流体力学现象及解释精选(九篇)

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第1篇：流体力学现象及解释范文

关键词：无机非金属材料实验；流体综合实验；柏努利方程；创新探索

1、前言

武汉理工大学材料学院所开设的“无机非金属材料实验”是一门国家级精品课程。在其基础系列实验中，包括了以柏努利方程为核心的流体综合实验。

柏努利方程（Bernoulli’s Theorem）因其由英国流体力学的先驱者柏努利推导出来而得名。其本质是自然界中普遍存在的能量守恒原理在流体力学中的具体应用。具体来说，该方程是关于在流体流动过程中，流体的势能、压力能、动能与因流动阻力造成的能量损失之间的转换与平衡关系。在工程流体力学及其实践中，该方程的使用十分有效，它几乎可以解释和解决工程流体力学中许多现象和问题。这也为我们讲解以柏努利方程为核心的流体力学综合实验的原理以及解释所出现的各种流体流动现象提供了良好的理论基础。

柏努利方程尽管在物理意义上具有能量的含义，但因其中的各项具有“高度”的量纲。因此，它又有几何的含义，由于英国人习惯用“头（Head）”来表征高度，翻译成汉语就是“压头”的概念。因此，柏努利中的各项就是“压头”的集合，分别称为：几何压头、静压头、动压头和压头损失。

二、实验和实验授课过程中的创新探索

在本流体力学综合实验过程中，最重要的就是让学生深刻地弄清（压头）阻力损失的概念。早期流体力学家根据数学、物理学的基本原理，对于阻力损失进行过的分类，按照英语原文直译过来就是“摩擦阻力损失（Friction Loss）”和“局部阻力损失（Minor Loss）”。

关于摩擦阻力损失，它是指当流体流速的大小和方向均不改变时，纯粹因流体内部的速度差所导致的摩擦阻力而引起的能量损失（或称为：压头损失）。根据摩擦阻力损失的大小与流体经过的路程成正比的特点，我国国内普遍将其称为：沿程阻力损失。

关于局部阻力损失，它是指在流体流动过程中当遇到局部障碍时，流体流速的大小、方向至少有一个会发生改变。于是，因流体质点速度分布重组和撞击及其所引起的漩涡区而造成的、在障碍所在局部区域内的、除了原有沿程阻力损失之外的附加能量损失（压头损失）。弄清楚了以上概念及问题的本质，教师讲课以及学生理解就相对容易许多。

本流体力学综合实验中的第一个实验是：关于流体局部阻力损失的实验。具体来说，就是流体在流经突扩管时，静压分布的变化规律表征、局部阻力系数的测量、在突扩管前后流体流速分布重组的情况以及有关涡旋区的形成原因。我们以实验中的静压分布变化规律来验证和加深这几项内容。这样也有利于通过实验环节来理解局部阻力损失的成因，从而加深理论课学习的效果和印象。

本流体力学综合实验的第二个实验是：关于柏努利方程效果的演示实验。图1就是我们根据真实实验装置所开发的实验模拟软件的一个截面图。通过该实验，可以直接明晰地呈现出流体流动因符合柏努利方程而产生的各种流动现象和效果。学生对该演示实验中所呈现的各种流型和规律的反映效果较好。在此基础上，我们又提出了在材料工程中、在日常生活中出现的各种流动现象，请同学们思考与并设法用柏努利方程来解释，然后进行适当的引导，这样有助于提高素质教育的结果。也就是说，有助于通过该实验的学习将流体流动中所体现的真实规律应用到具体的材料工程中，包括材料的制备、加工，以及制备加工所用有关设备内的某些结构。这也为学生毕业以后从事具体的工作中和技术革新活动而贮备一定的基础知识。

图1柏努利方程实验装置

本流体综合实验的第三个实验是：有压渗流的电模拟实验。该实验的关键是弄清楚流体流动（尤其是渗流）的概念与特点。其实验结果是用具有相同数学分布规律的电场（其参数可测量）来模拟出有压渗流场的规律（直接测量较困难）。另外，在该实验中，我们还讲解了均匀地增加流体流动的阻力有助于提高流体流动的均匀度。这一道理在工程实验中，经常被用到。

三、结论

作为国家级精品课程的一部分，我们在本流体力学综合实验过程别注意教学效果的深化、开拓与创新活动。经过以上所述的创新探索以及几次该综合实验的教学，我们认为达到了这个目的。从学生的反馈意见来看，也验证这一结论。希望本文对相关实验教学活动有所裨益，也欢迎各方面的反馈意见和指导建议。我们将认真对待与积极改进，从而为无机非金属材料专业方向的人才培养做出自己的贡献。

四、致谢

本项目由武汉理工大学校级教学研究项目（项目号:201004）以及武汉理工大学实验室开放项目（①材料工程流体力学实验与其模拟实验的开发；②材料工程基础课程中传热学模拟开放实验的开发）提供支持。

【参考文献】

[1]刘立．流体力学泵与风机（第二版）.北京：中国电力出版社．2007．

[2]James R.Welty.Fundamentals of Heat，Momentum，Mass Transfer（4th ed）.Delhi， India：John Wiley & Sons， Inc.2001．

第2篇：流体力学现象及解释范文

关键词：《工程流体力学》；问题探究式教学方法；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0223-02

《工程流体力学》是能源动力、土木工程、环境工程等诸多专业的专业基础课程，由于该课程的学习中有不少涉及到高等数学、大学物理等课程的知识点，因而学生普遍感觉学习难度高，兴趣不大[1]。笔者从多年的教学经验中总结出问题探究式教学方法，并取得了一定的教学效果，同时也对教学活动中存在的一些问题进行了思考并提出了具体改进措施。

一、以传授知识点为主的教学模式存在的问题

目前大部分高校的《工程流体力学》课程仍采用传统的课堂面授的教学方法，教师是教学活动的主要组织者，授课教师以演讲者的身份，按照教材编排来讲授教学内容，因此课程知识点为单向传授式，学生对课程内容往往缺乏主观的思考，只是被动地接纳。以传授知识点为主体的教学模式强调概念讲解和公式推导，学生对所学内容理解不深，大多数学生也只能做到课后照搬公式做题，而对后续专业课学习中碰到的新问题无法做到归纳分析，最终也不能有效提升运用知识解决实际问题的能力。由于人类对科学的认知都是从现象开始的，现象表现出的规律性引导人们不断探究现象背后的本质，因此《工程流体力学》课堂的教学组织也应遵循从现象到规律的认知路径。课堂应先从日常生活及工程实例中提出问题，由教师引导学生剖析问题，逐渐深入到现象背后的规律性内容，再经概念阐述和理论推导，完成前述问题的理论解释。以问题探究为主体的教学模式显然更有助于培养学生的学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力。

二、《工程流体力学》问题探究式教学的课堂组织

在实施问题探究式教学模式时，教师尽可能选取来自于日常生活现象以及有专业背景的问题，并以图片、动画或视频等较形象化的方式给出，增强学生对流体力学的感性认识，教师要根据学生课堂的反应情况对学生不断引导，鼓励学生启用发散性思维方式解决问题，鼓励学生大胆尝试，通过对问题抽丝剥茧式的分析来提高解决实际问题的能力。课堂上的问题和探究性的思考过程要让学生的思维活跃起来，让学生意识到所学的知识是鲜活、有用而又有趣的，能逐渐领略到流体力学的美妙之处。在问题分析后的理论阐述中要适当舍弃一些繁冗枯燥的公式推导，强调公式中各项的物理意义和公式的适用条件。本文以课程中的绪论、一元流体动力学基础以及孔口管嘴管路流动[2]为例，具体阐述探究性问题教学模式的实施过程。绪论课的问题可以提得多而广，通过大量的实际应用和工程问题，让学生充分理解学习课程的目的及意义，做到课程一开始就抓住学生的学习兴趣，激发他们的研究热情。在课程刚开始时，可以让学生列举常见的流体种类，并总结流体与固体的本质区别；给出儒可夫斯基对佯缪（永动机问题）的描述，让学生解释原因；课堂上用汤匙现场演示水流的附壁效应；由目前大气环境常见的雾霾问题引出颗粒物的绕流阻力问题，并让学生估算雨滴和尘埃在空气中的下降速度差异[3]；用图片方式介绍1940年美国华盛顿州塔科马海峡桥事故，让学生分析事故原因；介绍市政供水的基本方法，再让学生估算学生宿舍楼供水的压力；分析采暖系统中设计膨胀水箱的原因；夏季和冬季空调送风口的风向有何不同，哪些措施能够尽可能实现房间内温度的均匀分布。由于绪论课涉及的问题可覆盖整个课程，可把某些问题留给学生在课后自己分析。在讲授一元流体动力学基础时，教师可首先给学生演示平行纸片的吹气试验，让学生观察并解释纸片的飘向；提出常说的“水往低处流”论断一定正确吗？再根据市政管网的供水现象，引出驱动流体流动的能量形式及其相互转换问题，并让学生解释航海中的“船吸现象”、洗澡时浴帘的飘向问题；由烟囱里气流流动的驱动能引出气体与液体的能量方程形式的不同；由消防水枪在喷水灭火产生的后推力问题引出一元流体动量方程。

孔口管嘴管路流动的内容与工程实际结合较紧密，可多给学生实际案例进行分析。如：（1）城市管网夜间的供水水压为何会普遍高于白天的水压？（2）屋顶水箱供水到同一建筑的高层和低层住户，其压力有何不同？（3）建筑内外存在温差时，如何在建筑物壁面上开窗，实现自然通风？（4）如何利用虹吸的原理，给鱼缸换水，其关键步骤是什么？（5）冷却水系统中，如何考虑水泵的扬程以保证冷却水的循环？为节约时间，教师应在课前将问题留给学生，为提高课堂效率，可对每个问题指定若干名学生完成，并记录回答情况。

三、探究性课程教学中其他问题的思考

在学期结束时，教师与学生（共两个班级，约130人）通过问卷调查、面谈、QQ、电话等方式进行了沟通，发现教学中有如下问题值得关注。

1.采用问题探究式教学方式需要教师根据学生的反馈进行分析和引导，会占用课堂学时中相当比例的时间，由于课程学时数的限制，某些问题的探讨无法深入，且教学内容主要由PPT方式完成，因此教学进度普遍较快。当学生在课堂上未能理解和掌握某些知识点后，很容易放弃对后续知识点的学习。因此笔者建议，授课教师应组织整理课程的微课资料，让学生利用微课资料自主完成预习和复习，大大减少课堂上对基础内容的讲解，将课堂学习的主动权从教师转移给学生，使学生能够在课堂上主动基于问题进行深入探讨，从而显著提高课堂的学习效果。

2.有近50%的学生认为教师给出的探究性问题有一定的难度，并有助于对教学内容的理解，能有效激发学生的学习兴趣，课堂上对问题的探究过程提高了学生分析问题和解决问题的能力。部分学生希望教师点名提问并记住自己的名字，也较喜欢这种教学模式；当然也有部分学生不太适应该方式，尤其是在无法回答问题时学生会感到尴尬。教师应提前把问题留给学生，给学生充分的思考时间，从而更有效地利用课堂教学时间。

3.目前大学生存在课堂出勤率不理想、上课玩手机、睡觉等现象，教师可将学生座位固定，不点名即可快速统计学生的出勤率，并考察学生的听课情况且及时记录，在课程的第一次课上和学生讲明出勤率、听课表现、作业和平时小测验的成绩在总评成绩中的比重和计分方法，细化考核要求，并严格按规定执行，这样能有效地督促学生端正学习态度，重视平时学习。

4.课程考核方式和难度要求是检验学生学习效果的重要方面。通过调查，发现有近40%的学生认为教师应采用闭卷方式并严格进行考核，不希望考试降低难度。这项统计数据说明，不少学生有主动学习的愿望，学习态度端正，并愿意采用严格的考核方式来检查自己的学习效果，因此授课教师在考核时应坚持原则，对学生认真负责，出题难度适中，学生卷面分数尽可能符合正态分布。

四、结论

本文采用问题探究式的教学方式对《工程流体力学》课程进行了教学实践，并给出了问题探究式教学方法的具体实践过程。通过与学生的沟通和问卷调查，了解到近半数的学生认可问题探究式的教学方法，认为该方法有助于加深对课堂教学内容的理解。在问题探究式教学过程中，教师也发现需要在以下方面进行改进：应尝试利用新型的互联网教学手段，如微课等方式，进一步提高课堂学习效率，将课堂学习的主动权从教师转移给学生；强化平时考核，细化成绩评分方法，期末考试题目要有合理的难度，成绩分布应合理。

参考文献：

[1]谢海英.《工程流体力学》在环境工程专业中的教学探讨[J].教育教学论坛，2013，（43）：75-97.

[2]龙天渝，蔡增基.流体力学[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]王洪伟.我所理解的流体力学[M].第1版.北京：国防工业出版社，2014.

The Exploration and Reflection of Problem-Based Teaching Method for "Engineering Fluid Mechanics" Course

XIE Hai-ying，HUANG Yuan-dong，DENG Bao-qing，LV Juan

（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

第3篇：流体力学现象及解释范文

关键词：流体力学 教学方法 自主实验 抽象到具体 工科院校

中图分类号：O35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0199-02

流体力学是力学的一个重要分支，是流体机械专业重要的专业基础课，在航空、航天、航海、水利、机械等领域拥有广泛的应用，因此学生学好这门课对后续课程的学习以及日后从事相关研究工作非常重要。但流体力学不同于理论力学、材料力学等力学学科，流体力学研究对象比较抽象，通俗来讲就是研究对象看不见、摸不着，理论性强、数学表达式复杂非线性强，讲课好像有点空对空的感觉。一些关键概念比如雷诺输运定理、随流导数等学生理解起来比较困难，如果纯粹从数学角度开展教学，学生听起来比较枯燥、积极性不高、课堂互动性不强。为了提高教学效果，目前国内很多流体力学教学工作者已经探索了很多教学方式方法，比如哈尔滨工业大学的“流体力学的多尺度创新性实验课”[1]、南京航空航天大学的“流体力学设计性实验竞赛”[2]、北大通过结合重大事件与自主试验调动学生积极性、培养创新精神[3-4]等。

本人目前承担工程流体力学、实验流体力学、计算流体软件应用分析以及流体教学实验开发等与流体力学相关的教学工作并从事一定的科研工作，本人能从理论、实验、计算等不同层面并结合自己的科研工作对流体力学教学方式方法进行一些尝试，中心理念是站在学生的角度，从流动本质讲授，让抽象的知识具体化、形象化。该文将结合自己的教学经历谈几点这方面的体会。

1 赋予公式物理含义，让公式形象化、理论生活化

流体力学与学生在基础课学习阶段学习的大学物理、理论力学、材料力学中的力学在本质上是相同的，依然要满足牛顿第二定律，同时满足质量守恒定律、能量守恒定律，但在研究方法与研究对象方面存在很大的差异。流体力学所采用的研究方法主要是欧拉方法，研究对象是流场。流场是个空间概念，而质量守恒、动量守恒、能量守恒这三大守恒定律仅适用于流体质点或者流体质点组成的体系。这就需要把流场与质点或者体系两种研究对象、欧拉方法与拉格朗日方法两种研究方法联系起来，换句话讲就是如何用空间流场参数的分布与变化表示流体质点或者体系运动参数的变化，随流导数和雷诺输运定理就是建立这种关系的桥梁。随流导数在数学形式上是某种物理量对时间的全微分，从数学角度讲解学生没有任何异议，但这不代表学生理解了它的物理内涵。随流导数由当地导数与迁移导数构成，首先需要让学生明确随流导数对象是流体质点，三大守恒定律适用于它；当地导数与迁移导数针对流场，其中当地导数表征流场参数随时间变化，即流动是定常的还是非定常的，迁移导数表征流场参数空间分布均匀性，在此三大守恒定律不适用。下面的问题是让学生如何理解两者之间的关系。首先举个简单的例子，让学生从感性上认可这种关系，即可以用空间流场的变化与分布表示流体质点运动参数的变化。比如以教室里温度分布为例，夏天或者冬天开空调，教室里面温度分布不均。假定空调功率稳定，此时可以认为温度空间分布是稳定的。一个人在教室里面走动，感受到温度的变化，并且走动速度越受到的温度变化越快，这时人感受到的温度的变化是教室温度场分布均匀度与人走动速度两者的综合效应，这部分由温度空间分布不均导致，对应随流导数中的迁移导数。假如空调功率不稳，那教室里温度也不稳定，此时即便站在一个位置不动，也能够感受到温度的变化，这部分对应随流导数中的当地导数。假如人走在一个空调功率不稳定、温度空间分布不均匀的教室里，这时人感受到的温度变化就是以上两种作用的综合效应，对应随流导数，也就是质点温度对时间的变化率。人比拟到流场里面就是一个质点的角色，流体质点温度随时间的变化率可以用流场温度的空间分布与变化表征，即可以用流场的信息获得流体质点运动参数的变化。这样学生理解起来比较容易、比较具体，并且对公式的物理内涵理解也比较深刻。雷诺输运定理其实是随流导数的积分形式，这部分给学生讲透了，雷诺输运定理理解起来也就比较容易。随流导数、雷诺输运定理的理解非常重要，它是一种研究方法、思维方式的转变，是开展流体动力学研究的基础。

任何一个数学公式都有其物理含义，授课过程中要力争从学生理解的角度，从公式背后的物理含义与物理过程角度讲解，并辅以生活中的例子，让公式形象化、理论生活化。

2 开设自主创新实验，让问题具体化，提高学生积极性、提升学生综合能力

第一部分立足于学生对关键知识点的理解，这部分谈谈如何让学生带着兴趣去学习、创造性应用所学知识。

与理论相比，学生更喜欢自己动手去开展一些探索性试验。同时结合数值仿真让看不见摸不着的流场具体化、图像化，这对提高学生学习、探索、思考问题的积极性非常有益。在教学过程中可以给学生布置一些探讨性课题，让学生组成团队，独立从理论分析、数值仿真及试验验证方面开展课题研究，采用答辩的方式把讲台交给学生，提高学生的应变能力以及学生的参与度，针对一个课题让大家共同探讨。理不辩不明，通过辩论加深了学生对问题的认识，增强了学生学习的积极性，培养了学生独立分析问题的能力与团队协作精神，而独立分析问题能力与团队协作精神是大学教学一个关键的落脚点。下面举一个教学中的例子。

圆柱绕流以及圆柱在流场中所受阻力是一个经典的流动现象，可以让学生从试验、数值仿真的角度去研究分析影响阻力的因素并给出影响规律。试验设备方面实验室提供拖拽力实验设备，主要功能为测量圆柱在流场中所受阻力。该实验设备提供了3种测量阻力的方法：（1）用天平直接测力；（2）测量出口速度分布，采用动量定理计算出阻力；（3）测量圆柱表面压力分布计算所受阻力，同时可以调节来流速度。计算软件方面提供给学生相关计算流体软件并讲授软件基本功能与操作。让学生自由组团，独自开展研究方案设计、试验与数值仿真、结果对比分析与报告撰写，公开答辩、互动参与。这样学生结合实验与数值仿真结果进行对比分析，对流速、流态对圆柱阻力的影响理解就比较深刻，同时学生在这个过程中锻炼了独立分析解决问题的能力，培养了协作精神。

3 贴近生活，学习趣味化

人类生活在流体中，很多生活中的现象都可以用流体知识解释，因此在教学中可以尝试着让理论走进生活，让学习充满趣味。

比如好多男学生喜欢踢足球，估计弧线球很多学生也会踢，但足球的轨迹为什么呈弧形，可能好多学生不知道，可以把这个问题提出来让大家讨论。上课时，提出这个问题后整个课堂氛围一下就活跃起来了。这时候与学生一起分析足球近壁面流动并结合伯努力方程讲解足球的受力，学生一下就明白了足球轨迹为什么可以呈弧形。再比如还可以播放一些生活中有趣流动现象的视频与图片，引导学生分析与讨论。

4 考核多元化

流w力学要想充分调动学生的积极性，还需要对考核方式做调整，不再唯卷面分数论。本人在教学实践中从以下几个方面进行考核：（1）卷面成绩；（2）创新性综合实验，综合考虑试验效果、结果分析、答辩情况等；（3）课堂互动，对于在课堂上积极互动提出疑问的同学给予平时成绩加分，甚至可以将讲台交给学生，让学生给大家讲解；（4）课后作业与讲解，鼓励学生给大家讲解，并给予加分鼓励。

5 结语

流体力学是一门学生认为比较难的专业基础课，作为授课老师应该站在让学生容易理解的立场，从流动的物理概念和物理过程出发，赋予抽象难解的理论、公式具体的物理含义，并结合常见的流动现象让理论形象化、生活化；开展自主创新综合试验结合数值仿真，让抽象的流动具体化、图形化，提高学生的积极性、激发学生的创造性、培养学生的团队合作精神；把讲台交给学生，通过课题答辩、习题讲解，增强学生互动；让理论走进生活，引导学生用流体力学理论知识分析生活中的流动现象，提高学习的趣味性；通过多元化的考核，增加学生学习的积极性。总之，以学生为本，从物理本质上讲解理论知识，让理论走进生活贴近生活，从抽象到具体，多层次增强学生对知识的理解。

参考文献

[1] 李小斌，李凤臣，姜宝成，等.基于创新意识培养的流体力学实验教学探索[J].实验实践教学，2014（15）：119-121.

[2] 金志光.工科高校培养创新思维的流体力学设计性实验竞赛[J].科技创新导报，2009（8）：145-146.

第4篇：流体力学现象及解释范文

（甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070）

摘 要：风沙物理学是一门年轻但发展较快的学科。本文基于风沙物理学的学科现状和发展特点，依据风沙物理学课程性质和教学要求对课堂教学、实验教学和实践教学方法进行了探索和分析，提出了以下教学设计方案：（1）课堂教学上，借助辅助资料，降低课程内容难度；重视教学策略，提升课堂教学质量；培养学术思想、促进学科发展；（2）实验教学上，减少验证性和演示性实验，增加设计性实验；（3）实践教学上，重视综合性实践教学，开设“风沙物理学野外综合实习”。

关键词 ：风沙物理学；学科现状；教学设计

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0213-03

基金项目： 甘肃农业大学教学研究项目“水土保持与荒漠化防治国家特色专业卓越农林人才培养实践教学模式改革研究”

风沙物理学是介于沙漠科学和物理学之间的边缘学科，是沙漠学中以基础研究和应用为主的重要分支学科。该学科是以流体力学的基本原理为出发点，从力学和物理学过程研究风与各种沙质地表的相互作用机制及其风沙运动规律。国际上，一般将拜格诺在1941年出版的风沙物理学专著《风沙与荒漠沙丘物理学》作为风沙物理学诞生的标志，至今只有七十多年的历史，所以，风沙物理学是一门比较年轻的学科。1977年联合国沙漠化大会之后，沙漠化作为科学问题引起了全球范围内科学界的重视。沙漠化是以风沙活动为主要特征，以各种风沙地貌为主要景观标志，因而首先表现为风沙问题。风沙物理学作为沙漠科学的重要分支学科，在全球沙漠化研究的背景下获得了重要的发展机遇，并取得了丰硕的成果[1]。因此，我们也可以说风沙物理学又是一门发展较快的学科。然而，年轻和发展快也说明着风沙物理学有不断被完善和提升的空间，尤其是自1998年中科院知识创新工程启动以来，伴随着实验手段和仪器设备的改进，风沙物理学的新观点和新理论不断推陈出新[2]。一些重要的研究成果，包括对拜格诺提出的沙质床面空气动力学粗糙度1/30定律的修订、对欧文效应的从新定义、对风沙电现象的研究、对风沙边界层风沙互馈机制的研究等，被国际风沙物理学界认为是近年来风沙物理学取得的重要进展。而这些研究成果的出现对我们的教材也提出了新的挑战，如何选择授课内容，如何将这些新观点新理论融入我们的教学中来，这是一个需要认真思考和推敲的问题。

1 风沙物理学的课程性质与教学要求

风沙物理学以风沙活动为研究对象，风沙运动是气固两相流的一个重要研究分支，并作为风沙物理学研究的核心内容备受重视。风沙工程中采取的各种措施，包括封闭、固定、阻拦、输导、改向和消散等措施类型都是基于风沙运动的特征和防治目标设定的[3]，因此，学习风沙物理学对《荒漠化防治工程》等相关课程的教学至关重要。风沙物理学作为高等院校水土保持与荒漠化防治专业的重要专业基础课，通常开设于第5学期，总学时36学时，其中，课堂讲授学时为24学时，实验课为12学时，另于学期末开设综合实习。本课程主要涉及近地表风的基本特性；沙物质颗粒的起跳机制、运动规律以及风沙流的形成与结构、土壤的风蚀现象和各种风蚀风积地貌的特点、风沙运动的实验理论及研究方法等。开设该课程的主要目的是为本科生其它专业课程的学习和今后从事荒漠化防治工作、荒漠化防治科学研究及沙产业方面的工作建立牢固的理论基础及操作技能。通过对本课程的学习，要求学生达到下列基本要求：（1）掌握风沙物理学的基本概念、基本理论及应用方法；（2）能够理论联系实际，独立分析说明自然界中风沙运动的一般规律；（3）掌握风沙运动的基本原理和方法，了解风沙物理学的发展现状及发展趋势。

2 风沙物理学教学设计

目前，风沙物理学被各农林类高等院校定为水土保持与荒漠化防治专业的专业基础课，对于这样一门新兴学科，要树立怎样的学术思想？采取什么样的授课方式？授课过程中要注意哪些问题？这些问题不仅关系到学生对知识的理解和接纳程度，从长远考虑也关系到这一学科的发展。为此，我们从课堂教学、实验教学和实践教学等3个方面对风沙物理学的教学工作进行了设计和完善。

2.1 课堂教学

2.1.1 借助辅助资料，降低课程内容难度

教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，是进行教学的基本工具，也是深化教育教学改革，全面推进素质教育，培育创新人才的重要保证。风沙物理学教材共有两版，第一版发行于1992年，共印刷了1次[4]，第二版发行于2010年9月，被定为普通高等教育“十一五”国家级规划教材和高等学校水土保持与荒漠化防治专业教材[5]。与第一版相比，第二版将流体力学基础理论作为单独的一章内容列出，在此基础上，对风及其基本性质、沙及其基本性质、风沙运动、风沙地貌的形成及演变、土壤风蚀、沙尘暴及风沙物理学研究方法等知识做了详细的介绍。这一内容上的重组和改进使得风沙物理学的课堂教学得以系统化，但因部分内容难度大，比如沙粒起动机制、输沙量的计算、沙粒运动轨迹方程、沙丘形成过程中的二次流理论等，单靠本科大学物理中所学的流体力学知识及教材第一章流体力学基础理论部分的知识还不足以使学生理解。为此，就需要收集相关辅助资料，借助相邻学科和生活中的流体力学知识进行解释。比如，可以利用球类运动中的弧线球理论和扎杆球理论解释沙粒起动起跳过程中的马格努斯效应；利用绕流机翼理论解释沙粒起动机制中的压差升力学说；利用顺时针或逆时针搅动茶水时茶叶的聚集现象解释二次流理论等。通过运用这些生活中常见现象背后所折射出的流体力学知识来推演风沙物理学现象的机理，可以使教学内容的难度降低，学生的兴趣、分析问题的积极性，对机理的理解能力也都有了很大的提高。

2.1.2 重视教学策略，提升课堂教学质量

教学策略关系到教学效果的好坏。针对风沙物理学教学内容难度大、范围广的特点，我们在课堂教学中采取以下策略：首先，要对授课内容进行筛选，对课本内容不求面面俱到，而是在学生的认知能力和接受范围内讲精、讲细，既重视基础理论，又要把握学科前沿，对实践性强的内容，应结合实例，做深入浅出的讲解，做到理论与实践的统一；其次，合理安排各章节内容，既强调课程的系统性，又要有重点、难点的突破，在学时分配上，要突出重点、难点，不能平均分配；第三，要注重动态影像资料的使用，利用多媒体教学，对风沙起动、风沙流结构，涡流的形成等结合风洞模拟实验的影响资料进行讲解，实现讲播同步式教学；第四，要注重对学生兴趣的激发，可结合生活中的流体力学现象对难度较大的讲授内容做出推演，实现启发式、导向式、探究式和互动式教学，同时鼓励学生参与分析，于无形中激发学生的兴趣，活跃学生的思维，使学生产生求知的欲望。

2.1.3 培养学术思想、促进学科发展

基础物理学的教材内容是确定因素下产生的确定结论。而对于风沙物理学而言，由于涉及因子的多元化和研究者的主观判断，使得一些结论具有片面性，随着时间的推移有可能被新的研究成果取代，或甚至被证明是不正确的，且目前众多研究成果的涌现已对前学者的部分研究结论提出了质疑。正如风沙物理学工作者杨保等人[6]所认为的：“由于研究者认识水平和客观条件，尤其是实验条件和模拟手段落后的限制，使得有关风沙运动的成果基本上是半经验性质的，使用时还有很大的局限性。 尤其是对宏观和微观的联系的研究起步较晚，使得风沙物理学的理论还没有形成一个完善的体系，风沙研究工作者只能提供给工程界一些经验或半经验公式，严格的说，这些经验半经验公式只能在满足他们的条件下使用，外推到其他条件下使用可能造成相当大的误差”。因此，从学科发展的角度，我们就要鼓励学生多思考，在正确学术思想的引导下，去突破和发展。作为老师，要教好这样一门课，首先要有严谨求实的科学态度，充分了解学科发展历程和现状，树立正确的学术思想，以发展的眼光看待问题，瞻前顾后，在尊重已经形成共识的研究成果的基础上重视知识的扩展。比如在各种数值模型的讲解中，应认识到多数表达式都是按一般的规律，理想的形式和典型的模式用数学方程式表示出来的，故不具有普适性，这就要求我们在教学时根据存在的问题激发学生对各种影响因素的认知和分析能力，避免生硬接受他人思想，因此在培养学生科学态度的同时也促进了学科的发展。

2.2 实验教学

实验教学是风沙物理学课程必不可少的组成部分，对于巩固学生所学的理论知识，培养学生动手能力和创新精神具有重要的作用。传统实验教学模式是学生根据指导老师的安排在实验室内按部就班的对理论知识进行验证的过程，在这种实验教学模式下，学生的主观能动性得不到发挥，思维僵化，且随着本科生的扩招，原有的按小班设计的实验室和配备的实验设备已不能满足需要，部分验证性实验也转化成了演示性实验，造成实验效果不理想。针对风沙物理学的实践性和应用性特点，我们对传统实验教学模式进行了改革，加强了设计性实验。该门课程的设计性实验主要有两个：一是沙物质休止角的测定：沙丘沙的休止角是风与沙相互作用塑造的一种动力平衡状态，是控制沙丘形态的重要因素之一，对分析沙丘的稳定性和流动性具有实际意义。休止角的设计性实验要求学生首先自行设计测定对象的属性，包括对不同粒径范围的划分、不同含水量的设定、不同磨圆度的界定等。在此基础上，对实验顺序进行设计，通过实验顺序的合理设计，可以节省不同属性沙物质的处理时间，实现沙土样的有效利用；二是动力风速风向图的绘制：风是风沙和风成地貌形成的动力因素，并不是所有的风对沙丘的形成、演化及移动起作用，因此，在风沙地貌动力学研究中，只限于统计能使沙子运动的起沙风的风速、风向，绘制动力风向风速图。动力风向风速图有多种类型，常用的有动力风玫瑰图和动力矢量图，这两种图所反映的沙丘运动的方向、速度和方式的详细特征有所不同，因此，这节内容我们就需要发挥学生的主观能动性和判断力，根据风信资料采集区的特征以及图件的用途进行类型的选取，再进行风信资料的整理与转化。

2.3 实践教学

风沙物理学属于应用性和实践性较强的课程，该课程除休止角测定、风信资料整理与转换等少数实验外，其它实验内容都要借助沙风洞完成，而全国建有用于风沙物理学现象研究的沙风洞的单位仅有中科院寒旱所、北京林业大学、北京师范大学、兰州大学等几家科研单位和高等院校。为此，风沙物理学大多实验只能借助影像资料进行演示性讲解，或在每年五月份第二个周末的中科院寒旱所开放日组织学生进行风洞参观并观看部分演示性实验，其组织难度大且效果不理想。为了改变这一现状，我们借助马路滩林场实践教学基地和民勤治沙站实践教学基地，开设了“风沙物理学野外综合实习”，将大部分风沙物理学室内实验转化为室外综合性实践教学。

马路滩林场实践教学基地和民勤治沙站实践教学基地是近年来为配合实践教学的需要，学院重点建设的两个实践基地。从抵御流沙入侵的需要和样板地建设的需要出发，两个基地均在绿洲荒漠过渡带的流动沙丘分布区铺设了多种形式和规格的麦草沙障、粘土沙障、塑料网沙障、砾石沙障等低立式沙障，还利用尼龙网、作物秸秆等设立了各种高立式沙障。作为机械沙障的辅助措施，梭梭林、移动森林等植物固沙措施被广泛应用，形成了形式多样、种类繁多的风沙灾害防治体系。此外，作为我国西北荒漠化防治的主要科研基地，民勤治沙站建立了各种输沙量监测系统、风速测定系统、沙尘暴监测系统、沙丘移动监测系统、地下水位监测系统和植被生长监测系统，无论在规模上、还是在科研力量上均占据了学科优势，满足了风沙物理学实践教学的需要。通过风沙物理学综合性实践教学，我们要求学生能够对沙质地表土壤粒度组成进行测定分析、认识和描述沙区各种风蚀和风积地貌的形态及特征、测定风速廓线和输沙量、分析风沙流结构、推算地表粗糙度、实测沙丘休止角、观测沙波纹的形成和消散过程等。通过实践教学，学生一方面可掌握蚀积地貌的形态特征、成因及发展趋势，通过切身感受风沙流，增强了对风沙物理学现象的感性认识；另一方面，可在实际操作中掌握风沙物理学野外研究的基本方法和专业常规仪器设备的使用方法，而这些知识的获取以及学生获取知识的积极性是传统实验授课方式所无法比拟的。

3 结语

风沙物理学具有发展历程短、速度快，研究范围不断扩大和研究新成果多的特点。本文基于风沙物理学的学科现状和发展特点，根据课程性质和教学要求提出了一种课堂教学、实验教学、实践教学相结合的教学设计方案，以此达到降低教学难度，提高教学效果的目的。同时，通过对学生实践技能和学术思想的培养，服务专业，促进学科发展。

参考文献：

（1）董志宝。中国风沙物理研究五十年（I）[J]。中国沙漠，2005，25（3）：293-305.

（2）董志宝，郑晓静。中国风沙物理研究50a（II）[J]。中国沙漠，2005，25（6）：795-815.

（3）吴正。中国沙漠与治理研究50年[J]。干旱区研究，2009，26（1）：1-7.

（4）朱朝云，丁国栋，杨明远。风沙物理学[D]。中国林业出版社，1992.

第5篇：流体力学现象及解释范文

【关键词】微注塑成型；溶体流动；微观因素

1.引言

微观熔体充模流动涉及的影响因素较多，相互作用关系复杂，但其区别于宏观充模流动的主要特征是其熔体流动通道与型腔的截面尺寸及充填熔体的量微小，由此引发的充模流动中的许多因素明显与宏观充模过程不同。宏观充模流动中可被忽略的影响因素，在微观条件下可能成为主要因素；而宏观条件下影响熔体流动的主要因素，在微观条件下可能变得并不重要而被忽略。这些可能的因素包括模具和熔体温度、模具的结构因素以及一些微观因素，本文简要介绍熔体的表面张力、重力、惯性力、微观粘度、壁面滑移等微观因素对高聚物熔体微尺度下流动的影响。

2.熔体表面张力

当液体存在与气体的分界面时，在液体表面部分可划出一表面层，处在表面层以下的液体分子，在各方向上受到周围分子的作用力引力与斥力处于平衡状态，而处在表面层的液体分子，受到内部液体分子的吸引力与其外部气体分子的吸引力不相平衡，其合力垂直液面指向液体内部。在这一不平衡的分子合力作用下，表面层的液体分子都力图向液体内部收缩。表面张力便是用来描述表面层这一特征。

表面张力可表示为表面张力系数与湿周（流体与固体壁面的接触长度）的乘积，即，其中为表面张力系数，为湿周。在流体流动过程中，表面张力既可能促进流体流动也可能抑制其流动，形成如图1所示的流动前沿模型。图1（a）表示接触角小于90?时，表面张力可促进流体流动：图1（b）表示接触角大于90?时，表面张力具有抑制流体流动的作用。其作用原理也可用液面弯曲产生的附加压强来解释，附加压强可以按以下公式进行计算[1]：

表面张力在许多工程问题中都可以忽略不计，但是当问题对象的尺度减小，表面力的作用逐渐大于体积力的作用，此时就必需考虑表面张力的影响[2]。由于表面张力与特征尺度的一次方成正比，因此随着尺度的减小，表面张力的影响将相对增大。另外，表面张力的作用使得流道中的气泡更加难以排除，气泡的存在将对微流体的过流性能产生影响。即使无气泡存在，表面张力引起的表面压差在流体对微细通道的初期填充过程中也起重要作用。Gravesen等强调通道内存在气泡的影响，如果存在气泡，由于表面张力影响，会使压降增大。第一次填充通道时的气泡可能就会在通道滞留，很难完全消除。

3.微观粘度

多项研究表明，流体在微通道中的流动行为与常规尺度通道中的流动有很大的不同。试验观察表明，水、硅油、酒精、聚合物溶液等流体在微小通道壁面附近的粘度比常规尺寸下的粘度高50%-80%[3]。一些学者认为聚合物溶液的这种粘度增大，是分子链的缠结或分子链与通道壁面的粘结作用所致。当高聚物分子链的回转半径与通道的尺寸相比不可忽略时，这个现象是很常见的。Eringe等[4]认为当聚合物分子链的均方旋转半径与通道的尺寸相比不可忽略时，其粘度与传统粘度模型之间会出现偏差，并基于粘性流体非局部连续理论，结合分子取向效应，建立了针对聚合物溶液的粘度模型如下：

4.惯性力和重力

在传统的宏观树脂成型中，同属质量力的惯性力和重力通常被忽略。而在微浇注成形中是否应被考虑，至今没有一个明确的定论。一种观点认为，聚合物熔体的微观结构可以看作成团的大分子链缠结在一起，分子链之间必然有很大的间隙。当微小熔体流动时，惯性力和重力应该看成作用在分子链上，从而使得它们的影响增大。另一种观点认为随着特征尺寸的减小，作为特征尺寸二次方的惯性力和特征尺寸三次方的重力，其作用程度会越来越小，即微尺度下流体流动中重力和惯性力的影响可以忽略[5]。

对于微尺度下熔体的惯性力和重力，可用无量纲参数Te和Oa进行量纲分析。Te和Oa分别表示惯性力与粘性力之比，重力与粘性力之比，即：

5.壁面滑移

壁面滑移是聚合物熔体粘弹的重要特征之一。大量的研究表明，在一定条件下熔体会沿着壁面滑动，产生壁面滑移[6]。目前，普遍认可的壁面滑移形式主要有两种，一种是以粘-滑（stick-slip）的形式出现，即当熔体在壁面承受的剪切应力超过某一临界剪切应力时，发生壁面滑移；另一种滑移以整体滑移（full-slip）的形式出现，熔体的流动近似为柱塞式运动。

壁面滑移的产生机理十分复杂，人们在试验研究和微观分析的基础上，把流体力学原理同微观分子结构结合起来，对熔体壁面滑移的形成机理提出了各种不同的解释。目前，较为一致的观点主要有三种。一种观点认为在熔体流动的通道壁面上总是粘附着一个薄层，当熔体所受剪切应力超过某一临界值时，粘附薄层内侧的熔体分子和流动的本体分子间发生解缠而随之流动，其分子链运动的速度比按经典连续介质力学计算的速度要大，从而表现为熔体沿壁面滑移。这被称为熔体壁面滑移的缠结—解缠机理，如图2（a）所示。另一种观点认为当熔体在通道壁面处的剪切应力超过某一临界剪切应力时，粘附于通道壁面的分子会因解吸附而发生相对滑动。这称为壁面滑移的吸附—解吸附机理，如图2（b）所示。还有一种观点认为壁面滑移是缠结—解缠和吸附—解吸附同时发生，熔体流动时具体发生哪种壁面滑移要取决于聚合物熔体的弹性、分子结构以及它与通道壁面的粘附性等因素。对吸附能力强的通道壁面而言，缠结一解缠结是造成壁面滑移的主要原因，由此产生的滑移多以粘—滑的形式出现；对吸附能力弱的通道壁面材料而言，吸附—解吸附是产生壁面滑移的主要原因，而此时产生的滑移很可能为整体滑移[7]。如果浇注微流道为硅胶材质，通道壁面属于弹性体，表面能很低，熔体与壁面相互作用弱，因此，熔体很可能会发生整体滑移，有益于熔体在微型腔中的充填。

6.总结

本文分析了微尺度下高聚物熔体充填过程中模具和熔体温度、模具型腔壁面粗糙度、表面张力、微观粘度、惯性力及重力、壁面滑移对熔体流动充填的影响。结果表明，除微观粘度的作用可以忽略外，其它因素对熔体在微尺度下的充填都有一定的影响。

参考文献

[1]于同敏，李又民，徐斌.微注塑成型充模流动中的表面张力[J].高分子材料科学与工程，2009，12（25）.

[2]景思睿，张鸣远.流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001：10-11.

[3]孙民华等.Al熔体粘度的突变点及与熔体微观结构的关系[J].金属学报，2000，11.

[4]A.C.Eringen，K.Okada.A lubrication theory for fluids with microstructure[J].Int.J.Eng.Sci.1995，33，2297-2308.

[5]庄俭.微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究[D].大连理工大学，2007.

第6篇：流体力学现象及解释范文

关键词：数学建模；力学实践；科学思维；创新能力

数学模型是解决各种实际问题的过程，是将数学应用于力学等现代自然科学的重要桥梁。数学建模不仅是数学走向力学应用的必经之路，而且也是科学思维建立的基础。通过数学建模分析力学问题，将数学应用于实际的尝试，亲历发现和创造的过程，可以取得在课堂里和书本上无法获得的宝贵经验和亲身感受，不断深化科学思维，培养学生的创新意识和实践能力。数学建模对力学教学思维的建立具有重要的指导作用。

一、数学建模与数学建模教学的发展

数学建模最早出现于公元前3世纪，欧几里得所写的《几何原本》为现实世界的空间形式构建了数学模型。可以说，数学模型与数学是同时产生的。数学建模的发展贯穿近代力学的发展过程，两者互相促进，相互推动。开普勒总结的行星运动三大规律、牛顿的万有引力公式、电动力学中的Maxwell方程、流体力学中的Navier-Stokes方程与Euler方程以及量子力学中的Schrodinger方程等等，无不是经典的数学建模。1985年，美国开始举办国际大学生数学建模竞赛，至此数学建模的教育开始引起广泛的重视。数学建模在我国兴起并被广泛使用是近三十年的事。从1982年起我国开设“数学建模”课程，1992年起举办全国大学生数学建模竞赛，现在已经成为我国高校规模最大的课外科技活动。2002年，开展“将数学建模的思想与方法融入数学类主干课程”的教改实践，2012年，《数学建模及其应用》杂志创办。

二、数学建模对力学教学的指导作用

1.数学建模是将数学应用于力学实践的必要过程

数学建模（MathematicalModeling）是通过对实际问题的抽象、简化，建立起变量和参数间的数学模型，求解该数学问题并验证解，从而确定能否用于解决问题多次循环、不断深化的过程。数学模型（MathematicalModel）是指为了一个特定目的，对于一个现实问题，发掘其内在规律，通过积极主动的思维，提出适当的假设，运用数学工具得到的一个数学结构。数学建模几乎是一切应用科学的基础，用数学来解决的实际问题，都是通过数学建模的过程来进行的。而力学是应用科学的一个重要分支，一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生，如：运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等。因此，有人甚至认为力学应该也是一门应用数学。

2.数学建模是培养科学思维的基础

科学思维是以科学知识为基础的科学化、最优化的思维，是科学家适应现代实践活动方式和现代科技革命而创立的方法体系。科学思维的其他重要研究者Dunbar立足心理学视角指出，科学思维过程是建构理论、实验设计、假设检验、数据解释和科学发现等阶段中的认知过程。这个过程与数学建模完全吻合，因此数学建模是培养科学思维的基础。许多的力学家同时也是数学家，他们在力学研究工作中总是善于从复杂的现象中洞察问题本质，又能寻找合适的解决问题的数学模型，逐渐形成一套特有的思维与方法。数学建模不单单是对某个问题或是某类问题的研究和解决，更重要的是一种思维的培养。科学思维的培养是科学素养的重要组成，是科学教学的核心内容。

3.数学建模对培养学生的创新能力具有重要作用

数学建模是一个分析问题和解决实际问题的过程，从数学理论到应用数学，再到应用科学，它为培养学生从实践到理论再从理论回到实践的能力，创造了十分有利的条件。数学建模的过程是一个不断探索的过程，因此，数学建模竞赛是培养学生综合能力和发挥创新能力的有效途径。创新可以是前所未有的创造，也可以是在原有基础上的发展改进，即包含创造、改造和重组等意思。数学模型来源于错综复杂的客观实际，没有现成的答案和固定的模式，因此学生在建立和求解这类模型时，从貌似不同的问题中抓住其本质，常常需要打破常规、突破传统。可以说，培养学生的创造能力始终贯穿在数学建模的整个过程。在数学建模的过程中体现了知识的创新、方法的创新、结果的创新和应用的创新。

第7篇：流体力学现象及解释范文

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：流体力学现象及解释范文

关键词 井下；压裂作业；监测技术

中图分类号TD32 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）99-0169-02

0引言

井下压裂技术是目前油气井增产、注水井增注的一项非常重要的举措，尤其对于我国一些超低渗透油气层来说，井下压裂技术的高低已经成为了油气产量突破的掣肘点。而在压裂作业的过程中，对于压裂层段温度、压力、压裂液的密度以及被压裂的裂缝的产状、密度及分布等参数的检测也非常关键。比较传统的压裂检测主要是采用井口的温度和压力等数据进行测定，

而后通过经验或估算摩阻来得到井下温压等数据，实施监测。然而，由于摩阻是一个受压裂液、排量、砂比等影响的不断变化的动态值，且实际经验又存在很大的不准确性，因而，井口所测得的各项参数就很难真实地反映井下压裂作业的实际效果。本文中，笔者在进行大量的理论研究的基础上，同时结合自己多年的工作经验，提出了一种可以更准确地对井下压裂情况进行实时监测的技术，并为该技术编制了相关的程序。利用该技术不仅能够利用所设计的软件对已经录入的数据进行评价，还可以对井下的压裂过程进行监测与控制，因此能够对实际的压裂效果更加真实客观的表达。

1 系统的硬件部分设计

1.1监测管柱

本方法中的监测管柱在跟随着压裂管被下入以后，可以利用软件对其进行监测，在预先设定的时间和采集频率之下，对井底各项数据进行采集并实施传输到井口控制系统中，从而，可获得整个压裂作业过程效果的数据。

该管柱具有以下优良特点：

1）可同时放置两支监测仪，保证监测数据的可靠性；

2）保证压裂投球的正常工作和正常监测；

3）降低在工作时的震动程度。

1.2监测仪

检测仪主要由传导感应器、信号处理器及储存装置和电源等组成。

2 压裂实时解释处理软件

2.1结构分析

压裂实时处理软件以所采集到的数据为基础，同时结合井位的基本情况，可以对相关参数进行解释计算，计算结果可以为压裂设计的优化提供参考。

2.2 软件分析

1）基本原理

该软件解释依据的基本原理是渗流力学和流体力学，根据地下岩隙中流体压力的变化对压裂过程产生的现象进行解释。

2）裂缝模型的判断

1） 根据前置阶段压力和时间的关系对裂缝模型进行判断。即当k∈（1/8，1/3） 为PKN 模型； 当k∈（-1/2，-1/4） 为KGD 模型； 当k∈ （-1/2，-3/16） 为Radil 模型；

2） 根据地应力的大小进行判断。即当σz>σx>σy时，裂缝面与σy方向相垂直，而与σx的方向相平行； 当σz>σy>σx时，裂缝面与σx方向相垂直，而与σy的方向相平行； 当σx>σy>σz或σy>σx>σz时，则会有水平裂缝形成；

3） 综合判断

也就是说可以先由第一种方法对垂直或水平裂缝进行判断，然后再由后一种方法对KGD 模型和Radil 模型进行判断。

模型判断完成以后，可以利用压力与时间的双对数曲线斜率对裂缝三个方向的情况进行解释。

3 现场应用情况

目前已将该技术广泛应用于辽河油田多口油气井的压裂过程，进行了多次施工，成功率高达95%以上。以下就以某井为例进行具体讨论。

1） 裂缝闭合前

首先可得出压力的导数随采样时间呈一次线性变化，而后在某点处发生转折，趋于水平递减的特点（如图1所示），表明裂缝在闭合过程中属于普通虑失。

2）裂缝闭合后

做出该井裂缝闭合后线性流曲线和径向流曲线，可算出地层压力值为25.32MPa，底层渗透率也有了明显提高，压裂效果比较显著。通过软件拟合有效裂缝，其半长为55.2m，导流能力为52.35。

4 结论及认识

1）本文提出的井下压裂实时监测技术能够准确高效地监测施工过程中井下的各项参数，如压力、温度等，并且监测过程不会影响到正常压裂作业。实现了压裂作业监测的准确化、数字化和智能化；

2）本文提出的监测程序可精确计算出压裂过程中裂缝的闭合压力等各种参数；

3）提出的测试方法可精确计算出地层的渗透率、表皮系数、裂缝产状长度及体积等重要参数，将其应用于实践，在评价压裂效果上有着非常明显的优势，为技术人员了解地下储层情况和压裂效果提供了重要的依据；

4）该方法中的温压数据是在井底直接所测得的，相比传统的在井口测量而后折算为井下数据的方法，极大地避免了因井筒液体密度、泵压等参数的变化而导致计算不准确的问题；

5）虽然该方法具有很多优势，但是，目前此方法仍然只能分析得到裂缝半长，而不能很好地分析得出裂缝逢高等数据。笔者打算进一步研究实践，完善该方法，使得该方法在以后的实践中能够发挥更大的作用。

参考文献

第9篇：流体力学现象及解释范文

颅内动脉瘤是造成自发性蛛网膜下腔出血(SAH)的最常见原因。据欧美大宗尸检报告，颅内动脉瘤的发生率为0．2%～7．9%。据统计，动脉瘤破裂而导致SAH的早期死亡率在43%左右[1]，2周内容易再次出血,死亡率高达60%～70%[2]。而存活者因脑血管痉挛等原因多有严重的后遗症，如颅神经麻痹、偏瘫、失语、植物生存状态等。颅内动脉瘤是一种严重威胁人类健康的疾病，破裂出血发病率占脑血管意外的患者中的第3位，仅次于脑血栓形成及高血压脑出血，且发病率逐渐增高。因此，研究其病理生理过程并且指导治疗显得尤为重要。最近研究表明血流动力学因素是一个重要因素。轴向血流对血管远端的冲击，导致血管弹力层的破坏，形成囊状突起，这种囊状突起又可加重此部位的血液涡流，引起血管壁振荡并促进其变性及破裂[3]。研究认为它能很好地解释动脉瘤好发于血流动力有异常的血管分支、分叉、弯曲部位[4]。因此，动脉瘤的血流应力、压力分布、血流冲击力、流入瘤的流量和血液在瘤内驻留时间都对瘤的破裂有重要影响[5]。研究也表明动脉瘤的形成、生长、保持稳定和破裂与血管病理学因素如动脉内弹力层的完整性缺损、邻近中膜和外膜的有关弹性结构的缺损、血管分叉部位的湍流和正常结构的不连续性相关。本文通过参阅近些年来关于血流动力学和病理学对于颅内动脉瘤病理生理作用的文献，对作用机制进行总结。

1 血流动力学因素

1．1 颅内动脉瘤血流动力学的数值研究 实际生理学中，由于血液的非牛顿特性，其本构方程非常复杂；血管管壁呈黏弹性，与血液运动耦合；管径沿血管大小不一；动脉瘤及血管形态复杂，且存在明显的个体化差异等。要想精确求解其血液动力学参数几乎是不可能的，所有的研究者都做了不同程度的简化假设，引入了各种计算模型。基本的简化假设有两个。其一，多数研究者把血管壁和动脉瘤壁都看作刚性壁，但有的研究者[7]在处理动脉瘤时把瘤壁当作线弹性体。其二，多数研究者把血液看成牛顿流体，也有人把血液看作非牛顿流体，假设它服从Carson方程。目前主要研究结果表明：① 采用牛顿流体与非牛顿流体模型时，流场的差别不大，体外模拟实验也得出相同结果[8]。同时，Aenis[9]的计算指出，只要动脉直径>0．5 mm，则用牛顿流体代替非牛顿流体所引起的误差不超过2%；② 动脉瘤的血液动力学参数与动脉瘤及载瘤动脉形态结构之间存在强烈的相关性；③ 最大剪应力发生处的组织比其他地方更容易受损，往往成为动脉瘤新的生长点[10]。应用计算流体力学软件进行的数值模拟是一个从二维模拟到三维模拟的发展过程。国内的研究多限于二维的研究。符策基[11]和戴建华[12]等都在这方面进行了研究工作。而三维的研究只有温功碧[13]等针对简化的模型进行了理论性的三维分析。国外的三维模拟发展迅速，并已经进行了临床的分析研究。David[14]等模拟了1例巨大的颈动脉瘤。Hassan[15]等先后模拟了1例大脑大静脉畸形和椎基底动脉结合部动脉瘤。分析了病变的血流动力学特点，为临床治疗的指导提供了重要的依据，同时证实了三维模拟的实用性。Cebral [16]等对62例临床患者的动脉瘤进行了数值模拟，发现在破裂动脉瘤和未破裂动脉瘤之间存在着血流动力学的差异。

1．2 动脉瘤的生长、破裂机理研究 由于动脉瘤的出现使得动脉内的血流发生紊乱，Steiger[17]认为颅内动脉瘤腔内的流动不是湍流，为介于层流与湍流之间的一种中介流动模式，并检测到叠加如于脉搏上的低频振动，它引起动脉瘤壁的疲劳，而且可能诱导流体共振，作用于瘤壁的薄弱处可使动脉瘤破裂。Perktold [18]认为不同部位、类型的动脉瘤的血流是不同的。对于侧方动脉瘤，瘤颈和瘤体的大小决定了动脉瘤的血流不同。顶端和侧方宽颈动脉瘤，瘤体内易形成快速的旋流。对于大动脉瘤或者瘤体长的动脉瘤，瘤腔内可见到缓慢的血流，这会导致血管壁组织缺乏氧及营养物质，而有害物质无法及时清除，加重血管内皮细胞的损伤。Nakatani[19]等发现动脉瘤颈部的切应力最高，这可促进瘤壁细胞的分裂生长，而瘤内的涡漩运动则增大了瘤壁面的切应力，造成动脉瘤的生长。动脉瘤破裂最常见的位置为其尖顶部，破裂的动脉瘤中57%瘤壁上有薄壁小泡或呈多房结构，但在未破裂者中这种情况仅占1．6%。动脉瘤体积增大时，多房现象更明显。造成这种现象的原因可能与传递到动脉瘤壁的流体撞击的多少、压力的形式、瘤壁的脆性、动脉大小及开口部位等因素有关[3]。进一步病理研究发现，不断快速变化的切应力连续作用于瘤颈内膜，达到一定阈值的时候，造成内皮细胞损伤脱落，发生炎性反应。反复发作的慢性炎性反应致使瘤颈扩大增厚，动脉瘤生长、扩大，瘤颈成为生长点。另一方面，瘤颈内皮受损，胶原纤维暴露，血小板黏附，血栓形成。长期反复发作，导致瘤颈壁增厚，不易破裂。因而，切应力是瘤生长、扩大的因素之一，不是导致动脉瘤破裂的直接原因，破裂机理极其复杂[20]。

2 病理学因素

研究颅内动脉主要由薄层胶原物质组成的外膜、血管平滑肌组成的中膜和内皮细胞覆盖的内膜3层组成。内膜层含有发育良好的内弹力膜和胶原。外弹力膜在颅内动脉是不存在的，只能见到少量的弹力纤维散在外膜和中膜之中。80%的脑动脉在动脉分叉处存在中膜缺损。

2．1 囊性动脉瘤的病理发生机制主要有以下几种：①先天性或中膜缺陷理论:Forbus[21]研究了23例成人和19例儿童的脑动脉瘤，发现在两组中各有2/3存在中膜缺陷;他认为，这种缺陷为先天性的，是动脉瘤形成的基础，并提出了中膜缺陷理论;②退行性变和内弹力层缺陷理论:与颅外动脉相反，颅内动脉仅有一层弹力组织，即内弹力层，有理由认为只有首先造成这层结构的损害才能产生动脉瘤;该理论认为，内弹力层局部的退行性改变是囊性动脉瘤形成的最主要原因;③酶活性改变:Schievink等[22]检测100例脑动脉瘤患者不同表型α1抗胰弹力蛋白酶的缺乏情况，并与904例正常人进行了比较，发现脑动脉瘤患者中，杂合α1抗胰弹力蛋白酶缺乏者所占的比例明显多于正常人;他们指出，α1抗胰弹力蛋白酶或其他蛋白酶抑制因子缺陷，可以通过蛋白合成分解失衡、动脉壁降解，促进动脉瘤的发生及破裂;④动脉壁胶原改变:Brega等[23]研究了脑动脉瘤患者Ⅲ型胶原等位基因的出现频率，发现等位基因中分子量较小的一个在动脉瘤患者中的出现频率为0．34，而对照组仅为0．10(P=0．011);这种等位基因出现频率的显著性差异说明，Ⅲ型胶原基因的基因型改变与脑动脉瘤的病理变化有关。

2．2 囊性动脉瘤的病理扩大和破裂机制 研究已证实，在动脉瘤瘤壁中，弹力胶原纤维基本消失，而弹力胶原可能是维持动脉瘤壁强度的主要结构，目前一般认为动脉瘤瘤壁胶原成分减少是导致动脉瘤瘤壁变薄是动脉瘤破裂的形态学基础，齐巍等[24]发现胶原成分的减少是由于过度降解，而非合成不足。韩利江等[25]研究表明，瘤壁单核细胞N型胶原酶mRNA表达增高。动脉瘤瘤壁对损伤进行重建的过程中，胶原酶起着不断破坏其原有结缔组织胶原成分的作用，同时，又出现肌纤维母细胞、纤维母细胞、纤维细胞的增生，起到重建动脉瘤瘤壁的结缔组织胶原成分的作用，使动脉瘤扩大。研究证实，单核吞噬细胞可能分泌结缔组织胶原酶，破坏动脉瘤壁的胶原成分，导致瘤壁脆弱易于破裂。

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