流体力学研究方向范文

导语：如何才能写好一篇流体力学研究方向，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：行业类高校；高等流体力学；电力特色

作者简介：张莉（1973-），女，河南商丘人，上海电力学院能源与机械工程学院，教授；李永光（1957-），男，湖南长沙人，上海电力学院科研处处长，教授。（上海 200090）

基金项目：本文系上海电力学院研究生学位课程建设项目（项目编号：YKJ-2012004）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）04-0086-02

2007年，上海电力学院（以下简称“我校”）热能工程二级学科首次招生，“高等流体力学”首次开课，授课人数20余人，随后几年间授课人数逐年增长。2012年我校动力工程与工程热物理一级学科又增设了工程热物理、动力机械及工程两个二级学科，“高等流体力学”授课范围扩大的同时，授课人数也增加到60余人。但是鉴于我校研究生数量较少、研究生培养历史较短以及师资力量相对薄弱等方面的原因，课程教学的教材只能选用已有的教材。在组织教学内容的过程中发现，大多数教材普遍存在一些问题，如过于强调基本理论、对数学知识的要求偏高、工程应用方面涉猎很少，或者有些工程学科专业的相关研究生教材又往往缺乏理论深度，工程应用背景针对性强，有的强调高速气动、有的强调水动叶栅流动、有的强调涡动力学等等。鉴于此，作为行业类非重点高校，在“高等流体力学”课程的教学中有必要结合我校电力特色进行教学内容和教学模式的研究和探讨。

一、课程教材的调研

为了能更好地做好此次教学研究工作，课程组首先对高校相关研究生专业的“高等流体力学”教材进行了调研，分别对清华大学、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学、华北电力大学、东北电力大学等国内若干所大学相关课程的教材及内容做了简单分析。

从调研情况看，所有高校都对流体力学的基本理论很重视，主要教学内容均包括了流动的基本概念和基本方程、流体运动学、势流理论、涡旋流动、理想流体流动、粘性流体流动等，目的是使研究生通过学习流体的运动规律，掌握研究流动的方法进而分析解决实际的工程流动问题。同时，各高校的教材和主要教学参考书还注重与自身学科研究方向的结合，课程的某些重点内容与培养方向相接轨，突出了自身的特色。通过调研发现，“高等流体力学”作为研究生学位课，其教学内容在注重理论基础的同时，还必须要与自身的相关学科研究方向相结合，在注重通用理论的基础上，形成自己的特色。

二、我校授课对象的情况分析

做好此次的教学研究工作，还必须对我校的授课对象有一个清楚的认识。目前，“高等流体力学”已列为本校工程热物理、热能工程、动力机械及工程三个二级学科的研究生学位课程。尽管上述三个二级学科涉及能源、动力、机械等宽广的工程领域，但结合我校的电力特色，这三个二级学科主要是为电力行业培养高级的专业人才，而在电力行业中流动现象多存在于流体机械、动力机械、换热设备、容器、管道等部件，因此，在教学内容上应在透彻讲解流体力学微分方程组的基础上，注重联系工程实际，偏重于讲解流体在上述部件中的流动以及与这些部件间的相互作用。

研究生生源的实际情况也是教学过程中需要考虑的因素。到目前为止，我校共招收6届研究生，通过向历届学生了解发现有以下情况存在：部分同学跨专业（如：数学专业、电力系统及其自动化专业、计算机与信息专业等）考入学校，本科阶段没有学习过“工程流体力学”课程；即使是研究生与本科专业背景相同的同学，他们也普遍认为”工程流体力学”较难，硕士入学考试时，大都不选考“工程流体力学”，这也使得他们可能在大三、甚至大二学完以后，再也没有系统地梳理过流体力学知识。由于各高校专业方向的侧重点不同，大部分同学对电力行业内的流体知识也不是特别了解；考入学校的学生多数为调剂生，入学成绩整体不高。这些情况都表明，我校硕士研究生入学时的流体力学知识基础相对比较薄弱，需要在授课过程中讲授深层次新知识的同时，及时地对基础知识进行回顾和提醒。

三、教学内容的组织

基于以上的调研和分析，课程组首先对教材进行了选取，对教学内容进行了组织。

1.教学目标的明确

“高等流体力学”是为工程热物理、热能工程以及动力机械与工程专业研究生设置的专业学位课程。根据专业人才培养的需要，结合长期本科教学的经验，确定了课程的教学目标：通过对流体力学的基本概念、基本方程、理想不可压缩流体的流动、粘性不可压缩流体的流动、层流边界层与紊流流动、理想可压缩流体等内容的学习，深化学生对流体力学基本内容的理解，提高学生的理论水平，为相关专业课程的学习、课题的研究及论文的撰写打好理论基础。

2.教材的选用

“高等流体力学”是动力工程及工程热物理学科的一门传统课程，有很多课程教材可供选用。通过调研比较，西安交通大学有关电力生产的学科研究方向与我校的研究方向比较吻合，其在“动力工程及工程热物理”一级学科中的学位课 “高等流体力学”选择了西安交通大学出版社出版、张鸣远等编著的《高等流体力学》一书作为教材，课程组通过对该书内容的分析，也一致认为张鸣远等编著的《高等流体力学》比较适合我校侧重于电力人才培养的需求，因此决定选用该书作为本校“高等流体力学”课程的教材。与此同时，将调研中搜寻到的各有特点的教材作为参考书目推荐给学生供他们参考使用。

3.教学内容的组织

在进行“高等流体力学”课程教学内容的组织时，结合我校研究生培养方案和学科建设，既照顾到经典流体力学的通用知识，又重视课程知识的针对性、行业应用的特殊性、学生学习的兴趣以及与学校其他研究生课程的关联性。课程内容的组织主要从以下几个方面考虑：

（1）奠定扎实基础。“高等流体力学”是一门系统性、逻辑性较强的课程，作为硕士研究生的学位课，在加深学生对流动所伴随的物理现象的认识、概念的建立及规律分析的同时，还应努力加深学生学科知识分析和研究问题的基本思想和方法的理解和掌握，提高分析和解决流体力学问题的水平及能力。

（2）突出电力生产特色。针对我校研究生的专业背景和学科研究方向，强调本学科与电力生产流程和设备的结合，强化学生应用流体力学知识，认识并解决相关电力工程问题的能力。教学内容应注重理论与实践相结合，保持基础理论知识与工程应用知识的相对平衡。

（3）注重课程的关联性和完整性。在关联性方面，首先与本科阶段的教学内容要有恰当的分工和衔接，其次要避免与其他相关课程之间缺乏衔接；在自身内容体系的完整性方面，既要注意到对数学知识回顾和补充的必要性，又要对工程中不常见的复杂流动概念的介绍有所兼顾。

考虑以上几个方面，课程组将教学内容梳理成五部分，第一部分安排了“矢量运算分析”、“场论知识”的回顾以及曲线坐标、张量分析知识的补充；第二部分“流体力学的基本方程”主要介绍流体力学的基本概念，流体力学的控制方程组以及一些相关的重要定理；第三部分“理想不可压缩流体的流动”介绍平面势流，空间轴对称势流和理想流体中的旋涡运动，其中对平面势流里的复位势、叠加法、镜像法和保角变换法做重点讲解；第四部分“粘性不可压缩流体的流动”中介绍纳维―斯托克斯方程的精确解，小雷诺数流动，层流边界层流动和紊流，其中对工程中应用较多的层流边界层流动和紊流做重点讲解；第五部分“理想可压缩流体的流动”分别介绍一维流动和平面流动，其中对一维流动做重点讲解。

四、教学模式的探讨

学生的学习情况在不断地发生变化，这就需要教师不断根据实际情况，进行教学模式的探讨，充分调动学生学习的主动性和积极性，使他们在有限的学习时间中学习好内容繁多的“流体力学”。

1.教学方法

“高等流体力学”是一门基础课，基本概念和基础理论部分内容较多，涉及的公式推导也比较多，传统的“黑板板书”的教学手段对教学信息的处理和呈现都比较单一，造成学生对于传热学内容的理解和掌握有一定的难度。为此，课程组以教材为蓝本编制了电子课件，教学中采用板书与多媒体相结合的教学模式，突出传统板书中能够清晰讲解复杂理论推导的优点，充分利用多媒体教学信息量大、图像清晰生动的特点。经过一段时间的尝试，这种教学方法既达到了避免研究生在课堂上因长时间精力高度集中而产生疲劳的问题，又有利于他们理解并掌握复杂的流体力学基本理论的教学效果。

2.教学手段

尽管本课程以课堂讲授教学方式为主，但要避免“填鸭式”的讲授，要注重以启发式讲授为主的多种教学方法的综合应用，提高课堂教学的趣味性，以提高学生学习兴趣和主动性。课程组结合本科“工程流体力学”多年的教学经验，在教学过程中注意做到几个注重：注重物理概念与数学方法的有机结合，强调物理含义的数学表示以及数学内容的物理解释；既注意严格的理论推导，又注意叙述的深入浅出；注重教学思路，教学方法，在引进概念介绍方法时，突出解决问题的思维方法及推理要点；注重从与教材不同的角度或思路来讲述同一教材内容，以丰富学生思维和联想能力；注重引导学生围绕课程内容，发现问题、提出问题、解决问题，同时再结合课程组教师的科研积累，搜集并提炼出了大量与电力生产紧密关联的工程案例，通过案例的讨论和分析，增强学生学习理论知识的兴趣，提升课堂教学的互动效果，增强学生运用理论知识分析并解决工程实际问题的能力。

3.辅助教学

仅仅通过课堂上对教材的学习是远远不够的，还必须配套地做大量的习题，才能较好地使学生掌握具有理论性强、公式多、数理基础要求高的“高等流体力学”课程。考虑到我校研究生教学的特点，课程组根据教材的主要内容编写了典型习题集。习题集力图做到习题具有典型性，能够对应教学内容的各个知识点，学生通过习题的练习，能有效地掌握教材中的基本知识。此外，习题集中的习题也尽可能地结合电力生产中的流动问题，帮助学生对专业关联工程问题进行认识和思考，培养学生应用知识的能力。

4.课程考核

课程考核成绩应该能够较为客观地反映学生对课程的整体学习情况。为了全面地反映学生的全程学习过程和最终的学习效果，课程组经讨论明确了课程的总评成绩由平时成绩和期末考试成绩综合评定得出，平时成绩与期末考试成绩的分配比例是2∶8。平时成绩包含作业、考勤、课堂表现等几部分。期末考试采用笔试形式，考试试卷从建立的试卷库中随机抽取。

期末考试是课程考核的重头戏，为了提高学生的学习积极性，同时也为了增强教师的工作责任心，实行考、教分离是一个较好的督促办法。为此，2012年课程组根据课程的教学要求组织编写了试卷库。试卷库中的试题符合教学大纲的要求，内容丰富、形式多样、题型一致，试题表述清楚，要求明确，无偏题、怪题，难易得当，考核的知识点覆盖面宽，能考核学生掌握知识以及应用知识进行综合分析能力的情况。此次编写的试卷库共包含试卷6份，至少够三年使用，随着试卷库的使用，课程组还拟将对试卷库进行不断扩充。

五、结束语

“高等流体力学”的日常教学工作一个任重而道远，为了适应高等流体力学服务于日新月异的学科发展的需求，提高该学位课程的教学效果，更好地为本校研究生人才培养服务，课程组将把教学研究工作不断地持续进行下去，搜集最新最前沿的相关信息以补充教学内容，探讨教学模式以提高教学效果，及时对习题库和试卷题库进行更新。相信只要教师多花一点时间，多动一点脑筋，多找一些教育学生的切入点，因材施教，一定能取得好的教育效果。

参考文献：

[1]张鸣远.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[2]董守平.高等流体力学[M].东营：中国石油大学出版社，2006.

[3]王献孚.高等流体力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[4]王松岭.高等流体力学[M].北京：中国电力出版社，2011.

[5]周云龙.高等流体力学[M].北京：中国电力出版社，2008.

篇2

关键词：计算流体力学；Fluent；外流场；网格划分；数值模拟

引言

汽车在行驶的过程中不可避免的要与周边空气发生相互作用，随着车速的增加，这种相互作用会愈加的剧烈。空气对在行驶中的汽车施加力和力矩，从而影响汽车的行驶。所以，在汽车开发过程中，研究并优化汽车的空气动力性能非常重要。另外，汽车的空气动力学性能不仅影响着汽车的燃油经济性，同时也对汽车的动力性、稳定性和操作性等方面有着巨大的影响，所以现代汽车设计越来越关注汽车的空气动力性能研究。

随着计算机技术的迅猛发展，对汽车结构分析的技术已基本成熟，且对更为复杂的流动问题的模拟计算也在不断的发展，其中计算流体力学（Computational Fluid Dynamics 简称CFD）受到了越来越多的关注。计算流体力学已从定性的分析发展到定量的计算，其应用也从最初的航空领域不断的扩展到包括汽车在内的多个领域[1-3]。新车型的开发过程中，空气动力性能分析是必不可少的。利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析能够用来预测或解决一些理论及实验都无法处理的复杂流动问题，并能取代部分实验环节。但要求对问题的物理特性有足够的了解，才能建立合适的数学方程及相应的初始、边界条件等，这些都离不开实验和理论方法的支持。目前，数值方法主要是应用欧拉方程和纳维-斯托克斯方程。在汽车设计的研究分析领域，数值方法与传统的研究方法相结合， 能够有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。汽车车身外流场计算模型及仿真是计算流体力学在汽车外流场分析方面的应用研究之一[4-8]。本文通过建立汽车车身外流场的计算模型，利用计算流体力学方法和适当的矩阵代数算法，基于Fluent仿真平台，分析研究汽车车身的空气动力性能。

1 汽车车身绕流的数学模型

流场运动中，流场运动基本方程是根据基本物理定律质量守恒、动量守恒、能量守恒定律按一定的流体流动模型推导的。对于空气来说，当风速小于三分之一声速时，也就是风速小于408km/h，可以认为是不可压缩气体。而对汽车来说，最高速度一般都小于400km/h，因此汽车空气动力学研究可以把周围的气体考虑成不可压缩的。轿车绕流问题一般为定常、等温、不可压缩的三维流场，由于复杂外形会引起气流的分离，由于计算机技术的限制，目前还不能实现，现在工程中应用最广泛的方程是雷诺时均N-S方程，为使方程封闭这里采用可实行的K-？着模型。

汽车外流场的控制方程如下：

式中，u0为流体动力粘性系数；ut为涡粘性系数；i，j=1，2，3；X1=x；X2=y；X3=z；u1=U；u2=V；u3=W；G主要取决于流场的涡流特性，是流场空间位置的函数。

2 汽车模型K-？着参数确定

由数模可以得到车长L=3.916m；车速定为v=20m/s；雷诺数Re= =5.21×106（其中空气在20℃时的密度？籽=1.205kg/m3，动力粘性系数？滋=1.81×10-5kg/ms）。根据雷诺准则，这是一个雷诺数问题，适用于K-？着模型。

3 Fluent求解

在Fluent中选择合适求解小车外流场的求解器。选择基于压力的求解器，这适合于不可压缩的流动。同时选择隐式求解器，网格单元内的未知量用临近单元的已知量和未知量来计算。因此，每个未知量会不只在一个方程中出现，这些方程必须同时求解才能解出未知量。另外，通过设置，确定选择的是三维稳态的计算模型，速度场是绝对的，并且按压力梯度计算。

然后设置求解控制参数，进一步确定使用SIMPLE型求解器，在求解过程中联立流动方程和湍流方程，求解方法采用“求解压力耦合方程组的半隐式求法”。为了提高计算结果的可靠性，我们选择二阶离散精度。事实上，为了使结果尽快收敛，前半部分使用一阶离散精度，迭代330次后，使用二节离散精度，继续求解。对于欠松弛因子，选用默认值即可。

设置收敛判据，选中Check Convergence复选框，表示当每个变量的值到达Convergence Criterion文本框中的规定的值时，求解器就认为计算已经收敛。

图1 Fluent的求解的收敛过程

图1中，在迭代到330次时，改为二阶迎风离散精度，继续求解。最终在445次迭代时收敛。

4 汽车风阻系数和升力系数

该辆小轿车在20m/s的速度下行驶，受到的空气阻力由Fluent计算得到Fп=170.28N，其迎风面积S=2.25m2，根据求解空气阻力系数的公式：

同样，由Fluent计算得到，该辆小轿车在20m/s的速度下行驶，受到的空气升力为FT=14.95N。根据如下求解空气阻力系数的公式：

5 车外流场的后处理及分析

对Fluent求解器得到的数据，只是对应于每个网格的相关物理量的数值大小和方向等信息。为了整体的把握小轿车外流场的特点和直观地呈现出计算结果，需要对其进行后处理，转化为图像来描述结果。

由图2可知，在汽车头部，气流受到垂直方向的阻滞，速度降为零，气流压力升高。在发动机罩和挡风玻璃之间存在一个比较大的正压区；同时，在挡风玻璃与汽车顶盖以及汽车顶盖与后窗之间存在一个绝对值比较大的负压区；而汽车底盘下面为一个变化缓慢的负压区域。前轮外侧边缘有一绝对值很大的负压区，不过面积不大。

Fluent在车顶盖的最大流速为26.4m/s，求得的速度最小值都在车头和车尾，约为0。接近流场速度的数值模拟求得的极值。由于汽车底部的气流离开尾部后，就迅速上扬和来自汽车后挡风玻璃的气流相互冲撞，导致汽车尾部形成漩涡，产生能量耗散。

6 结束语

本文利用计算流体力学方法，使用Fluent软件平台分析研究了汽车的空气动力性能，包括汽车周围流速、压力等的分布情况，从而确定了汽车的气动特性与参数。仿真分析结果表明该方法在分析研究汽车空气动力特性，辅助和优化汽车车身设计方面的有效性。

参考文献

[1]张奇，赵又群，杨国权.基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述[D].南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2005.

[2]师奇威，贾代勇，贾建伟.CFD简介及其应用研究[J].北京：理工大学，2007.

[3]沈俊，傅立敏，黎妹红，王靖宇.CFD软件及其在汽车领域的应用[D].吉林：吉林工业大学，2000.

[4]黄向东.汽车空气动力学与车身造型[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]宁燕，辛 .汽车外流场的数值模拟[J].北京：中国农业大学，2004.

[6]吕明忠，高敦岳，傅立敏.计算机数值仿真在汽车外流场分析方面的应用研究[N].北京：人民交通出版社，2002.

[7]贾海庆，王成玲.汽车流场数值模拟[J].北京：国家计算流体力学实验室，2007.

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关键词 工程力学 环境科学 综合应用

中图分类号：X-019 文献标识码：A

1 工程力学与环境科学的学科交叉理论

工程力学是20世纪50年代末出现的。首先提出这一名称并对这个学科做了开创性工作的是中国学者钱学森。

在20世纪50年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一～亿分之一秒等。在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质；在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求了解耗散过程的高阶项；由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效地手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。

总的来说，工程力学具有现代工程与理论相结合的特点，有很大的知识面和灵活性，对国家现代化建设具有重大意义。

2工程力学理论在环境科学中的发展

2.1环境与力学的学科特点

工程力学虽然还处在萌芽阶段，很不成熟，而且继承有关老学科的地方较多，但作为力学的一个新分支，确有一些独具的特点。工程力学着重于分析问题的机理，并借助建立理论模型来解决具体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时，才求助于新的实验。

工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。

虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。

2.2研究内容和方向

工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。

工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。

工程力学研究方向主要有：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与爆破。

3工程力学理论在环境科学中的应用

3.1材料力学与环境

材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到生活中的塑料食品包装，很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以材料力学就显得尤为重要。

利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。

3.2固体力学与环境

自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计都应用了固体力学的原理。

固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体。

固体力学的研究对象按照物体形状可分为杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件是指长宽厚尺寸都不是同量级的固体物件。在飞行器、船舶和建筑等工程结构中都广泛采用了薄壁杆件。

3.3流体力学与环境

流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定理和质量守恒定理，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。

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关键词:裂隙岩体;注浆;扩散理论;注浆参数

中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙岩体内部构造的复杂性和多变性,给注浆理论研究带来了很大的困难。浆液在裂隙岩体中的流动规律、扩散范围、浆液扩散压力以及注浆加固体强度和变形特征等与裂隙岩体几何形状、空间分布特征和空隙度特性等有密切的关系。

目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为与时间无关的牛顿流体,而绝大部分浆液属非牛顿流体的时变性宾汉姆流体,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大。

在裂隙岩体中注浆,是长期以来尚未解决的技术难题。研究宾汉姆流体在裂隙岩体中渗透扩散过程 (运移规律)及渗流机理对注浆加固工程的设计和注浆效果预测等有重大的理论指导意义。

二、研究现状及存在的问题

(一)研究现状

随着注浆实践发展,目前已发展的注浆理论有渗透注浆理论、劈裂注浆、压密注浆、电动化学注浆、低渗透介质注浆理论。但由于浆体运动是隐蔽于地下复杂性的地基构造中,且缝隙分布又难于模拟,因而理论方面的研究相对滞后于实践。

注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的,对浆液的单一流动形式进行分析,建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。传统的注浆工艺是以“渗入性理论”为基础,注浆时只采用相对较低的注浆压力,使浆液在孔隙或缝隙中扩散时不致破坏岩土的原有结构。

渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中存在的自由水和气体,而基本上不改变原状土的结构和体积 (砂性土注浆的结构原理),所用注浆压力相对较小。代表性的注浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。

球形扩散理论虽然考虑了浆液性质随时间变化对渗透规律的影响,但仍然把浆液简化为了牛顿流体,这也正是他们的不足之处。

柱形扩散理论和袖套管法理论研究中,仍然把浆液简化为了牛顿流体,没有考虑浆液性质随时间变化对渗透规律的影响。

查阅国内外大量文献资料发现,在目前的渗透注浆理论研究中,人们多是把浆液简化为牛顿流体,而且没考虑浆液的时变性,没有任何一个公式能真正准确地反映出浆液在多孔介质中的渗流规律,这些公式各自存在着某些缺陷,甚至与实际之间相差很大,公式的结论多为指导性的,因此,大多数注浆工程报导或论文中,只介绍注浆工艺过程和注浆效果,很少进行注浆理论的分析研究。因缺乏完善的理论指导,影响了注浆效果和技术经济指标的提高,造成人力物力的许多浪费。

(二)存在的问题

1.大多浆液为非牛顿流体,而目前的理论研究中均简化为牛顿流体。

2.在注浆过程中,浆液的性质随时间而变化,而目前的理论研究中视浆液的性质与时间无关。

目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为牛顿流体且与时间无关,而绝大部分浆液属非牛顿流体的宾汉姆流体,且具有时变性,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大,甚至是荒谬的。理论研究落后于工程实际需求,尚需进行研究的方面有:浆液流体力学及其本构方程、浆液在多孔松散介质中的渗透扩散规律、多孔松散介质的渗透力学模型、多孔松散介质的空隙度特征、浆液的充填机理、注浆加固的力学作用、注浆基本理论与观念、注浆工艺等。

3.注浆设计随意性太大,注浆效果难以估计。注浆方法主要是压入法,浆液在压力差的作用下从注浆孔向岩体裂隙内扩散,其扩散距离 (常称为扩散半径)决定着注浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价注浆效果的重要依据。但浆液在裂隙岩体内的扩散过程是隐藏的,目前还不可能在施工中对这一过程进行监测,这样,浆液的扩散距离只能靠理论或经验公式计算。而现有的计算浆液扩散距离的理论公式还远未成熟,实用价值有限,经验公式又往往是针对某些特定浆液 (主要是化学浆液)总结的,不具有普遍意义。因此,目前在裂隙岩体中注浆还没有可靠的预先确定浆液扩散距离的方法。

由于这一理论缺陷,给裂隙岩体注浆带来了如下问题:(1)注浆工程的投资和效果难以预计。当工程目的明确、场地条件清楚时,由于浆液的扩散距离不能预先准确确定,钻孔数量和材料消耗量的预算便没有依据。如果凭经验或工程类比法确定了钻孔数量和材料消耗量,则在这些工程量完成之后所能取得的效果又难以准确预计 (如注浆帷幕是否已形成要求的封闭条件),这样,在方案论证阶段,难以将注浆法与别的方法作对比。由于这一原因,注浆法的应用受到了一定程度的负面影响。国内矿山帷幕截流技术的推广中便遇到了这一问题,国外有些水利工程的业主也是因为这一原因而不愿进行坝基注浆。(2)确定孔距、浆液配比和注浆压力时的随意性太大。许多工程都需要通过多孔注浆,且要求注入的浆液能形成连续、稳定的胶结体。这时注浆孔的距离必须依浆液的扩散距离而定。当地质条件一定时,浆液的扩散距离又主要取决于浆液的性质和注浆的工艺参数。因此,孔距应该根据所选用的浆液在允许压力和时间内可能达到的扩散距离来确定。但在目前的注浆设计和施工中,注浆孔距和注浆材料都主要是凭经验确定的,这样便很可能因孔距太大或太小而出现工程质量问题或投资上的浪费。

三、结论

1.部分学者已验证了裂隙岩体结构面的分布具有统计意义上的自相似性,因此,裂隙岩体结构面分布应具有分形特征,并可计算出其分维数。

2.岩体的分维数可以反映出岩体的破碎程度、节理发育程度、可灌性。而裂隙岩体的这些特征又严重影响着注浆扩散规律及注浆效果,因此可以尝试将分形理论应用于注浆工程,用裂隙岩体结构面的分维数来定性的确定注浆参数。

3.工程岩体往往被节理和结构面所切割形成明显的节理岩体,具有明显的不连续性,用离散单元法可以得到较好的处理,因此,可以将分形理论与离散元方法相结合,模拟出浆液在裂隙中扩散的真实情况。

参考文献

[1]葛家良.注浆技术的现状与发展趋势[J].矿业世界,1995,(1).

[2]杨米加.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,(6).

[3]李长洪.碎裂岩体注浆理论及应用研究[D].北京科技大学,1999.

[4]谢和平.分形―岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1997.

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[6]丁多文.岩体结构分形及应用研究[J].岩土力学,1993,14 (3).

篇5

关键词：非流线型；降低油耗；有限元分析；优化气动特性

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0095-02

空气动力学指标是货车最重要的参数之一，它对货车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。随着燃油价格的上涨和节能减排的要求，现今车身的设计将气动性能指标作为出发点，可见，提高气动特性对降低货车的燃油率和提高节能指标有着非常重大的作用。货车正常行驶时，尾部会形成漩涡，消耗大量的能量，可以通过改变货车尾部形状，阻碍漩涡的形成，从而降低油耗。

1 气动阻力及其对货车性能的影响

1.1 气动阻力

气动阻力是货车在行驶的过程中，由于车身上部和下部结构差异所导致的上下气流的不同而形成的直接阻碍了汽车运行的压强差。气动阻力由三部分组成，它们分别是摩擦阻力、形状阻力和诱导阻力。形状阻力主要与边界层流态和脱体尾涡的出现等因素有关，是既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力。压差阻力主要取决于车身前方阻止气流前进的压力与车身尾部的压力差。气动阻力构成中，85%为压差阻力，其余15%为摩擦阻力。压差阻力的91%来自车身后部，9%来自车身前端。

1.2 气动阻力对货车性能的影响

货车在行驶过程中和周围空气发生相对运动，空气就会对货车产生一个力，将这个力进行分解，可以得到升力、侧向力和阻力。当车速在100km/h时，发动机80%的动力用来克服气动阻力，此时，若将空气动力学性能提高10%，油耗就会降低4%～5%。重量轻的汽车，特别是重心靠后的货车，对前轮的升力特别敏感，为避免重心偏移产生翻车现象，在设计阶段应充分考虑升力的影响。气动阻力的主要影响因素为迎风投影面积和气动阻力系数，研究表明，减小气动阻力系数，能有效减小气动阻力，从而明显降低油耗。

2 货车流场有限元分析

2.1 条件设定

由流体力学可知，当马赫数Ma

2.2 网格划分

利用Ansys中的flotran模块将模型划分为fluid 141单元，由于网格在很大程度上决定着模拟结果的精度，建模过程中，在敏感区域网格划分较密，远离车身的其他部位网格划分较疏，采用自动划分的方法。

2.3 现象观察

图1

从图1中可观察到，尾部气流比较紊乱，有两个逆向的漩涡，在离尾部一段距离后，漩涡逐渐消失。

3 漩涡现象解释

由伯努利方程可知，流速大的地方压强较小，流速小的地方，压强较大。货车底部压强较大，流速较小，由于货车的侧面比较光滑，流速较高，压强低。这样，底部的气流向上运动，与侧面的气流相叠加，就会形成一对旋向相反的螺旋流。货车在高速行驶时，前围直接冲击前方气流，使得货车的一部分动能转化为压力能，形成正压区，尾部涡系的存在，使其成为负压区。

4 漩涡对货车运行性能的影响

货车前后两部分压强分布不对称就会形成压差阻力，压差阻力很大程度上取决于尾部漩涡区域大小及其内部的压强大小，尾涡区域越大，压差阻力就越大，反之就越小。而尾涡区的大小又取决于分离点的位置，流线体的分离点接近物体尾部，从而有较小的尾涡区，但厢式货车的压差阻力很大，一般占总的气动阻力的80%以上。压差阻力越大，货车的气动系数也越大，货车的能耗增加。货车尾部由于气体的粘性消耗，漩涡逐渐消失，大尺度漩涡的形成和消散使得气流的能耗增加，也会增加气动阻力，从而增加货车的能耗。同时，车尾后顶缘附近出现的由于气流分离产生的负压还会影响货车的升力，从而影响货车行驶的稳定性。

5 车尾改装优化

将货车截尾式尾部改装成光滑的流线走势，能有效减小涡流。

图2

要改善货车的气动性能，就必须控制尾部漩涡的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗，可以减小气动阻力，降低油耗。通过多次试验可知，三角形、双弧形等结构都可以有效减少漩涡的产生。

6 结语

本文通过对货车钝头式尾部产生的漩涡进行了详细的分析和解释，通过对不同形状的货车尾部流场进行有限元模拟分析，得出通过优化货车尾部的结构及形状，不仅能改善汽车的动力性、提高汽车的燃料经济性，而且也能提高汽车的操纵稳定性，保证行车安全。

参考文献

[1] 刘远臻，左亚会，姜康，高兴良.基于空气动力学的车身设计改进[J].

[2] 昃强，刘鹏.汽车空气动力学仿真[A].中国用户论文集[C].2009.

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[4] 谢龙汉.ANSYS FLOTRAN流体及热分析[M].北京：电子工业出版社，2012.

[5] 孔斌.基于空气动力学的车身造型设计[D].2008.

[6] 李莉.特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究[D].2010.

篇6

关键词 高速缓冲器；模型；缓冲性能

中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0058-02

在现代工业高速发展的今天，自动化设备及机械化设备需要高速运动、精准的动作；同时对设备的平稳性、安全性要求也更加苛刻。缓冲器作为大型设备上或高速自动化设备上的安全缓冲部件或者是执行部件，所起到的作用也越来越重要了。在众多的缓冲器种类中，液压缓冲器因其具有缓冲容量大、缓冲平稳和反弹力较小的特点，已经被广泛的应用在重型机械设备、钢铁设备及港口机械上，随着液压缓冲技术的成熟和发展，缓冲器应用的领域也在不断地拓宽。

目前，在缓冲器的机理和特性研究方面，国内外的研究人员对缓冲器采用了许多的模型和很多的分析手段，其目的是分析不同因素和参数对缓冲器的影响。但是很多是对现有的产品进行分析，分析的产品的缓冲速度以常规为主。在高速缓冲器方面的论述不多，较为流行的是双级缓冲器，采取不同腔体的压力，进行顺序缓冲，以增大缓冲行程，但是此种缓冲器只是针对大质量，低速度的缓冲。对于载荷质量小、高速度的工况下，研究和分析的不多。

本文针对质量小、高速度的缓冲器，根据流体力学和热力学的理论基础出发，建立了动力学计算模型，并分析了在缓冲过程中，缓冲力的组成，并对缓冲器的缓冲参数之间的关系进行了分析讨论。通过实验验证了理论和方法的正确性，具有重要的工程应用价值。

1 液压缓冲器结构和工作原理

1-撞头；2-活塞杆；3-外缸；4-内缸；5-活塞

图1 缓冲器结构简图

缓冲器的结构如图1所示。缓冲器由撞头1，活塞杆2，外缸3，内缸4，活塞5组成。当物体撞击撞头时，活塞杆被压缩，此时在活塞和内缸上的阻尼孔使活塞右端的油流出进入左腔内时，产生了缓冲力，同时因油流经小孔时流速较大，产生紊流，使油的内能增加，将撞击物体的动能直接转换为油的内能，在油室的上腔留有部分气体，在缓冲过程中，因压缩体积变小，导致气体因压力过大，溶于液压油中，增加了液压油的压缩性，大大减小缓冲器的刚性，使缓冲过程更加柔和，使缓冲器具有更好的缓冲性能。

2 缓冲器模型建立和缓冲力分析

2.1 初始碰撞

在物体碰撞到物体时由于缓冲器的作用，实现的是非弹性碰撞，亦即在碰撞时两者粘在一起。经过碰撞之后的物体与撞头、活塞杆、活塞一起以共同的速度继续前进，经过此次碰撞，缓冲能量产生一次损失。

2.2 撞击时的动态模型

在完成了初始撞击之后，液压油因被压缩，在油流经阻尼孔的时候，形成了缓冲力，这个过程较为复杂，其系统模型如图2所示。

图2 缓冲器活塞杆运动分析图

图中，m1是撞击物体质量，m2是活塞杆整体的质，速度为撞击之后共同的速度，活塞缸具有阻尼的作用，PA是活塞上作用的缓冲力。

根据模型，建立其相应的动力学模型方程。

· （1）

在缓冲的过程中，作用在活塞上的压强为油压和气体被压缩产生的压强，因此缓冲器对撞击物体的缓冲力为阻尼孔产生的阻尼力和压缩气体的反弹力。

在物体撞击的过程中，液压油经过活塞上的多个阻尼孔，产生压力进而产生阻尼，其流量与压力之间的表达式为：

F阻尼 （2）

其中为泄流孔系数，A为活塞的受压面积，n为阻尼孔的个数，ρ 为液压油的密度。

在压缩的过程中，气体被压缩，产生压强的变化，导致作用在油面上的压强的变化。

在对本式的处理是减小活塞两端的轴的尺寸，这样由气体产生的压强变小，这个压力差很小。

（3）

最终的总的缓冲力为：

（4）

3 缓冲器试验结果和结论

为满足某企业的需求，缓冲器的性能参数，冲击质量3 kg，缓冲速度50 m/s，缓冲行程不大于150 mm。

在缓冲方案的处理上，采用活塞杆两端的直径相同，总的缓冲力简化为只与阻尼孔产生的力和摩擦力有关；缓冲器内采用46号液压油。减小油的粘度，使缓冲力减小，以提高高速缓冲的效果。

经过产品设计装配后，对缓冲器的性能进行了测试，测试内容为缓冲器的静态载荷曲线（见图3）和动态载荷曲线（见图4）。

通过试验数据，可以得到以下结论。

1）静态作用下，作用在缓冲器上的缓冲力为活塞和液压缸之间、活塞杆和活塞固定端的摩擦力。

2）物体在3 m/s和5 m/s时，缓冲力基本符合公式2的计算规律，说明在较小的相近速度下，泄流孔系数是基本不变的。

3）在速度高14 m/s的缓冲力与5 m/s的缓冲力不成对应的比例，说明在高速缓冲时，泄流孔系数急剧增大，导致缓冲力变小。

4）试验设施能力不足，无法对50 m/s的工件试验，但是可以推断设计基本符合要求。

参考文献

[1]白鹏英，乔军.双级气缸式弹射装置内弹道分析[J].现代防御技术，2007，35（4）：44-49.

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篇7

关键词:调节阀;流线;流速;粘性底层;紊流核心

中图分类号:TU992文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0030-04

一、存在的问题

安阳钢厂用带式压滤机对高炉煤气循环洗涤水所产污泥进行脱水。由于机宽只有两米,且此循环水浓缩倍数较高,虽pH值在一范围内变化,但仍时而呈酸性,时而呈碱性,因此阀门开大污水溢溅到设备主支架和轴承内,都对这些部位造成严重腐蚀,即使水体有时呈中性,但因浓缩倍数高,析出的盐分以结垢方式贴附于其上,造成严重的垢下腐蚀,且轴承磨损加大; 还由于絮凝剂浓度和污泥品质不稳定, 导致处理效果有时不理想, 部分污物透过滤网落入集水斗中, 造成排水不畅和污泥外溢泄漏, 所以,其进料管上安装过的旋塞阀、蝶阀、闸阀这三种手动阀门,均在小开度下工作。使用期间,频繁发生阀门堵塞现象,造成药剂等浪费和设备的无功磨损,阀门需经常操作调节,其寿命大大缩减,因此常被更换。

二、问题分析

(一)此污泥介质概况

高炉煤气循环洗涤水污物成分复杂,不溶解固形物含量高,浊度、色度高,经絮凝沉淀浓缩后,此种污泥粘度大、流动阻力大,常为粘塑性非牛顿流体。由于此种污泥的成分、含量和絮凝剂浓度均在变化,使得其粘性及相关参数也在改变,所以此种流体流动状态应属于非均匀且非恒定流。为了有助于理论分析,先将其视为均匀恒定流。

(二)圆管内牛顿、粘塑性流体的流动及实际流速分布、流动特性

牛顿流体流动状态有层、紊流两种。此性质对高含水率污泥也适用,实际中,流体在管或渠道内流动,层、紊流均可能发生。其速度分布如图1所示:

从图中可看出,层流状态下流体中心处即轴心流线上速度最大,越接近边壁速度越低;紊流状态下流体中心处即紊流核心区轴心流线上速度最大,且两种状态下边壁处速度均为零。粘性底层的速度分布由边壁向紊流核心区逐渐增大,在紊流核心区的边界处达到最大。

粘塑性流体在管内流动时有一固体核心,在此核心内无相对运动,靠近边壁则有速度梯度,可视为粘塑性流体流动时的粘性底层。如图2所示:

(三)对三种阀门堵塞原因的初步分析

由于各自的结构和流量特性不同,所以旋塞、蝶、闸阀在操作性、对流体的控制和过流性能等方面都各有所长。全开启度下,除蝶阀阻扰相对速度较大的主流区程度深,且过流断面被阀板分为形状均非圆形的两部分外,旋塞阀和闸阀理论认为都能使流体顺畅通过,流谱均匀平直无变化。但在小开度下,如图3所示,这三种阀的节流口结构形式虽不同,但均偏离原管路中心较远且其形状较原上游管路均匀流处过流断面形状改变过大,使得此段流谱弯曲波动、疏密程度改变剧烈又严重,流动均匀性遭到破坏,流速大小、方向及分布发生很大变化,这其中包括上游管路内均匀流的轴心流线也受很大程度干扰;加上节流口都对流体产生节流作用,致使流量减少,上游管路内均匀流的流速下降, 且流体在通过节流口之前的急变流处压力先稍有上升,这使其流速稍有下降,但紧接着压力很快下降,流速很快上升,对于旋塞阀、闸阀(图3 a、b)而言,此处有死水区和大团旋涡产生,死水区污物沉积,而旋涡封闭曲线的不规则,使得旋涡内微团线速度差异较大,速度小之处污物易发生沉积,当死水区和旋涡区沉积物足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,会有大小不等、相对较密实的部分污泥块被冲掉并带到形状不很理想的节流口,易使其堵塞;对于蝶阀(图3 c)此时有部分绕流的特征,在阀板上游流线出现分岔点(即驻点),此点流速为零,污物在此处与阀板之间易于沉积,当沉积物体积足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,可能会出现较大块或整块污泥团沿阀板斜面滑向相对靠下游且形状不很理想的一节流口,若这时此节流口被堵塞,流体只能从另一侧节流口通过,之后的堵塞过程基本类似于前两者。另外,即便是牛顿流体通过节流口时,由于节流口形状改变过大、不很理想,面积急剧变化、流通面积缩小,流速相对升高,压力相对下降,易产生阻塞流。所以实际情况便是这三种阀门频繁堵塞。

三、类似泄空(或称放空)模拟试验

(一)试验前提及概述

由于我所在工作地点通过实际生产已确认旋塞阀和蝶阀用于污泥调节不合适,目前只用闸阀,所以此试验只是通过类似的方法定性模拟闸阀和污泥阀泄空时的过流情况。因我的经济、居住条件及其它因素有限,所以此试验在家中进行。

(二)试验器具、理论依据概述、测试方法过程及结果

实际生产中,污泥经楼顶浓缩罐从底端出口排出,其排泥管与压滤机进料管均为DN120无缝钢管,调节阀安在立管上,与浓缩罐底端出口高差约4.2m。本类似试验采用三截两端平齐,无毛刺,长度为492±1mm,?准50×2mm白色PVC管,实测外径51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明内壁光滑平直无褶皱内径52mm,外径53mm塑料管;将底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置开不同形状的小过流口,这是为了模拟阀门在小开度下工作时过流情况。所得试验用平直管总长为572±1mm。污泥介质以当地素土均按自然堆积状态下以不同土水体积比例混合制成;其中,以土: 水约为1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明显粘塑性流体待征的污泥介质为模拟高炉全开污泥量很大的情况,以土∶水约为1∶5～4所混合的较稀的仍保有牛顿流体特性的污泥介质为模拟高炉全检修污泥量极少的情况。混合时捡出其中粒径相对较大的石块,只留一部分小砂粒,以此来模拟实际中由于结垢或较硬积泥块对过流的影响。

试验所依理论由流体力学可知,相同材质、内壁粗糙度、内径、长度且竖直放置的管子,其内装满相同流体介质,虽放空过程中压力水头逐渐减小,但初始压力水头相等,填装流体介质体积相等,泄空时沿程阻力也相等,所以当底端泄空过流口形状和位置不同时,即便是相同的过流面积,也会因局部阻力,过流方式等不同,造成流量不等,从而泄空时间各不相等。所以此试验是以一手按堵住出流口并将管竖直托放平稳,一手向管内装满所配污流体介质,准备就绪,突然放开泄空过流口,另一人同时快速按下秒表,当堵塞或流完时再快速按下秒表,以这种计时的方法测定各自的泄空时间。测试结果见表1:

从表中可看出:当介质为粘塑性流体,模拟污泥阀以中间开圆小孔的泄空方式,所用时间最短,且稳定均匀,说明以此方式过流,水力条件好,污介质过流速度快且过流能力稳定;当圆孔开在贴近管壁一侧,泄空时间也稳定均匀,但时间加长较明显,说明其水力条件不是太好;模拟闸阀的单侧弯月形泄空过流口,其时间已明显加长且极易堵塞很不稳定。当流体中虽有污杂物,但仍为牛顿流体时,以中间开圆孔的泄空方式,所用时间依然较短且稳定均匀;单侧贴近管壁开圆孔,所用时间较稳定均匀但有所加长;单侧弯月形泄空过流口,所用时间变化幅度大,极不稳定,当过流面积为第一个的两倍时,其最短时间也未达到第一个所用时间的一半,况且有时所用时间已超出第一个的最长时间。试验结束后通过下端透明管观察节流口上游积泥情况:中间开圆孔时,其节流口上游四周有一圈连续的积泥且高度基本一致,内侧曲面虽不平整完美但基本为沙漏状;单侧出流的圆孔或弯月形孔,积泥集中在一侧且有一个最高点,此处基本与过流口正对,其余以最高点对称向两边降低。

(三)对此类似模拟试验的个人见结

此试验所配污流体介质虽只是实际中连续变化不定的所有情况中的两种,但我认为有一定的代表性;对试验用管的加工和制作虽力求精确,但由于我制作能力、技术水平有限,仍存在一定误差,且受其它各种条件限制,所以本试验有局限性,只是一次定性的有助于分析问题的辅试验,仅供各位读者、前辈和同行参考。

四、相关理论依据、解决方法及设计方案

(一)理论依据

根据牛顿惯性定律可知,物体动静状态下皆有此性质,流体介质也一样,所以当流体经过一段足够长直的圆管后,已具有一定惯性,理论上可认为其流动状态、速度分布等已确立,属于流体在圆管内的流动情况。这之后,当流体通过一调节阀,若此阀开度较小,这时会由于节流口形状改变过大,流通面积急剧缩小,过流位置偏离原管路中心较远,且由于惯性的存在,本要以流谱平直、流速分布均匀又对称的方式顺畅通过,却受很大程度阻碍和干扰,流谱急剧弯曲、疏密程度改变很大,原上游管路均匀流的轴心流线偏离中心较远、弯曲猛烈,均匀又对称的流速分布被破坏、发生剧烈的重新分布,易产生阻塞流。加上流体流经不论尺寸为几形状为何的物体时,在边壁处总有无法完全消除的低流速区或粘性底层,当为牛顿流体,发生层流或紊流处在水力光滑区时,边壁的粗糙度被低流速区或粘性底层所淹没,所以较高流速区或紊流核心基本不受粗糙度阻力影响,但低流速会使污物较易沉积,这会让过流通道变窄以致过流能力下降,当有部分沉积物受主流扰动或冲刷等影响而脱落时,可能会使下游节流口发生堵塞而丧失过流能力;当紊流处于水力粗糙区,边壁受到冲刷,粘性底层变薄,污物不易沉积,但粗糙度伸入紊流核心,使其脉动加剧、受阻增大,这也可使过流能力下降;当为粘塑性流体,因其固有的流动特性,使得粘性底层对固体核心的影响基本类似于牛顿流体紊流状态下的情况,因此有上、下临界设计流速在阀门全开时的相关文献参考数值,但当阀门开度不同时,常难满足要求。且流体经过节流口前后会发生旋涡、空化、水锤、死水区和二次流等水力现象,其中死水区和旋涡有利于流体中较重杂质或污物的沉积,且沉积污物有一定的密实度和稳固性,便会在与主流接触一侧形成一个较为稳定的曲面,其形状依节流口形状和偏离管中心位置的不同而不同,这一现象对于污介质流体而言不会被完全消除,但可被利用。所以,解决这一问题的方法是:使阀门在调节过程中尽量使原管路内的轴心流线不偏离中心,让流体流经阀门时,不论阀门开启度大小,总令最大流速所在流线及其邻域能从阀门的中间通过;还要尽可能的保证流体流经阀门时,节流口形状接近圆形这一水力最优断面;并尽量减小主流与阀芯或由阀芯所构成过流通道的接触面积,以便减少与阀芯有关且会出现的低流速区或粘性底层对过流能力的影响;并且利用污泥这一实际流体在死水区和旋涡处沉积有一定密实度和稳固性的污物能形成较稳定过流接触曲面这一现象,使得实际流体在通过小开度的此污泥阀节流口时能在其上游形成自然的同心渐缩流。

(二)过流情况示意图及相关初步分析说明

从图中可看出:当阀门全开(图4 a),从理论上讲流体能顺畅通过,流谱均匀平直无变化。小开度下(图4 b),由于多个阀瓣所围成的节流口形状在任何开度下均接近圆形这一水力最优断面,且其中心与管路中心重合,这可确保节流口上游管路均匀流处的轴心流线不发生偏离和弯曲的顺畅流过,也可确保其邻域内流谱发生很小弯曲较顺畅的流过;还可使节流口上下游急变流流场中除轴心流线的其它流线对称地向中心收缩或以中心放散,形成以轴心流线为对称轴,分布对称的急变流流谱,这样能使主流的波动很小,流动的均匀性虽受一定程度干扰,但并未遭完全破坏,流速的分布仍然保持对称;其效果应是:虽然流通面积急剧缩小,流速升高,压力下降,但节流口形状接近圆形,水力条件较为理想,且过流位置较原管路中心无偏离,所以构成阻塞流的条件不完整。再由于阀瓣的阻挡节流作用,使得节流口前后的急变流周围形成难以避免的死水区和旋涡,此处易沉积污物,但其具有一定的密实度和稳固性,尤其在节流口上游产生沉积物的堆积,形成较稳定的过流接触曲面;当在某一较小开度下,流量稳定,主流的波动很小且冲刷也不致将堆积沉积物破坏,此时就会以图4 c中所示虚线为边壁,形成自然的同心渐缩流,大大降低了由旋涡产生的不利影响。还由于阀瓣的结构形状和运动方式,使得主流经过节流口时,与其所接触的面积很小,从而大大减少了与阀芯有关且会出现的低流速区或粘性底层对主流的影响。最终要达到的目的是:此污泥阀在不同开度,不同流量下,均能令实际污介质流体顺利通过,不易发生堵塞现象。

(三)设计方案示意图及动作原理

设计方案示意图如图5所示:

动作原理:蜗杆1受力矩作用,绕轴转动,带动齿轮块2,在图5所示时,做顺或逆时针转动,2的转动带动直齿轮3及在其下端固定的阀瓣4在同一位置,做绕直齿轮3所在柱体轴线的转动;在开启状态下阀瓣4的曲线边一侧朝向流体,曲线是为了使阀门在动作调节时,阀瓣所构成的节流口边界接近圆形,并且在全开状态下,曲边所构成的圆与内管5的外径所在圆,在如图5所示时,其两者垂直纸面的投影完全重合,也就是全开状态下过流断面为圆形。另外每一个阀瓣的上、下表面均为光滑的斜面,这是为了让阀门在动作调节时,使阀瓣之间不会出现理论上所讲的贯穿现象,即不互相碰撞;并且还可使其与主流的接触面积大大减小。

此污泥阀已构想完毕, 但尚未造出实际物体,对于易堵塞介质流体, 目前所采用的办法是选择可调性最佳、最理想的孔形,是在所有开度时,能成为方形或等边三角形。所以此阀门设计的过流孔形不仅所有开度时,均接近圆形且位置始终在管路中央,保持不变,因此,此污泥阀的设计核心思想及初衷应是较为合理和正确的,应能解决污介质流体易在阀门处堵塞这一实际问题;并且此解决方法和设计方案的合理性和可行性已得到理论上的证明,并注册了专利,已获证书。

参考文献

[1]周光s,严宗毅,许世雄,张克本.流体力学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[2]周光s,严宗毅,许世雄,张克本.流体力学(下册)[M].北京:高等教育出版社,2000.

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[8]张自杰,林荣忱,金儒霖,顾夏声.排水工程(下册)(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

篇8

【关键词】进气道；模型；仿真

1.引言

进气道气流流动状态最终直接影响发动机经济性、排放性以及动力性。因此，发动机进气道的理论研究和实际工程的设计成为发动机研究者的重要课题之一。传统的进气道设计流程是经验设计加稳流试验台上的反复试验。在设计开发中存在着较大的盲目性与局限性，不仅设计开发期长，耗费大，而且较难得到理想的方案。通过对进气道内气体流动的三维数值模拟计算，可获得流量系数，气道内压力、流速等参数的空间分布，并建立气道形状、安装位置与气体流动特性（包括流量数等）的关系，为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。

2.工作流程

工作流程如图1所示。基本控制方程通常包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。确定离散化方法。即确定高精度、高效率的离散化方法，具体的说就是确定针对控制方程的离散化法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的离散方法不仅包括微分方程的离散方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等。

图1 工作流程图

3.模型的建立

气缸直径取68mm，气缸的长度为170mm。在进气道进口处增加一个稳压箱，作用时使进气道入口处的气流流动状态稳定，这样便在计算入口边界条件中施加了一个稳定的压力条件。发动机进气道如图2所示，气缸简化为圆柱体，气缸盖如图3所示，进气道-气门-气缸如图4所示，最终计算用模型如图5所示。

本文采用六面体和四面体的混合网格，在稳压箱及气缸内采用六面体网格，在进气道、气门、气缸盖处采用非结构化网格。这样既节省了运算时间，又解决了进气道处外形结构复杂区的网格划分。将入口、出口、气缸壁面等分别创建PART，以增加边界条件；将进气道-气门-气缸盖所在空间创建BODY命名为LIVE1并保证该点在各个棉所围成的空间内，如图6所示。由于四面体网格生成是以BODY为单位进行的，将稳压箱、气缸部分创建块，利用约束、拉伸块等工具创建、分割块，以适应本部分体积结构。并在此部分生成六面体网格，对局部网格进行加密，并检查网格质量。生成四面体网格。生成四面体网格时需要对边界处进行加密，以便观察近壁面处，且确保壁面函数法有效，如图7所示。

图6 创建PART及BODY 图7 生成的网格

网格数目、类型及体积如表1所示。

4.气道模拟仿真结果与分析

图8是当气门升程为8mm时，截面a上的速度分布图，由图可知排气门处（即图中1）、喉口位置（即图中2和3处）及气门下方可以很明显的看见此气道存在明显的滞止回流区，以上地方会造成缸内混合不均匀，极大的影响发动机的排放性能机动力性能，设计时需要对以上地方进行修改。图中4处气流与气门头部发生碰撞，气流流动方向发生改变，并消耗了气流流动动能。其流动能的减小与流动方向的变化导致4处气流速度减小。在三维建模时尽量增大4处的圆角，这样就能减小交接处的碰撞。

图8 截面a处的速度矢

图9为当气门升程为8mm时，截面a的速度等值线云图。由图可知在气门喉口位置的速度等值线分布很不均匀。其中速度等值线在喉口位置相对进气道等其他地方要密，表明喉口位置速度比进气道其他位置速度要大。气门下方有两个地方速度比气道其他地方速度等值线要密（图中1和2处），其分布是以这两处为中心成漩涡状。这也可以说明上述位置会产生很强的滚流。

图9 截面a的速度等值线云图

5.结论

运用三维造型软件Auto CAD，建立气道-气门-气缸实体模型，利用Ansys，建立包括气道一气门一气缸在内的计算域网格，利用Ansys对Auto CAD建立好的计算模型划分网格，进行三维模拟计算。通过三维数值模拟找出了气道几何不合理的部分，采用CAD/CFD进行优化，为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。

参考文献

[1]周光桐.流体力学[M].北京：高等教育出版社（2版），2000.

[2]石皓天.GDI发动机进气系统的数值模拟研究[D].天津：天津大学，2008.

[3]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.

篇9

为了便于对过程流体机械教学方法实施教学改革，满足工程教育的要求，对过程流体机械课程的特点进行分析。理论性强，需要良好的基础知识要想较好地学习过程流体机械专业课程，学生不仅需具备扎实的力学基础知识（如流体力学、工程热力学、传热学、理论力学以及材料力学知识），还需具备良好的专业基础知识（如机械原理、机械设计等）。对于以“讲授”为主的传统的教学方法而言，学生要想在课堂上完全理解教师讲授的教学知识点，紧跟教师的备课思路，就必须对这些现行课程有良好的认识和理解。专业性强，内容复杂、繁多过程流体机械专业课程涉及的内容非常广泛，包括机构原理、热力学计算、流体力学原理、动力学计算、结构设计、运行维护、故障诊断、总体方案设计与选型等。每一个知识点似乎都涉及一门独立的基础课或者专业课程。如果学生没有充分的准备，听课时似乎很难对教师讲授的知识做出敏捷的反应，极大地影响课堂的互动气氛。知识点与工程实践紧密联系过程流体机械专业课程涉及的知识点与工程生产实践紧密联系，其理论水平远高于实际，可用于指导流体机械在企业生产应用中的稳定操作和运行，以及机器的技术改造与新机型的开发。课程讲授过程中需要注重培养学生的工程意识与理论联系实际的意识和能力。结合课程的学习，势必要学生开展一定的工程训练，以加强学生的工程观念，让学生做到实践与理论相结合，以及理论与实践相结合。

2过程流体机械课程教学存在的问题

鉴于传统教学的陋习和目前本科教学改革的深入，导致目前过程流体机械教学方法的弊病不断暴露出来。基础知识欠缺不可否认的是，随着教学改革的推进，一些非常重要的基础课程（如工程热力学和传热学）由于学时短缺而被逐渐砍掉。有的课程（如流体力学）虽在开设，但由于学时短或为选修课程，得不到足够的重视，学习效果不理想，导致学习过程流体机械课程时，学生连最基本的概念（如内能、焓、熵等）都不知道，当涉及一些运用基础课程知识点来理解工程问题时感到非常吃力。这就导致以讲授为主的传统教学方法很难适应目前的教学形势，而且教学效果不佳，出现死记硬背、不善于理解应用的学习局面。实践教学环节薄弱实践教学环节薄弱似乎是工程教学的通病[7]。实践教学主要包括实验、实习、实训、课程设计、毕业论文（设计）等环节，是培养工科专业学生的必备环节，对学生工程意识与能力的培养至关重要。对于工程性极强的过程流体机械课程而言，实践环节尤为重要。然而目前普遍存在一些问题。1）实习与实验教学环节需要加强。就本专业的实习而言，目前主要集中于化工设备制造厂和化工产品生产车间的参观和学习，基本上忽略了有关流体机械制造厂的参观和学习，导致学生对流体机械没有感官认识。而且实验学时在不断缩减，目前仅开设往复压缩机示功图测试和高速转子静平衡两个实验。离心泵汽蚀实验被砍掉，导致学生对离心泵主要性能得不到很好的理解。2）毕业设计环节需要加强。鉴于一系列原因（比如工程热力学知识的欠缺、有关流体机械书籍和标准的缺乏），目前绝大多数毕业课题仅局限于化工设备设计，基本上很少布置有关流体机械课程方面的毕业课题。这严重限制了学生对流体机械课程的进一步理解和工程应用能力的锻炼。课程评价存在问题由于课程学时的缩减，目前过程流体机械课程评价基本上是“一锤定音”——期末考试，忽略了大作业的训练和热点研究方向文献的阅读和总结。这种考核方式不能实事求是地反映学生对知识点的掌握和理解，更谈不上运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。因此，教师也很难及时对教学存在的问题给予修正和弥补。

3过程流体机械课程教法改革思路

众所周知，教学方法并不是一成不变的，它随着社会的进步和科技的发展不断地发展和演变。工程教育也是如此。大约二战时期，工程教育从工程实际技术教育过渡到工程科学教育，这就要求涉及工程教育的教学方法也必须进行相应的调整和改革。传统的教学方法是单向性的，类似“学徒式”的教育，即以教师的“教”为主，学生只是被动地接受教学内容。这种教育方式仅适用于以技术教育为主的工程教育，很难适应以科学教育为主的工程教育方式。为此，发展了以学生为中心，积极主动的、学习式的教学方法，即将学生视为教师的角色[8]。学生能够从教学活动过程中隐性地获取知识，而教师主要的任务是开展有效的指导。教师和学生的角色界限模糊，二者有效地完成自身的任务，即教师良好的教学任务、学生有效的学习任务。过程流体机械课程教学方法的改革正是沿着该思路进行的。针对过程流体机械课程教学存在的问题，同时为了适应现阶段工程教育的目的，下面从课程的准备、课程的讲授和课程效果评价三个阶段提出相应的改革措施。课程准备首先，为了有效地完成教学任务，教师必须全面深入地理解教学内容。这必然要求教师大量查阅和学习与教学内容相关的资料（如与过程流体机械有关的国内外专著和书籍），弥补所选教材的缺点。查阅资料时，教师必须注意角色的转换，查阅资料是为了更有效、更准确、更生动地给学生讲解，而不是为了个人学习。教师通过大量地阅读文献，将教学内容给予重新组织和编排，以最合理的顺序将教学内容呈现给学生，便于学生理解接受，而不是照本宣科。其次，教师备课时要充分了解学生前期课程的学习情况，从而合理安排教学内容，弥补存在的问题，避免影响学生对本课程知识点的理解；同时教师要了解学生个体在前期课程学习上存在的差异，这样分组讨论学习时便于优良搭配，学生之间互相学习，克服个人因前期课程学习不足而对本课程知识点理解带来的障碍。再次，鉴于当前的教学方法，以引导和启发学生自主学习和讨论为主，教师的讲解和订正为辅。这就要求教师在备课时要制订引导学生开展自主学习的教学方案。对教师备课提出更高的要求，教师课前要告知学生：1）每节课要学的教学知识点；2）理解知识点需具备的基础知识；3）学生需要查阅的书籍和准备的内容；4）本节课内容在课程中和工程实际中的重要程度。可以说，备课是否充分直接决定了教学是否成功，因此，备课必须要做到备内容、备学生和备方法。课堂学习课堂学习是教学的关键环节，直接决定了教学效果的好坏。课堂教学，不是以教师单向传输为主的教学，而是教师根据备课时制订的教学方案，引导学生积极主动地讨论教学内容，避免学生消极被动地思考教师到底在讲或者要讲什么内容。教师通过学生对教学内容积极主动地讨论，发现和记录教学存在的不足，便于课后进一步的思考、改进和反馈。教师上课时应做到：1）上课时，教师首先要给出本节课主要的学习内容、重点和难点；2）教师要给出每节课的“引子”，提出问题，并组织学生讨论，评价每组学生给出的讨论结果；3）最后教师要给出总结，要评价本节课程内容在工程实际应用中的重要性；4）对于难以理解的、抽象的概念，教师要引导学生与日常生活联系起来，使之形象化，便于学生理解。比如“余隙容积”这个概念，如果仅是书上给出的解释“活塞行至终端止点时气缸剩余的容积”，学生很难理解，很难想象这部分空间是怎么回事；但如果将其与盖房子用到的“公摊面积”类比的话，就很容易理解：二者对于用户来讲都是有害的，但是必须具备的，只能尽力减小，却不能避免。课程评价教学活动的最终环节是评价学生的学习效果。通过教学评价，教师一方面可以了解每个学生对知识点的理解程度，发现和思考教学存在的问题，便于及时反馈；另一方面能够了解学生运用所学知识解决实际问题的情况。为了保证教学质量，及时了解学生对知识点的掌握情况和对所学知识的应用情况，课程的评价应从多个角度出发，绝不能是仅以考试为基准“一锤定音”。为此，教师应从两个方面对学生的学习效果进行评价。1）对知识点理解的评价。通过课堂上观察学生的一系列反应，如面部表情、提出的问题，及时了解学生存在的问题，并给予及时的解释和补充；另一方面通过作业、课程考试来综合评价学生对知识的掌握程度和理解情况，便于教师在以后的教学中调整和弥补不足的地方和存在的问题。特别是学生提出的问题非常重要，一方面，可以测试教师对内容的理解程度；另一方面，教师可以了解学生存在的困惑，明白师生间对知识点理解存在的偏差和分歧。教师应对学生的问题积极反思，对教学内容给予重新编排和阐释，以便改进教师本身对基础知识的理解。2）对学生运用所学知识解决实际问题能力的评价，可以通过实训、大作业、课程设计乃至毕业设计的形式进行，并将存在的问题汇总和分析，弥补教学存在的问题。总之，教学评价是个连续的过程，合理的教学评价是为了保证教学质量和促进教学改革，而不仅仅是为了给学生一个“成绩”。

4教学改革对工程教育的促进

简单的讲，通过上述教学方法的运用和实施，学生获得的技能基本能满足工程教育的要求。具体体现在：1）通过对所学内容的思考、提问和讨论，学生获得了良好的交流技术；2）通过对教学内容的准备和讲解，学生具备了一定的职业责任感；3）通过对教学内容和大作业的分组准备和讨论，教学在团队内相互进行，学生改进和具备了一定的团队合作精神；4）通过“教”这一环节，学生对所学内容进行精选和重组，增加了学生对知识的理解程度，拓宽了学生的视野；5）通过一定的工程训练，学生对待工程的态度和信心发生积极的变化，增加了对工程设计过程的理解；6）通过学生自己对知识的准备和理解，学生掌握了学习方法，具备了终身学习的素养。

5结束语

篇10

Liu Ronge； Hu Shushan

（内蒙古大学鄂尔多斯学院，鄂尔多斯 017000）

（Ordos College of Inner Mongolia University，Ordos 017000，China）

摘要： 文中结合教学研究型大学本科培养目标及液压传动课程的自身特点，主要从教学内容的整合、教学方法和教学手段的优化两个角度， 对“液压传动与控制”课程教学设计进行了探讨，以进一步提高液压传动与控制课程的教学质量，培养学生的学习兴趣、知识应用能力及创新能力。

Abstract: Combined with undergraduate cultivation target of teaching research university and the characteristics of hydraulic course, mainly from the integration of teaching content, optimal of teaching methods and teaching means two angle to discuss the teaching design of "hydraulic drive and control" curriculum, and means to improve the hydraulic drive and control courses teaching quality and cultivate students' learning interest and knowledge application ability and the innovation ability.

关键词： 液压 教学方法 教学设计 创新能力

Key words: hydraulic；teaching method；teaching design；innovation ability

中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）27-0183-02

0引言

液压传动与控制是机械类、交通运输类、自动化类各专业的一门专业基础课程。由于其自身的特点，使其在现代冶金机械、矿山机械、车辆工程等方面得到了越来越广泛的应用。

该课程理论性、系统性、逻辑性都很强，内容较抽象，学生学起来有一定难度。因此，如何在有限的教学时间内，让学生听懂、学会，使其成为国家建设和社会发展所需的高水平液压人才，是进行课堂教学时需要重点考虑的问题之一。

文章结合教学研究型大学的人才培养目标和课程自身特点，对液压传动课程的教学设计进行了探讨。

1优化课程体系，调整课程内容

教学研究型大学的人才培养目标与研究型大学培养的研究型和教学型大学培养的应用型、实用型人才不同，它兼有大众高等教育和精英高等教育的特征。它主要培养具有一定复合知识、有较强创新能力、研究潜力和实践能力的应用型和复合型高级人才。

液压传动及控制作为一门具有很强工程应用背景的专业必修课，旨在培养学生在掌握液压传动与控制理论的基础上，能分析和设计液压系统，切实做到理论联系实际，学有所用。同时，随着液压技术的飞速发展，液压传动及控制在深度和广度上都发生了前所未有的变化，课程内容不断拓展和更新，教材知识量显著增加。所以，如何根据专业特点和培养目标，科学地选取教学内容并进行有机整合，是教学环节设计的一个重点。

1.1 课程内容实现模块化本课程主要包括液压流体力学基础知识，组成系统各类元件的结构、工作原理、工作性能及通过基本元件组成的各种控制回路的性能特点等。针对课程的内容和教学研究型大学的本科培养目标作如下调整：

打破现有教材按章节划分的结构，按模块重组教材内容，将教学内容重新组合成4个模块，即流体力学基础理论模块、液压元件模块、液压系统模块以及液压系统的测试与故障诊断模块。将各个模块的教学课时重新分配，重点放在液压系统模块和液压系统的测试与故障诊断模块上。这样通过大量实例分析可以更好地把零散的液压知识有机地联系起来，得以灵活应用；在选择典型液压系统时要根据专业特点有所侧重，如我校液压课程的授课对象主要是交通运输专业（载运工具运用工程方向），所以在液压系统的选择上主要介绍汽车典型液压系统。液压流体力学理论基础模块主要要求学生掌握理论概念和主要公式的运用，讲清其来源、变化、物理意义、实用范围及局限性，删减冗长的理论阐述和公式推导计算过程；对液压元件模块，以各液压元件的结构、工作原理、性能特点及应用场合为重点，进而能够正确选用各类液压元件。

1.2 实验内容实现同步化加强实践教学环节，推行多层次实验教学。在课堂的理论教学过程中，通常以分析各元件及控制回路的工作原理为重点，工作原理图结构简单易懂，但很难与实物结构相一致，学生在实际操作中仍会感到很盲目，造成理论知识与实践环节脱节。若使教学过程中的理论知识和实践操作同步进行，可以及时解决学生的困惑，加深学生对所学知识的理解和巩固，同时也能提高学生的学习积极性和主动性。另一方面在条件允许的情况下，可以增加液压系统调试及性能分析等综合型实验项目。同时，也可以借助计算机网络技术和虚拟仪器技术，尝试建立虚拟实验室，将实验室建设成开放式实验室，方便学生自己设计、实现并评价自己的设计方案，以培养学生的创新意识和提高创新能力。这样也可以解决多数高校实验设备相对缺乏，实验器材数量有限，而招生规模不断扩大的矛盾。

我校实验教学共分两个层次：认知型实验和综合训练型实验。认知型实验主要是对应元件模块设置的拆装实验及性能验证实验；综合训练型实验是针对系统模块进行系统构建和性能分析实验。

实验学时安排在对应理论教学内容之后，这样有助于学生对理论知识的及时理解和巩固。通过实验，不但综合了教学内容、验证了理论，而且使学生能够通过具体的方案、装配和调试分析等，建立完整的工程实施理念，能有效地激发学生寻求解决问题的方案和方法。

1.3 课程体系实现统筹化《液压传动及控制》课程不是孤立的，它与机械设计、电工电子技术、自动控制原理、数控技术等机械类、电气控制类课程紧密相关，把这些课程贯穿起来，成为一条线的系统教学，既有利于液压传动技术与先进控制技术有机地结合起来，又有利于学生创新能力和工程观点的培养。同时，又可促进基础理论教学，有利于教学与科研相结合。因此，在进行课程体系设置时要考虑各门课程之间的前后关系，实现统筹安排。

另一方面，在教学内容实现模块化的基础上，也要注意各模块之间的衔接性，建立由个别到局部，由局部到整体的课程体系。由基础理论到液压元件再到液压基本回路及液压系统，由点到面、以面促点最终达到读懂、分析和设计液压系统的目的[1]。

2改革教学方法，优化教学手段

液压传动与控制课程具有很强的抽象性和实践性。同时由于液压元件具有封闭性，很难观察了解其内部结构，阀芯运动、阀口启闭等工作情况，所以在进行液压元件结构运动、工作原理及分析液压油路的教学时，枯燥乏味、抽象难懂，学生兴趣索然。所以，如何实现化难为易、化繁为简，提高学生的学习兴趣和学习主动性是教学方法和手段选择中需要重点考虑的一个问题。

2.1 教学手段实现多元化在传统的教学过程中，学生对元件的结构和原理以及基本回路的理解比较困难，其主要原因在于元件的结构复杂，教学内容比较抽象。通过采用多媒体技术可以将声音、图像及视频媒体相结合，产生生动活泼的效果，结合教师的讲解，学生就容易明白。例如，在介绍换向阀工作原理时，利用动画演示阀芯的动作和油路的连通及油液流向、油缸两腔进回油路确定后油缸的运动方向等，同时作相应的解释说明[2]；再辅以实验教学，学生就可以轻松的掌握所学知识。另一方面教师在讲解过程中要强调结构特点，找出规律，通过比较、分析、归纳提高学生综合理解能力，进而提高学生的学习兴趣并加强记忆能力。

2.2 教学方法实现多样化教学方法多种多样，采用哪种教学方法，应根据教学内容和学生特点来制定，无论采用哪种教学方法，均应有利于教学组织安排，有利于学生理解教学内容，掌握所学的知识。如在讲述绪论部分时，根据其教学内容和教学目标可以采用发现教学法，即学生根据教师及书籍提供的资料，在老师的引导下进行思考，从而自己总结出一定的原理和结论的教学方法。这部分可以列举一些生产、生活中常见的实例。如液压千斤顶、起重机、挖掘机、磨床等，把这些实例的工作过程通过一些影象资料演示给学生，以展示液压传动的特点，并引导学生总结出其优点，如传递的动力大，运动平稳，能方便地实现无级变速和自动控制等。

通过进一步分析实例的工作过程，引导学生总结出液压系统的组成结构及工作原理。在液压元件的学习中，改变传统的液压件和回路分开讲述的授课方式，可以部分引入元件在液压回路中的使用，做到即学即用，提高教学效率。在讲解回路的过程中，可以安排学生利用已学知识通过分析思考进行分组讨论的教学方法，经过讨论一方面可以帮助学生发现自己的知识盲点，加深学生对所学知识的印象和理解，另一方面可以培养学生主动学习的意识和能力。

3拓展知识内容，开阔学生视野

随着制造和控制技术的发展，当今社会对人才培养的要求越来越高，为了适应社会的发展对人才的需求，在课堂教学过程中，尽量安排一定时间介绍本课程涉及的相关理论的研究概况和发展动态，如液压技术的发展动态、国内外液压元件的研制情况、国内液压技术存在的主要问题、与国外先进水平的差距、国内液压界所取得的成就及一些著名专家的研究方向和研究成果；水压传动技术的研究、发展现状、技术瓶颈及其在核能、海洋、消防、水力喷射等方面的应用，国内国际最新的科学技术及学术观点等等。这样可使学生了解液压技术的进展及前沿，不仅提高了学生的兴趣，同时为学生今后进一步深造和从事科研工作打下良好的基础。

4结论

本文主要结合当今经济社会发展对学生能力的要求、教学研究型本科高校的培养目标以及液压传动与控制的课程特点，就如何提高学生对所学知识的掌握和应用能力以适应社会需求，主要从教学内容安排和教学方法手段的实施等角度对液压传动与控制课程的教学设计进行了总结探讨。

参考文献：