流体动力学原理精选(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动力学原理主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：流体动力学原理范文

关键词：工程流体力学；环境类；教学难点；教学方法；衔接技巧

作者简介：齐旭东（1981-），男，河北唐山人，河北工业大学能源与环境工程学院，讲师。（天津 300401）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0130-02

一、环境类工程流体力学的学科特色分析

环境类专业涉及流体力学的内容广泛，而且与机械、热能动力、水利等传统学科对流体力学的要求有明显不同。[1-3]河北工业大学（以下简称“我校”）环境工程专业采用闻德荪先生编著的《工程流体力学》教材，由高等教育出版社出版，分上下两册，上册为《理论流体力学基础》，下册为《应用流体力学》。该教材与其它传统学科所采用的流体力学教材相比区别较大：由于人类生活和生产主要局限在生物圈，生物圈中水和气是无处不在的，环境类专业主要围绕水和气，因此，上册《理论流体力学基础》的覆盖面极大，包括静力学、运动学、动力学、恒定平面势流、流动相似原理、流动阻力和能力损失等模块；下册《应用流体力学》包括孔口和管嘴出流、有压管流、明渠流、堰流、渗流等模块。下册以水为主，旁及气体，实际上是水力学基础。但是，与传统水力学又有着明显的不同，这一不同并不是教材主要内容的差异，而是学科体系的构建不同。传统水力学在学科构建上有着鲜明的学科特色，而环境类专业所学习的《应用流体力学》（教材下册）是采用更加简单的方式初步介绍水力学。换言之，是上册《理论流体力学》的动力学在几种特殊边界流场中的具体应用，这些特殊流场的研究对于设计和计算环境类的反应器、构筑物的形式和尺寸，以及流体输配具有重要意义。

工程流体力学与三大力学（理论力学、材料力学、结构力学）相比，其主要概念和原理几乎没有相似之处，[4-6]与大学物理学相比也无相似之处。[7]换言之，在工程流体力学中涉及的概念和原理对本科生来说几乎是全新的。工程流体力学建立在连续介质假设基础上，是通过牛顿经典力学和高等数学知识对流体静止和运动规律进行研究，通过欧拉法或拉格朗日法对流动现象建立数学模型，从而用微积分等高等数学方法解决流体流动问题。该学科的基本概念和原理在三大力学或大学物理学中几乎是从未提及过的。

可见，工程流体力学的学科特点鲜明，是环境类专业的重要骨干课程。笔者从事工程流体力学教学7年有余，并主动向老教师或其他同行学习探讨，发现除了要把握好该课程的学科特点外，对教学难点也要广泛筛选、收集和研究，并结合教学方法进行探讨论证，[8-12]具体分析见表1及下文。

表1 若干教学难点与教材章节对应一览表

序号 教学难点 教材章节[1]

1 连续介质假设 第一章绪论

2 隔离体受力分析 第一章绪论

3 流体相对平衡 第二章流体静力学

4 流体静力学基本方程、阿基米德原理 第二章流体静力学

5 拉格朗日法、欧拉法 第三章流体运动学

6 亥姆霍兹速度分解定理 第三章流体运动学

7 理想流体动力学、实际流体动力学 第四章理想流体动力学和平面势流、第五章实际流体动力学基础

8 牛顿一般相似原理、单项力相似准则 第六章量纲分析和相似原理

9 普朗特混和长度理论 第七章流动阻力和能量损失

10 孔口、管嘴出流和有压管流 第九章有压管流和孔口、管嘴出流

11 堰流 第十章明渠流和闸孔出流及堰流

12 渗流 第十一章渗流

二、环境类工程流体力学的教学难点与教学方法衔接技巧分析

连续介质假设（序号1）是工程流体力学的基础，其重要性不言而喻，但是作为一门新课程的开始，学生往往很难接受这样的模型假设。因此，宜采用讨论法处理该问题，讨论法的难点是避免讨论课的无计划性。质点的概念对于研究流体运动是至关重要的，但是有大半学生掌握不到要领。具体体现在，把流体质点的概念与物理学刚体质点的概念混淆，觉得二者完全一致，没有特殊涵义。面对这一问题，与学生针对两个“质点”概念进行详细的机理分析是很必要的。连续介质假设的核心理念是流体质点概念的提出，流体质点是这样定义的：流体质点是指尺度大小同一切流动空间（流场）相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体微元；物理学中的刚体如果只发生平移运动的话，该刚体可简化成质点处理，即用一个质点代替刚体，使物理运算变得很方便。因此，这两个“质点”概念有着不同的涵义，流体的主要特点之一就是易流动性，流场的形状受制于边界条件，流场在流动过程中，边界形状不断变化，所以，流场形状也在不断变化，因此，流体质点不能替代流场，而是由大量的流体质点组成连续介质，填充整个流场。

工程流体力学本质上讲是力学问题，需要在解题前进行受力分析（序号2）。在中学物理学中，受力分析贯穿始终，为中学生所熟知。所以，该部分的学习推荐采用自学指导法和对比分析法，这样可以充分调动学生的学习积极性。由于流场形状受制于边壁，流体的受力分析规律性不明显，这与中学物理学的刚体受力分析区别较大。流体受力分析，均可从两个方面进行，即质量力和表面力。质量力包括重力和惯性力，属于远程力，作用在整个流场的所有质点上，其中，惯性力的存在与否取决于坐标系的选择。如果选择惯性坐标系，则惯性力肯定不存在；如果选择非惯性坐标系，则惯性力肯定存在。表面力包括切应力和压应力，概念的内涵与刚体的表面力相似，切应力和压应力之间的区别在于作用力方向的不同。

很多学生不了解学习流体相对平衡（序号3）的意义何在，根据该知识的特点，可采用探究发现法处理该部分内容。流体相对平衡的意义，在于将特殊的运动问题转化成相对静止的问题，从而使计算得到简化。当整个流场与固体边壁无相对运动时，选择非惯性坐标系，根据达朗贝尔原理引入惯性力，可用相对平衡条件来处理该问题，即对隔离体采用受力平衡条件，可使计算过程大大简化。

中学物理学所熟悉的流体静力学基本方程（）和阿基米德原理（F浮=ρgV排），二者如何从流体静力学的角度来重新定义（序号4），也是这一章的难点。该难点的讲解宜采用启发性谈话法，该方法一定要注意谈话内容的设计合理性，以期对整个谈话过程有的放矢。流体静力学基本方程的限定条件是质量力仅有重力，也就是说，坐标系为惯性坐标系。如果将其推广到非惯性坐标系，则计算方法应为欧拉平衡微分方程的积分式，欧拉平衡微分方程是建立在牛顿第二定律基础上的。该部分需要学生将流体静力学基本方程与欧拉平衡微分方程积分式进行对照。阿基米德原理是计算浮力的基本原理为中学生所熟知，在中学物理中往往解释成由实验研究获得，实际上在大学工程流体力学中可以解释成曲面所受静压力的合效应使其意义更广泛。

流动现象如何用数学语言描述，这是流体力学建立的基础，该难点的处理宜采用讲授法。描述流体运动的方法有两种，即拉格朗日法和欧拉法（序号5）。拉格朗日法是从流场中选择关键性流体质点组成流体质点系，跟踪每一个流体质点，研究其运动规律，进而总结出质点系运动规律，从而推演出整个流场运动规律，该方法概念清晰，但是分析和计算过程复杂。欧拉法是从流场中选择有代表性的空间点，分析这些空间点的运动规律，从而总结出整个流场运动规律。在计算流体力学中，常常采用拉格朗日法，在工程流体力学中常常采用欧拉法。

流体微元运动的基本形式包括平移、转动、角变形、线变形等。在流体微元内部，如果已知其中一点的运动要素，在微元内其他空间点的运动要素可以用已知点的运动要素表达出来，该定理称为亥姆霍兹速度分解定理（序号6）。很多学生对该定理存在疑问：微元内部这两个空间点之间怎么会存在联系？该问题适合采用探究发现法进行介绍，教师可首先将其转化成高等数学的模型，提示学生用微积分的方法来处理，具体而言，二者之间的联系是通过高等数学中的泰勒公式建立的。

理想流体动力学和实际流体动力学（序号7）在工程流体力学中是可以合并讲授的，采用系统讲授法更合适，这样更有利于知识的完整性。流体动力学主要涉及三大方程的后两个，即能量方程和动量方程。首先介绍理想流体运动微分方程和实际流体运动微分方程，前者也称为欧拉运动微分方程，后者也称为N-S方程，这两个重要方程均由牛顿第二定律推导获得，二者可作为计算流体力学基础，由此也可推导出能量方程。另一点需要注意，能量方程有两种形式，理想流体能量方程和实际流体能量方程，前者可以统一到后者中去，由于实际流体存在粘滞力，可产生能量损失，即单位重量流体从计算断面1-1运动到计算断面2-2时的平均能量损失；如果是理想流体，则粘滞力不存在，产生的能量损失为0。

量纲分析和相似原理主要涉及到（动力）相似准则里的牛顿一般相似原理和单项力相似准则之间的辩证关系（序号8）。该部分知识琐碎，宜采用讲授法。两个流动，即原型和模型流动，如果要实现流动相似，几何相似和初始条件、边界条件相似是基础，动力相似是保证，运动相似是目标。如果要实现动力相似，需要对应空间点处各个同名力方向相同，大小成固定比例，这称为牛顿一般相似原理。但如果在几何相似和牛顿一般相似原理都成立的前提下，原型和模型的几何形状和大小完全一致，失去了模型实验可缩小原型几何尺寸的意义。正是基于此，所以提出单项力相似准则，在流动中起主导作用的力往往只有一种，这是流动现象的特点，所以如果在原型和模型中，起主导作用的力相似的话，可认为二者的动力相似已实现。

普朗特混和长度理论（序号9）是学生学习的难点，大多数学生感觉该部分不知所云。比如说，该半经验理论的意义是什么，问题从何而来？该部分宜采用讨论法。流体处于湍流状态时，运动参数可以分为时均流速和脉动流速，时均流速产生时均切应力，脉动流速产生附加切应力，时均切应力的计算采用牛顿内摩擦定律，附加切应力计算采用脉动流速计算，即，其中脉动流速ux’和uy’计算困难，需要通过普朗特混和长度理论进行计算，该理论通过将湍流脉动与理想气体自由程理论进行类比，提出自由程概念，从而将脉动速度与时均速度建立联系，实现了附加切应力的计算可行性。

孔口、管嘴出流和有压管流（序号10）是研究水力设备和输配水管网的基础，这一部分的模型主要涉及孔口、管嘴、短管、长管、管网，对这些模型的深入研究需要采用上册流体动力学的连续性方程和能量方程，在深入分析流动规律后，可得最一般的规律性，即流量和断面平均流速的计算公式。这部分可以看成针对几种特殊边界应用动力学方程来求解计算题，所以在介绍了孔口或短管以后，其他形式的边界流动由学生通过练习法和讨论法来自学，最后由教师进行总结。

在缓流中，为控制水位和流量而设置的顶部溢流的障壁称为堰，缓流经堰顶溢流的局部水流现象称为堰流（序号11）。在环境类专业中，堰是常用的溢流集水设备和量水设备，在一确定的堰流中，流量与其它特征量的关系明确。薄壁堰可在环境类构筑物中作为出水设施，如二次沉淀池出水等。该部分内容生疏，宜采用演示法和讲授法。

渗流（序号12）是指流体在孔隙介质中流动，该流动状态在地下水中广泛存在，对地下取水井的设计往往要采用该模型的相关理论。该部分多在研究生阶段深入学习。

三、结语

工程流体力学在环境类专业中的现实意义和理论意义重大，在注册环保工程师基础考试中份额可观。该课程学习难点颇多，对于本科生来说学习的压力较大，需要教师在知识点梳理、难点筛选、师生沟通、教学方法总结等方面多做工作，笔者通过对环境类专业工程流体力学教学的自身体会完成此文，希望对教学一线的教师有所帮助。

参考文献：

[1]闻德荪.工程流体力学（水力学）[M].第3版.北京：高等教育出版社，2010.

[2]陈卓如.工程流体力学[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[3]吴持恭.水力学[M].第4版.北京：高等教育出版社，2008.

[4]哈尔滨建筑工程学院，沈阳建筑工程学院.理论力学[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992

[5]刘鸿文.简明材料力学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]王焕定，章梓茂，景瑞.结构力学[M].第3版.北京：高等教育出版社，2011

[7]东南大学等七所工科院校.物理学[M].第五版.北京：高等教育出版社，2008

[8]教育部人事司.高等教育学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[9]教育部人事司.高等教育心理学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[10]河北省教师教育专家委员会.教育原理[M].石家庄：河北人民出版社，2007.

第2篇：流体动力学原理范文

关键词：油气成藏动力，学油气运移油，油气成藏机理

 

1.油气成藏动力学研究方法

成藏动力学研究是在综合分析区域钻探、地球物理、分析测试和地质地化等资料的基础上, 采用静态描述和动态模拟相结合的方法, 其中计算机模拟方法可以定量地、动态地刻划各种因素相互作用的历史过程, 从而更深刻地揭示其内在规律性, 因此是成藏动力学过程研究的一项关键技术。成藏动力学模拟实质上是成藏动力学过程模拟, 是一项高度复杂的系统工程, 它需要以当代最先进的地质学和石油地质学理论为基础, 全面利用各种地质、物探资料, 采用最先进的盆地描述和盆地模拟技术方可进行[1]。，油气成藏机理。盆地描述部分用于刻划盆地现今的构造、沉积岩性和各种地质参数的空间展布特征, 为盆地模拟奠定基础。盆地模拟方面包括构造、沉积、储层、古水动力场、古地温、生烃、排烃、圈闭演化和油气运移聚集等各个部分。其中, 从生烃到运移的模拟构成成藏动力学过程模拟的主体, 而其他的描述和模拟则是成藏动力学过程模拟必不可少的重要基础。成藏动力学过程模拟的最终结果体现在油气资源量计算部分上, 包括计算出盆地的生烃量、排烃量、烃碳转换量、油气损失量, 最后要计算出盆地中聚集的油气资源量[2]。，油气成藏机理。

2.油气成藏动力学系统的划分及类型

田世澄(1996) 提出将受地球深部动力学控制的盆地构造2沉积旋回作为一个成藏动力学系统, 把改变地下成藏动力学条件, 影响成藏动力学过程的区域不整合和区域分布的异常孔隙流体压力界面作为不同成藏动力学系统的界面。并据动力学特征将成藏动力学系统分为开放型、封闭型、半封闭型3 种类型, 据油源特征又区分为自源成藏动力学系统和他源成藏动力学系统。因此共可划分出6 种油气成藏动力学系统[3-6]。康永尚(1999) 根据系统动力的来源、去向和系统的演化方式将油气成藏流体动力系统分为重力驱动型、压实驱动型、封存型和滞留4 种。，油气成藏机理。实际上重力驱动型对应开放型, 压实驱动型对应半开放型, 封存型和滞留型则对应封闭型。，油气成藏机理。，油气成藏机理。因此二者是一致的。这种以油气成藏的动力因素来划分油气系统的方法比经典的含油气系统的一套源岩对应一个油气系统的粗略划分方法更深入, 更能体现油气作为一种流体的运动分布规律, 从而有效指导我国陆相含油气盆地的勘探[7]。

3.油气成藏主要动力因素的研究

沉积盆地实际上是一个低温热化学反应器, 油气的富集是由温度、力和有效受热时间控制的化学动力学过程, 及由压力、地应力、浮力和流体势控制的流体动力学过程的综合结果, 也是盆地中各个成藏动力学系统中的油、气、水三相渗流过程的结果。张厚福(1998) 认为: 地温场、地压场、地应力场等“三场”系受地球内能控制, 是地球内部能量在地壳上的不同表现表现形式。“三场”相互之间彼此影响与联系。“三场”的作用使地壳上形成海盆、湖盆等各种水域, 才衍生出水动力场, 有了水体才能出现化学场与生物场, 后二者也相互联系与相互制约。综合这些场的作用, 在含油气盆地内才出现油气成藏动力系统与流体压力封存箱等地质实体, 后二者之间互有联系和影响。油气从烃源岩生成并排出到相邻的输导层经运移聚集而成藏及成藏后发生的物理化学变化这一系列过程都始终贯穿“三场”的作用[8-10]。

4.含油气系统和油气成藏动力学的关系探讨

目前对含油气系统和油气成藏动力系统之间的关系众说纷纭。主要有3 种说法。(1) 含油气系统研究是油气成藏动力学研究的起点。(2) 油气成藏动力学研究是含油气系统研究的基础。王英民(1998) 认为含油气系统划分是成藏动力学研究的结果。，油气成藏机理。(3) 含油气系统和油气成藏动力学系统是交叉关系。笔者认为由油气运聚的物质空间和动力因素控制的流体输导系统的研究是油气成藏动力学研究的核心内容, 油气成藏动力学研究应按照从源岩到圈闭这一历史主线, 侧重于油气成藏的动力学与运动学机制的研究。但油气成藏动力系统对应的状态空间是油气藏。而含油气系统是从油气显示开始, 而不考虑其是否具有工业价值。因此油气成藏动力系统是在大的合油气系统研究基础上进一步按油气运聚动力学条件而追踪油气分布规律。因此笔者倾向于第一种说法, 认为在含油气系统宏观研究思路基础上进行油气成藏动力学过程的系统研究, 并根据成藏动力源泉进一步划分油气成藏动力系统, 才能弄清我国陆相盆地的成藏机理和油气分布规律并建立当代高等石油地质理论, 从而更好地指导21 世纪的油气勘探[11]。

参考文献

[]佩罗东1石油地质动力学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[2]孙永传1石油地质动力学的理论与实践[J]1地学前缘,1995,2(224):92141

[3]康永尚,等1油气成藏流体动力系统分析原理及应用[J]1沉积学报,1998,16(3):802841

[4]康永尚,等1油气成藏流体动力学[M]1北京:地质出版社,19991

[5]王英民1残余盆地成藏动力学过程研究方法[J]1成都理工学院学报,1998,25(3):38523921

[6]胡朝元,等1成油系统概念在中国的提出及应用[J]1石油学报,1996,17(1)1

[7]龚再升,等1南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集[M]1北京:科学出版社,19971

[8]张厚福,等1石油地质学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[9]田世澄,等1论成藏动力学系统[J]1勘探家,1996,1(2):202241

[10]张厚福，石油地质学新进展[M]1北京:石油工业出版社,19981

[11]费琪,等1成油体系与成藏动力学论文集[C]1北京:地震出版社,19991

第3篇：流体动力学原理范文

关键词：海洋科学 课程实践 改革

随着我国海洋事业的不断发展，对海洋类科技人才的要求也越来越高。流体力学是海洋科学类专业的一门专业基础课，在整个海洋科学专业的教学体系中占据重要地位。本课程的任务是通过学习，了解流体运动学和动力学的基本知识，掌握理想流体动力学的基本知识，掌握理想流体动力学的研究方法和理论，掌握不可压缩理想流体的无旋运动、粘性不可压缩流体动力、边界层理论、湍流等的基本理论和研究方法。这门课程具有极强的理论性和实践性，从而决定了这门课的教学目的既要使学生掌握理论知识，又要使学生学会如何运用到实际工程中去。然而，随着教学体制的改革，学分制实施，流体力学的教学学时不断缩短。课程教学多是为了满足培养方案的要求，对系列化专业课程支撑不够，教学效果不甚理想。因此，为了适应新形势下对人才培养的要求，我们对流体力学课程教学过程的各方面进行了改革和实践，以达到以培养出合格的海洋类人才的目的。

1.教学理念改革

流体力学课程的特点是抽象概念多、理论性强、体系复杂、难度较大，许多知识点都包含了大量的数学推导，对学生的数学基础要求比较高。也正是由于这些特点，所以需要改变传统的以教师为中心的知识传授型的教学理念，因为这种方式并不能使学生对所学知识留下深刻的印象，因而教学过程效率低，容易造成学生为了考试而学习的现象，不利于学生的综合能力的培养。新教学理念增强教学过程师生间的互动，突出学生的主体性，改变以往学生在学习过程中被动接收的地位，合理设计教学内容，利用现代化的教学方式，是以培养学生的学习能力、科研素质、创新意识为目的，全面提高学生的综合素质。希望通过流体力学课程的学习，使学生系统掌握流体运动的一般规律及其有关的基本概念、基本理论、基本方法和基本实验技能，同时具备较强的自学能力以及创新意识，为以后专业知识的学习，打下牢固的基础。

2.教学内容的改革

由于海洋科学类专业教学要体现海洋特色，海洋学的研究对象是海洋，而海水是海洋最重要的组成部分，动力海洋学研究宏观海水的运动，所以无论在研究对象、研究目的还是研究方法上面，动力海洋学都是流体力学的具体应用和发展。

针对这一教学内容的要求，我们进行了流体力学教学内容改革，使之适应于当前的海洋科学专业类的教学。考虑到目前国内的流体力学课程内容相当宽泛，并不是特别适合海洋科学专业的教学需要，所以在内容上作了调整，保留经典流体力学的基本原理，同时加入了流体力学基本原理在海洋学中的具体应用。例如，在讲授研究流体运动的两种方法欧拉方法和拉格朗日方法时，介绍了两种方法在海洋调查研究中的应用；在讲授有旋运动动力学中，将环流定理扩展到海洋和气象等方面的具体应用；在讲授粘性流体动力学时，补充了柯氏力场中粘性流体的运动，并深入讲授了风生海流、地球转动对梯度流方向随深度变化的影响等。

这些内容的加入和调整，使学生不但能够深入理解相关的教学内容，还能够了解其具体的海洋学应用，真正做到学以致用，并且可以平滑过渡到一些后续海洋类专业课程，如物理海洋学、海洋气象学、大洋环流等，的学习当中，同时也为将来考研或者研究生阶段的学习打下良好的基础。

3.教学方式的改革

教师教学方式就是教学中为达到教学目标，教师所采用的一系列的教学行为和活动方式、方法的结合。考虑到流体力学的学科特点，其基本方程、原理的推导较多，所以在传统上以教师教授法为主，即以教师为主体进行知识的讲授教学活动。但是单纯的讲授法存在一些问题，就是容易在课堂上与学生缺乏互动交往，从而不能有效的调动学生的学习积极性。为此，在流体力学的教学过程中，转变教学思路，将以教为主的教学设计和以学为主的教学设计结合起来，通过多种方式实现教学的良性互动，提高教学质量。

3.1多媒体教学改革

传统的板书教学方法的特点是推导过程细致、讲解入微，这在一些复杂的定理推导过中可以有效的帮助学生理解整个推导过程，也有助于学生掌握推导方法和技巧。但是，板书教学也有不足之处，一是采用板书教学传授的信息量不够大，由于流体力学的教学内容中存在大量的公式原理的推导，所以往往需要较多的课时才能满足教学要求；二是部分教学内容不够直观，流体力学的一门理论与实际结合的学科，所以很多的理论都有其对应的实际流动现象，所以板书对此无能为力。

多媒体教学可以有效的弥补板书教学上存在的不足，单课时能够提供较多的教学信息量，有效提高教学效率。另外，多媒体教学可以增加课堂教学内容的表现效果，通过一些多媒体素材展示了相关的流动现象，通过视觉、听觉等多种信息传递方式，帮助学生理解教学内容，这对于抽象的流体力学理论教学是一种相当好的授课形式。但是多媒体教学也存在一些不足之处，在公式的推导过程中，翻页式的教学明显加快了教学节奏，使得学生对推导过程了解不够深入，部分细节不明所以，学生的思考时间减少，另外就是多媒体教学的推广，很多学生都没有了记笔记的习惯。

针对以下两种教学方式的特点，在海洋科学专业流体力学的教学过程中，我们采用了两种教学方式相结合的方法。对于一些重要的基本原理，仍然采用传统的板书式教学，力求传授给学生流体力学的研究方法和研究思路。而对于推导结果，则采用多媒体的方式进行展示，在实际的教学中，引用了大量的海洋、大气等流体力学现象，如波浪、海流、台风等，将其以直观的形式与对应的流体力学理论结合，这样既加深了学生的理解，也引发学生进行海洋学研究的兴趣。实际的教学过程显示，课堂教学效果较好。

3.2课堂教学过程改革

为了能够使学生更好的融入课堂教学，在讲授法的基础上，采取了问答法、引导法多种教学方式作为辅助。

问答法是教师通过提出问题引导学生积极进行思考，学生自己得出结论来获取知识，可以有效的使学生主动参与课堂学习。在流体力学的教学过程中，合理的设计课堂问题，避免问题过易或者过难，前者不能达到启发引导学生思考的效果，后者会让学生对流体力学的教学内容产生畏难情绪，不利于知识的深化教学。同时，问题的设计也要有启发性、典型性，问题的数量一般控制在每节课2个左右，根据相关的知识点进行设计。

引导法是教师引导学生通过阅读教材、课件提示等材料，以自己相对独立的形式学习的教学方式，这种方法更能锻炼学生的学习能力。在流体力学的教学过程中，对于引导法的使用一般安排在内容相对简单，或者教学内容有相似重复处。如将雷诺输运定理应用于连续方程、动量方程等的推导，教师讲授连续方程的推导，而其后对于动量定理、能量定理等的推导引导学生独立完成。通过这样的引导过程，使得学生能够举一反三，牢固掌握基本原理，并培养了自学能力和创新能力。

3.3引入现代网络教学方法

为了能够有效的利用现代网络技术进行教学，推进课程的网络化改革，建设了流体力学网络课程。为避免网络课程成为简单的课堂内容的重复再现，在网络课程的设计过程中考虑与实际的课堂教学的互动性与互补性，除了提供课程教学视频录像供学生复习以外，还提供了非常丰富的相关多媒体教学资源、辅导资料，并将网络课程作为学生自学的一个重要的课后辅导工具，提供在线答疑。另外学生还可以网络课程提出对于教学过程的各种建议反馈，促进教学改革。网络课程的开设，使得流体力学的整个教学过程具有了交互性、共享性、开放性、协作性和自主性等特点。

4.结语

通过近几年较为系统的流体力学课程教学改革，包括更新教学理念、调整和补充部分海洋特色的教学内容、运用现代化的教学手段、改革课堂教学过程等途径，大大调动了学生学习的积极性，显著提升了教学效果，提高了课程的教学质量。但仍需进一步完善教学体系，提高教学水平，将教与学有机结合，对海洋科学类专业流体力学课程的教学改革进行不断探索和实践。

参考文献：

[1]孟祥林.不同教学模式下师生角色、教学效率对比及改革思路.湖南师范大学教育科学学报，2004年1月，第3卷第1期.

[2]万三敏，沈振剑.多媒体教学方式与传统教学方式的耦合机制研究.首都师范大学学报（自然科学版），2010年10月，第31卷第5期.

第4篇：流体动力学原理范文

关键词：流体力学；教学模式；改革

作者简介：杨卫波（1975-），男，湖北安陆人，扬州大学能源与动力工程学院，副教授；毛红亚（1976-），女，湖北天门人，扬州大学财务处，会计师。（江苏 扬州 225127）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0083-02

“流体力学”作为土木、机械、能源、动力、环境、化工等学科的一门主干技术基础课程，由于其理论性强、概念抽象、方程繁琐、难以理解与记忆，导致学生学习的难度较大，从而影响教学进程和专业人才培养的质量。因此，如何针对“流体力学”课程自身特点，结合专业建设目标，探索出一套新的适合各专业培养目标的流体力学教学模式具有非常重要的意义。本文结合工科院校学生的实际情况及笔者教学实践与体会，从教学内容、教学方法及考核方式三方面对流体力学教学模式改革进行了深入的探析。

一、教学内容

1.教学内容的选择

教学内容的选择对于提高教学质量、改善教学效果具有重要的意义。根据教育心理学理论，[1]在教学中应把课程中具有广泛迁移价值的科学成果作为教材的主要内容，从而可实现利用已有知识来同化现有知识的作用，提高学生的接受能力。“流体力学”作为大学工科专业的一门课程，虽然其内容相对比较陌生，但其所包含的基本知识却贯穿于中学相关课程之中。如流体力学中的速度、压力、压强、质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等，学生均在中学物理中均学过，因此在讲述相关内容时可以将其与中学内容相联系，从而提高学生的理解能力。又如在讲述管路的串联与并联特性时，其流量、阻力及阻抗特性正好与中学物理中电学的串联与并联电路的电流、电阻特性一致，如果在讲述之前引出中学的电路串并联原理，则可大大加强学生对管路串并联水力特性的理解能力。因此，根据学习迁移理论，将相关内容与学生已有知识进行对接，并阐述其相互之间的关系，不仅可以有效发挥学生利用所学知识来同化现有知识的作用，而且对于改善教学效果具有积极作用。

2.教学内容的编排

要合理编排教学内容就必须使教材结构化、一体化，以使构成教材内容的各要素具有科学、合理的逻辑关系。目前，国内“流体力学”课程的教学体系一般包括流体静力学、流体动力学（理想流体流动与实际流体流动）、流动阻力损失、孔口管嘴管路流动及特殊流动现象等。每部分内容既独立，同时各部分之间又有相互的联系。为了使学生容易学习，可以按照流体力学实际应用路线由简单到复杂的方式来编排教学内容。如可以从最简单的流体静力学部分开始，因为静力学部分中学物理中已讲授，生活中很常见，学生容易接受。由于静止是相对的，运动才是绝对的，自然界流体应用中更多的是运动着的流体，让学生明白这个道理后很自然将教学内容过渡到流体动力学部分，从而可提高学生继续往下学习的兴趣。在讲述流体动力学部分时，先从简单的一元理想流体运动部分着手，然后逐步过渡到多元理想流体流动及实际流体运动。在讲到实际流体运动时，由于能量方程中出现了阻力损失项，这样就很自然将内容过渡到流动阻力损失计算这一部分内容。由于生活中的复杂管路往往是由简单管路串联与并联而构成，因此，复杂管路的水力特性（流量、阻力等）需要确定，这样就可以根据流体力学实际应用需要将内容由阻力损失部分转移到孔口管嘴管路流动部分。最后，根据各专业培养需要，选择适合的特殊流动现象内容进行讲解，以加强流体力学的实际工程应用。这种以流体力学实际应用路线由简单到复杂作为主线的教学内容选择模式，内容组织层次感较强，讲起来更加引人入胜和重点突出，教学过程相对简化。

3.教学内容的弹性化

教学内容弹性化有两个方面的含义：一方面要根据每届学生不同的知识背景和不同的定位要求，采用不同的表达方式，以满足学生多样化的学习需要。另一方面是要根据时代的发展，不断更新教学内容，以适应最新科技发展的需要。[2]例如在“流体力学”教学过程中，为了让学生更容易接受，可以删去大量的数学公式推导，如流体连续性方程、动量方程、能量方程的推导等，这些内容对于学生是否掌握流体力学基本知识并无影响。又如，对于不同的学生群体，应根据学生今后的定位不同选择适当的教学内容，对于高职高专的学生，由于其毕业后大多数要走出校门从事实际工作，因此，在讲述时应侧重于流体力学实际应用方面的知识。而对于普通本科院校的学生而言，毕业后有相当一部分的学生要继续从事相关的研究工作（如考研等）。因此，应加强学生流体力学理论方面的教学与培养，以提高学生将来的研究能力。随着时代的发展和计算机的普及，将计算机用于求解流体力学问题的计算流体力学已越来越显示出其重要的作用。所以，流体力学教学中，适当介绍当今常用的计算流体力学商业软件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以扩充学生的知识视野，为今后有意继续深造的学生提供铺垫。

4.教学内容与工程实际相结合

兴趣是最好的教师。教育心理学[1]的研究表明：当学习内容与学生已有的知识和生活实际相联系时，才能激发学生学习和解决问题的兴趣。因此，在流体力学教学过程中，应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景，引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。如在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时，可以介绍1998年特大洪水灾害长江决堤事件等；在讲到流体静力学中平面总压力计算时，可以适当引入长江三峡水坝闸门的设计与计算；在讲到沿程与局部阻力损失[3]时，可以讲述如何选择水泵，并以每天生活用水管道供水为例来分析等；在讲到动量方程应用时，引入如何确定弯管及分叉管路中水流对管道的冲击力，从而可计算出管道支墩所受的推力；在讲述毕托管时，可讲述如何测量风管的风量与风压，在讲述倾斜式微压计时，可与毕托管一起讲述如何利用两者来测量正压与负压风管段的动压、静压及全压等。任课教师在平时授课过程中，结合专业培养目标适当穿插讲述一些发生在我们身边的与流体力学有关的实例，使学生认识到流体力学在生活及工程中的重要性，激发其学习兴趣，以提高教学效果。

二、教学方法

目前课堂授课中常用的教学方法主要有传统教学模式与以多媒体技术为代表的现代教学模式。传统教学模式是指教师通过口授、板书完成特定教学内容的一种课堂教学形式，该模式学生容易接受，可以达到预期教学目标。但缺乏创新与探索知识的功能，尤其是在当今知识快速更新的年代，更是面临严峻的挑战。现代教学模式是指在课堂教学中引入多媒体技术，通过形象逼真的动画的运用，生动形象地展示教学内容，从而可以充分发挥学生学习的积极性，使教学方式形象生动，有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力。

考虑到传统与现代教学模式各自的优缺点，在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来。如在讲述相关理论公式时，就以传统的板书教学为主，对公式的推导和例题的讲解，用板书的方式条理化，通过板书一边写、一边对学生提问，一边推导相关公式，让学生参与到教学中，从而可以加强学生与教师间的互动，激发与调动学生的学习积极性。而在流体力学理论的工程应用部分则较多地采用多媒体课件，例如在讲授层流与紊流[3]这部分内容时，单纯地板书讲解其概念很抽象，用多媒体课件展示雷洛实验讲解则直观生动，容易理解。在讲解孔口管嘴管路流动及虹吸现象时，用生动动画显示其流动全过程，可说明其流动过程中截面收缩及可能出现的真空现象，从而给学生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教师教与学生学的情况，及时发现问题以便改进。考核方式的合理性不仅能激发学生学习的兴趣，同时还可以提高教学效果。“流体力学”作为一门理论性极强的基础课程，传统的考核通常采用平时考核与期末闭卷考试相结合的方式，两者所占比例通常为30%与70%。平时考核主要是学生的出勤率与作业完成情况，而期末考试主要是卷面所取得的成绩。这种考核方式存在一定的问题，不仅不能激发学生的学习热情，在某种程度上还会使学生产生抵触心理。由于流体力学中有大量的经验公式和图表，如阻力系数计算公式与莫迪图、纳维-斯托克斯方程等，若采取闭卷考试，则势必要求学生背熟这么多的公式，容易陷入死记硬背的怪圈。

事实上，这部分内容的教学要求是让学生能熟练应用这些公式和图表解决工程实际问题，而不需要死记硬背。因此，在考核方式中可以尝试平时开卷考核与期末闭卷考核相结合的考核方式。即将不适合闭卷考试的一些无法记忆而又要求学生掌握与应用的内容，放在平时教学中进行开卷考核，而将一些基本原理、基本概念、基本计算方法的考核放在期末闭卷考试中。这样，一方面，通过平时不定期的考核能提高平时学生的出勤率，另一方面，通过平时考核也可以激发学生平时的学习兴趣，提高学习效率；此外还可以通过考核及时发现问题，改善教学方法。通过这样的考核方式，既能激发学生平时的学习兴趣，同时还可以提高教学效果，考试结果能较真实地反映学生对本课程知识的掌握和应用能力。

四、结语

教学不仅是一门科学，也是一门艺术。每一种教学模式都有其特定的适用范围和条件。流体力学作为工科院校相关专业的一门主干技术基础课，由于其理论性强、概念抽象、经验公式多，给其教与学带来难度。如何根据专业特点将其与各专业培养目标进行有机结合，通过教学模式的探索使其教学融入到各专业人才培养中，将是“流体力学”教学模式改革的进一步目标。

参考文献：

[1]谭顶良.高等教育心理学[M].南京：河海大学出版社，2006.

[2]刘立平，师少鹏.传热学课程教学的改革探索[J].高等农业教育，

第5篇：流体动力学原理范文

NavierStokes方程描述、刻划了自然界中粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中具有十分重要的意义。NavierStokes方程是当今非线性科学研究中的重点研究对象，其研究已有100多年的历史，现已成为非线性偏微分方程、数值分析和动力系统研究的推动力量。美国克莱数学研究所在公元2000年把三维不可压缩NavierStokes方程整体光滑解的存在性或局部光滑解在有限时间内爆破列为七个“千禧难题”（又称世界七大数学难题）之一。著名数学家 Fefferman在公元2006年专门为这个问题作了介绍和评论。他断言，如果没有新的分析工具和数学思想，这个问题是很难完全解决的。

本书主要关注平面域上的粘性不可压缩NavierStokes方程，共分两部分。第1部分是介绍基本理论，含第1-6章：1.引言；2.光滑解的存在性和唯一性；3.光滑解的旋度在Lebesgue空间中的范数估计；4.解算子的延拓；5.速度场在初始时刻为一般测度时的唯一性；6.长时间的渐近解，包括靠近稳态解时的衰减速率等；最后介绍源自于泛函分析中一些非常有用的定理。

本书的第2部分主要研究近似解，即数值计算性质，含第7-14章：7-8.引言和常用符号、格式；9.二阶边值问题的有限差分近似，三点拉普拉斯的最大原理分析、能量估计、矩阵表示及其收敛分析等；10.从厄米特导数到紧致离散双调和算子及该算子的有限元方法，三点双调和算子的精确度、稳定性质、矩阵表示及用该表示进行收敛分析等；11.离散双调和算子的多项式方法，包括在长方形和不规则区域中的双调和问题；12.利用流函数方法对NavierStokes 方程进行紧致逼近分析，包括用流函数表示NavierStokes 方程，对流函数方程离散化以及相应的收敛分析等；13.对NavierStokes 方程进行完全的离散逼近，包括对一般边值条件下的四阶逼近、对时间的隐式-显式离散化格式及相应的稳定性分析，以及数值模拟结果；14.带驱动的腔问题的数值模拟，对雷诺数由小变大时，考察了二阶格式趋于稳态解的收敛性。

本书研究平面域上的粘性不可压缩流体NavierStokes方程，涉及的内容相当广泛，包括理论、数值计算及模拟等；给出了基于流函数方法的一大类详细的现代紧致格式，特别对完全非线性问题给出了完整的证明。本书可供应用数学（特别是计算流体动力学）、偏微分方程和数学物理等领域的科研人员、工程师和高校教师及研究生使用、参考。

韩丕功，研究员

（中国科学院数学与系统科学研究院）

Han Pigong Professor

（Academy of Mathematics and

System Science ，CAS）Yogendra P Chaubey

Some Recent Advances in

Mathematics and Statistics

2013

第6篇：流体动力学原理范文

引言

CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门通过数值计算方法求解流体控制方程组进而预测流体的流动、传热和化学反应等相关物理现象的学科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。进行CFD分析的基本思路如下：将原本在时间与空间上连续的物理场如速度场或压力场等，离散成有限的变量集合，并根据流体力学的基本假定，建立起控制方程，通过求解这些流体力学的控制方程，获得这些变量的近似值。

我国作为一个人口众多的发展中国家，巨大的能源消耗已成为亟待解决的问题。其中建筑耗能占到总耗能的19.8%，而室内空调的耗能占到了整个建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空气调节和建筑物内外空气流通等研究领域，采用CFD分析来替代传统的试验方法，可大大缩短研究时间并提高经济效率。而本文将着重就CFD在暖通工程节能中的应用来展开讨论。

CFD基本原理

CFD是通过计算机模拟和数值计算方法对流场进行仿真模拟，解决物理问题的精确数值算法。它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。CFD是继实验流体力学和理论流体力学之后出现的第三种流体力学的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究领域都扮演着重要角色。尤其是在暖通空调和室内外通风等研究方法，CFD成为了最为行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的应用

CFD在暖通空调中的主要应用领域CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：

1.提高室内空调效率

采用CFD分析方法可以预测气流在房间中的流动情况，在充分考虑室内环境、各类边界条件与扰动的影响后，可全面地反映室内的气流分布情况，通过进一步的优化设计可以得道一个合理的气流分布方法，使空调的使用效率最优。

2.建筑周边环境分析

建筑周边环境对居民日常生活起着举足轻重的作用。对居民小区的风环境和热环境进行预测，是CFD分析的又一重要应用领域。采用CFD方法，在建筑设计阶段即可对建筑周边环境进行分析和优化，对规划设计的效果进行验证，使建筑通风和自然采光达到最佳效果，是小区居民生活品质的重要保障。

3.室内环境状况分析

采用试验方法分析室内环境状况，需要耗费大量的时间与经费，而采用CFD方法进行分析不仅可以节省时间，同时也能精确预测利房间内的风速、温湿度、污染物分布等指标，计算出通风效率、毒害物扩散效率和热舒适等，进而对室内环境状态做出一个合理的评估。

4.暖通设备性能评估

暖通空调工程使用的大部分设备，如风机、水槽、空调等，其运行状态都受流质运动的影响，空气或水的流动情况是评价设备性能的重要指标。通过CFD分析设备工作时的流场分布情况和流质流动情况，可有效地预测设备的工作状态。进而选择设备最佳工作状态，降低设备能耗，节省运行费用。

暖通空调领域中CFD的求解过程

暖通空调领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节无外乎包括以下几个方面：建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。

1.建立数学物理模型

建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本数学模型有：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ为流体密度（kg/m3），t为时间（s），u为速度矢量（m/s），ui为速度在i方向上的分量（m/s），p为压强（Pa）Fi―――体积力（N），T为温度（K），cp为定压比热，ST为粘性耗散项。

2.求解过程

（1）确定边界条件与初始条件

初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。

（2）划分计算网格。

网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。

（3）建立离散方程并求解。离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。

CFD在暖通空调节能应用情况

随着我国经济迅速发展和人民生活水平大幅提升，城市生活对化石能源的需求量越来越大。但今年来一系列能源危机提醒我们应当注重能源安全问题。在建筑工程领域，采用 CFD分析模拟，可有效减少建筑能耗，并能提高暖通设备的运行工作效率，我国暖通工作者已认识到CFD计算在研究和设计中的重要地位。

1.我国CFD在暖通空调节能应用现状

目前，我们已开始采用CFD对暖通空调节能的相关因素进行整体的系统模拟分析。通过在CFD模拟中改变设备参数，就有可能优化设备组合，改进系统性能。国外已把CFD用于室内空气流动与建筑能耗祸合模拟，我国清华大学也用CFD对空间气流组织设计与空调负荷的关系进行研究，这对建筑节能有重大意义。目前，我国在采用CFD解决建筑节能方面的研究还不是很深人，因而应进一步加强研究和推广的力度。

2.我国CFD应用存在的问题

我国研究机构很早就开始CFD模拟技术的应用研究，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。所以，从总体上看，我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面：

（1）还要建立在考虑辐射条件下计算室内空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型。

（2）将已有的CFD模拟技术方法进行简化，能够在微机上较准确地计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。

（3）考虑实际空调管道连接带来的风口出流特性变化，从而使室内空气流动模拟更加准确等。

（4）CFD技术在CAE工程中已表现出巨大的优势，如果将与CAD及CAM乃至AI技术有效地结合在一起，将显示其强大的生命力。

结语

第7篇：流体动力学原理范文

关键词：积雪层密度变化；凝固融化；计算流体动力学；雪荷载；FLUENT

中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：

1.概述

积雪压力与积雪的密度变密切相关，在自然环境下由于受到气温、地温、太阳辐射、积雪时间等因素的影响，积雪密度也会随之变化，从而导致积雪压力产生变化。如果要将这些影响因素加入到降雪模拟中，利用当前的技术手段和计算机自动化技术是很难实现的。因此，分别对各影响因素进行分析，评价其对积雪密度的影响范围与强度，对优化降雪模拟的计算结果有着积极的作用。研究也得到了积雪密度与气温之间的关系。

诸如此类的影响因素在这里就不一一列举了。然而笔者认为，虽然这类自然环境因素对积雪密度的影响难以考虑全面，但在当前利用计算机进行积雪模拟的过程中是可以通过找到修改计算参数的规律来满足计算结果与实验数据相符合的要求的。但是如果存在一些对积雪密度造成影响的非自然条件因素，那么就不能单纯的依靠修改计算参数来满足对计算结果的要求。笔者将提出一种冬季北方建筑特有的对积雪密度产生影响的因素。并通过模拟分析找到其对积雪压力的影响规律。

2 积雪密度的非自然影响因素

在冬季北方的建筑物中存在一种普遍的非自然状态，那就是冬季的建筑物内部供暖。由于室内的供暖使建筑物表面形成一定范围的温度在0℃以上热空气团，当降雪时，雪颗粒降落到建筑物屋面后，受到屋面热空气团的影响融化成水并与后续降落的雪颗粒混合成冰水混合物附着在建筑物屋面表面，随着降雪过程的继续，屋面的热量不断被雪颗粒吸收，由于屋面以下空气的导热系数低于水和雪颗粒的导热系数，屋面的温度持续降低到0℃以下，使此时附着在屋面表面的冰水混合物凝固成冰，最终导致屋面形成积雪层底部带冰层的冰雪混合型积雪，使积雪的平均密度增加，并在屋面积雪体积不变的情况下造成积雪压力的增加。

在有人员活动的冬季供暖轻型建筑中，由于屋盖材料普遍选用苯板、挤塑板或聚碳酸酯实心阳光板等导热系数不同的保温材料，使屋面积雪融化结冰的速度和冰层厚度存在差异。屋面保温材料导热系数越低，保温效果越好，积雪底部结冰速度越快，冰层越薄。相反，屋面保温材料导热系数越高，保温效果越差，积雪底部结冰速度越慢，冰层越厚。

3 积雪融化结冰数值模拟

在某些流动的过程中，流体微元之间会存在热量的传导和交换，这种传导和交换必须遵循热力学的基本定律。故在直角坐标系下三维瞬态导热控制方程为：

（1）

式中，为流体微元的温度，为密度，为流体材料的比热容，为热源产生的单位热量，为时间，为材料的导热系数。

如果不考虑导热系数的函数变化，（2.19）得以简化：

（2）

通过流体流动的基本控制方程，可以对流体微元之间的各种物理量的传递和转换有充分的了解，方便对不同的流动形式做出合理的分析，对后期CFD软件平台的运用，和各项参数的计算与选定起到指导性的作用。

本次对屋面积雪融化结冰现象的模拟依旧采用CFD软件的FLUENT平台。计算使用能量模型和凝固融化模型完成。采用二维单精度处理器进行计算。

前期模型的建立采用1:1比例建立高度为5m的轻型建筑，由于计算过程忽略室内的空气对流流动，室内设置为固体边界条件。屋面设置为封闭的独立承载积雪空间，采用流体边界条件。

4 计算结果分析

在FLUENT的计算中，首先对计算域进行温度场的计算。室外温度设置为263k，室内地面的温度设置为310k，从结果中可以看出，屋面表面存在暖层温度为275.13k。

初始温度场计算收敛之后，在屋面封闭空间内初始设置积雪之后继续进行非定常计算。时间步长0.1s，共计算72000步。

从计算结果中可以看出，在整个积雪融化结冰的过程中，由于冰层的变化，整个积雪层的密度不断增加，并随着积雪深度呈线性变化。整个过程在20分钟左右时趋于平衡，可以形成1-3cm的冰层。而每形成1cm的冰层，积雪厚度将减少5cm-6cm，新雪补充后，积雪荷载每平方米将增加0.067KN-0.089KN。

5 结语

通过上述的模拟过程可以看出，在建筑物存在冬季供暖的条件下，屋面积雪底部有可能出现一定厚度的冰层。在形成冰层的过程中积雪的内部会产生明显的密度变化，同时由于密度变化产生的这部分积雪体积的缩减会被持续的降雪所补充，最终导致积雪荷载再次产生变化。经过计算统计冰层的厚度受室内外温差和建筑物高度影响明显，同时室内的空气对流也会对热量传导产生影响。

参考文献：

[1] 杨大庆，张寅生，张志忠．乌鲁木齐河源雪密度观测研究［J］．地理学报，1992,47(3):260-266

[2] 莫华美; 典型屋面积雪分布的数值模拟与实测研究 [D];哈尔滨工业大学;2011年

[3] 田静.积雪融化过程中水、热、溶质运移规律的研究[D].辽宁:沈阳农业大学，2004.

第8篇：流体动力学原理范文

关键词：高速工况；动力电池；电池产热量；动态仿真；电池散热

中图分类号：U469.72文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.08

随着社会的进步以及环境问题的不断升级，新能源产业得到蓬勃的发展，而新能源汽车以其噪声低、污染小的优点得到世界各国的普遍重视，作为电动汽车核心部件的动力电池也自然成为很多学者的研究重点。电池组温度的一致性直接关乎动力电池的寿命，是电池研究的核心领域，因此，很多学者将精力投入到电池热管理的研究当中。姬芬竹等[1]对锂离子电池的生热速率进行了讨论，并利用Fluent软件对电池的散热系统进行了分析。雷志国等[2]以锰酸锂电池为研究对象，探究了电池的低温性能，并对低温加热方法进行了讨论。周萌等[3]对动力电池的液冷热管理系统进行分析，并获得了较为良好的冷却效果。但现阶段大多数研究工作都没有将汽车实际运行工况与动力电池的热管理相结合，更侧重于理论性。本文基于汽车的实际高速运行工况，对纯电动汽车动力电池的散热特性进行研究，具有更加重要的实际意义。

2 电池动态特性分析

当电动汽车实际运行时，动力电池的输出电流并非是一成不变的，而是随着路况的变化而不断变化的。通过Advisor软件搭建纯电动汽车仿真模型，可以分析电池输出电流的变化规律，为动力电池的散热性能分析提供前提。

2.1 HWFET工况

汽车的理论运行工况很多，一般用于分析的有新欧洲驾驶循环（The New European Driving Cycle，NEDC）工况，美国的FTP75工况以及日本的JC08工况等，虽然这些工况主要用于轻型车排放油耗试验，但也同样适用于汽车其它方面的性能测试。

HWFET工况是公路行驶工况，也是高速行驶工况，该工况历时765 s，总行程 16.45 km，汽车的平均行驶速度为77.7 km/h，HWFET运行工况如图1

所示。

2.2 动态仿真分析

仿真分析时，汽车运行工况为高速工况，整车质量为1 200 kg，电机的峰值功率50 kW，锂电池容量为60 Ah。利用Advisor软件搭建的仿真模型如图2所示。

通过仿真分析，可以得出在HWFET工况下，纯电动汽车动力电池输出电流曲线，具体电流变化规律如图3所示。

动力电池输出电流曲线反映了电流随时间（路况）的变化规律，从电流变化曲线中可以清楚地看出，在HWFET工况下，动力电池输出电流几乎全部低于80 A，即当电动汽车在此高速工况下行驶时，输出电流最高为80 A。

因此，基于上述分析结果，我们对电动汽车进行产热及散热特性分析时，选择其工作电流为81 A，由于电池容量为60 Ah，也即令电池以1.35 C放电倍率持续运行，研究电池包的散热特性。

3 搭建电池包模型

3.1 模型前处理

根据整车布置需求，电池包设定为阶梯式外形结构，电池为最常用的锂离子电池，冷却方式为并行冷却[5]。

首先利用三维建模软件CATIA搭建电池包模型，由于理论分析时只需要与流体接触的表面，因此，在模型前处理过程中，去除电子电器件以及外表面的支架和螺栓等对理论分析影响不大的几何结构，并对其进行适当的简化。将简化后的电池包结构进行网格划分，经过几何清理和网格划分后的结构如图4所示。

3.2 模型计算参数

在进行分析时，由于研究动力电池散热性能随时间的变化规律，因此选择瞬态分析。流体速度较快，绝大部分处于湍流状态且流线弯曲程度较大，故选择Realizable K-epsilon湍流模型。动力电池作为均匀体积热源，并耦合能量方程[6]。

3.3 模型边界设定

在进行计算流体动力学分析时，边界条件准确与否直接关系到仿真结果的精确性，因此需给定符合实际和物理规律的边界条件。

计算过程中，电池组的初始温度为30 ℃，电池包与电池包外空气换热为自然对流换热，其它具体边界条件见表1[7]。

4 电池包散热特性分析

在对电池组进行瞬态分析时，让电池组以1.35 C的放电倍率持续放电30 min，分析其散热效果[8]。

4.1 数值仿真分析结果

4.1.1 电池包内气流速度场分析

当气流以4 m/s的速度进入电池包时，电池包内的气流分布状况如图5所示。

从电池包内气流组织分布图中可以粗略地看出，电池包内上下部气流分布较为良好，而流经电池组两侧壁面附近的气体较少，整体上看，气流组织良好。

流线图可以反映气流的大致分布状况，但很难反映具体气流分布状况，如电池包壁面处的气流几乎无法反映出来，因此，需要对电池包内速度场作进一步分析。截取电池包中心截面，截面上的速度矢量分布如图6所示[9]。

从电池组的中心截面速度矢量分布图中可以看出电池包进口侧速度较快，出口侧速度较慢，阶梯形拐角处速度更慢一些，气流速度只有0.5 m/s左右。

综上可知，气流总体组织状况较为良好，流速分布也比较均匀，但阶梯形拐角结构处气流组织稍差，流速较低，这可能会引起局部温度偏高。

4.1.2 电池组温度场分析

速度场可以从整体上分析气流的分布状况以及气流组织的合理性，但却无法直观地反映电池包的散热效果，因此，需对电池组温度分布进行讨论。截取z方向（图6）的电池组中心截面，中心截面的温度场云图可以反映出电池组的最高温度，同时，该截面处的最低温度也与整个电池组的最低温度相差不大。因此，可以用中心截面温度云图来评价电池包的散热性能，其温度场云图如图7所示。

从电池组的中心截面温度分布图中可以看出，整个截面的温度分布较为均匀，在阶梯形拐角位置处温度略高，这也与速度场分析结果相吻合。截面的平均温度为32.833 ℃，最大温差也接近10 ℃，但截面处各电池单体的温差较小，均在2 ℃左右。整体上看，该并行冷却系统的散热效果良好，满足一般乘用车电池热管理系统的冷却要求。

为进一步研究散热系统在不同挡位下的冷却性能，增加进口风速，研究其它挡位下电池包的散热性能。

4.2 进口风速对电池散热的影响

分别对电池包在进口风速6 m/s（中挡位）和8 m/s（高挡位）时的电池组进行仿真分析，得到不同风速下的电池组平均温度及温差见表2。

将表2中的电池组中心截面平均温度和电池组温差绘制成随风速变化的曲线，如图8所示。

由图8可知，随着进口风速的提高，电池组的平均温度和温差都在逐渐降低，但电池组的温差降幅已逐渐变缓。因此，通过增加进口风速可以有效降低整个电池组的平均温度和温差，但过高风速对降低电池组温差的效果并非十分理想，也就是说并非冷却系统挡位越高，降温效果越好。选择合适的风速（挡位）既能达到良好的散热效果，又能节约能源。

5 结论

（1）采用Bernardi生热模型，通过试验计算出电池的产热速率和比热容。

（2）利用Advisor软件搭建纯电动汽车模型，并分析动力电池在HWFET工况下的动态特性，得到电池输出电流的分布，为后续电池包散热分析提供前提。

（3）在1.35 C放电倍率下，对电池组进行瞬态仿真分析，得到电池包内速度场和电池组中心截面的温度场分布。结果显示截面处整体温度均匀，局部温度略高，在并行冷却结构下电池组散热效果良好。

（4）基于仿真分析，得到电池组平均温度及温差随进口风速的变化曲线。该曲线显示随着进口风速的提高，可有效降低电池组平均温度，但对于降低电池组温差，效果并非十分理想。

参考文献（References）：

姬芬竹，刘丽君，杨世春，等. 电动汽车动力电池生热模型和散热特性 [J]. 北京航空航天大学学报， 2014， 40（1）：18-24.

Ji Fenzhu，Liu Lijun，Yang Shichun，et al. Heating Generation Model and Heat Dissipation Performance of the Power Battery in Electric Vehicle [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and astronautics，2014，40（1）：18-24. （in Chinese）

雷志国，张承宁，董玉刚，等. 电动汽车用锂离子电池低温性能和加热方法 [J].北京工业大学学报，2013， 39（9）：1399-1404.

Lei Zhiguo，Zhang Chengning， Dong Yugang，et al. Low-Temperature Performance and Heating Method of Lithium Battery in Electric Vehicles [J]. Journal of Beijing University of Technology，2013，39（9）：1399-1404. （in Chinese）

周萌. 动力电池成组液流热管理系统设计分析 [D]. 长春：吉林大学， 2014.

Zhou Meng. Design and Analysis of Liquid Thermal Mana-gement System for Power Batteries Classifying [D]. Changchun：Jilin University，2014. （in Chinese）

沈帅. 纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D].长春：吉林大学，2013.

Shen Shuai. Thermal Characteristic Research of Battery Pack and Thermal Management System Development for Pure Electric Vehicle [D]. Changchun： Jilin University， 2013. （in Chinese）

付正阳，林成涛，陈全世. 电动汽车电池组热管理系统的关键技术 [J]. 公路交通科技，2005，22（3）：119-123.

Fu Zhengyang，Lin Chengtao，Chen Quanshi. Key Tech-nologies of Thermal Management System for EV Battery Packs [J]. Journal of Highway Transportation Research and Development，2005，22（3）：119-123. （in Chinese）

王福军. 计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用 [M]. 北京：清华大学出版社，2004：4-158.

Wang Fujun. Computational Fluid Dynamics Analysis： Principle and Application of CFD Software [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2004：4-158. （in Chinese）

马兆强. 混合动力车用镍氢电池组散热系统CFD仿真与结构设计 [D]. 重庆： 重庆大学， 2011.

Ma Zhaoqiang. Simulation and Optimization on Heat Dissipation System of MH-Ni Battery Packs for Hybrid Electric Vehicle [D]. Chongqing：Chongqing University， 2011. （in Chinese）

梁金华. 纯电动车用磷酸铁锂电池组散热研究 [D]. 北京： 清华大学， 2011.

Liang Jinhua. Research on the Heat Dissipation of Pure EV's Battery Pack [D]. Beijing：Tsinghua University， 2011. （in Chinese）

第9篇：流体动力学原理范文

关键词：流体力学；课程改革；考核方式；教学方法

0引言

《流体力学》是工科专业的一门基础课程，在各工程领域也有着非常广泛的应用[1-3]。通过对流体力学的学习掌握就可以为后续专业课的学习奠定坚实的基础，而在实地教学中却存在诸多问题。因为大部分本科生以前接触的力学都是简单的固体力学，研究的是看得见摸得着的事物。而流体力学着重研究流体的静止及运动状态的规律，研究流体的质量守恒、能量守恒及动量守恒三大定律及其应用，对数学学习要求较高，课程中的概念较抽象、公式较复杂[4]，使很多学生难以理解其知识点，难以把握学习的要领，进而容易遗忘或者产生厌学情绪。因此，根据安全工程专业特点，对流体力学课程教学内容和教学方法等进行改革是非常必要的。

1课程教学特点及现状

《流体力学》是安全工程专业的一门学科基础必修课程，是一门多学科交叉融合的课程，涉及数学、物理学、力学等，理论性和工程实用性都较强。课程的研究对象为流体，区别于固体的主要特点是易流动，课程中的许多概念较为抽象，且方程的推导需要运用数学的方法，对学生运用数学知识分析问题的能力要求较高，总体来说，学生学习难度较大。目前，《流体力学》的课堂教学以理论知识讲解为主，习题练习为辅，要求学生数学基础、理解能力、逻辑思维能力较好，课上认真听讲，课后及时复习巩固。但是学生的学习主动性和积极性不高，课程作业的完成质量不高，只是单一的应付考试。

2课程改革探讨

为提高学生的学习效果，适应新形势下应用型人才的培养目标，培养学生严谨、认真的学习态度，培养学生分析及解决流体力学问题的能力，及运用流体力学方法进行科学研究的基本能力，并为后续专业课程的学习打下良好的基础。本文拟从教学内容、教学方法、考核形式三个方面对《流体力学》课程进行改革。

2.1教学内容

根据《流体力学》在安全工程专业中的课程定位，将流体力学的内容分为流体静力学、流体动力学基础、流动阻力及能力损失、管路流动、相似原理及因次分析等五大模块。课程内容围绕流体静止、运动两个状态及力学的三大方程展开，由浅入深。培养学生的工科思想及意识，能够对安全工程专业的流体力学问题进行分析。

2.2教学方法

整合传统和现代教学手段，采用不同的教学方式，如课堂教学与网络辅助教学相结合，将相关的习题解答方法及课堂练习同步至超星在线课堂，给学生课后复习巩固提供资料，并通过网络资源及时进行解答；多媒体教学与板书结合，将复杂的流体流动过程以多媒体动画的形式展现出来，让学生更直观的了解某种现象，增加对理论知识的理解和掌握；增加课堂习题练习及讲解，注重师生互动，注重理论练习实际，在课堂组织教学中通过师生互动调动学生学习积极性，并通过该环节了解学生课堂知识的掌握情况，及时调整讲授方法。

2.3考核方式

采用多元化的考核方式，变单纯的期末考试为平时和期末多层次考试，建立平时成绩考核机制。平时成绩考核包括章节测试、期中测试、课后作业、课堂练习及课考勤四部分内容，其中每一部分成绩占总成绩的10%；期末考试成绩占总成绩的60%。章节测试一般是针对每一章的重点难点，用3-5道典型习题，耗时45min，检测学生的掌握情况。要求学生在规定时间内完成，章节测试的平均成绩计入期末综合评定成绩。对于章节测试的习题进行批改、统计成绩、分析成绩，并对教学方法进行反馈，及时调整。课堂练习一般针对课堂中的知识点进行测试，习题主要以填空、选择、判断的形式出现，方便、灵活、易于控制时间。通过练习，让学生查缺补漏，同时根据练习情况及时调整授课进度及方法，确保学生对课程知识的主要内容了解和掌握。课后练习是对课程内容的巩固和补充，是对学生理论知识运用情况的检测，但课后作业易出现抄袭现象，对于疑似抄袭的作业，作业的分值不会给高分，通过课堂的互动可以判断抄袭者的范围，在课后习题讲解过程中有意让抄袭者进行讲解，同时通过作业重复练习，让学生真正理解作业的解题思路及方法。