粒子，其相对极端夸克-胶子等离子体性质也很特别。通过对这些性质的分析和计算可以推导出其流体力学方程。

1 性能介绍

剪切粘度η用来测量流体阻值，从而建立横向速度梯度，见图1，粘度越小则其流体力学越趋于复杂。类似于导体的电阻率，粘度通过降低速度场中的多相性而引出熵增率。虽然η=0的理想流体不存在，但能找到非常接近于理想流体的完美的流体。

（b）在一个分源点和漏极点保持在±V/2的四点几何形中，不均匀电流的预期分布。当没有粘性和其他非局域效应时，电流将与外加电压V成比例，与两点之间的距离L无关，而粘性效应随着L减小而减小。

粘度的单位为？捩n，其中，n表示密度。为了量化剪切密度的大小，通常将η/？捩与热激励nth比较，nth可以通过熵密度计算，s～kBnth。受石墨烯在RHIC实验[7]中优异性能的启发，Kovtun等人提出广泛系统中η与s之比的下限[8]：

由于在无碰撞的光学区间？捩ω>>kBT[12]内，电子间相互作用对导电性σ（ω，Τ）的影响非常小，而在相反区间？捩ω

石墨烯中，当能量低于几个电子伏，其电子特性则如Hamiltonian所示：

其中，费米速度υF≈108cm/s， 为动量算子，l=1，…，N为N=4自旋和谷自由度的下标，σ（σx，σy）为Pauli矩阵在蜂巢晶格结构两个底晶格空间的表示。如果没有库伦相互作用，公式（2）则变成自由无质量狄拉克粒子的N类Hamiltonian[14]。

2 流体力学方程推导

接下来讨论在存在库伦相互作用的相对论流体磁动流体力学，在流体力学模型中的响应函数适用于在狄拉克点附近的石墨烯[17]。特征速度υF≠c决定了相对分散，在流体中的（反）粒子的电荷为±e。下面采用υF=e=？捩=1为单位。

由于库伦作用传播速度约为光速c>>υF，所以可认为它是瞬时的，则很显然通过将实验框架设为一个特定的参照系，打破了流体的相对不变性。

上述表达式包含了耗散项νμ，？子μν用来计算热电流和粘性力，P代表压强，ρ代表电荷密度。若无粘性项，则在流体元在类空间入口的压力以及在类时间入口的能量密度这样的静止参考系中，应力能量张量为一个对角矩阵。坐标系中各分量为：

T00=ε，（5）

其中，ε，P，ρ为局域化学势μ（r）的函数，ε表示能量密度，局域温度T（r），磁场为B，μ（r）包含了由不均匀的电荷分布而引起的库伦势。

电荷、能量及动量守恒如下：

其中，电磁场张量，

包含一个由于系统本身的不均衡电荷密度而自发产生的空间变化场：

其中，式（14）中已将统一的本底电荷密度减去。

在坐标系中线性守恒定律则明确表示为：

此外，包含了一个由于微弱杂质散射而产生的弛豫时间τ。电流的本构方程如下：

基于上述推导出的流体力学方程以及石墨烯中电子的量子BTE，分析出了传输系数――流体剪切粘度[18]，也即下述模型中的输入参数。当电子-电子间相互作用主导无弹性散射率时，即低杂质、高温且稳定场情况下，流体力学方法就能有效应用于石墨烯[19]。为了忽略电子-声子间作用，选择在100K左右的合适高温区间[20]。无磁场时，即B=0，准粒子分布函数为f，由BTE，则：

其中，-Ω[f]表示考虑电子-电子间相互作用的碰撞项，

则式（17）、（18）、（19）、（20）可推导为：

其中，式（23）为电荷守恒，式（24）为能量密度守恒，式（25）为动量守恒，ρr（ε+P）/υF2。

3 性能分析

对于纯石墨烯（μ=0），电荷密度由于热能而存在，则可写成，

然而，当石墨烯掺杂时，杂质会使石墨烯样品产生电位，此时，则必须要考虑由于化学势产生的修正，

其中，Φρ为无量纲递增函数。

式（25）中的剪切密度η可由下述方程算：

其中，Cη～Ο（1）为一个数值系数。熵密度可由Gibbs-Duhem关系ε+P=Ts计算，此等式是在|■|

基于式（25），性尺寸为L0的石墨烯样品其动态粘度由式（28）给出，此等式可写成以下形式：

其中，引入特征频率ωf=υF/L0，通过解合适的量子BTE，得Cη？勰0.45[21]。式（29）也可以写成η=Cηqf-2 ？捩/L02，qf？捩ωf/（kBT）。由此，为了应用经典电子流体力学描述，激励能量必须远低于热能，即qf

为了达到这个目的，鉴于式（25），定义雷诺数为：

其中，ν0=υFL0。通过将雷诺数写成Re=υ0L0/ν，与上述方法类似，可得到：

利用η/s=0.2？捩/kB3，qf？勰0.07，则得到ν？勰10-2。尽管石墨烯动态粘度极低，但石墨烯的动力粘度依然大约比水的动力粘度大四个数量级。这四个数量级的差距是由于电子的高速而产生的，也即电子的高速是雷诺数产生高值的最终决定因素。

4 结束语

在本文中，忽略了电子-杂质及电子-声子的相互作用，仅基于对石墨烯中的电子流体力学方程描述，对其剪切粘度、动力粘度、动态粘度及雷诺数进行了探讨，表明石墨烯具有低剪切粘度与熵密度之比、高动力粘度以及低动态粘度。而通过对石墨烯动力粘度的分析，可以看出，在微米级的比例下，雷诺数可以在石墨烯样品中实现高值。在后续的研究工作中，还将对电子-声子、电子-杂质和声子-声子建模及量子输运性能分析。

参考文献

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[19]Muller， M.， Fritz， L. &Sachdev， S. Quantum-critical relativisti

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第3篇：流体的力学特征范文

关键词：能源与动力工程；网络教学平台；混合式教育

作者简介：代乾（1981-），男，河北沧州人，天津城市建设学院能源与安全工程学院，讲师；王泽生（1964-），男，天津人，天津城市建设学院能源与安全工程学院，教授。（天津 300384）

基金项目：本文系天津城市建设学院2012年度教育教学改革与研究项目（项目编号：JG-1207）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0074-02

2012年9月，教育部颁布实施新的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》，热能与动力本科专业更名为能源与动力工程专业。由专业名称可见该专业的内涵更加广阔和深远，从而也说明随着能源动力科学技术的飞速发展和新问题地提出，社会对人才的培养提出了新的要求。目前，大约有170多所高校设置了热能与动力工程专业。[1]随着经济的发展，能源与环境逐渐成为世界各国所面临的重大科技和社会问题。培养高素质的具有创新意识的能源工程专业人才是本学科义不容辞的责任。而热工系列课程作为重要的专业基础课程，其重要性不言而喻。合理的课程体系是体现教育教学理念的重要载体，是实现专业培养目标、构建学生知识结构的中心环节，建立适应社会主义市场经济发展需要、体现热能动力技术学科内在规律、科学合理的课程体系极为重要。[2]为了使该课程适应新的要求，非常有必要对其进行一定的改革，以培养适应21世纪社会发展需要的人才，同时对推动我国可持续发展战略具有重要的意义。

一、实施混合式教育方式

开发混合式学习方案的关键因素在于确定适当的时机，使用适当的混合方式，为适当的学生施行教学。而教师想要运用适当的混合方式需要考虑学习地点的设置、信息传输技术及时间的安排、教学策略和绩效援助策略等。[3]混合式教学模式一般可分为以下几个阶段：[4-6]

1.前期分析

学生作为学习活动的主体是有认知、有情感的，学生本身的知识水平、学习能力和社会特征都对学习的信息加工过程产生影响，教师进行学生特征分析有助于了解学生的学习准备和学习风格，从而为后面的学习环境设计和媒体的选择提供依据。

2.混合式教学的组织与管理

教师应按照教学进度有针对性地选择和设计教学活动，同时要参照已经设计好的课程目标、课程内容及其呈现形式，将其与具体的章节知识点相关联。教学活动的作用在于为学生创造具体的学习情境，并加强师生、生生之间的交流互动，因此恰当的教学策略对于教学活动的顺利展开尤为重要。

3.网络教学平台及教学资源建设

网络的对于教学来说不应当只是教学内容，而更多的应该是支持教学交互、教学评价和教学管理，教学交互、教学评价和教学管理是保证教学质量的重要环节，这就需要有一个集教学内容与管理、课堂教学、在线教学交互、在线教学评价、基于项目的协作学习、发展性教学评价和教学管理等功能于一体的网络教学平台来支撑混合式教学。本校对“工程热力学”、“传热学”、“工程流体力学”原有的教学网站进行了全面改版，并于2010年先后投入运行。其中“工程热力学”课程教学网站主页如图1所示。网站按照省部级精品课程的要求制作，网上教学内容详实，包括课程的概况、教学文件、习题及答案、实验实践教学等各种资源。学生可通过浏览网站学习更多的知识，这对课堂教育来说是一个非常有益的补充，并有助于实现教与学的互动。

二、教学内容优化

“工程流体力学”是理解能源动力系统工质流动与流量、能量分配的基础。“工程热力学”是研究如何充分和有效利用能量的学科，其基本内容是热力学基本定律和工质热物性、热过程的研究，是理解能源动力系统中能量转换基本规律和提高系统能源利用效率的理论基础。“传热学”研究热量传递的基本规律，是理解和控制能源动力系统热量传递过程的理论基础。“热工学”集成了“工程热力学”、“传热学”的基本理论和核心内容，为能源动力类安全工程专业等提供必要和少量学时的热工理论基础教育，也是其他非能源动力类专业节能技术及应用的理论基础课程。“热工测量技术”和“流体热工基础实验”课程则是关于“工程流体力学”、“工程热力学”、“传热学”的实验理论的技术基础课程，旨在揭示相关课程的实验研究目标、原理、方法以及应用。

1.热工系列课程间内容关联性分析

（1）“工程流体力学”与“工程热力学”在教学内容的关联性之处主要体现以下两个方面：“工程流体力学”中的一维无粘性重力流体流动能量方程（伯努利方程）与“工程热力学”中的热力学第一定律稳态稳流能量方程式具有相同的理论基础，后者是普遍适用的能量方程式，而后者是前者在一维无粘性重力流体条件下的特例和不同的表达方式；“工程流体力学”中的可压缩流体流动基础与“工程热力学”中的气体和蒸汽的流动研究对象及理论基础完全相同，只不过研究的侧重点不同，前者强调流动特性，后者注重能量传递与转换过程。

（2）“工程流体力学”与“传热学”课程在教学内容方面具有紧密的关联性和延续性，主要体现在“工程流体力学”中粘性流动方面与“传热学”中对流换热方面的相关内容，具体为：

1）研究对象均为传递现象，“工程流体力学”研究的是动量的传递，而“传热学”研究的则是热量的传递，其规律及分析方法具有类比性。首先，传递驱动力分别为速度差和温度差；其次，传递方式均为分子扩散和对流扩散，其中对于分子扩散基本规律两者具有类似的形式，即牛顿摩擦定律及傅里叶定律，也均有描述传递能力的物性参数，即运动粘度（m2/s）和热扩散系数（m2/s），而且流动边界层与热（温度）边界层具有相似的定义和相同的边界层结构；最后，描述传递现象的控制方程，即动量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程，也具有相似的形式。这也是“传热学”中动热类比分析方法（类比律，即将阻力实验结果直接用于表面传热系数的计算）的理论基础。

2）如果粘性流体流经壁面且具有与壁面不同的温度时，就会同时发生动量传递和热量传递现象。此时“工程流体力学”与“传热学”研究的是同一现象的不同方面的特性，即阻力特性和传热特性。一般阻力特性是传热特性研究的基础，某些特殊情况（流动及对流换热具有耦合特征）下两者相互影响，如流体外掠平板的层流与紊流流动及对流换热、圆管内层流与紊流流动及对流换热、外掠圆柱的层流与紊流流动及对流换热、各类自由流动及对流换热等等。显然在此类教学内容中，“工程流体力学”是“传热学”的基础。

3）具有相同的分析、计算方法。正是由于动量方程和能量方程具有相似的形式，理论分析法（包括微分方程组求解及积分方程组求解）、模化实验方法（相似原理）、数值计算方法均可应用于阻力特性和传热特性的研究，甚至同一数值计算商业软件（如FLUENT、ANSYS、PHINICS等）可同时分析求解同一现象的阻力特性和传热特性。因此在研究方法上，“工程流体力学”与“传热学”是并行的或者说是相同的。

（3）“工程热力学”与“传热学”课程在教学内容具有关联性之处主要体现以下两个方面：“工程热力学”中有关热量传递只是讨论热力过程中热量传递的量，而“传热学”研究的是热量传递的机理、方式、影响因素、计算方法。在“热力学”中热量的单位是q（J/kg），而“传热学”中热量（热流密度）单位是q（W/m2），可见后者强调的是热量传递的速率及能力，而后者以前者的理论（即热力学第一定律—能量守恒规律）为基础；“工程热力学”中有关湿空气焓及含湿量变化规律与“传热学”中的热质交换有着内在联系。如电厂冷却塔中，“工程热力学”讨论了其工作原理及状态参数的变化，而“传热学”则讨论了其热湿交换的具体方式和传递速率。

2.热工系列课程教学内容体系优化原则

依据培养方案，流体热工系列课程时间安排顺序是“工程流体力学”—“工程热力学”—“传热学”（或“热工学”）—“热工测量技术”，“流体热工基础实验”课程与上述课程并行安排。因此，热工系列课程教学内容体系优化按照以下原则进行：

（1）安排在前的课程。教师除完成本课程教学内容外，须根据上述各课程之间知识点的关联性，有意识地为后续课程涉及的内容打下牢固的理论基础。“工程流体力学”课程的教师需要向“工程热力学”、“传热学”课程任课教师了解相关的内容，如一元绝热稳定流动的能量转换规律、相似原理等等，在“工程流体力学”的教学中兼顾这些内容的教学需求。

（2）安排在后的课程。教师依据上述各课程之间知识点的关联性分析，在相关内容的教学过程中，须了解前面课程任课教师的授课内容和方法，精选授课内容，避免不必要的重复，使该课程与前面课程有机衔接，且注意采取比较教学法，让学生更容易掌握课堂知识。

（3）“热工测量技术”和“流体热工基础实验”课程。课程任课教师应了解和引用其他理论课程相关教学内容，使实验教学与理论教学内容有机结合。如温度测量，教师除加强温度测量原理、仪表、标定及使用方法教学外，对于高速气流温度测量，需引用“工程热力学”中气流一维绝热流动能量方程以及滞止温度和气流温度的关系等相关理论知识，说明气流速度对温度测量误差的影响；而对于高温气流温度测量，需引用“传热学”的辐射换热相关理论，说明辐射对测温误差的影响以及消除误差的措施；而对于铠装热电偶或在加温度计套管情况下，还需引用“传热学”的通过肋壁导热的相关理论，说明套管的存在对温度测量误差的影响以及消除误差的措施。

三、结束语

经过一定时间的教学体验和学生的反馈表明，该教学模式使教学效果得到很大提高。笔者认为在以后的教学当中，要把这种模式继续深化并推广到其他课程的教学当中，热工系列课程的教学改革也必然会取得成功。

参考文献：

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第4篇：流体的力学特征范文

层流和湍流两种流态是英国著名科学家雷诺（Reynolds）1883年在管道流体（水）实验中发现的，并在实验原理中揭示出两种流态的变化规律。其中的观点为：在管径、流体密度和粘度（动力粘滞系数）等条件不变的情况下，流速与流动状态相关。当流速小于某一数值时，流态为层流；当流速大于某一数值时，流态为湍流。流速增大，使层流转变为湍流；流速减小，使湍流转变为层流。这一观点被后人沿用至今。德国流体力学教授欧特尔在《普朗特流体力学基础》一书中也曾借助香烟冒出的烟气来描述层流到湍流的变化过程，并以图示。但笔者在烟气实验中发现：烟气上升从层流到湍流，流速不是在加快，而是在放慢。这一发现引发新的观点：在其它条件不变的情况下，流态改变不是取决于速度，而是粘滞阻力。这一观点是否合理，我们可通过分析以下两个实验得以证实。

1 对“烟气上升”现象的分析

在空气相对静止（无风力干扰）的环境下，我们观察香烟点燃后冒出的烟气：烟气从冒出到消散，其形状是由窄到宽的过程。刚冒出的烟气是细而集中的烟柱，上升时如同一条稳定的直线，距离热源最近的烟气颜色更淡，用手触摸此处会感到很烫，这里的烟气上升速度很快。随着烟气的升高，最初细而坚实的“直线”开始有些松散、变粗。在烟气继续升高时，开始出现波动，先是幅度不明显、频率不快的波动，逐渐发展成幅度较大、频率较快的波动。然后烟气开始慢慢散开，逐渐消失在空气中。消散时的烟气运动速度是全流程中最慢的（见图1）。

通过对烟气实验的观察发现：烟气上升是温差（忽略压差、惯性等因素）作用的结果。但随着烟气升高，与热源距离的拉大，温度下降。这时烟气本应在惯性作用下继续保持原速直线运动，但在空气阻力作用下（沿程阻力），烟气上升的速度在减缓，形状由细变粗。这说明烟气虽处层流状态，但内部的分子横向运动在增加，只是规模不大而已。随着烟气继续上升，而温度进一步下降，空气阻力进一步显现，烟气开始波动，并进入明显的整体横向移动，湍流就这样逐渐形成，随后向周边扩散，直至溶于空气之中。在这过程中，烟气和空气是通过流体特有的动力与阻力之间的变化关系体现了牛顿第三定律—— 作用力与反作用力，作用在同一条直线上，力的大小相等，方向相反，二者均属同一性质的力—— 摩擦力。

从图2中可以看出，尽管作用力与反作用力之间的划分方式有所不同，但它们之间的比例关系仍然是1∶1，只是需要一个渐变的过程。当烟气因温差作用而上升推动相对静止的空气时，空气为受力者；但烟气推动空气的同时，也受到空气的推力，所以烟气又为受力者。由于气体分子之间的相对运动是建立在相互接触的流体层内部，所以这种阻碍作用力属于摩擦力中的粘滞阻力。物理学认为：分子间有距离、分子间有相互作用力及运动无规则等特征是物质分子运动论的基本概念，由于液体分子间距远远小于气体，所以在液体分子动量较小时，分子间距变化仅局限在分子力控制范围内，粘滞阻力主要体现在分子间的引力上，流体运动呈现规则性，所以称为层流；当液体分子动量较大时，由于分子间距已超出分子引力的控制范围，所以粘滞阻力主要体现在无规则动量交换的加大，流体运动呈现不规则性，所以称为湍流。由于气体分子间距远远大于液体，分子间虽然也有引力，但作用很小，所以无规则运动是气体分子运动中产生粘滞阻力的主要因素。气体只有在空气相对静止的特殊条件下才体现出层流状态，而在多数情况下都是湍流。为了强调烟气上升的粘滞阻力效果，使其更接近雷诺实验，我们在烟气上升的某一高度放置一个顶端有孔的圆筒透明玻璃罩。观察发现：罩内少部分烟气被放走，多数烟气被拦住并与上升的烟气相混（局部阻力作用），产生的湍流还有向下延伸的趋势（见图3）。这证实了粘滞阻力是湍流形成的重要原因。

2 重新分析雷诺实验

从烟气上升的观察和分析中得出结论：在其它条件不变的情况下，流态的改变取决于粘滞阻力，而不是流速。如果这一结论合理，那么在雷诺实验中也应得到证实。从雷诺实验中看到：湍流的最初形成是从管道阀门处开始的，这说明阀门与湍流产生密切相关。流体力学告诉我们：阀门处是管道中“局部阻力”的产生地。所以说“局部阻力”对流态改变所产生的功效与笔者的观点不谋而合（在现实中体现更多的是“沿程阻力”对流态改变的作用）。流体力学认为：阀门是管道突然收缩而引起流体在流动中产生“颈缩”现象，由此而产生的“旋涡”是局部阻力的主要特征。笔者在同意这一观点的同时，还要强调的是“颈缩”现象与阀门打开程度的关系。为了剖析雷诺实验中湍流产生的原因，首先从层流产生时所需的必备条件谈起。

雷诺实验中为了使染色流束保持一条直线—— 层流，必备条件两个：（1）管道阀门开口很小；（2）染色水针管出口要对准管道的轴心。这两项要求使我们有了新的设想：所谓的“层流”流域并非布满管道，而是只存在于管道轴心处很窄的流动范围内。我们知道：由于受管道壁面与流层以及流层与流层之间粘滞阻力的影响，最活跃、最易流动的流体在管道轴心处，这里是最先产生流量和流速的区域；又由于阀门打开得很小，管轴中心虽然有流动，但速度很慢，流动的流体层对周边流体层的影响范围也会很小（据上述得知：分子动量较小时，分子力起主要作用），所以流动范围会很窄。笔者的这一观点在“皮托管”测试流量的实验中得到证实：当阀门开量较小时，“皮托管”只能测到管道轴心处的流量，而距离管轴中心线稍远的地方则无法测到。这说明：只有轴心处的流体在流动，而周边的流体则处于静止状态。另外，流体力学在描述管壁粗糙度对摩擦系数的影响时认为：层流状态下管壁粗糙度对摩擦系数没有影响，而在湍流状态下 有影响。这也在进一步证实：流量与轴心径向扩展的正比关系。即使在牛顿内摩擦定律中也只有“在一定的实验范围内，液体层中的速度呈线性分布” 的说法，但没有证实过在流速很慢、液层厚度不限的情况下，速度的“线性分布”可无限延续。笔者所要证实的是：染色水针管出口之所以要对准管轴中心，是因为只有管道轴心处的水在流动，而且流动的范围很窄，染色水针管只有对准轴心，染色水在流动中才能形成一条“直线”。当阀门逐渐开大时，情况改变了。在管道轴心的流体流速加快的同时，流动范围也开始从轴心向周边（径向）扩展，流动范围的扩展进度远大于阀门截面扩大程度（这是由固体的稳定性与流体的易流动性的不同特性决定的），这样，除阀门管道存在轴向流动外，阀门管道口周边又增加了更多的流体往里流动，与轴向流动的流体所不同的是：周围的流体在进入阀门管道时，由于流体质点在运动中的惯性，只能平滑过渡，而不能完全随着管道边壁的形状突然变化而变化其运动方向，这样一来阀门周边的流体流动方向就要与阀门的轴向产生一个角度，使流体在阀门入口的不远处集中，而形成局部阻力。在局部阻力的作用下，使染色流束的流动端速度放缓，但此时上游流束的流动仍保持原速，这样一来在上游染色流束的推动下，使靠近阀门处的染色流束最先开始弯曲、波动。随着阀门进一步开大，使阀门口周边流量增大的同时，阀门处的阻力越加明显。在这种情况下，阀门的排出量无法满足更多需要流出的量，而剩余的流量则被堵在阀门口形成回流，对前行流体产生反作用力，正是这种反作用力增加了液体分子间无规则运动，使弯曲、波动的染色流束开始紊乱形成湍流，随着阀门的继续开大，这种紊乱现象逐渐从下游向上游延伸，最终扩展到整个管道。这就是在粘滞阻力作用下，雷诺实验中的染色水从层流转变为湍流的全过程（见图4）。

通过对雷诺实验的重新观察，使我们又一次证明：在其它条件不变的情况下，流态的改变来自运动流体中的粘滞阻力，而流速不是确定因素。

以上结论是在雷诺实验设备完善、无外界干扰、调试得当的情况下完成流体流态转换过程中得到的，其实，在雷诺实验的调试过程中我们仍然可以发现粘滞阻力对运动流体的作用。如：当管道阀门被突然关闭时，管道水停止流动了，但有色水仍并没停止，在管道中静止水的阻碍下，有色水的流速开始减缓并向周边扩散，此景与烟气上升似乎完全相同。但有人可能将这种速度放缓、扩散、紊乱的流动现象与布朗运动联系起来，从而否定其湍流的本质，这种理解是不合理的。布朗运动在说明分子是以不规则运动为存在方式，而烟气或有色水在流动中流速放缓、扩散现象则是在揭示流态改变的原因。其实，雷诺实验中的湍流现象与烟气和有色水的流动图景本应该是完全一样的，只是由于在管壁的制约下其原貌没有得到显现而已，如果将管壁取消，我们就会看到与以上两种流动完全相同的图景，就会更清楚地观察到粘滞阻力对流态改变的重要作用。

3 结语

尽管实验是科学研究的重要手段之一，但事实证明，在实验中所产生的现象最终是由人的主观来判断和选择。在判断和选择的过程中，由于人认识能力的局限，很容易被实验的外表现象所迷惑，忽略了现象背后的本质特征，从而得出错误结论。液体和气体的不同实验结果告诉我们：由于流速在改变流态的过程中因实验条件的不同而变化，所以它不是改变运动流体流态的主要原因，粘滞阻力才是改变运动流体流态的重要条件。

参考文献

 林建忠，阮晓东，陈邦国.流体力学.2版.清华大学出版社，2013.

 〖德〗H.欧特尔.普朗特流体力学基础.科学出版社，2011.

第5篇：流体的力学特征范文

Abstract: Engineering fluid mechanics course is an important professional basic course for petro related majors with a strong in theory, logic and applicability which provides a broad space for developing students' innovation thinking and creativity. In the course teaching, the innovation thinking teaching is promoted and many teaching methods such as inquiry learning, self discussion learning, problem environment learning, topic study type and comprehensive practice type are adopted to cultivate students' innovation thinking and plays an important role for training students' innovation thinking ability.

关键词：工程流体力学；创新教育；创新思维；教学法

Key words: engineering fluid mechanics; innovation education; innovation thinking; didactics

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0208-02

0 引言

钻井、采油工艺、炼油设备、油品储存和运输，都离不开管、罐、泵的设计与使用，这就涉及到流体力学的许多方面，诸如分析流体在管道内的流体规律，压力、阻力、流速和输量的关系，据以设计管径，校核管材强度，布置管线以及选择泵的大小和类型，设计泵的安装位置等；我们也需要用流体力学原理分析校核油罐或其他储液容器的结构强度；估计容器、油罐车、油罐的装卸时间；解释有关气蚀、水击等现象；以及了解计量用的水力仪表的原理等。有时还会遇到输送“三高”原油、增粘或降粘剂以及某些化工产品，这就涉及到非牛顿流体的力学原理。所有这些，都要求从事石油工艺技术的科学工作者必须具备工程流体力学的知识，以便在工程的建设和管理中，更好地发挥作用。因此，如何能使“工程流体力学”的基础理论知识及实际工程应用被学生更好地掌握，是授课教师面临的问题。

1 在“工程流体力学”课程中推行创新思维教学法的必要性

“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不歇动力。”时代呼唤创新性人才，而创新型人才的关键在于创新教育。创新教育是指以创新人才的培养为核心，以创新思维的激发为实施手段，以培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，促进学生全面发展为主要特点的素质教育。

思维是人类区别于其他动物的本质特征，但若是仅有普通的感性认识和感性思维，人类就不可能取得如此绚烂多彩的发明创造。可以说，人类社会方方面面的发展进步，无不是人类创新思维的结果，无不是人类智慧的结晶。所谓创新思维就是超越固有的常态思维模式，多角度、多侧面地思考事物的特性，并通过各种实践活动积极发现问题，在发现中科学思考问题，使感性认识上升到理性认识，然后又在理性认识指导下开展活动、发现和思考。这种形式循环往复，使认识不断深化，创新意识、创新思维在活动、发现、思考中不断形成，创新成果不断涌现。

“工程流体力学”课程属于力学的一个分支。它研究流体的平衡和运动的基本规律，以及流体与固体的互相作用的力学特点，用以分析解决工程设计和使用的实际问题，是一门既有丰富理论知识，又包含大量实践经验的课程，所以在“工程流体力学”教学中推行“创新思维教学法”是本课程自身特点决定的，是本课程教学要求的需要，是新时期我国培养高素质石油工程人才的需要。

2 在“工程流体力学”课程中推行创新思维教学法的主要做法

在课程教学中，我们灵活采用了探究发现式、自学研讨式、问题情景式、综合实践式等各种教学法，以培养学生的创新思维意识，训练学生创新思维能力。

2.1 探究发现式教学 现代教育理论认为，教师的职责主要不是在于“教”，而在于指导学生“学”；不能满足于学生“学会”，更要引导学生“会学”；对学生不只是传授知识，而更重要的是激活思维，变“教”为“导”，要启发学生善于学习，勤于思考，勇于创新。由于学生的思维尚处于不成熟向成熟发展的阶段，所以教师有促进学生发展的责任，特别是促进学生积极进取、勇于探索、有所创新的发展。创新教育强调的是“发现”知识的过程，而不是简单地获取结果，强调的是创造性解决问题的方法和形成探究的精神。如对于应用型的内容，包括孔口出流及管嘴出流、有压管道流动、明渠流动问题。为了帮助学生既加深对基本概念、基本理论的理解，又能掌握解决实际问题的能力，教师应选取具有工程实际背景的典型例题作为研究内容，充分调动学生的学习积极性，引导学生通过查阅资料、课堂集体讨论等形式解决问题，并找出最合理的解答。又比如圆管层流的研究不外乎采用两种方法，一种是分布参数法，以N-S方程为基础，求其偏微分方程组的特解；另一种是集中参数法，以受力平衡法来讨论。对这两种方法来说若研究的圆管放置的位置不同，又可分为任意倾斜放置及水平放置。这样一来，实际采用的研究方法就有四种。一种为N-S方程，管道倾斜放置；二种为N-S方程，管道水平放置；三种为力平衡方程，管道倾斜放置；四种为力平衡方程，管道水平放置。让学生自己分析比较各种不同方法特征，让学生自己去探究发现不同方法的特点、规律，进而才能有全面正确深刻的理解。

2.2 自学研讨式教学法 为发挥学生的主体作用和培养学生的自主创新学习精神，我们根据课程不同教学内容的特点和要求，在适当时机安排学生自主学习，开展研讨，并在自学研讨中，注重引导学生把抽象思维训练与形象思维训练、发散思维训练与收敛思维训练、逆向思维训练与正确思维训练与正向思维等有机结合起来，从而达到创新思维训练的目的。同时，我们在课程教授的各个环节，还注重构建多维互动的创新性课程教学模式，把接受性、主动性、活动性、问题探究性等自主创新性教学模式有机结合，改变过去教师独占课堂、学生被动接受的单一教学信息传递方式，促使师生间、学生间的多向和谐互动，达到互相学习、教学相长、共同进步的目的。

在安排自学过程中，教师要注意避免学员出现“自学不学，学而不思，思而不动”等现象，有效的措施之一就是采用“任务驱动法”，即在安排自学内容时，同时给学生布置任务，用完成这个任务作为动力，让学生在完成任务的过程中达到自主学习和掌握知识的目的。比如，在讲授堰流时，宽顶堰溢流、薄壁堰溢流和实用堰溢流它们的流量计算公式都是相同的，只是公式中不同情况下的流量系数不同而已。在讲授粘性流体运动微分方程、紊流速度分布公式等内容时，只需要从物理概念上作简要说明即可，这样处理让学生有了更多的独立思考和自学的机会。

2.3 问题情景式教学法 创新教学方法，就是要改变过去的传统教法，努力创造设问题的情景与和谐宽松的学习氛围，培养学生的创新意识和能力，训练学生的创造思维，使学生通过生疑、质疑、解疑等活动提高发现、分析和解决问题的能力，充分挖掘学生的创造潜能。“学起于思，思起于疑”，疑则诱发探索，从而发现真理。为此，我们特别注重教学活动策略的选择和运用，充分借助各种教学手段，巧设问题情景，把情景创设策略、多向互动策略与问题策略结合运用，综合发挥教学策略的整体效应，促使学生主动思考探究、质疑问难、自我归纳辨析习惯的养成，达到学生能力培养、发展思维的目的。比如，在讲流体表面张力特性时，向学生提问“旧常生活中我们可以看到什么现象能表明流体的表面张力特性？”此时学生都会非常积极的思考，随后向大家举例,比如说我们常常看到的水滴悬挂在水龙头出口处，水银在平滑表面上成球形滚动等现象。通过这样的提问与回答，可以把学生的注意力完全集中在你所讲述的内容上，充分调动起学生学习的积极性。在说明课程所要掌握和了解的内容时，先提出许多与实际密切相关的问题，诸如：在讲解水坝的闸门会承受多大的力，高尔夫球表面为什么要做成凹凸不平的，暖气管道应如何设计，等等。通过这些问题的提出,学生可以知道学习这门课以后，能够运用所学的相关知识解决哪些实际问题，学生带着问题学习，就不会盲目地学，并且在学过相关章节后，教师再次提出问题并给予答案或让学生自己解答，从而不仅增强了学生解决问题的能力，同时也大力激发了学生学习这门课程的兴趣。在这门课程的一开始，学生学习的主动性与积极性就被充分调动起来了。

2.4 课题研究式教学法 现代认知心理学把知识分为陈述性知识和程序性知识。陈述性知识如食物的名称、概念、事实等，通过教师讲解可以掌握或记忆；程序性知识主要涉及原理、规则、定律等的理解与应用以及解决问题的技能、方法与策略的形成、情感体验等，这类知识不能单凭传授，还要求学生通过自主研究探索、亲身体验等具体活动才能内化和占有。“工程流体力学”中既有经典成熟的理论知识、技术方法，又有许多需要进一步完善发展、深入探寻研究的地方，尤其适宜于在教学中针对性开展专题研究，以培养学生的创新思维和创造能力。比如，在讲授“水力摩阻”时，针对钢质管线水力摩阻较大的特点，开展“水力减阻技术”研究；在讲授“压力管路水力计算及工艺设计”有关内容时，针对其涉及大量公式、过程复杂、手工计算效率低、误差大等情况，让学生编制“工艺计算软件”，等等。此外，我们在课程综合设计中，改变了过去一年同一题目，人人同一题目的传统做法，而根据不同学生的特点、特长，并结合专业发展前沿，设置多个题目，让学生自由选择，自由组合，采取“分层互促、小组合作”的形式，促使学生自己动手、自主创新、团结合作精神的培养和训练。

2.5 综合实践式教学法 如何让学生牢固并灵活、创造性地运用所学知识，我们认为仅凭课堂教学、课程设计、实验室演示等传统教学模式和方法远远不够。例如：在讲授描述流体运动的两种方法――拉格朗日法和欧拉法时，可以带学生到公园划船，在船上讲清拉格朗日法； 到水文站，在水文站上讲清欧拉法。在讲动量方程的应用时可以到有关的水文站或水泵站现场，实测镇墩的受力，与理论计算作比较。在计算曲面的静水压力的竖向分力时，需要建立压力体概念，而在有些复杂情况下，如何画出压力体，以及如何判断压力体的虚实比较困难，这就需要借助于光盘，利用电教中心的多媒体教室作动态的演示。

3 结语

《工程流体力学》课程是面向工程应用人才的课程，所以教学核心始终是学生知识应用能力的养成。为此，在课程教学中，我们始终坚持推行创新思维教学法，注重开发学生的创造力，引导学生对理论、公式等进行质疑研究、探索研究，把学生创新能力的培养融于课程教学的各个环节；应用创新教育先进的理念和思想，转变教育观、学习观、人才观，始终把培养学生创新情感、创新心理、创新个性，训练学生的问题意识、创新思维、创新技法放在首位。

参考文献：

[1]李著信.创造力开发与培养[M].第二版.北京：科学技术文献出版社，2003.

第6篇：流体的力学特征范文

关键词：Aspen；化工热力学教学；均相性质推算；PR状态方程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）24-0179-03

一、引言

学习化工热力学课程的目的是为了解决实际问题，物性数据的计算是本课程的重要内容，因为过程工程的研究、设计、操作与优化中都离不开物性数据。从容易测量的性质推算如U、H、S等难测量的性质；从温和条件的物性数据推算航天发射、深潜高压等苛刻条件下所需的物性数据；等等。这些都有重要的理论与实际意义。

由经典热力学原理能方便地建立起不同性质之间的联系（即普遍化关系式），为实现不同性质之间的推算提供依据。但要推算出具体系统的性质数据，还必须引入反映系统特征的模型，如状态方程等。

化工热力学的研究对象更接近实际过程，实际过程所涉及的系统如此复杂，温度、压力范围如此宽广，化学工程师们不能再依靠简单的理想气体或理想溶液模型来计算物性了，而是需要适用范围更广、准确性更好、复杂性更高的模型，如PR等状态方程，借助商业化的化工流程模拟软件Aspen来促进化工热力学教学是一个很好的选择，对促进学生掌握概念、强化基础、提高应用能力具有重要作用，同时对后续的化工设计、化工计算等课程的教学十分有益。化工热力学教学中引入Aspen具有如下优点：（1）Aspen软件中物性计算原理与本课程热力学性质的计算原理是一致的，用该软件辅助热力学教学能提高教学效率，简化计算过程，激发学生的学习兴趣。另一方面，也能使学生掌握Aspen软件物性计算原理的内核，了解更多的基础数据来源，提高应用能力，不至于再像从前那样，只知计算结果，不知计算原理，不明所用的模型，不能分析结果，真正掌握物性推算的“核心技术”。（2）国内许多高校的后续课程，如化工设计、化工计算等教学中也开始采用Aspen辅助教学，化工热力学作为这些课程的基础，采用Aspen进行热力学性质计算，无疑会使后续课程的基础更加扎实。

第7篇：流体的力学特征范文

一、引言

斑岩型矿床具有品位低、规模大、便于机械化开采特点，由于其经济意义巨大，其找矿勘查与理论研究工作一直是矿床学界的研究热点。现在斑岩型铜矿已是世界铜矿最重要的工业类型，储量占世界铜储量的 55.3%，且多集中在超大型斑岩矿床中。目前世界 99个200万吨以上的超大型铜矿中.斑岩型有63个。在中国，已查明30个矿床为斑岩铜矿，累计铜储量3274万吨，约占总储量的 44.01%。以下对当前斑岩型矿床领域研究的重点问题进行逐一总结与分析。

二、斑岩型矿床的含义与特征

斑岩型矿床的研究历史可概略的分为3个阶段：①20 世纪七八十年代，注重于矿床特征、蚀变系统和矿床成因研究；②20 世纪 90年代，聚焦于成矿环境和构造控制研究；③本世纪初，更加关注于成矿地球动力学背景研究。最近十多年来，在斑岩型矿床的斑岩起源、热液系统、成矿系统、构造控制和动力学背景等研究方面，均取得了诸多新认识和新进展。

斑岩型矿床的名称是从斑岩铜矿床演变而来的，近20年来，除斑岩型铜矿外，人们发现许多金、钼、钨、锡、铀等矿床在地质特征、含矿性、形成条件和分布规律方面与斑岩型铜矿具有某些相似性，因此将斑岩铜矿的概念扩大到除铜以外的其他金属矿床中，称之为“斑岩型矿床”，泛指产在斑岩类岩体及附近大范围分布的浸染状和细网脉状矿床。

斑岩型矿床的一般特点为：(1)金属矿化在斑状侵入岩及围岩中呈浸染状或细网脉状产出；(2)无论在空间分布上，还是在形成时间上，金属矿化与浅成侵入岩具密切关系；(3)大多数含矿侵入岩为钙碱性或碱性岩浆岩系列；(4)典型的含矿斑状岩浆岩组合为花岗闪长岩、花岗岩或闪长岩、正长岩；(5)与钼矿床有关的侵入岩大都为钙碱性长英质火成岩；(6)含矿侵入岩体大都为复式侵入杂岩，金属矿化仅与其中某一期侵入岩有关；(7)金属矿化与岩脉群和角砾岩管伴生，角砾组份复杂，磨圆度高；(8)含矿侵入岩体及围岩均遭受到普遍的和强烈的断裂与破碎作用；(9)尽管大多数矿化地段受断裂控制， 但是在一些矿床中，浸染状金属矿石占有很高的比例；(10)尽管各金属矿床在热液蚀变类型、强度和规模等方面变化很大，但是代表性的蚀变带普遍存在， 并具一定的分带性；(11)在部分矿区，风化淋滤可以造成金属元素次生富集。

三、斑岩型矿床的大地构造背景

随着板块构造理论的迅速发展，人们对斑岩铜矿的认识也越来深入。近年来研究发现，世界级规模的斑岩铜矿不仅产出于岛弧或陆缘弧环境，而且还产出在碰撞造山带环境，如青藏高原碰撞造山带。

从斑岩铜矿在全球的分布来看，会聚板块边缘无疑是斑岩铜矿最重要的成矿背景。但有利于斑岩铜矿成矿的构造环境并不是单纯的俯冲和挤压。有研究者通过对智利北部地区的详细研究，认为有利于斑岩铜矿形成的构造背景因素包括：①上地壳处于较长时期挤压状态后的应力松驰期；②成矿域存在早期深大断裂，而且这些断裂在应力松驰期活化张开。

斑岩型矿床含矿斑岩主要与俯冲背景下产出的钙碱性中酸性火成岩有关。岩性多为斜长花岗斑岩、二长花岗斑岩及正长花岗斑岩，岩体直径一般小于2千米，具有多期次侵位特点，常发育隐爆角砾岩筒。出于找矿工作的需要，人们试图找出含斑岩与无矿斑岩之间的差别，但目前还没有取得一致的结果。中国主要斑岩铜矿的斑岩岩石的 SiO2变化于62.18%～70.65%，为中酸性花岗质岩石。随 SiO2和分异指数的增大，矿化类型依次更替的顺序为：铜金型-多金属型-铜或铜钼型-钼型。

四、斑岩型矿床成矿物质来源

斑岩型矿床一般形成于地壳中1.5～4km深度的浅成环境。有时斑岩矿床形成深度可以变化很大，可以从小于1km的火山型斑岩矿床到深达10km的深成岩型斑岩矿床。随着含矿斑岩侵位深度的不同，矿体在斑岩体内部与围岩中分比例亦大有差别。

目前国内外大多数学者都赞同斑岩型矿床矿质和成矿热液是由中酸性岩浆在上侵过程及侵位后的结晶过程中， 由于温度、压力等物理化学条件的改变而析出， 并在有利的部位富集成矿。斑岩铜矿成矿作用经历了早期岩浆阶段和晚期大气水阶段，然而在搬运和沉淀矿石的是早期岩浆热液还是晚期来自围岩的流体的认识上还存在争论，这一分歧也扩大到金属、S以及其它组分的来源方面，特别集中在成矿元素是源自结晶岩浆还是通过对流流体从围岩中萃取的。一种观点认为成矿元素Cu源于围岩，证据出自稳定同位素、热质输运数值模拟、流体包裹体以及围岩成矿元素降低场等方面的研究。

五、总结

斑岩矿床的研究虽然取得了许多重大成果，但有些方面的研究还需加强。如含矿斑岩岩浆的成因机制，含矿岩浆中成矿物质的析离过程，矿化分带机制，脉体特征及成因机制，斑岩矿床中物质演化、应力演化、蚀变矿化作用之间的成因关系等等。此外，斑岩矿床还要加强系统的成矿作用动力学研究，它包括岩浆形成的动力学、岩浆侵位的动力学、岩浆结晶演化的动力学、蚀变与矿化作用动力学、应力演化的动力学、脉体形成的动力学和应力与化学反应藕合作用的动力学。

参考文献：

[1]黄永卫, 李光辉, 李林山. 黑龙江鸡东四山林场金银矿矿床成因及找矿标志[J]. 世界地质2008,27(1).

[2]侯增谦, 曲晓明, 黄卫. 冈底斯斑岩铜矿成矿带有望成为第二条玉龙铜矿带[J]. 中国地质,2001,28:27-29.

[3]李光明, 李金祥, 秦克章. 班公湖带多不杂超大型富金斑岩铜矿的高温高盐高氧化成矿流体：流体包裹体证据[J]. 岩石学报,2007,23(5)：935-952.

第8篇：流体的力学特征范文

[关键词]流体力学；船舶线型优化；应用；

中图分类号：U661.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0332-01

1 引言

在我国船舶计算流体力学以及计算机技术不断发展的情况，通过数值理论方式对船舶性能进行分析已经成为了重要、且较为新型的研究手段。对于计算流体力学来说，其是一门集计算数学、船舶流体力学以及计算机科学于一体的学科，在现今船舶操纵性能、阻力性能以及推进性能积极研究的环境下，成为了对船舶性能进行研究、预报的重要工具。作为一种对船型优化的新手段，其目前在我国内外得到了较多的应用，已经具有了较为成熟的开发特点，且已经形成了较多的软件类型，应用在船舶升沉、流场以及船舶阻力计算当中。虽然CFD理论方式在定量精度方面还存在着一定的不足，但依然能够为我们带来重要的提示，为我们线型阻力性能的评价以及比较具有重要的帮助。

2 计算软件简介

对于RAPID软件来说，其是上海船舶运输科学研究所从荷兰引进的CFD软件，对于该软件来说，其对非线性势流问题进行了较好的解决，即通过一系列线性问题的应用对非线性、完全稳定的问题解决方案进行得出。在每一次迭代当中，问题都能够在同距自由液面一定距离位置通过等源网格方式的应用进行解决，并以同DAWSON较为类似的方式对自由液面条件进行处理，能够对船体周围稳定的波系、兴波阻力以及非粘性流进行计算。同时，其也通过基于raised-panel方式的迭代应用对非线性的势流问题进行解决。通过该软件的应用，能够有效对兴波阻力以及波浪的形成情况进行减小。在计算结构当中，其以可视化的方式对船体表面压力场分布、流线方向、船波系特性以及速度场分布等进行了显示，且在压力分布当中也对粘性流改善方向进行了指出。通过计算获得的升沉、兴波阻力、波系等数据的应用，设计人员则能够更好的对其设计方案进行评估以及改进，对减少船舶阻力线型的改进方向进行判断。可以说，通过改进方案RAPID结果的研究与分析，则能够对改型方案的减阻效果进行验证，在能够对多个线性方案设计计算进行优化的基础上同传统模型方式相比能够有效实现研究周期以及研究成本的降低。

3 船型参数与线型比较

在本文中，以一艘典型的大型船进行研究。在上图中，实线标识的是圆型横剖曲线，联系RAPID计算结果可以了解到，对于该船来说，其在17站附近位置存在一个较为明显的波谷，对此，即对19站之前的横剖面积进行增加，并同时减小16、17、18站的横剖面积，在使整个肩部水线具有较为缓和特征的基础上对兴波阻力起到了积极的改善作用。同时，由于RAPID对势流理论进行了应用，即不能够对目标的尾性以及粘性进行计算，而在对以往经验进行联系的基础上，也对船体的尾部进行了一定的改动，即在将原有船尾削瘦之后对更为V型的线型进行运用。

4 原型同改型计算结果比较

4.1 CFD计算结果

在该环节中，我们对两个不同的船型进行了RAPID计算，并对压力场以及波形方面进行了比较。在经过波形以及压力场分布情况研究可以得到以下变化：第一，在完成改型之后，船侧波形同原型相比具有了较为明显的改善；第二，在球艏部，在改型完成之后，其在压力梯度方面具有了较为缓和的特征，低压区范围相较以往具有了缩小，且船尾压力过渡方面也具有了较为缓和的特征。而为了能够以更为形象的方式对波浪幅值进行描述，我们也在船侧位置对纵切波图进行了形成，沿船侧改型之后，波形幅值同之前相比具有了一定的改善，在完成改型之后，船体兴波阻力同以往相比较小。

4.2 EFD计算结果

为了能够对CFD的分析结果进行验证，我们分别对船体的原型以及改型方案进行了模型试验。从试验结果中可以了解到，在完成改型之后，其结果同原型相比具有了一定的提升，模型试验有效功率以及剩余阻力系数的比较情况如下表所示：

4.3 不同方法比较

从CFD计算获得结果可以了解到，同原线型相比，船舶在17以及18站位置的压力分布情况得到了较多的改善，不仅首尾波形具有了较好的改善效果，且船在兴波阻力方面同之前相比也具有了明显的减小。经过模型试验结果可以发现，在傅氏数0.134-0.204之间，船舶剩余阻力都具有了较为明显的减小，而在傅氏数增加的情况下，船舶阻力降低的百分比也将随之增加，根据模型试验结果可以发现，能够对CFD计算结果进行验证，即能够对优化的目标进行形成。

5 结束语

在上文中，我们通过CFD计算方式的应用对原型以及改型两个不同的方案进行了分析以及计算，通过对船波系特性、速度场分布以及表面压力场分布情况的计算，则能够在对线性优化改善方向进行定性的基础上设计出具有较好阻力性能的线型优化方案。同时，也对线型优化前后的模型试验进行了比较，经过比较可以了解到，同原型相比，在完成改型之后，传播总阻力以及剩余阻力系数都具有了较大的减少，同CFD计算结果一致，并因此对CFD在定性上的准确性进行了验证。同时，在目前模型试验当中，如果直接对模型的兴波阻力进行测量，则将具有较为困难的情况，对此，其还不能够对CFD方式计算获得的数值给出具体评价，需要在未来研究当中不断优化提升。

参考文献

第9篇：流体的力学特征范文

[关键词] 力学 学科 发展报告

福建省力学学科在广大的省内力学工作者长期不懈努力下，通过与国内外同行广泛交流、相互学习，以及不断从国内外引进优秀力学人才，近十年来取得不少成果。目前，虽然总体上在国内还无法处于先进行列，但在某些领域的一些研究成果达到了国内甚至国际先进水准，国内影响也日益增加。但是，福建毕竟是力学小省，从事力学研究的队伍很小，真正从事力学理论、基础研究的人才更少。迄今，我省高校还没有设置力学专业，更没有力学或航空航天学院。正因为我们没有强大的力学研究队伍，我们的研究成果不够系统，也无法形成国内外影响力大的研究团队。力学是目前世界上发展非常快的一个学科，是众多工程技术的基础，其研究成果被广泛应用于先进的航天航空技术、舰船技术、兵器技术、尖端的建筑领域、车辆技术、机器人技术、高速精密机床、电子技术、防震救灾等等。力学学科强的省份，其工程技术各个领域普遍也强。由于经济实力有限，福建省同其他一些省市一样，对力学等基础学科重视不够，导致工程技术人才队伍总体素质不是很高，研究后劲不足。除了高层建筑、大型桥梁、水库等事关国计民生的大项目外，很少见到生产企业借助力学寻找疑难问题的答案，或开发设计新产品。为此，总结力学学科发展，不仅仅是有助于本学科更快更好的发展，更重要的是促进力学对工业进步的推动作用。此外，还可以帮助年轻的力学工作者、力学爱好者，以及政府有关部门，更快更好了解我省乃至全世界力学发展动态、应用与存在的问题，促进力学人才队伍的发展壮大。虽然我省力学人才数量与培养机制在国内处于劣势，然而，力学学科也同其他学科一样， 有能力、也期待在海西建设中发挥更大的作用、得到更快的发展。

目前，我省力学学科研究领域主要集中固体力学、流体力学、计算力学、机械动力学与控制、细观力学、实验力学、结构力学等方面。研究内容既有理论方面的，也有许多工程实际应用的，还有关于力学教育的。本学科报告将根据上述7个领域展开。

1固体力学

固体力学研究变形固体在外界因素（如载荷、温度、湿度等）作用下受力、变形、流动、断裂等。包括杆件及理想弹性体变形和破坏；变形固体塑性变形与外力的关系；细长杆稳定性理论；杆系结构、薄板壳以及它们的组合体；裂纹尖端应力场、应变场以及裂纹扩展规律。复合材料构件的力学性能、变形规律和设计准则。固体力学不但促进了近代土木建筑、机械制造和航空航天等工业的进步和繁荣，而且为广泛的自然科学提供了范例或理论基础[1-2]。大到桥梁、航天航空器、核动力结构，小到计算机芯片、生物组织以及近年来高速发展的微/纳米机械等都需要借助固体力学理论和方法。

1.1 我省固体力学研究现状

1.1.1 断裂与疲劳方向

通过三点弯曲疲劳试验，分别跟踪监测了40Cr钢及它的两种表面处理试样疲劳损伤过程，得出了40Cr钢经过两种表面处理对其疲劳裂纹萌生寿命有显著影响的结果，提出了对疲劳裂纹萌生寿命测量的一种新方法[3]。根据材料对称循环持久极限和静载强度极限，导出任意循环特征下材料持久极限的估算公式。通过非线性有限元方法对橡胶―钢球支座的橡胶层与钢球粘结界面上及橡胶中间层在扭转载荷作用下存在中心裂纹和环形边缘裂纹的情况进行了数值模拟，给出撕裂能与裂纹尺寸、载荷和橡胶层厚度的关系曲线[4]。针对抽油机井常用油管在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场，并进行了有关的疲劳实验，以得到油管的疲劳强度。

* 第一执笔人：严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

1.1.2 板壳、薄壁杆件及复合材料方向

利用群论方法提出周期区域的分片正交多项式连续函数，在周期区域内利用正交分片多项式逼近位移函数可以大大地降低计算量[5]。推导了一般各向异性板弯曲的积分方程，运用加权残数配点法求解了正交各向异性板弯曲的积分方程。提出了两种新的近似基本解加权双三角级数广义各向同性板解析形式的基本解和加权双三角级数的叠加。根据Timoshenko几何变形假设和Boltzmann叠加原理，推导出控制损伤粘弹性Timoshenko中厚板的非线性动力方程以及简化的Galerkin截断方程组;然后利用非线性动力系统中的数值方法求解了简化方程组[6]。假设翘曲位移及切向位移的分布函数，考虑剪切变形的影响，利用最小势能原理建立了单位均布畸变荷载作用下的薄壁杆件畸变角微分方程[7]。采用一般解法对该畸变角微分方程进行求解，并推导求解的初参数法。采用加权余量法提出一个简支工字型梁在横向荷载作用下临界荷载的计算公式；利用这个式子算出的值与试验结果以及其它数值方法等得到的结果吻合得很好，说明文献[7]提出的公式能迅速、有效地计算薄壁杆件的横向临界荷载。以均布荷载下的抛物线钢管拱为研究对象，在考虑双重非线性的有限元分析基础上，提出纯压钢管拱稳定临界荷载计算的等效柱法[8]。提出了基于杆件连续分布的结构优化方法，优化结果不仅更接近理论解，而且克服了理论解的非均匀各向异性材料的制造困难，也完全避免了各种数值拓扑优化普遍具有的数值不稳定问题[9]。

1.1.3 弹性动力学方向

分析了一般粘弹结构特征值问题的特点，建立了一般粘弹结构的模态分析方法。与粘弹结构已有的模态分析方法相比，该方法通用于更一般的粘弹结构，在形式上不涉及粘弹本构关系项，并只涉及一种模态向量[10]。导出了时间步长内计算扰动的确定方法，并进一步采用同步计算消除计算扰动效应和后续步计算消除计算扰动效应，两种途径抵消其不利影响。基于Distorted-Born Iterative方法，提出了一种求解弹性波强非线性逆散射问题的迭代方法。在数值模拟运算时利用矩阵法进行离散处理，并采用正则化原理避免求解病态矩阵方程。应用多重尺度法推得从平方非线性振动系统势能井逃逸的时间。近似势能法用于克服非线性带来的困难。推导了系统的运动学、动力学方程。分析表明，结合系统动量及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上，给出了系统参数未知时由空间机械臂末端惯性空间期望轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的增广自适应控制算法。在高速公路刚架拱实桥动测及单车荷载作用研究基础上，建立多车荷载激振模型，发展了研究刚架拱桥车激共振特性的可视化仿真方法，探讨刚架拱桥在高速多车荷载作用下的共振条件，分析车距、车速和车数对竖向瞬态振动峰值的影响，编制运行多车荷载下振动仿真分析可视化程序。提出了基于压力传感器的汽车重心实时监测机理的力学模型。利用该模型能实时监测汽车的整车重量、重心位置，提供安全装载和安全车速监测与报警，可为汽车安全系统提供可靠的重心计算力学模型，为研制汽车重心实时监测系统提供了必要参数与依据。论述数值计算中新的小波基无单元方法，即用小波基函数取代传统无单元方法中的幂级数基之后，使无单元法具有了小波变换的局域化和多分辨率等优良特性，并能有效地克服有限单元法的网格敏感性和单元之间应力不连续现象，从而不但拓展和丰富了无单元法的理论内容，也为其工程应用开辟了新的途径[11]。

1.1.4 工程应用

推导了T型截面梁的弯矩-轴力-曲率关系，提出了分析大偏心体外预应力筋的应力增量和梁弯曲性能的通用方法。比较荷载作用前后，转向座和锚具的变形差，计算出体外筋的应变和应力。因此这一方法考虑了体外筋的变形协调条件，同时自动地考虑了体外筋偏心距的损失。以B样条函数结合配点法直接求解框剪间有限个作用力与力矩，导出的递推公式对任意水平荷载可直接应用。采用动力特解边界元法在时域内求解坝-水-地基动力相互作用问题特性，研究了坝体、地基和系统阻尼对坝体的动力特性、动水压力、动力放大系数及稳定系数的影响。提出了一种求解柔性多体系统控制方程数值方法，在每一时间步，利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值，基于控制方程及约束方程的泰勒展开，推导出Newton-Raphson迭代公式，对位移及拉格朗日乘子进行修正。引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。提出了地震作用下摩擦耗能支撑参数优化的一种新的数学模型，在给定的几条地震波作用下，在满足框架的规范层间位移角限值要求下，框架各层安装的耗能支撑刚度之和最小，从而实现安装较少的耗能装置而能达到相同的抗震要求[16]。

1.2 与国内外发展现状的对比与不足

整体上，我省还没有建立起几个系统、稳定的固体力学研究方向。与国内外比较尚处于相对落后的研究水平。许多研究领域尚处于空白。系统性、原创性研究成果就更少了。

1.3 国内外固体力学发展趋势预测

固体力学的研究对象向跨尺度和复杂性方向发展；研究手段以跨学科、交叉性和系统性为特色。 其基本理论以研究力与热、电、磁、声、光、化学及生命领域的相互作用，实现从原子、分子的微观结构到纳米结构、细观显微结构，直至宏观结构的多尺度关联理论框架的建立。固体力学可以将地震、边坡失稳、泥石流、矿井崩塌等自然灾害提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续、非均匀介质的力学演化过程，预测和防范突发灾害的发生。固体力学在陆地和海洋石油勘探采集和输运、核电技术、风能技术、高坝技术和高功率水力发电技术、大型工程结构的选址等重大工程中也将发挥愈来愈重要的作用。集传感功能和驱动功能为一体的智能材料和结构蕴含着许多与传统领域不同的力学问题。新型材料与结构的多场耦合力学，包括力－电－磁－热耦合场基础理论与体系、破坏理论、智能结构性能等是固体力学领域充满生机的研究方向。 利用生物学和生物技术来设计材料与器件将极大地冲击整个工程界、生物界和医学界。

1.4 我省固体力学发展对策

目前普遍强调工程应用的大社会背景对力学这门基础性学科的发展是极为不利的。鼓励自由探索，促进系统性、原创性、基础性的研究工作是促进力学学科发展的最重要基础工作。主要体现在如下几个方面：

（1）固体力学作为影响广泛的重要基础学科，需要长期、稳定地投入。自由探索和基础研究是科学新思想、新理论和新方法的重要源泉。需要以全面发展的观点长期稳定地处理好基础研究、应用基础研究和工程需求的关系，营造在各方面都鼓励创新的环境。

（2）人才培养，特别是充分发挥优秀人才作用是力学学科发展的重要源泉。建立有利于人才培养的长期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才评价体系，力学学科的科学研究和人才培养尤其要避免急功近利。各高校在力学学科的建设上不能以其能否直接解决工程实际问题为取舍的依据，而要以现有人才和研究基础为依据。稳定、扎实的力学学科人才培养可以直接惠及众多相关学科的发展。

（3）从固体力学学科的性质、现状和发展趋势，以及国家需求来看，目前的重要科学问题和前沿领域主要有：微纳米力学、多尺度力学与跨尺度关联和计算、新材料与结构的多场耦合力学、生物材料与仿生材料力学、科学与工程计算与软件、仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法。国家建设需求的重要支撑点和应用发展方向主要有：固体强度与破坏力学、计算力学软件、固体力学在国家安全以及航空航天工程中的应用、大型工程结构与工业装备的力学问题、爆炸与冲击力学、环境与灾害关键力学问题等。

2流体力学

2.1 计算流体力学

流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体的运动以及流体和其它介质间相互作用和流动的规律。流体涉及面广，它可以是气、水，也可以是油或其它流变物质。流体力学在气象、水文、石油勘探、船舶、飞行器和工业机械等领域均有广泛应用。流体力学数学上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各种变化。

空气动力学是流体力学针对空气运动问题的一个分支，也是流体力学研究的一个主要内容。20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空器的研究需要了解飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪中后期，流体力学开始和其他学科互相交叉和渗透，形成了新的交学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等。

流体力学研究的手段主要有三：实验，理论分析，数值计算。理论分析是根据流体力学基本方程，通过数学方法进行分析，得出各种定量和定性结果。由于流体运动的复杂性，实验方法在流体力学中占有重要的地位。现代流体力学就是在纯理论的古典流体力学与偏重实验的古典水力学结合后才蓬勃发展起来的。实验对于验证流体运动的基本规律，测定经验参数，解释物理现象均有重要意义。

随着计算机技术和各种高效计算方法的发展，使许多原来无法用理论分析或实验研究的复杂流体问题有了求得数值解的可能性，形成了“计算流体力学”学科。从20世纪60年代起，在飞行器和其它相关工程的设计中，开始大量采用数值模拟，使得数值模拟成为与实验和理论分析相辅相成的一个重要研究手段，并正在成为流体力学的主要发展方向。数值模拟方法特点如下：

①给出流体运动区域内的离散解，而不是一般理论分析方法所关注的解析解；

②它的发展与计算机技术的发展直接相关，因为复杂的流动问题要求大计算量的运算；

③若物理问题的数学模型是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。

厦门大学在计算流体力学学科开展了多方面的研究，其主要研究力量分布在数学、海洋、化学、材料、物理机电等院系，并建立了多套高水平的大型计算服务器。特别值得一提的工作是：数学科学学院在可压和不可压粘性流体数学模型的理论探索和高阶数值模拟的研究中取得了具有国际水平的成果，丰富和发展了下面几个重要方法:

2.1.1 谱方法（Spectral method）[17-19]。该方法是一类高阶方法，它利用整体高阶多项式逼近偏微分方程的解。它主要有两种形式：从弱形式出发的Galerkin谱方法和从强形式出发的配点法，它们都可以认为是加权残差法的特殊形式。其中配点方法更像差分法，它要求在配置点上满足原方程，与差分法不同的是：它用高阶多项式的准确求导代替了导数的差分逼近。Galerkin谱方法与有限元方法在原理上类似，都是先将偏微分方程定解问题转化成与之等价的变分形式，然后通过试探函数和检验函数的选取来逼近解，它们的主要不同在于试探函数和检验函数的选取以及高维情况下基函数的构造。谱方法的收敛速度取决于解的正则度，当解无限光滑时可以达到指数阶收敛，即比任何代数阶的收敛速度都快，这是谱方法相比差分法和有限元法的一个主要优点。

2.1.2 拟谱法和谱元法[20-21]。拟谱方法（Pseudo-spectral method）是一类准谱方法，可以通过从弱形式出发的广义Galerkin谱方法构造，也可以由强形式出发的配点法得到。两者在某些特殊情形下是等价的，但对绝大多数问题，配点法无法导出简洁的弱形式，导致理论分析十分困难。现在配点法正渐渐淡出研究人员的视线。基于广义Galerkin方法的拟谱方法的构造分两步：首先构造问题的Galerkin谱方法，然后利用高精度Gauss型数值积分近似弱形式中的积分。有别于标准谱方法中使用的正交多项式基，在拟谱方法中，基函数通常选择基于数值积分的Lagrange多项式基，这给计算，尤其是非线性问题的计算带来了很大的便利。由于Gauss型数值积分的高精度，在大多数情形下拟谱方法的收敛速度与谱方法相同。传统意义下的谱方法对于复杂区域的处理能力极其有限，这限制了它的应用范围。20世纪80年展起来的谱元法（spectral element method）很好地解决了这个问题。谱元法结合了谱方法和有限元法各自的优点，既能处理复杂的计算区域，又有谱方法的高精度，它在不可压流体的计算中取得了很大的成功，如今已是计算流体中最常用的方法之一。谱元法与hp-有限元方法很相似，但两者在发展的初期有许多不同点，hp-有限元使用的多项式阶数不高，所使用的基函数也与谱元法不一样。不过随着两类方法的发展，它们呈现出越来越多的共同点，有些学者已把两类方法归结为同一种方法。由于谱方法还具有低耗散，低色散的优点，如今它已成为湍流数值模拟的主要方法。

2.1.3 湍流大涡模拟（Large eddy simulation，LES) [20-22]。 自然界中的流体运动主要有两种形式，即层流（laminar） 和湍流（turbulence），层流是指流动时流线相互平行的流动，而湍流则是无规则脉动的，有强的涡旋和掺混性。目前一般的看法是：无论是层流还是湍流，它们都服从Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流运动特征尺度的多样性，一般来说，直接数值模拟(DNS)仅局限于湍流机理的基础理论研究和一些较简单的问题。湍流大涡模拟（LES）是介于DNS和雷诺平均NS(RANS) 之间的一个折衷方法。LES需要的网格点数比DNS大大减少，这使得它能够应用于许多实际工程计算中。LES仅计算大尺度部分，而亚格子尺度运动（SGS）通过附加模型实现。目前广泛使用的SGS模型有1963年Smagorinsky 提出的“涡粘性” 模型及其变种，如“尺度相似性” 模型，“动力学模型”，“代数涡粘性”模型和“重正化群”模型等，这些模型均在某些特定的情形和适当的假设下适用， 且跟所选择的数值方法相关。较新的LES模型包括速度估计模型以及无(显式)模型的单调积分LES(MILES)和谱消去粘性（Spectral vanishing viscosity， 即SVV)LES。MILES的基本思想是借助非线性高频限制器来限制高频波段上的能量振荡，可以起到与显式SGS模型同样的效果。而SVV-LES是在谱元法框架内提出的，其基本思想是通过引入线性高频粘性项来抑制可解尺度量在截断频率附件的震荡。与其它LES方法相比，SVV-LES简单且无附加计算量。

3计算力学

20世纪50年代，随着计算机的发展，计算力学这个力学和科学计算的交叉学科得到了快速发展，特别是60年代后有限元法及其相应软件产业的迅猛发展，使得计算力学这个新兴学科迅速渗透到土木、水利、机械、航空、电子及生命科学等各个领域，成为计算机辅助设计（CAE）的重要核心内容，也使得力学这个传统的学科焕发了新的强盛的生命力。在当今科学研究和工程实践中， 科学计算已经成为与科学理论、科学实验并行的重要科学方法。2006年美国自然科学基金委员会了《基于数值模拟的工程科学》的研究报告，明确指出计算力学和数值模拟在工程科学发展中的重要地位。

近年来我省科技工作者在计算力学及其工程应用方面开展了积极的研究工作，取得了一定的科技成果。在计算力学方法方面，我省学者系统地发展了土木水利、机械、航空航天等领域常见的梁板壳结构的高效无网格分析方法，该方法采用整体坐标建立板壳无网格近似，不仅简便直接，适用于任意复杂形状的壳体，并且可以避免参数变换，大大提高了计算效率。同时该方法利用稳定节点积分构造离散方程，兼顾了稳定、效率和精度，为快速准确地分析和设计这种类型结构提供了一种有效的数值工具。同时，针对福建省暴雨天气常见的土质边坡失稳而产生的滑坡问题，建立了暴雨条件下土质边坡突发失稳的大变形高效无网格模拟法，该方法可有效模拟失稳剪切带所引发的边坡非线性大变形损伤破坏全过程，实现边坡失稳的高效无网格法全过程仿真分析，可为暴雨条件下边坡工程的设计施工、滑坡灾害的预报、预防和加固处理提供理论依据和指导，有重要的理论和实际工程意义。另外，在杂交元研究方面提出了基于基本变形模式的正交化单元构造方法，不仅概念明晰，而且由于不依赖于材料参数而大大提高了计算效率。并且，在拓扑优化方面提出了类桁架结构连续体的拓扑优化方法，有效地避免了棋盘格问题。这些计算力学方法所取得的研究成果得到了国内外同行的引用和认可。

在工程应用方面，我省学者对汽车减震及管道密封橡胶构件的受力断裂行为进行了非线性有限元和无网格分析和模拟，提出了合理的设计方案。对于大型土木结构例如大跨桥梁、大坝与深水进水塔以及深埋特长隧洞等结构，应用有限元法进行了动力抗震抗风分析，取得了满意的结果，提供了有效的工程服务。另外，应用从微观第一原理到宏观有限元无网格计算的多尺度高性能计算方法，成功地进行了材料微观设计。

虽然我省计算力学研究与应用已经得到快速发展，但在国内仍然处于相对落后的地位，表现在原创性研究偏少，参与解决工程实际问题不够。当前我省相关科研工作者应抓住海西发展的大好时机加大科研力度，争取在高性能计算方法、大规模工程问题数值仿真分析、灾害条件下工程机构性能的计算模拟及评估预防、先进的汽车仿真方法与应用以及高性能材料计算设计等方面取得新的突破，同时密切联系实际，切实提高解决海西建设中的工程技术问题的能力。

4机械动力学与控制

近年来，福州大学、厦门大学、福建农林大学、华侨大学等在机械动力学与控制方面做了不少工作。我省的机械动力学与控制在以下几个方面的研究在国内具有较鲜明的特色和一定的影响力。

4.1 机器人系统动力学与控制问题的研究

福州大学在单臂、多臂、柔性臂空间机器人系统的运动学规划、动力学分析及控制系统设计等方面进行了系统的研究工作。他们研究了载体姿态无扰、末端爪手障碍规避、机械臂关节受限等不同目标要求下的多种运动学规划方法。在控制系统设计方面，分别给出了单、双臂空间机器人关节空间轨迹及末端爪手惯性空间轨迹跟踪的非线性反馈控制、变结构滑模控制、Terminal滑模控制、模糊变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、复合自适应控制、终端滑模自适应控制、鲁棒自适应混合控制、自适应Backstepping滑模控制、自适应模糊滑模控制、基于模糊神经网络的动力学控制、基于速度滤波器的鲁棒控制、模糊小波神经网络控制、模糊基函数自适应神经网络控制、基于RBF神经网络的自适应补偿控制、模糊神经网络自学习控制、神经网络前馈控制及闭链双臂空间机器人基于内力优化配置原则的滑模变结构控制、RBF神经网络滑模补偿控制等一系列相关的控制方案[23-35]。在柔性臂空间机器人控制系统设计方面，给出了各类期望运动的Terminal滑模控制、Backstepping反演控制、于奇异摄动法的Backstepping反演控制、关节运动自适应控制及柔性振动的快速实时抑制、运动模糊控制及柔性振动主动抑制、运动鲁棒跟踪控制及柔性振动主动抑制等多种控制方案。其成果以150余篇论文形式，在国内外学术期刊及会议上发表与交流。此外，福州大学还开展了爬墙机器人安全系统的控制研究，对其提出了变结构控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 机械系统动力学研究

福州大学针对立井提升系统动力学与控制、摊铺机和振动压路机动力学分析、以及汽车底盘动力学控制[38-42]等方面进行了系列研究，分析了影响提升设备动力学特性的有关结构参数、运动参数，提出了减少其工作过程振动的变结构控制与模糊控制方法；针对高等级道路建设中重要设备――摊铺机的国产化改造与开发设计，系统研究了其工作原理、动力学特性等，建立了相关的动力学模型，确定了影响整机正常工作的动力学特性及其影响因素；为消化吸收并赶超国外先进的汽车电子控制技术，开展了系统的汽车底盘总成的动力学与电子控制技术的系列研究，其研究成果有助于相关新产品的问世或改进。福州大学还对轴向运动弦线横向振动控制进行了多种控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指导相应产品的开发设计。

4.3 研究不足与展望

迄今，还没有系统地将机械动力学及其控制的研究成果应用于产品开发与产品的更新换代中。目前，国内急需高精尖机床的开发技术与动态分析优化技术等。我省目前是工程机械大省，但还不是强省，进一步提高相关产品性能与可靠性，仍然需要开展大量的工作。我省的工程机械产品的更新换代（如集成优化、计算机智能控制等）、工程机械新产品开发设计与分析、汽车整车集成优化与设计分析、新型汽车电子控制系统开发设计、高速设备性能分析与改进、机械设备计算机智能故障诊断、微型机械产品开发设计等等，均以力学的分析研究为其成功的关键。

为改变这个落后局面，尤其是海西经济建设中更好发挥力学的作用，需要政府、企业、高校等投入更多人力物力，更积极主动地对重要机械产品、大批量生产的机械产品与汽车等开展机械动力学分析研究，对相关进口软件进行二次开发或早日开发出自己的专用机械动力学分析软件，以提高企业的产品开发能力与开发速度。同时增强完善实验能力与手段，实现对重要机械产品开展动力学特性实验，以确保产品性能稳定与可靠性。积极利用国内外的动力学研究成果，开展重要设备、大型设备、危险设施或设备的动态故障诊断研究，确保这些设备、设施安全可靠高效地运行。

5细观力学

细观力学是固体力学的一大分支，即采用连续介质力学方法分析具有细观结构的材料的力学问题，是固体力学与材料科学的交叉学科，其发展对固体力学研究层次的深入以及对材料科学规律的定量化表达都有重要意义。

前几年我省在细观力学方面的研究进展不多，近几年来才有所发展。研究主要集中在PZT和PLZT铁电陶瓷的电致疲劳机理，微观电畴原位观测，应力、高温、腐蚀性环境介质等耦合作用下固体材料的微结构和变形断裂行为的演变规律等几个方向：

①根据铁电材料自发应变与自发极化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自发极化过程中材料能量密度是变形梯度和电位移向量的非凸函数，从能量角度出发，导出铁电铁弹材料的自极化稳定构形所应满足的必要条件，利用两电畴的Gibbs 自由能之差作为畴变方向的判据，由要求板的Gibbs 函数最小来确定畴变量的大小。②进行了PZT 铁电陶瓷四点弯曲试样在交变力、交变电场及机电耦合疲劳作用前后的微裂纹和电畴的观察，获得裂纹扩展与极化方向，加载类型之间关系。③发展了一种原位XRD观测电畴系统，对电疲劳过程中PLZT铁电陶瓷试样表面X射线衍射峰随疲劳次数的变化进行了原位观测。同时，利用SEM观察了疲劳前后试样的断口形貌，并系统地进行了电场特征和温度对PLZT试样电疲劳性能影响的实验观测。④基于Raman散射原理，建立原位观测电畴翻转的Raman测试系统，对三种不同预极化处理的PLZT试样在静电场作用、电循环作用下的裂纹尖端的畴变行为进行了系统研究；通过原位Raman观测PLZT材料在准同型相界附近的相变过程。⑤系统进行牛皮质骨在拉伸、剪切、撕裂三种载荷类型下的裂纹起裂韧性研究。研究了皮质骨中矿物成分对皮质骨动态粘弹性性能的影响，发现皮质骨中的矿物质成分存在将降低胶原纤维的可动性，增强材料的粘弹性特性。⑥对牙齿等生物复合材料的性能进行了研究，发现牙齿具有很明显的压电效应，压电性能与湿度和细管的分布密切相关。⑦研究在不同保护气氛中，不同退火温度对碳化硅纤维的材料断裂强度的影响，揭示了微结构的演变和宏观性能之间的相互关系。2004年3月29～31日，张颖教授于厦门组织召开了全国细观力学会议，清华大学，中科院力学所，浙江大学，同济大学，复旦大学等国内知名高校和研究所的众多教授、专家参加了本次会议。

细观力学和微纳米力学在全球、全国范围内正在迅速扩展和深入，具有多学科交叉的强烈特征，国际竞争非常激烈。我省学者在细观力学方面和微纳米力学方面的投入较少，今后应该在非线性，动态，多物理场，跨尺度、尺度效应，微纳米力学和器件等方面加大研究投入。

6实验力学

1991年，福建省力学学会成立了实验力学专业委员会。福建省力学学会实验力学专业委员挂靠福州大学土木工程学院。

为更好开展实验力学工作，经过多年多方面努力，我省实验力学条件不断改善。2006年6月福州大学“工程结构福建省高校重点实验室”被批准成立，2008年与台湾大学联合成立了“福建省海峡两岸地震工程研究中心”，2008年“土木工程本科实验教学中心”获批“福建省本科实验教学示范中心”。2008年福州大学土木工程学院实验中心拥有土木综合实验馆、工程结构实验馆、岩土及地下工程实验馆、水利工程实验馆等场馆，总面积超过1.7万多平米，现有仪器设备总价值超过6000万元。其中装备的美国MTS大型结构加载系统价值超过1280万元，共有7个作动器，具备静载全过程、疲劳、多维拟静力和多维拟动力试验功能。此外，正在建设的“福州大学地震模拟振动台三台阵系统”（价值2500余万元）包括三个振动台，其中中间为固定的4m×4m水平三自由度振动台，两边为2.5m×2.5m可移动的水平三自由度振动台各一个，三个台在12m32m的基坑内呈一直线布置，其中边台最大可移动距离10m，可实现多台同步或异步地震输入，拓展了地震模拟实验的空间，该台阵系统将于2009年12月全面建成投入使用。该台阵系统的建成将使福州大学成为目前世界上少数几个拥有地震模拟振动台台阵的单位之一。

7结构力学

结构力学是土木工程专业的专业基础课，涉及建筑工程、结构工程、道路工程、桥隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等数学、理论力学、材料力学等课程为基础，另一方面，它又成为钢结构、钢筋混凝土结构、土力学与地基基础、结构抗震等专业课程的基础，在基础课和专业课的学习中起着承前启后的关键作用。

为增强基础教育并提高结构力学在工程中的应用，自上世纪90年代初，我省高校兴起结构力学教学法研究热潮，把结构力学教学改革推向新的高度，对教学内容进行了模块结构改革，将结构力学教学内容归纳为基础型、扩展型和研究型模块。使用高等教育出版社出版的由龙驭球、李廉锟等教授主编的统编教材的同时，在结构动力学部分，融入结构抗风、抗震、车激振动等学科前沿知识，增加了隔震结构动力反应的内容，补充和修正了传统教学内容中关于“伴生自由振动”的相关结论，实现了与学生原有知识的有机融合；有两项重要教研成果：阶梯形变截面梁“图乘贴补简化”计算方法和刚架拱“考虑二阶效应影响线”问题引入课堂讨论，更新了教学内容。

上世纪90年代末，我省结构力学平面教材和多媒体立体化教材建设取得突破，先后出版了《结构力学解题与思考》（陈，中国矿业大学出版社，1999。2007年该书由煤炭工业出版社修订再版）、《广义结构力学及其工程应用》（陈，中国铁道出版社，2003）、《结构力学》（祁皑参编，清华大学出版社，2006）等。

正如王光远院士所指出，结构力学学科呈现出“从狭义到广义，从被动到主动，从确定到不确定，并与结构工程渗透融合”的发展趋势。我国在力学领域的理论研究已位居世界先进行列，但在应用软件的研制方面落后了一大步，具有自主知识产权的应用软件寥若晨星。结构力学作为专业基础教育与国际先进水平接轨，体现现代结构力学教育思想；完善教学资源库建设，加强国际教学交流是当务之急。根据工科专业特点，面向能力培养、面向工程实践、面向信息时代、面向一流水准，应是我省结构力学研究与教学所追求的目标。

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课题组成员：

1、严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

2、周瑞忠，福州大学土木工程学院教授（本文顾问）。

3、周克民，华侨大学土木工程学院教授。

4、许传矩，厦门大学数学科学学院教授。

5、王东东，厦门大学建筑与土木学院教授。

6、陈力，福州大学机械工程学院教授。

7、周志东，厦门大学材料学院副教授。