流体力学的常用研究方法精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的流体力学的常用研究方法主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：流体力学的常用研究方法范文

关键词：工程流体力学；计算流体力学；CFD软件及源程序；教学研究

中图分类号：G6420；TU 文献标志码：A 文章编号：10052909（2015）05015404

一、工程流体力学与CFD软件、源程序

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）软件通过计算机数值计算和图像显示后处理，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象作出系统的分析。目前，CFD 技术已经广泛应用到航空、航天、气象、船舶、水利、化工、建筑、机械、汽车、海洋、体育、环境等领域，取得了令人瞩目的成就。在现代科学技术高度发展的今天，计算技术已被引入到流体力学领域，使以前因计算过于复杂而影响进一步探讨的流体力学问题逐步得以解决，计算流体力学已经成为研究流体力学的重要方法[1-3]。常用的CFD计算软件有FLUENT 、CFX、Phoenix等。FLUENT 软件是目前常用的一套高性能的数值软件，是专门针对流体工程数值计算与仿真需求而开发的一种流体数值仿真软件。

工程流体力学课程教学内容主要分为流体静力学、流体动力学、相似和量纲分析、管中流动、孔口出流和缝隙流动等[4]。其中，管中流动主要研究圆管中的层流及紊流、管路中的沿程阻力、管路中的局部阻力及管路计算等，涉及到一系列的概念和理论公式，学生理解起来有点枯燥、困难[4-5]。通过利用FLUENT软件和源程序进行数值模拟这一环节，变枯燥的理论公式计算为生动的计算机数值求解，既提高了学生的学习兴趣，同时也使学生有了更多的感性认识和理性认识，增强学生解决实际问题的能力。在流体力学课程教学中， 有意识地穿插计算数学、Fortran语言编程、CFD知识，有助于学生理解流体力学公式及方程，

也可以加强学生对其他学科知识的理解和掌握，达到多学科之间的融会贯通， 触类旁通。为此，笔者对科研成果中相关源源程序、部分开源程序和CFD 软件在工程流体力学课程教学中的应用做了一些探索与实践。

二、 教学案例

（一） 圆管中的层流及紊流教学实例

在工程流体力学教学中，管中流动是主要章节的内容，涉及的理论和公式多，不易理解。圆管流动有层流和紊流两种流动状况。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。为加深学生对流速分布和压强分布规律的理解，在教学中可安排课外作业，设置用FLUENT软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，作出验证分析。

图1为圆管流动入口和出口边界截面的流速分布图（l=2m， d=0.1m）。取流动充分发展部分，离入流边界x/D=1.6的截面其流速分布如图2所示。可以看出流速沿半径Y方向成抛物线分布，与书中理论公式相符，如式（1）所示。通过数值模拟，学生对圆管内流动速度分布有了更深刻的认识。

由图3可以看出圆管内部压强分布从管口处向延伸方向逐渐减小，可知流速相应增大，符合流速大、压强小的流动定律，也符合圆管流动压降的原理。另外从入口处的压强分布可以看出，在圆管任何截面上，其压强分布也不是均匀的，也有分层现象。＼

图 3 圆管内部压强分布

图4为圆管轴线上的速度分布。由图可以看出，在圆管的轴上，进口段流速分布变化较大，从进口流速v1=0.005m/s急剧上升到最大流速umax=0.00 848m/s。层流入口段长度有经验公式可以算的，即

L≈0.058 dRe （2）

可算得入口段长度约为1.18m，由图4显示效果可以看出，流速在离入口1.1m到1.2m之间，即入口段长度约为1.1～1.2m，符合书中理论计算结果。

图 4 圆管轴线上速度分布

图5为圆管内部x轴方向不同截面的流速分布，可看出流速在截面上从入口到出口的变化。水流在圆管内部的流速分层很明显，靠近壁面处流速接近于零。

图 5 主流方向截面流速分布图

图6为圆管紊流充分发展段某一截面的流速分布图。从图中可以看出在紊流充分发展段，截面流速散点图最高处几乎为一条直线，说明圆管内大多数流体流速趋于稳定，而是更加平滑。紊流过流断面的流速对数分布比层流的抛物面分布均匀得多，这在理论上符合紊流流速的对数分布律，即：

uu=1Klny+C（3）

图6 Y方向中心轴线的流速分布

（二）管路中的沿程阻力教学实例

在流体力学教学内容管中流动一章的教学实践中，笔者利用前期研发的程序[6]设置了以半扩散角为4o、扩散度为3.92的锥形渐扩管路内的不可压缩流动数值模拟算例，旨在将对接科研成果的教学模式用于辅助工程流体力学课程教学实践。已知条件：锥形渐扩管路前接管直径为30 mm，后续管直径为50 mm，总长度为70 mm。管内流动介质为空气，进口速度为1m/s。 网格模型如图7所示。

图7 锥形渐扩管路系统内流场网格模型

数值计算结果如图8所示。从图中可清晰看出，在突然扩大段，压力逐渐增大，表现扩压效果，但中心线上的速度呈下降趋，若扩散角增大时，在渐扩段会出现局部回流区，这是造成局部能量损失的重要原因。

图8 锥形渐扩管路内压力场

局部阻力误差分析：对于锥形渐扩管的局部阻力，可以用包达定理的形式表示：

hζ=ku1-u222g（4）

其中，k为经验系数。由式可知，锥形渐扩管局部阻力损失理论计算公式为：

hz = ku1 - u2 22g = k1 - A1 A2 2×u21 2g = k1 - A2 A1 2×u22 2g（5）

其中A1为渐扩管上游横截面积，A2为渐扩管下游横截面积（m2），u1为渐扩管上游平均流速（理论值），u2为渐扩管下游平均流速（理论值）。A1 = πd21 4 = π×124，A2 = πd22 4 = π×224，u1=1 m/s，g=9.8m/s2 。代入（5）式得：

hζ理=0.004 305 m

实际流体的伯努利方程为[7]：

Z1 + P1 ρg + u21 2g = Z2 + P2 ρg + u22 2g + hf + hζ （6）

将仿真结果代入上式，其中Z1=Z2=0 P1=-0.03pa，P2=0.4pa，u1=1.06m/s， u2=0.58 m/s， hf=0， 得 hζ模拟=0.00 435m。误差率为：

η=hζ模-hζ理hζ模×100%

=0.00 435-0.004 3050.00 435×100%=1.03%

（三） 后台阶流动教学实例

为让学生对雷诺数有更进一步的感性认识，利用开源CFD程序[8]可设置后台阶流动教学实例，比较不同入流Re数时台阶后涡的大小和长度，现选择四种Re数工况的计算结果进行后处理，得到如图9所示的流线图。从图中可以看出，随Re数的增加，台阶后方主涡的大小呈增大趋势，在Re=1 000时在上方有次生涡的出现。

图9 不同雷诺数下的流线图

三、 教学实践中的几点体会

（一） 理论教学与数值实验教学的合理利用

在工程流体力学理论教学时可结合数值实验教学加以辅助，例如在管中流动一章教学时，可以用上述相关教学实例。由于在进行课堂演示教学时，依计算机性能及不同问题的规模难易程度，数值模拟求解的时间将有不同，要掌握合理数值模拟时间。可采取让学生安装CFD程序及软件，并要求学生事先自学使用方法，尝试数值预测，预习理论知识。然后教师理论教学时对学生预测结果进行抽样调查分析，将理论结果与计算结果比较分析。条件许可的话，也可以通过高性能集群提交计算作业，在较短的时间内获得计算结果。这样学生对复杂的理论就能有深入的认识，同时也锻炼了学生的科研能力。

（二）适当安排精选案例教学

课堂教学演示案例的选取应做到简单且具有代表性。 案例简单能够减少计算机的运行时间，使教学更加紧凑；而有代表性的案例贴近生活或工程实际，则有利于提高教学趣味，开阔学生的视野。由于课堂教学时间有限，因此应在简单演示教学案例的基础上，精心布置较为复杂的课外任务。

（三） 源程序和软件互补

在数值模拟教学中结合利用软件和程序。软件不是万能的，商用软件所能解决的问题是已在学术界得到充分研究的问题，对于科学研究来说，自己编程是必不可少的。一方面，自编程能更好地理解CFD具体实施过程，对商用软件的理解和使用也是有帮助的。另一方面，自编程序还可以更好地对接科研成果，用于工程流体力学课程辅助教学。

四、结 语

通过上述几个数值模拟实例可以看出，数值模拟过程并不太难，但结果更形象直观。借助计算机辅助手段，在工程流体力学课堂教学中，利用CFD软件及源程序进行数值模拟辅助理论教学， 将理论性较强的内容形象化，可以开阔学生的视野， 激发学生的学习兴趣和创新意识， 加深学生对基础理论的理解。此外，通过对接科研成果，用源程序进行数值实验教学还可以培养学生的动手能力和科研能力，丰富数值实验教学内容。参考文献：

[1]J.H. Ferziger， M.Peric.， Computational Method for Fluid Dynamics[M]. Springer，2002.

[2]张涵信，沈孟育.计算流体力学―差分方法的原理和应用 [M]. 北京： 国防工业出版社，2003.

[3]傅德薰，马延文.计算流体力学[M]. 北京： 高等教育出版社，2000.

[4]张也影.流体力学[M].2版.高等教育出版社，2009.

[5]郑捷庆，邹锋，张军，等. CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J]. 中国现代教育装备， 2007（10）：119-121.

[6]何永森，舒适，蒋光彪，等.管路内流体数值计算与仿真[M]. 湖南 湘潭： 湘潭大学出版社，2011.

第2篇：流体力学的常用研究方法范文

[关键词] 模块化 分层次 力学 课程体系

力学既是一门重要的基础学科,又是一门在绝大多数科学技术和工程领域具有重要作用的技术学科,特别在现代工程技术的发展与进步中起着重要作用。力学课程是工科院校中一类重要的基础课程。我校力学课程包括“理论力学”、“材料力学”、“工程力学”、“结构力学”、“弹性力学”及“工程流体力学”等。为了适应国民经济建设的发展对人才的需要,满足高等教育改革的要求,在“厚基础、宽口径、强能力”的思想指导下,以工程技术为背景,突出工程实践能力和创新精神培养,拓宽知识面,增强适应性。以培养学生的创新精神,培养创造性人才为核心,建立与之相适应的力学课程教学体系。

中国地质大学(北京)关于修订本科培养方案的原则意见中提出,新的培养方案要深化通识基础课和学科基础课的教学改革,实施分级或分层次教学。力学类课程作为学科基础性课程和专业基础课程在培养方案中起着承上启下的作用,但不同专业对力学类课程的要求不同,为此建立模块化结构的多层次力学课程体系,为满足不同专业的需要提供选择,达到提高教学效率的目的。

一、力学类课程单元模块的设置

力学类课程单元模块的设置要围绕为专业服务这个核心,课程体系构建要形成以能力培养为目标的课程功能模块;要以能力为中心构建力学类课程分层次教学体系,加强学生在分析和运用等方面能力培养,提高综合素质。课程单元模块的设置要做到统一性和多样性相结合,形成方向特色课程模块,满足不同专业学生个性发展和适应能力的需要,同时与专业发展、学科建设相互交叉,扩展学生知识面,使学生能形成合理的知识结构,增强学生适应能力和创新能力,提高学生综合素质。

以能力培养为核心,首先要按照“必需够用”的原则来设置课程单元模块,单元模块要突出应用性;其次要将力学知识与专业知识结合起来,增强力学知识的适应性,使知识能转化为能力;最后要加强学生创新能力的培养和拓展,强化能力水平的渗透性,让知识和能力“迁移可用”。根据以上原则,结合我校情况,共设置了22个模块,主要内容如下:

静力学(16学时):最基础的一个模块,要求掌握静力学基本理论、受力分析、力系的合成(简化)、力系的平衡及应用。

运动学(16学时):包括点的运动学和刚体运动学,重点是点的复合运动和刚体的平面运动。

动力学(16学时):重点是刚体和刚体系统的动力问题,包括动力学普遍定理及应用和动静法。

分析力学基础(16学时):属于扩展模块,主要内容为虚位移原理及应用、动力学普遍方程及应用、第二类拉格朗日方程及应用。

振动力学基础(16学时):专题模块,主要内容为单自由度系统的自由振动、衰减振动、无阻尼受迫振动及有阻尼受迫振动。

基本变形(32学时):重点研究杆件在轴向拉伸与压缩、剪切与挤压、圆轴扭转、梁的平面弯曲时的内力、应力、强度、变形、刚度计算等,本模块含实验4学时,包括材料力学性能测试和电阻应变测量技术的应用。

应力状态强度理论及应用(16学时):包括应力状态理论、常用强度理论及组合变形强度计算,此外将压杆稳定和动载荷与交变应力并入这一模块,含实验2学时。

能量法及静不定系统(16学时):属于扩展模块,包括能量法及应用、简单静不定系统。

静定结构(16学时):结构力学基本模块,含体系的几何组成、静定结构内力和位移计算。

超静定结构(1)(16学时):包括力法解超静定结构、位移法解超静定结构。

超静定结构(2)(16学时):力矩分配法、矩阵位移法、影响线及内力包络线。

结构动力学(16学时):结构力学扩展模块,包括结构动力分析、结构稳定性计算、结构的极限载荷3个专题。

弹性力学基本理论(16学时):弹性力学平面问题和空间问题的基本理论。

弹性力学基本解法(16学时):弹性力学平面问题基本解法(含直角坐标和极坐标),柱体弹性扭转、板的弹性弯曲。

弹塑性基本理论(16学时):应力分析理论、应变分析理论、应力与应变关系理论。

弹塑性基本方法(16学时):厚壁圆筒的弹塑性分析、柱体扭转的弹塑性分析、板的弹塑性弯曲、塑性极限分析理论及应用。

线弹性断裂力学(24学时):线弹性断裂力学理论及应用、复合断裂理论及应用。

弹塑性断裂力学(8学时):弹塑性断裂力学理论及应用。

损伤力学(8学时):损伤力学理论及应用。

工程流体力学基础(16学时):流体静力学、流体运动学、流体动力学基础。

工程流体力学应用(16学时):流体力学在工程的应用,含实验4学时。

有限元法基础(16学时):有限元素法的基本理论。

二、根据单元模块构建分层次课程体系

为构建适应不同专业的分层次力学课程体系,首先要与各专业负责人沟通,了解各专业培养目标中对力学课程的要求,在合理设计学生知识、能力、素质结构的基础上,力求科学地处理各单元模块及教学环节的关系,通过整体优化,改善课程结构,增强教学效果。同时要注意理论教学与实践教学的有机结合,密切注意学科前沿的发展和学生创新思维和创新能力的培养。对不同专业学生,要考虑到因材施教的问题。

课程内容要做到精而实。要对原有课程重新进行内容的融合、叠加、拆分和渗透,删除不必要的交叉和脱离实际的内容、增加与需求相适应的内容。将教学内容有机地组合成一种“有效、实用”的新型单元模块,在确保教学目标的前提下,实施课程内容的整合,将知识与技能组成灵活的教学单元,以提高课程设置的实用性,实现最佳教学效果。

在设置单元模块和与专业结合的基础上,根据21个模块可以方便灵活地组成不同层次、适应不同专业的力学课程,如工程力学课程:

工程力学A(48学时)=静力学(16学时)+基本变形(32学时)

工程力学B(64学时)=静力学(16学时)+基本变形(32学时)+应力状态强度理论及应用(16学时)

工程力学C(64学时)=静力学(16学时)+基本变形(32学时)+工程流体力学基础(16学时)

其中,工程力学A适应我校对力学要求不高的理工科专业,如材料科学与工程、地质学、海洋科学等。工程力学B和C适应要求稍高的安全工程、资源勘查与工程、地球物理、地下水科学与工程、石油工程等专业。对于要求更高的勘查技术与工程、土木工程、机械设计制造及其自动化、地质学基地班,可选择理论力学和材料力学,或者固体力学基础。

理论力学A(48学时)=静力学(16学时)运动学(16学时)+动力学(16学时)

理论力学B(64)=静力学(16学时)运动学(16学时)+动力学(16学时)+分析力学基础(16学时)或振动力学基础(16学时)

材料力学A(48)=基本变形(32学时)+应力状态强度理论及应用(16学时)

材料力学B(64)=基本变形(32学时)+应力状态强度理论及应用(16学时)+能量法及静不定系统(16学时)

固体力学基础A(48)=基本变形(32学时)+弹塑性基本理论(16学时)

固体力学基础B(64)=基本变形(32学时)+应力状态强度理论及应用(16学时)+弹塑性基本理论(16学时)

对土木工程、勘查技术与工程、机械设计制造及其自动化、安全工程专业,后续课程可选择结构力学、弹性力学、工程流体力学等课程。

结构力学A(32学时)=静定结构(16学时)+超静定结构(1)(16学时)

结构力学B(48学时)=静定结构(16学时)+超静定结构(1)(16学时)+超静定结构(2)(16学时)

结构力学C(64学时)=静定结构(16学时)+超静定结构(1)(16学时)+超静定结构(2)(16学时)+结构动力学(16学时)

弹性力学(32学时)=弹性力学基本理论(16学时)+弹性力学基本解法(16学时)

弹性力学及有限元(48学时)=弹性力学基本理论(16学时)+弹性力学基本解法(16学时)+有限元法基础(16学时)

工程流体力学(32学时)=工程流体力学基础(16学时)+工程流体力学应用(16学时)

对于要求更高的高年级学生或研究生可选择弹塑性力学、断裂力学等课程。

弹塑性力学(48学时)=弹塑性基本理论(16学时)+弹性力学基本解法(16学时)+弹塑性基本方法(16学时)

弹塑性力学及有限元(64学时)=弹塑性基本理论(16学时)+弹性力学基本解法(16学时)+弹塑性基本方法(16学时)+有限元法基础(16学时)

断裂力学(32学时)=线弹性断裂力学(24学时)+弹塑性断裂力学(8学时)

断裂及损伤力学(32学时)=线弹性断裂力学(24学时)+损伤力学(8学时)

以上列举了部分课程,根据单元模块还可组合成其它课程,供不同专业在设置培养方案时选择。由于可选择范围宽、层次多,该方案受到我校各专业修订培养方案负责人的好评。

三、分层次力学课程体系构建应注意的问题

1.力学课程体系要以“必需、够用、有效、实用”为度

由于我校未设置力学类专业,所以力学类课程要注重为专业基础和专业课服务。力学课程体系构建要紧密结合理工科专业的发展,重点放在如何利用力学知识分析、解决工程问题的能力上。在课程设置中坚持以能力为本,探索培养学生工程意识与相应的实践能力、综合运用能力相结合的分层次力学课程教学体系。达到为专业培养目标服务。

2.制定切实可行的教学大纲是保证教学质量的前提

教学大纲是根据课程在培养方案中的地位、作用以及课程性质、目的和任务制定的课程内容、体系、范围和教学要求的基本纲要。它是实施教育思想和教学计划的基本保证,是进行教学质量评估的重要依据,也是学生学习的指导性文件。结合新课程体系的构建,制定符合各专业要求、切实可行的教学大纲是保证教学质量的前提,也是进行教学研究与改革的基础。

3. 师资队伍建设是课程体系改革得以顺利开展的重要保证

第3篇：流体力学的常用研究方法范文

关键词 虚拟现实 实验室 安全

一、“虚拟实验室”的优点

相对于传统的实验教学模式，利用虚拟现实技术创建虚拟实验室，不仅可以节约实践教学成本，突破时间和空间的限制，更有利于学生实践技能和创新能力的培养，是计算机技术在实践教学中应用的一个重要发展方向。想比较传统实验室而言，虚拟实验室具有系统开放灵活，与计算机技术保持同步发展、价格低廉、开发与维护费用低、技术更新周期短、用户可定义仪器功能等优点。

在教学方面，虚拟实验室也具有得天独厚的优势。

（一）立体化、多视角呈现教学内容

以往，教学信息多是以文字、图片、视频、动画等形式呈现，学生受视角限制，缺乏立体感且略显单调、乏味，而利用虚拟现实技术的三维仿真特性，我们可以讲教学内容以三维模型的方式进行立体化多视角地呈现，使学生以真实世界的感受完成学习、提高学习质量。

（二）突破时间和空间的限制

传统的实践教学在实验室进行，需要实验器材、设备等支持，同时，在时间和空间上有很大程度的限制。虚拟实验室彻底打破了时间和空间的限制，提高实践教学效果。例如宇宙天体的形成需要几百万年，通过虚拟现实技术，可以完成呈现并中途改变。又例如，生物中的遗传定律，生活中用果蝇做实验往往需要数月，然而用虚拟现实技术，在一堂课中就可以实现。

（三）远离实验伤害，减低安全隐患

在传统的实践模式中，往往采用播放电视录像的方式来代替一些危险实验。利用虚拟现实技术，学生可以在虚拟场景中完成，丰富感性认识，例如虚拟的化学实验。

（四）创设人性化学习环境，激发学生学习热情。

虚拟实验室交互性好，可操作性强，学生在虚拟现实环境中是一个主动观察者，他可以通过不断进行探索，分析、判断，完成真实实验完成不了的操作，从而激发学生的积极性，加强创造能力。

二、“虚拟实验室”的开发工具

构建“虚拟实验室”有多种方法，目前常用的实现构建技术有：JAVA 、ActiveX、VRML、QTVR、Flash等，这几种技术各有特点。其中，三维的虚拟实验室适宜用VRML技术开发，综合性能较好；二维的虚拟实验室适宜用Flash开发，综合性能比较好。

用这些技术构建虚拟实验室的基本思想是一致的，即用软件方法来模拟硬件设备的功能和实验的物理化学特性。他们具有下面的共同特性：

①与现实中的实验仪器的物理化学特性相一致。②很强的交互和实时反馈的能力。③能够多人合作实验的功能。

就供油安全工程教学来说，主要涉及化学、流体力学以及油库安全工程等多种学科，其中许多内容需要以实验的方式来示教，虚拟技术发挥空间巨大。

三、“体力学虚拟实验室”的开发

（一）实验内容

在“流体力学虚拟实验室”中可以完成“雷诺实验”、“静压强实验”、“能量方程实验”、“动量方程实验”、“文丘里流量计流量系数的测量实验”、“孔口管嘴出流实验”、“沿程阻力实验”、“局部阻力实验”等8个项目的实验项目。

（二）开发工具以及实现方法

1．针对不同的实验分析其机理、规律，建造数学模型，应用Flash自带的ActionScript编写程序。

2．应用Flash制作或手绘实验所需的各种仪器和设备模型，应用Flas技术完成流体摆动，各种状态流动的动画模型。

3．通过动画技术与交互代码的配合实现实验仪器功能的模拟和实验所需的各种效果。

4．应用ASP和Access数据库编写实验报告、自动评判程序以及教师调阅页面。

（三）操作流程

1．登陆实验网页选择实验。

2．学习实验相关原理及在线观看实验演示。

3．进行虚拟实验，在实验报告表单中记录数据、填写实验报告，回答问题。

4．系统自动评测实验结果，教师可以远程抽调学生的实验报告，了解情况予以评判。

5．实验结束，学生可以选择重做实验。

四、“有机化学虚拟实验室”的开发

（一）实验内容

根据有机化学实验课程，将实验内容拆分为8个基本单元操作，包括分馏、熔点测定、简单回流、水蒸气蒸馏、萃取、柱色谱、减压蒸馏和电磁搅拌。其中每个基本单元均由实验原理、实验装置、实验步骤、实验演示等构成，形成了适合教学的有机化学实验内容体系。

（二） 设计思想以及开发工具

该系统采用Powerpoint和VB作为主要开发工具。在课件部分，利用多媒体制作软件Powerpoint链接各章的重点难点，灵活运用了文字、声音、图形、动画等手段，具有很强的真实感和表现力，大大提高了学生的学习积极性。在虚拟实验室部分主要利用VB开发虚拟实验室平台，并完成该课程的主要实验内容。

五、总结

实验室的建设与发展已经成为高校内涵建设的重要内容之一，虚拟技术在实验室建设方面，优势明显，虚拟实验室具有耗资少、配置灵活、交互能力强、仿真程度高等优点，很大程度上解决了硬件设备相对短缺、实验课时和实验场地不够的问题，对于改变传统实验教学模式，促进实验室的开放和提高学生的实践创新能力具有重要作用。

参考文献：

第4篇：流体力学的常用研究方法范文

传热学教学方法改革《传热学》是研究热量传递过程规律的科学，作为一门专业基础课，广泛开设于热动、建环、化工、电子等各专业领域。这门课程与先修课程《工程热力学》和《流体力学》相比较，具有更为复杂的知识结构，因此，在对这门课的学习过程中，部分学生感到困难颇多，甚至有些无所适从。

一、上好绪论课

绪论是传热学的第一堂课，俗话说：“良好的开端是成功的一半”。上好绪论课在培养学生兴趣、引导学生学习等方面具有不可低估的作用。在绪论课上，教师可以多列举日常生活中遇到的传热学问题，以及专业中有哪些专业现象需要用传热学的知识来解释。比如，给建环专业的学生讲一些传热学在建筑节能中的应用，可以让学生对课程有个大致的了解，同时通过强调本课程在专业知识架构体系中的地位和作用，使学生产生强烈的求知欲望和浓厚的学习兴趣。另外，绪论课的内容还应包括简介三种传热方式，由于这是学生第一次接触传热学的基本概念，所以给学生讲授基本概念时要注意教学技巧，尽量将问题简单化，重点讲清三种基本传热方式之间的区别，以免学生在第一堂课就产生畏难情绪。

二、合理设置问题情境

设置问题情景，也叫“问题教学法”，就是教师在课堂讲授时，并不是把教学内容作为现成的知识向学生传授，而是将所要讲授的内容作为一个个问题向学生提出，采用课堂上一问一答的上课方式。这样不仅可以引起学生的注意，使学生集中精力听课，而且还能激发学生积极思维，调动学生学习的积极性和主动性。

教师在讲授教学内容之前，首先从应用实例中提出问题，例如，可以从家用冰箱中鲜肉冷冻时间提出非稳态导热问题；从室内暖气的安装位置讲到自然对流的概念等，引起学生注意。然后再切入主题，用所要讲授的理论对问题进行定性分析，分析问题的性质、包含的传热原理、传热的过程等。在分析问题的过程中可以采用启发的方法，逐步引导学生的思维。最后是解决问题，把工程上常用的解决这类问题的定量计算方法介绍给学生。在整个的教学过程中，师生间形成了互动，学生成为课堂教学的参与者，响应老师提出的问题，甚至对教学内容提出质疑，培养了学生探索创新的精神。

三、充分利用比拟法教学

比拟法是理论思维的一种重要的逻辑推理方法。它以比较为基础，在已有知识的基础上，通过对不同的事物及其运动规律进行比较，找出它们的相似点或相同点，然后将其中一事物的有关知识或结论推理比拟到另一事物中去。因此它是人们有效地认识自然界普遍规律的一种试探性工具。

我们在传热学的教学中，首先引入的就是电场与温度场的类比，特别是学生在先学习了电工学，了解了电势、电流、电阻的概念后，将温度场中的温度差、热流及热阻的特点与其相对比。随后，在对流换热中将已学的专业基础课流体力学中的动量传递与传热学中的热量传递，质量传递的特点相类比，找到它们之间的相互关系，而且流体力学中的一些原理及数学表达形式可以完全类比到传热学当中，使对流换热及传质问题得以大大简化。热传递的三种基本方式——导热、对流及辐射是整个学科的精髓，对电阻与热阻的类比也要始终贯穿在传热学的整个教学过程中。

四、多媒体教学手段的应用

一直以来，传热学的传统教学都是借助黑板和粉笔等来进行的。而传热学作为高等院校工程类专业的一门专业基础课，不仅要介绍基本概念、基本理论，还要介绍传热学中的分析问题、解决问题的研究方法以及传热学的实际应用，其最大的目的也就是要将知识和现实联系起来，将理论知识应用于工程实践中去。但是凭借传统教学工具黑板和粉笔，教师很难将现实生活和工程案例形象生动地展现在课堂之上。有了多媒体技术，传热学传统教学中的一些问题就可以迎刃而解了。我们可以利用多媒体中的图片、动画和视频轻松地将传热学中一些抽象的术语、概念、定理生动地以实体展示或者模拟，将这些知识点直观地传递给学生。教师不但可以不用再挖空心思地去组织语言或者描摹一些图形去解释这些抽象的内容，同时学生也可以非常轻松地感受到生活中的传热学知识，自然地将学习与生活联系，清晰地在脑海中构建传热的现实模型，牢固记忆。举个简单的事例，就拿换热器来说，如果不通过实验和亲身的参观，仅凭书本上的图片，很多同学即使学完了传热学，在生活中遇到了换热器也不认识，更谈不上对其分类、讲述其特点，也不会将具体的原理和换热器的器件对应起来。但是通过换热器的实例图和动画模拟换热器的换热过程，教师不需要太多的表述，学生就可以清楚地认识换热器，了解各自换热器的特点，深刻理解和掌握各种换热器的工作过程和工作原理。

在传热学教学中适当地辅助多媒体的手段，不仅可以使教师更加生动和清晰地讲解知识点，及时便捷地完善教学内容，而且也有助于学生对知识的理解、记忆和应用，极大地提升了学习效率。

五、结束语

传热学教学方法改革的措施，在正常的教学试验中取得了良好的效果，教学过程更加完善合理。学生既掌握了基本理论、基本计算的方法，又满足了后续课程对传热学理论的基本要求。同时，学生在所学知识的实践应用等方面也得到了综合的锻炼，满足当前教育发展和人才培养的需要。

参考文献：

[1]董丽娜.有限课时内“工程热力学与传热学”教学效果改进[J].中国电力教育，2010，（25）.

[2]章学来，施敏敏，汪磊.多媒体在传热学教学中的应用[J].中国电力教育，2009，（3）.

[3]吴雪梅，潘艳秋，贺高红.传热学课堂教学中的几点体会[J].化工高等教育，2005，（4）.

第5篇：流体力学的常用研究方法范文

关键词：有限元 机械工程 应用 前言

有限元方法诞生于20世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的发展，已成为计算力学和计算工程领域里最为有效的计算方法。许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、热学中的温度场分析、流体力学的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。有限元技术的出现为机械工程结构的设计、制造提供了强有力的工具，它可以解决许多以往手工计算根本无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。在现代机械工业中要设计生产出性能优越、可靠的机械产品，不应用计算及进行辅助设计分析是根本无法实现的，因此目前各生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用先进的计算机技术。 有限元法简介

有限元法最早是人们在研究固体力学的时候应运而生的，早在七八十年前，就有一些美国人在结构矩阵的分析方面有了一些研究发现，随后就有人研究出了钢架位移的方法，并将其推广应用到了弹性力学平面的分析当中，也就是把一些连续的整体划分为矩形和三角形，再将这些小的单元中的位移函数用近似的方法表达出来。后来，随着科学技术的不断发展，计算机的水平也有了很大的提高，有限元法也就相应的发展起来了，因为有限元法在产品的设计和研发的过程中起到了相当大的作用，所以有限元软件越来越受到相关专业人士的喜爱，而其在机械设计中的应用也是非常广泛的。

3.有限元法在机械工程中的应用

近年来，国内外许多学者对机械零部件的有限元分析进行了大量的研究，归纳起来主要是以下几个方面：

（1）静力学分析。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十分缓慢，应进行静力学分析。这是对机械结构受力后的应力、应变和变形的分析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。

（2）动力学分析。机械零部件在工作时不仅受到静载荷作用，当外界有与其固有频率相近的激励时，还会引起共振，严重破坏结构从而引起失效。故零部件在结构设计时，对复杂结构，在满足静态刚度要求条件下，要检验动态刚度。

（3）热应力分析。这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力。

（4）接触分析。接触分析用于分析两个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。这是一种非线性分析，以前受计算能力的制约，接触分析应用的较少。

（5）屈曲分析。这是一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。

5.有限元法的设计过程

5.1 模型简化

将模型中的一些对整体的分析结果不会产生影响的部分去掉，例如，产品结构中的倒角、圆角等，因为有这些因素存在会影响单元格划分的质量，以及增加大量的运算量，使结果计算时不易收敛。本例中，我们以一个由内衬套，外衬套和天然橡胶构成的橡胶衬套为例，分析其在径向受载时，橡胶的形变状况，内衬套固定，在径向没有孔的方向加载荷，载荷大小为5 000 N，加载速度为5 mm/min。

5.2定义材料特性

给构成模型的各部分以材料参数，如对于各向同性材料我们只需定义其杨氏模量，泊松比就可以了（这类材料一般为金属材料）;对于非线形变化的材料需将材料的拉伸或压缩的应力应变曲线输入到计算机，然后通过拟合得到相关的系数再赋予模型的不同部分。

5.3 载荷状况（工况）定义

至边界条件定义完成后，模型的基本的受力，位移及材料都已经定义完成了，接下来需要定义工况（load case），主要目的是选择前面已经定义好的边界条件，载荷条件等，还需定义收敛的方法。例如全牛顿-拉弗森法等一些极限收敛的准则。本例中采用的是修正的牛顿-拉弗森法.总的运算时间为0.6秒，叠加次数30步。

5.4 作业定义

将已经定义好的工况选择到作业中，对于更复杂的模型，可能还需要定义初始载荷等。本例中没有初始载荷的定义，在作业定义中还需选择分析操作的类型和分析结果。本例中输出的结果为应力，柯西应力以及等效的柯西应力等，分析类型为平面应变分析。

5.5 单元类型定义

定义完作业后需要进行单元类型定义，因为在该软件中，不同类型的结构对应着不同类型的单元类型及输出结果。本例采用了单元类型为80的用于平面应变分析的四边形单元。

6.有限元技术发展趋势

有限元法最初应用在求解结构的平面问题，发展至今已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、黏弹性、黏塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等，其应用的深度广度都得到了极大的拓展。有限元法的发展过程是与计算机技术的发展紧密相联的。只有计机技术高度发展以后，有限元法才得到广泛的应用。一个复杂的问题的求解，过去用小型机花费几天才能得到结果，现在用PC机几个小时就能完成同样的工作。商业有限元软件也由只能在大中型计算机上使用，转入到多数都能在PC平台上运行。可以预期，随着计算机技术的进一步发展，有限元法的应用还将进一步扩大，并将成为工程技术中更重要、更有力的数值计算工具。

7.结束语

有限元的应用大大提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。越来越多的企业和技术人员意识到CAE技术是一种巨大是生产力。可以预见，不久的将来，有限元法的应用，必将更加普及，将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展，并且会取得巨大的经济效益。

参考文献：

[1]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社，1997

[2]赵松年，佟杰新，卢秀春.现代设计方法[M].北京：机械工业出版社，1996

第6篇：流体力学的常用研究方法范文

关键词：桥梁抗风；风致振动；动力作用

Abstract: As more and more bridges damage and collapse due to wind-induced vibration and the influence of wind on the bridge structure, more and more bridges attention, mainly introduced the research and development status of bridges, wind load on the bridge of the classification of the commonly used measures, bridges and need to be improved in the wind, to provide reference for research of bridge.

Key words: bridge; wind-induced vibration; dynamic action

中图分类号：K928.78文献标识码：文章编号：

一、桥梁抗风发展过程、研究方法和现状

对于大跨度桥梁结构来说,风荷载是主要的控制荷载之一，有时它直接关系到桥梁结构的安全。早期人们对于风对桥梁结构的认识仅仅限于风对桥梁结构的静力荷载作用，1940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的塔科马悬索桥在8级大风仅（17-20m/s）的作用下就发生了强烈的风致振动并最终倒塌的严重事故。在这一事件的推动下，桥梁工程师和空气动力学家开始意识到桥梁风致振动问题。

目前对桥梁风致振动的研究方法主要有四类：理论分析、风洞试验、数值模拟和现场观测。本文主要介绍桥梁风工程中的理论分析、风洞试验、数值模拟这三种方法。

1.1理论分析

根据荷载的表达方式不同，风致振动分析理论主要有频域分析和时域分析。

在频域内分析桥梁结构颤振的理论有经典耦合颤振理论、分离流颤振理论和多模态颤振理论。经典耦合颤振理论最早是Bleich用Theodorsen的平面薄翼理论研究悬索桥颤振而发展起来的，该理论以Theodorsen自激力模型为基础。

在时域内分析桥梁结构抖振的理论有Davenport抖振分析理论、Scanlan抖振分析理论、Scanlan多模态抖振理论。Davenport于20世纪60年代研究了桥梁结构的抖振问题，他运用概率统计的方法和随机振动理论建立了柔性细长结构的湍流抖振响应分析模型，并给出了抖振力模型。Davenport抖振分析理论认为风速的脉动决定了风荷载的统计特性，柔性细长结构的阵风响应可以通过模态叠加求得。Davenport对抖振分析的重要贡献是在功率谱中引入气动导纳来修正按准定常气动力模型计算的误差,，引合承受函数来描述气动力沿桥跨方向的相关性。

1.2风洞试验

桥梁结构模型风洞试验可分为节段模型试验、全桥模型试验、拉条模型试验；按照悬挂方式的不同，节段模型试验可以分为刚性悬挂节段模型试验、强迫振动节段模型试验、自由振动节段模型试验、弹性悬挂节段模型试验。

1.3数值模拟

数值模拟是应用计算流体力学方法（CFD）模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况并求解结构表面的风荷载。这是近几十年发展起来的一种结构风工程研究方法。随着计算机技术的普及与应用能力的提高，数值模拟技术得到了迅速的发展，可用于桥梁结构空气动力参数研究的计算流体力学方法有多种，如有限体积法、有限元法、有限差分法、离散涡方法。数值模拟结果的准确性和可靠性依赖于对实际问题建立正确的数学模型和算法。目 前，对于气动弹性分析的数字模拟技术，在二维模型和均匀来流条件下的计算比较成熟，正在向三维模型、紊流风场和高雷诺数方向发展。计算流体力学的商业软件比较多，如CFX软件、PHOENICS软件、FLUNET软件等等。

二、风荷载分类

2.1风的静力作用

静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要的计算对象。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。

2.2风的动力作用

一个空间结构的桥梁振动体系在近地紊流风作用下的空气弹性动力响应是许多因素共同作用的结果，大致可分为两大类。一类是在平均风作用下，振动的桥梁从流动的风中吸收能量，产生自激振动，如弯扭藕合的古典颤振、扭转颤振、驰振、涡激振。另一类主要是在脉动风作用下的强迫振动，包括抖振和涡激振。虽然涡激振动也带有自激性质，但它和驰振或颤振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种强迫型的限幅振动，因而具有双重性。

三、桥梁抗风的方法措施

3.1结构构造的制振方法

增加扭转刚性对提高大跨度桥梁设计的发散振动极限风速是非常有效的。如在加劲桁架上设置无钢筋网络相连的行车道桥面结构时，采用设置上下横梁的方法形成准闭合断面可以显著增加扭转。另外，还可以在缆索支撑桥梁上加一些辅助设施同样可以提高其抗风稳定性。比如，在悬索桥的主缆与主梁之间加中央扣可以大大提高发散风速。

3.2空气动力的制振方法

断面形状对于对风敏感的结构是否稳定有重要 的作用。通常流线型断面的形状要比钝体断面的抗风性能好得多。但当采用薄翼型的断面时，受水平风作用时，有产生涡激振动的可能，薄的流线型断面在有迎角的风作用下，易产生颤振，所以对于各种流线型断面的选择也要慎重考虑，通常通过风洞试验进行试验确定。另一种增加抗风稳定性的方法是采用桁架断面。由于其通风空间较箱形断面大得多，所以静风阻力小得多。此外，常采用在上部结构安装一些附属设施来减小风振，如翼板、导流器及绕流器等。

3.3机械构造的制振方法

由于缆索体系桥梁的跨度较大，桥梁结构更轻更柔，结构的阻尼特性减弱，造成风和车辆等因素激励下结构响应值加大，故常需要增加结构的阻尼来抑制风振。常常采用被动抑振(如TMD，TLD或ID)和主动抑振(AMD)。被动抑振又分为调谐附加质量方法(如TMD等)和非调谐质量法(如ID冲击阻尼器)。主动抑振方法是采用计算机系统进行监控，如达到需要抑振时，自动驱一套装置改变质量分布、刚度或阻尼等方法来抑振。

四、结束语

随着近年来人们对桥梁抗风问题认识的逐渐加深，桥梁抗风研究已经取到一定的成果，但在以下几方面仍然存在薄弱点，需要通过创新实现突破性进展。

4.1风振机理研究

从技术层面上看，大跨度桥梁的颤振稳定性问题和长拉索风雨激振问题可以通过有效的结构和气动措施加以解决。但是由于对机理研究的滞后，至今仍然没有充分弄清颤振发散的微观机制，拉索风雨激振的机制以及能有效抑制风致振动的一些气动措施的空气动力学机制。因此，对风振机理的研究是一个需要长期努力的课题。只有弄清了各类风振的致振和抑制机理，才能实现从技术层面向科学层面的飞跃。

4.2风振理论的精细化

对于非危险性的限幅风致振动，如抖振和涡振，应该说虽然已经建立起一套可用于解决工程抗风设计的近似方法，但对于风特性参数的合理取值，气动参数、特别是气动导纳函数的识别以及通过节段模型识别参数时的雷诺数效应等都存在着一些不确定性和难度，致使分析结果与现场实测数据还不能取得一致，需要通过典型工程的案例研究加以对比和验证，对现行的抖振和涡振分析理论进行精细化的改进，甚至建立新的分析理论和方法。可以说，要更好地解决桥梁抖振和涡振的分析和控制问题，还有许多工作要做。

4.3概率性评价方法

风是一种随机荷载。对各种风振的安全检验和评价理应采用概率性的方法。然而，由于动力可靠度分析在理论上的困难以及各种统计参数的缺乏，目前虽然国内外部分学者对几座大桥做了概率性评价的初步探索，但几乎所有国家的抗风设计规范仍采用基于经验安全系数的确定性方法来进行各类风振的安全检验。在世界桥梁设计规范已经向基于可靠度理论的方向过渡的总形势下，应当通过努力尽快改变抗风设计规范的落后局面。

4.4 CFD技术和数值风洞

目前，对于气动弹性分析的数值模拟技术，在二维模型和均匀来流条件下的计算已比较成熟，正在向三维模型、紊流风场和高雷诺数方向发展。数值模拟和缩尺物理模型实验相比，可以避免缩尺模型制作带来的材料本构关系的相似性困难和其他的缩尺效应问题(如雷诺数效应)。此外，前面提到的关于风振机理研究和风振理论精细化研究也有赖于数值模拟方法的帮助，以便于揭示致振机理、改进参数识别精度、提高抗风措施的有效性以及建立更为合理的抖振和涡振理论框架等。可以预期，随着计算流体动力学理论的进步，数值模拟方法将会逐步替代风洞实验形成“数值风洞”新技术。因此，数值模拟方法应当是本世纪的研发目标。

参考文献

[1]陈羽,张亮亮 桥梁抗风研究方法综述 四川建筑 2010.12

[2]陈政清,项海帆.桥梁风工程 人民交通出版社 2005

[3]谭建领,田万涛,李颖 风荷载对桥梁结构影响分析.黄河水利职业技术学院学报 2007.7

第7篇：流体力学的常用研究方法范文

作者认为，如果想让自然通风被更有效的利用来积极地影响环境，本书的新观点需要被广泛的传播。作者写作本书的目标是想把最新的现代建筑天然通风设计和控制思想传递给更多的建筑和工程专业人员。作者希望本书能让读者更好地处理自然通风，成为机械通风和空调的有效辅助与替代方案。

本书包括5个章节：1.概述，介绍了自然通风环境浮力效应的基础知识；2.导论，介绍了流体力学中常用的物理定律，包括重要的守恒定律与伯努利方程等；3.独立源，介绍了影响浮力效应的各种独立源，包括一些常见的局部源与分布源；4.相互作用源，介绍了影响浮力效应的相互作用源，分析了常见热源与冷源相互作用的环境；5.复杂几何形状产生的气流，介绍了各种多开口空间与互连组合空间中的气流运动。

本书作者Chenvidyakarn博士是剑桥大学的讲师，也是剑桥大学莫德林建筑学院的研究员。作者在剑桥大学获得硕士和博士学位，现在剑桥大学英国石油公司研究院与工程建筑系进行讲授和研究，主要面向建筑物可持续设计领域。作者经常在领域内重要国际期刊上发表文章，例如《建筑与环境》、《能源和建筑》、《CIBSE屋宇装备工程技术研究》及《国际通风期刊》等，他还是两个国际期刊《城市建筑—室内景观设计与技术》与《建筑学研究与学习》的编委。

宁圃奇，博士，副研究员

（中国科学院电工研究所）

第8篇：流体力学的常用研究方法范文

关键词：火灾科学数值模拟 火灾调查 火灾动力学

1、火灾调查中的问题

火灾是现代社会造成损失最大的安全问题，火灾一旦发生，不仅造成大量的人员伤亡，还会造成巨额的财产损失。随着现代社会经济的越来越发达，火灾对人员的生命安全和财产造成的损失也更加巨大，给人民生活带来了惨痛的教训。火灾调查结果的准确与否直接关系到能否依法处理追究事故的责任者或犯罪分子。因此，确定火灾发生的起火原因，什么原因引起的火灾，防止类似的情况再次发生；同时，还可获得相关的证据，不断增加火灾调查经验，研究火灾发生发展规律，为预防和灭火提供科学依据。

在我国，火灾调查主要是消防总队、支队的相关人员对发生的火灾事故进行火灾起火原因、起火点的认定调查。然而，由于火灾发生的不确定性以及火灾形势的多样化，目前我国的火灾调查工作遇到前所未有的挑战，有关的火灾诉讼案件也日益增多。这要求我国的火灾调查人员必须具备相关的法律知识和技能技术，尽快查明火灾发生原因，明确事故责任。因此，计算机数值模拟技术被逐渐应用到火灾事故的调查工作当中，辅助火灾调查人员获取相关的证据，并且这种应用被普遍接受和认可。

2、火灾动力学模拟软件简介

火灾动力学模拟软件(FDS)由著名的美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）开发，是一个对火灾引起流动的流体动力学计算模型，是专门从数值计算方面解决一系列适合于热驱动、低速流动的Navier-Stokes方程，重点适用于火灾导致的热烟传播和蔓延的数值模拟。FDS利用了大涡流流体力学模型（Large Eddy Simulation，LES）来处理火场流体的紊态流动。专家和学者通过对真实火灾场景的模拟研究证明FDS具有有很高的准确性和可信性。火灾动力学模拟软件FDS目前已经被广泛应用在火灾科学的研究和火灾事故调查的证据。

3、数值模拟在火灾调查工作中的应用现状

3.1 国外应用研究

Daniel Madrzykowski等人应用FDS火灾模拟软件模拟了美国华盛顿的一起真实的室内火灾。火灾模拟的资料是根据火灾调查机构提供的真实的火灾现场情况为依据，确定了火灾热释放速率、特殊部位的温度、火场中烟气的流动方向和速度、氧气浓度、室内压力等相关数据。起火建筑为三层，根据火灾调查报告的认定，发生火灾是由位于地下室天花板内的电器设备引起的，开始在地下室内蔓延并且在地下室内发生了轰然，从地下室通向楼梯处的门在火灾发生时一直处于开启状态，使一层建筑有了烟气和热量的积累。从FDS模拟的结果来看，火势是沿着天花板开始蔓延，散落下的火星引燃了室内的其他可燃物，直至地下室内的氧气被消耗尽。

2005年6月NIST利用FDS软件成功再现了“911”恐怖事件中世贸双塔被飞机撞击后次生火灾的烟气流动和火球爆况。模拟的结果与事件中的影像资料相当吻合。该模拟测算的温度和烟气浓度给事故报告提供了重要依据。

3．2 国内应用研究

李一涵等学者对FDS 源程序进行了改进，并利用改进后程序计算火灾过程中壁面热解形成图痕，作为火灾调查的方法之一，初步分析壁面烧损痕迹发展特征。该方法可以根据火灾场景、壁面材料、起火点功率的不同，计算研究壁面燃烧痕迹形成规律，并提出使用该方法对火灾调查提供理论依据的可行性和重大意义。

姚晓波利用FDS模拟软件重现了一个大型学生宿舍楼火灾场景。通过FDS的模拟结果和火灾现场的实际情况相比较，验证了采用FDS来重构火灾现场的可行性，同时，通过比较外墙使用“可燃材料”和外墙使用“不可燃材料”两个不同火灾场景的模拟结果，分析研究了对于外墙使用不同性质的建筑材料对火灾后果可能造成的影响。

4．数值模拟技术在火灾调查工作中的应用前景研究

目前国内外对火灾事故类型的分析通常由专业人员采用长期工作积累的经验、或采用半经验的方式，很少有数值模拟手段应用于火灾调查。通过国内外学者、专家以及火灾调查工作者在火灾事故调查工作中对数值模拟技术的应用证明，FDS能够很好的重现真实的火灾场景。利用火灾动力学模拟软件FDS建立实际火灾场景的数学模型，对真实的火灾事故进行计算机数值模拟对火灾事故结果的准确性是一种很好的研究方法。在建模时需要清晰知道起火建筑物的详细资料，包括建筑物尺寸及材料、内部装修材料、建筑物的开口大小、当时的通风及天气状况、周围建筑物的布局等，这些资料可通过火灾调查机构或部门、气象部门获得。通过采用火灾动力学模拟软件（FDS），对可能的起火点、起火原因建立火灾场景进行火灾动力学模拟，可以计算火灾现场关键部位的火场温度、可见度、烟气层温度及高度、氧气和一氧化碳浓度等数据与火灾现场勘探的数据进行比较，排除不合理的起火点、起火原因及人员死亡原因，为火灾调查人员提供合理的依据，解决了火灾现场看勘察很难确定的问题，进一步完善了火灾调查报告的准确性。对模拟过程中的火灾蔓延趋势的再现，也为采取消防保护措施提供了依据。随着计算机技术的飞速发展和人们对火灾事故调查的严密性，数值模拟技术将能将广泛用来辅助火灾事故调查。

5．总结

通过对火灾调查现状和火灾动力学模拟软件介绍分析及国内外的应用分析，FDS在对有焰燃烧的火灾事故模拟，较真实的重现火灾场景，并且已经成为火灾事故调查不可或缺的技术手段，能够很好的辅助火灾调查工作人员进行火灾事故调查，对有异议的火灾事故结论提供更加可信的依据。

参考文献：

[1]陈琨, 舒慧慧. FDS 数值模拟技术在某“商住合用”建筑火灾调查中的应用. 消防技术与产品信息,2008, (7): 64-67

第9篇：流体力学的常用研究方法范文

【关键词】炼油厂；加热炉；热效率；节能

1、常用管式加热炉的节能建议

1）冷空气进预热器前先预热

这是一个对大型加热炉有应用前景的方案，对于该种方式，文献[1] 提出了工艺物流、低压泛气和低温水这3种可行的预热介质。采用工艺物流对冷空气进行预热最有效益的是利用工艺废热。如装置有需要空冷的废热，采用这种方式的节能有多重意义：①可以节省空冷的电耗。②工艺废热是直接作为有效热供给加热炉，其节能效果显著，通常可以将加热炉的燃料消耗降低2%。③可延长余热回收设备的使用时间，使得余热回收设备的使用时间延长。④仅提高了燃料的利用率，不能提高加热炉的热效率，且系统复杂，有时还可能降低了加热炉的热效率。⑤低压泛汽和水对空气进行预热要视系统是否有过剩的低压泛汽和120°以上的水，并且要能保证其来源稳定，通常是不易实现的。

2）改善炉管的受热状况

炉管的受热状况也是影响加热炉热效率的一个重要方面，改善炉管的受热状况来提升热效率也是一个常见的措施。首先是改善炉管的循环系统，只有循环系统通畅，才能使炉管的受热均匀，不会出现局部温度过高而局部温度过低的现象，改善循环系统常用的方式就是对喷嘴的结构进行改进，使整个结构更加科学。除此以外，炉管的摆放位置和摆放形态也会对热效率产生影响，一般采用单排垂直排列的方式来提高双面的辐射效果，提升炉管的热效率。随着技术的进步和生产的需要，加热炉的炉型也在不断的调整和改变中。

3）严格控制排烟温度

加热管中烟气温度过高也是影响加热炉热效率的重要原因，烟气温度过高就会导致燃烧的不充分，对烟气温度进行控制主要有以下几种措施：第一，增加对流室的传热面积，对流室中包括注水管、原料加热管、过热蒸汽管，要提高传热面积一般就是通过增加这些管道的根数和改变他们的排列方式来进行。第二，对辐射室的面积进行调整，辐射室连接着对流室，烟气温度的降低不可能仅仅依靠对流室的面积来完成，辐射室应该发挥其功能，加强烟气的散热工作，使烟气在进入对流室之前温度就有所降低。第三，空气预热器的使用。新型的空气预热器一般使用在烟气余热回收系统中，这种预热装置替代之前的原油式空气预热器，预热的效果更好，并且更加节能，操作方便。并且在整个装置的运行中不需要停止就可以进行热管的更换工作。另外，还可采用分级用能式压缩式燃烧炉。它的特点是高速对流传热，排烟温度较低，可降低燃料消耗，易于设置较完善的热回收系统，炉体尺寸小，占地面积小，投资费用低，废气有较高的压缩能，可回收利用。例如用来驱动烟气轮机做功发电，使热能得到了综合利用， 提高了加热炉的热效率。

4）减小加热炉漏风量

漏风会影响加热炉的热效率，设备一旦漏风，就会使排烟量增加，炉管的氧化工作也会加剧。降低加热炉的漏风率也是提高加热炉热效率的一个有效方法。有效控制加热炉漏风的措施首当其冲的就是全密封技术，对整个加热炉进行全密封是最快捷的减少设备漏风的方法。除此以外，对其他流通环节也应当进行密封技术的改造，例如辐射室中的看火们以及炉底风道的快开门，这些都是会引起漏风的装置，但是又不可能取消，所以就需要采用一些新的结构设计和新的密封材料，尽量减少不必要的泄漏。

5）使用高温辐射涂层

辐射室也是提高加热炉热效率的一个重要设置，常见的方法就是在辐射室的外层涂上高温的红外辐射涂料，这种高温辐射涂料会使传热效果更佳，并且会有效的减少散热。高温辐射涂料的功能并不是在于提高炉壁的温度，而是通过辐射功能的增加加强炉壁的传热效果，这种传热效果不会导致炉壳外墙温度的急剧上升，反而是在同样的温度条件下，外墙的温度是可能下降的。这些技术当前已经被众多的化工企业所采用，并且通过实践证明的确有提高热效率节能的效果。

2、CFD系统运用建议

随着计算机软硬件的飞速发展，计算流体动力（简称CFD①）已成为人们解决相关的实际工程问的重要手段。已有的研究工作表明CED方法可以对加热炉内的燃料燃烧、烟气流动和传热过程进行数值模拟，得到了炉内流体速度场、浓度场和温度场等详细信息，揭示这些过程的基本性质与特点。基于CFD方法所建立的加热炉数学模型是由流体力学的基本守恒方程组，加上湍流流动模型、燃料燃烧模型和辐射传热模型构成。所建立的数学模型可采用以SIMPLE算法为核心的有限差分法进行求解，得到加热炉内各变量的空间分布。建立了一个能准确描述加热炉内所发生的各过程的数学模型和以及相应的数值计算方法之后，便可进行数值实验，对提高热效率的各种方法先进行模拟计算，并由计算结果所提供的信息最终确定合适的方案 这样既减少实验的次数，节省了大量的人力、物力和财力，同时还降低了实验的风险性。

参考文献

[1]ANSI/ API 560 1996， 一般炼油装置用火焰加热炉[S] .

[2]舒邦春.加热炉余热回收系统腐蚀状况调查及预防[J].石油化工腐蚀与防护， 2005，（1）： 63 65.

[3]魏宏学.CO 余热锅炉改造[J].石油化工设备，2005，34（4）：76 77.

[4]赵振荣.原油加热炉炉管腐蚀与预防[J].管道技术与设备，2004，（5）：43 45.

[5]赵振荣.直接式加热炉炉管腐蚀与预防[J].石油化工腐蚀与防护.2005，22（1）32.

[6]舒邦春.加热炉余热回收系统腐蚀状况调查及预防[J].石油化工腐蚀与防护.2005，22（1）60.