流体动力学原理范文

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篇1

关键词光电子学,质子照相,综述,质子加速器,磁透镜

AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.

Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens

1引言

高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattanproject）,并持续到现在,它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先,照相客体是厚度很大的高密度物质,要求能量足够高;其次,客体内的流体动力学行为瞬时变化,要求曝光时间足够短.

目前,世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯•阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统,一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像,并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是,DARHT也仅有两个轴,这是获得三维数据的最小视轴数目,最多只能连续拍摄4幅图像,不能进行多角度多时刻的辐射照相,获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥,电子束不能无限压缩,束流打到转换靶上,产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径,从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm,制约了空间分辨率的提高.

研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照

相,从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年,美国LANL的科学家ChrisMorris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像,其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆,20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程,使其成为闪光照相的理想束源.SteveSterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子,中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯•阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人GerryGarvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？”Morris将这些思想统一起来,利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］,以及NickKing在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.

高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短,则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长,则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.

2质子与物质相互作用机制

高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先,需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.

所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力,质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:

如果是弹性碰撞,以某种角度散射的质子保持其特性和动量,质子因受核力的强大作用,会偏转很大角度,这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器,这部分贡献可以忽略）；

如果是非弹性碰撞,质子被吸收,也就是说,损失大部分能量分裂核,产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级,质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为

NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)

其中N0,N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量;λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级,核反应截面几乎不变,单就穿透能力而言,质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建,因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.

由于质子带电,它也通过长程电磁作用力与物质相互作用.当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:

质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射,穿过原子核的每个质子,即使和核并不接近,也能导致质子方向发生小的变化,每个小散射效应可以累积,这种现象叫做多重库仑散射.多重库仑散射的理论由EnricoFermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)

式中θ0为多次散射角的均方根值,可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)

式中p为束动量,β是以光速为单位的速度,Ri是材料的辐射长度,其值近似地表示为

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)

其中A是原子量,Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要,特别是对重物质,最终导致图像模糊.另一方面,因为Ri与材料的原子序数有关,也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.

质子和电子之间也会产生库仑力作用,通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小,库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变,而对质子的方向和能量只产生缓变.也就是说,质子通过电离原子(把电子击出轨道),损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变,但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量,能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

当质子能量达到GeV量级,dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位,则

E=T+1,E2=P2+1.(6)

因此,能量损失引起的动量分散为

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

质子通过物体后损失能量,发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同,也将导致模糊,这就是所谓的色差［8］.

3质子照相原理

质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.

由于多重库仑散射,穿过被照物体的质子束有不同的散射方向,形成一个相对于入射方向的锥形束,需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话,质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年,Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应,最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来,LANL的另一位物理学家JohnZumbro改进了磁透镜系统的设计方案,称为Zumbro透镜［4］.

Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流,实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散,不同能量的质子具有不同的焦距,导致图像模糊.基于这样的考虑,Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matchinglens),匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联,即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且,角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］.这样,可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.

剩余的色差项为

x=-x0+Cxθ0δ,(8)

式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此,为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响,质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价,根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求,LANL为先进流体动力学试验装置(AHF)建议的质子能量为50GeV.

质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先,质子束通过金属薄片扩散,再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外,还可以使质子束在击中物体前发散开来,以便覆盖整个物体,避免了使用很厚的金属作为扩束器),这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组,分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.

TomMottershead和JohnZumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面),可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面,散射角等于0的质子位于中心,散射角越大,半径越大.离开这个透镜后,质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器,可以将某些散射角度的质子束准直掉,对允许的角度范围进行积分,得到总质子通量为

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］,则第一幅图像接收到的质子通量为

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,则第二幅图像接收到的质子通量为

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围,可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据,可以提供密度和材料组分的信息.

考虑到探测器记数服从泊松统计分布,面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104,每幅图像大约需要的质子数应为1011.如果一次流体动力学试验需要获得12个角度,每个角度20幅图像,则每次加速的质子总数达3×1013个.4质子照相装置

质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来,LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验,其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯•利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的,直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV）,小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术,验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力,以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言,质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节,需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是,质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.

LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统,图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器,一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器,经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后,磁透镜系统对质子束信号进行分类,由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.

图2LANL的质子加速器和分束方案

LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV,空间分辨率优于1mm,密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个,每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为200ns,质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲,视轴数12个,覆盖角度达165°.这样,一次流体动力学试验可获得12个角度,每个角度20幅图像.

2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元,其中质子加速器系统使用原有的部分设备,需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年,分几个阶段进行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年,8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看,原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此,这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.

5质子照相与X射线照相的比较

我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.

(1)三维动态照相.由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术,因此,质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像,这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像.而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外,质子照相不需要转换靶,保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶,需要考虑束斑的影响.

(2)精细结构分辨.高能质子穿透能力强,其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下,X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度,此时其穿透能力只有高能质子的1/10.质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制.散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.

(3)质子对密度和材料都比较敏感,可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上,质子散射的利大于弊,它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统,通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析,可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感,故分辨不出密度差别不大的两种物质.

(4)曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”,每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此,质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔,对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时,可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定,一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定,只能以固定的时间间隔照相,研究人员只能指定第一幅图像的时间.

(5)探测效率高.质子是带电粒子,直接与探测介质中的电子相互作用产生信号,因此,很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和γ光子.

(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像,没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法),图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊,但质子散射是可控的,可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子,而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同,也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统,消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相,空间分辨率可到100μm,最近的质子照相实验已达到15μm,并有达到1.2μm的潜力.

6结束语

质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节,多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型,多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来,科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前,X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天,质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.

参考文献

［1］BurnsMJ,CarlstenBE,KwanTJTetal.DARHTAcceleratorsUpdateandPlansforInitialOperation.In:Proceedingsofthe1999ParticleAcceleratorConference.NewYork,1999.617

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［3］MorrisCL.ProtonRadiographyforanAdvancedHydrotestFacility.LosAlamosNationalReport,LA-UR-00-5716,2000

［4］MottersheadCT,ZumbroJD.MagneticOpticsforProtonRadiography.In:Proceedingsofthe1997ParticleAcceleratorConference.VancouverBC,1997.1397

［5］KingNSP,AblesE,AlrickKRetal.Nucl.InstrumMethodsinphysicsresearchA,1999,424(1):84

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［9］BarbaraB,AndrewJJ.ChromaticallyCorrectedImagingSystemsforCharged-ParticleRadiography.In:Proceedingsofthe2005ParticleAcceleratorConference.Knoxville,2005.225

［10］AndrewJJ,DavidBB,BarbaraBetal.Beam-DistributionSystemforMulti-AxisImagingattheAdvancedHydrotestFacility.In:Proceedingsofthe2001ParticleAcceleratorConference.Chicago,2001.3374

［11］MorrisCL,HopsonJH,GoldstoneP.ProtonRadiography.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-06-0331,2006

篇2

“香蕉球”、飞机的机翼升力、直升机起降以及垂直尾翼、电梯里面的气压问题、地铁的气压问题等。

伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。

这个理论是由瑞士数学家丹尼尔第一·伯努利在1738年提出的，当时被称为伯努利原理。后人又将重力场中欧拉方程在定常流动时沿流线的积分称为伯努利积分，将重力场中无粘性流体定常绝热流动的能量方程称为伯努利定理。这些统称为伯努利方程，是流体动力学基本方程之一。

（来源：文章屋网 ）

篇3

关键词：高压气流；风水联动；粉尘防治

1 降尘技术概况

近年来，随着采、掘机械化程度的提高，工作面粉尘浓度成倍增长，大量的粉尘不仅危害井下工人身体健康，而且大多数粉尘具有爆炸性，严重威胁着矿井的安全生产。为了降低采、掘工作面粉尘浓度、防止职业病的发生、保障工人的身体健康、避免粉尘爆炸等事故发生，结合流体动力学等相关理论，提出了风水联动自动喷雾降尘理论与技术。通过工业性试验，测定了风水联动自动喷雾装置的实际效果，为煤矿粉尘防治工作提供了新的思路和方法，取得了良好的效果。

目前使用的喷雾系统装置主要是雾化喷头，地面静压水池防尘水通过防尘水管与雾化喷头连接，通过阀门控制喷雾，喷头上的喷嘴多为塑料材质，且有一段软管与防尘硬管连接，该装置存在以下缺点：喷头的喷雾嘴容易堵塞，造成不出水；喷雾嘴容易损坏，造成不雾化或雾化效果不好；喷头喷雾效果不好，喷雾范围小，不能覆盖巷道全断面；由于喷雾装置距离工作面迎头较近，喷雾装置坚固性不足，容易被放炮崩坏；喷雾系统的整体结构达不到优化配套的要求，导致喷雾降尘效果不理想。经过在实践中摸索研究，在流体力学的基础之上研制了风水联动自动喷雾降尘技术，利用风-水两相流体，以风为主，以水为辅，形成立体雾化范围，通过隔尘、降尘等一系列过程，能够有效降低工作面粉尘浓度，保障从业人员身体健康，避免粉尘爆炸等事故发生。

2 风水联动自动喷雾降尘原理

将防尘水管中的防尘水从喷雾头的斜侧方向引入喷雾头内，将压风管中的压风从喷雾头的后部以直线方向引入喷雾头内，当风力射流喷雾喷嘴在同时接通承压水和高压气流时，承压水和高压气流在射流喷嘴的喷嘴腔内混合，依靠风的高压动力将引入的承压水加以雾化，通过喷嘴喷出，一股高压气流使得水流铺开并迅速破碎利用风的压力，使进入的防尘水分裂成许多小水滴，并在风力射流喷嘴的喷头处喷成雾状，通过对称喷嘴边壁周边向外喷射形成喷射物流，形成有利于降尘和隔尘的喷雾体，喷射物流随着气流的扩散而扩散并变成湍流，雾流在高速气流的冲击下分散度非常好，

由于高压引射喷雾的速度大于尘粒运动速度，雾粒将尘粒捕捉、吸附，高压气流喷雾的雾粒直径很小，对以扩散运动为主的尘粒具有非常好的降尘效果，当尘粒被捕捉，湿润的尘粒互相凝结变成质量较大的尘粒而沉降。风水联动自动喷雾装置示意图如图1所示，系统示意图如图2所示。

3风水联动自动喷雾降尘特点

1、喷管利用长度1.5米左右的1寸钢管上钻出8-10个圆锥形喷嘴，采用快压接头的方式与防尘水管及压风水管连接。制作及使用都非常简单，易于操作。该装置全部采用钢管制作，坚固耐用，能够承受放炮的冲击。该装置取消了传统喷雾头的喷嘴，提高了喷雾的可靠性。

2、喷管上8-10个喷嘴，都能够形成锥形喷雾状，立体的喷雾空间能够覆盖巷道迎头全断面，防尘效果好。

3、该装置的管状架体结构增加了其坚固性而且易于吊挂，采用快压接头的方式与防尘水管及压风水管连接，接设简便易行。安装阀门控制风量、水量，以达到最好的降尘效果。

4、对水压及风压要求不高，适应性强。经现场测试：水压大于2KPa，风压大于0.5MPa即能取得良好的喷雾效果。

5、喷雾直喷工作面迎头，可以带动风流，降低工作面瓦斯浓度，防止超限。

6、风水联动自动喷雾降尘技术用水量极少，对比传统喷雾技术，节约用水70%以上，经济效果显著。

7、风水联动自动喷雾装置结构简单，成本低。

4 风水联动自动喷雾降尘技术工业试验

测点1布置在兴山煤矿1202煤掘工作面在煤掘工作面，测点2布置在距回风口20米处，巷道掘进距离75m，供风量310m3/min，平均风速0.47m/s。利用GH100型矿用直读式粉尘浓度测定仪，滤膜称重法得出测点的全尘浓度，如表1所示。

5 结论

1、风水联动自动喷雾降尘技术符合流体动力学等相关原理，喷嘴制作较为简单，锥形喷雾面积大，能够有效隔离粉尘，进而通过一系列的沉降，达到除尘的目的。

2 、风水联动自动喷雾降尘技术，具有传统除尘方法无法比拟的优点，现场降尘效果良好，用水量极小，经济效益十分显著，必将成为煤矿降尘方法的主要选择。

3、该装置全部采用钢管制作，坚固耐用，能够承受放炮的冲击，对水压水质及风压要求不高，用水量极少适应性强，适用于矿井这种特殊的职业环境。

篇4

关键词：区域成矿 内容 意义 趋势 问题

一、区域成矿学研究的内容与意义

（一）区域成矿学的基本研究内容

近几十年来，地质专家、学者们提出来了一系列区域成矿理论和观点。随着区域成矿学理论的不断深入发展，它在地质矿产找矿过程中发挥的作用也越来越大。区域成矿学的研究内容主要包括以下几个方面：区域地层、构造、岩浆和变质作用及地质发展；含矿岩石建造的种类、形成与分布；区域地球化学特征；区域地质流体；已知矿种、矿床类型和成矿条件，成矿模式及成矿特征；区域地质异常；区内的成矿系统；矿产信息库的建立，区域成矿规律和成矿预测图的编制；总结区域成矿规律与特征，明确进一步研究的问题与方法；区域矿产资源潜力评价。通过以上研究工作获取对地质作用过程的基本认识，最后进行地质构造综合研究工作，分析有利于成矿的地质构造环境，编制综合地质构造图件，进一步说明地质构造特征，分析有利于成矿的地质构造。

（二）地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础

成矿作用是地质作用的组成部分，也是地质作用的产物。区域成矿学主要研究：成矿作用与地质作用的关系，最终把成矿作用的研究有效地融合到地质作用研究过程中去。现代成矿学研究表明，成矿作用在空间上经常产生于各类地质构造的边缘部位以及变异部位。重要的矿产主要分布在板块与板块不同组成部位的结合带或者边界地带。在时间上一般与地质构造转换阶段密切相关，矿产地一般成群、成带分布，成矿带的规模和地质构造边缘带和变异带相当。因此地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础，也是必需的途径。

二、区域成矿学研究发展趋势

随着对矿产资源需求规模和种类的扩大，成矿预测和找矿工作将继续受到重视。同时，由于地球科学整体进步、前沿领域研究取得突破性成就，成矿学研究也必将取得较快进展，我国区域成矿研究发展中，以下两方面最受关注。

（一） 成矿动力学研究

在地质科学的许多研究领域中动力学研究是一个大方向，而成矿学与动力学的结合使区域成矿研究达到一个新的水平。它主要从以下两方面展开：

1、开展单一矿床成矿过程的动力学机制研究。即对构造成矿流体运移及产生物质之间反应和交换的动力学研究。主要集中在对构造成矿流体运移中地球化学反应的热力学模型的建立，成矿物质形成和分布规律的反演和预测，把整个构造成矿流体动力学变量的变化特征进行研究。

2、开展区域成矿动力学的数值模拟研究

研究形成矿床集中区的地球动力学背景，目前仍以造山带和盆地为突破口。它以岩石圈变形研究为基础，要求深入研究岩浆作用发生及发展的动力机制，加强研究构造演化过程中流体的迁移和分布，探索大规模成矿作用的动力环境合成矿规律。随着计算机技术的广泛应用，区域成矿动力学机制的研究已由定性变为定量，静态变为动态，进行数值模拟成矿过程中的构造作用过程，完全数值模拟整个构造成矿的形成过程和动力学的过程成为可能。这久突破了构造地质作用过程中时空背景及环境条件复杂性的约束，对成矿的预测和矿产资源的勘查有十分重要的意义！成矿动力学机制的研究最终体现的是地球各圈层相互之间作用的过程，也是今后成矿流体动力学所要反映的核心问题。

（二）区域成矿构造研究

陈国达提出了“多因复成矿床”成矿学理论，而区域成矿的研究正是在此基础上开展。区域上成矿主要进行以下两方面的研究：

1、对矿床成矿类型的研究。在成矿构造研究中，以构造为主要线索，划分矿床的成矿类型，这些类型反映成矿物质来源的多样性和成矿过程的长期性及复杂性。2、对区域成矿作用过程研究。开展区域构造一热动力条件、主成矿期、矿床类型等研究，强调多成矿阶段、多控矿因素、多物质来源的研究，特别是构造岩浆作用的研究。3、对不同级别的大地构造单元控制着不同级别的成矿构造域、成矿构造区的划分、成矿专属性的研究。同时注重对不同构造系进行不同级别的划分，以利于正确划分成矿构造域、成矿区，顺利开展矿产资源预测和评估。

三、区域成矿不可忽视的问题

区域地质成矿是地质作用的一部分，其研究受到中外地质学家、矿床学家高度重视。伴随着科学技术的不断发展，地质找矿工作也逐渐向定量方面展开。但目前此项工作依旧还很薄弱。当前地质找矿工作中，针对不同矿种形成于不同的地质条件并受物理化学条件制约形成于不同深度，分门别类在同一地区不同深度上寻找不同矿种就成为一个不可忽视的问题。因为以往的地质找矿深度研究只注意从微量元素含量、元素共生组合进行研究，或使用矿物温度计、矿物压力计及氢、氧稳定同位素等研究成矿深度，却忽视了同一矿种或紧密伴生矿种在成矿深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地区乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和对比。这样就使得地质找矿缺少针对性和有效性，并造成人力、物力、财力的浪费，乃至对环境的严重破坏，盲目施工、盲目开采。

因为地质成矿在水平方向上和垂直方向上是有规律性的。举例来说河北涞源县王安镇杂岩体多金属，它的成矿规律：水平方向上，由岩体接触带向围岩，成矿由含铜磁铁矿矿化向铅锌矿化转变，矿床类型由接触交代型热液型；垂直方向上，成矿也表现为有序性：早期形成温压较高的含铜磁铁矿矿化，晚期形成温压较低的铅锌矿化。这说明铅锌矿化无论在水平方向还是垂直方向上均表现为一定的差异性，尤其是在垂直方向上的成矿深度表现为一定的深度范围。然而，在地质成矿过程中，其它金属成矿同样具有这种现象和规律。这就要求我们在当前地质成矿中，除注重研究有关矿种的成矿系列、成矿规律、成矿条件、成矿构造环境，更要注重研究有关矿种形成的区域成矿深度及相关地质体剥蚀深度。只有这样才能使地质找矿具有针对性、可比性，减少盲目性，提高找矿效率，并将取得较大的或重大的经济效益，同时保护了生态环境。

参考文献：

[1] P Laznlcka．成矿学的过去现在和将来．地学前缘1994

[2]张逸阳.区域成矿学及中国区域成矿特征研究[J].科技资讯.2008.3

[3]祁思敬.区域成矿学研究现状与发展趋势[J].西安工程学院学报.1999.1

篇5

关键词：流体力学；教学理念；内容调整；教学方法；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）04-0041-02

流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门科学，是力学的一个重要分支，已广泛应用到国民经济的各部门。工程流体力学课程在哈工大是机械类、材料类、仪器仪表类、航空航天类、建筑工程类、热能动力类、流体动力工程类等专业必修的技术基础课程，既有基础学科的性质，又具有鲜明的技术学科的特点，既与高等数学、大学物理、理论力学等课程有紧密的联系，又是专业课的基础，是一门理论性和工程实际意义都较强的课程[1]。哈工大流体力学教研室成立于1956年，历来重视教学研究及教学质量，不断积累教学经验，改进教学思想，在基础教学与实验设施、师资队伍建设、教学质量、教学研究与改革等方面都取得一系列成果，居于国内领先水平，并于2009年被评为国家精品课程，目前正在进行国家精品资源共享课程的升级。虽然取得了一系列的重要成绩，但是仍然存在一些问题，需要进一步转换观念，从当前社会的实际需求出发，深入进行教学模式和教学内容等方面的研究和探索。

一、改革教学理念

课程建设的目的是提高教学质量，归根到底是提高学生培养的质量，而学生质量的衡量标准则是其综合素质及能力。工程流体力学课程的特点是抽象概念多，数学分量重，理论性较强，许多复杂的流动物理现象难以用言语和具体图像清晰地表述[2]。工程流体力学课程中有很多较难的知识点，例如流体微元运动的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流体的运动微分方程、边界层基本方程及近似计算等，这些知识点包含了大量的数学推导，往往要占用很多课时，同时这些理论知识的讲解又是空洞和死板的，无法激发学生的学习热情。即使是多数教师能够本着负责的态度将这些知识难点讲解清楚，也往往并不能使学生对这些难点留下深刻的印象。这种教学过程是事倍功半的，容易引起学生对这些知识做机械的符号记忆或者陷入对推导严密性的过度钻研，无法建立起流体力学的全局思维方式，进而也不能提高学生的综合分析应用能力。因此，教师在授课过程中要不断引导学生梳理所讲授的知识，使学生能够运用流体力学知识进行综合分析。要让学生明白，流体力学的学习不是背定理、记公式，而是要通过学习这门课程，掌握一门新的科学知识，了解它的人文背景，学习它的思想和方法，掌握它的原理和应用。学生是课程学习的主体，在教学过程中需要注意教与学的同步，授课时关注学生的反映，根据学生的反应对授课进行调整，必要时放慢节奏或变换讲解方法，也可以让学生参与讨论。学生有必要参与到深层的学科知识应用中，因此可以让同学参加与学科相关的科学研究，引导同学应用流体计算模拟软件，实现模拟实验[3]。教师对学生的实践引导可以消减同学对流体力学公式繁多的苦恼，而在实践能力不断提高的过程中，学生的创新意识和能力将得到很大的锻炼。实践证明，学生可以完成适当的工程流体力学课程内容的拓展研究，实现课程与科研工作的相互促进。在积极开展第一课堂的同时，还应该引导学生参加第二课堂活动，激发学生创造热情，培养学生科学素质和创新精神，提高学生获取知识、运用知识的能力和创新能力。例如科技创新和节能减排大赛这样的大学生科技活动是开展素质教育的重要平台，为学生提供了施展才能、张扬个性的舞台，使学生得以将课本所学知识充分的运用，并从制作和创新过程中学到了比课本更多的知识，提高了其知识综合运用能力、实践动手能力。流体力学教师应该充分利用流体力学知识应用面广、基础性强的特点，引导并指导学生参与此类科技活动。另外，流体力学教师还应该经常举行科技讲座，丰富学生的专业和学科知识，培养学生的科研意识和科学精神。

二、课程内容调整

目前所使用的工程流体力学课程内容包括了流体静力学、流体动力学、漩涡理论基础、理想流体平面势流、粘性流体动力学、相似理论基础、流动的阻力与损失、管路的水力计算、粘性流体绕物体流动、气体动力学基础、机翼及叶栅理论、流体要素测量等内容。总的来说涵盖了流体力学工程应用的多数情况，但是结构仍然需要进一步调整。首先，工程流体力学课程内容较多，多年未更新，有些知识也趋于老化，应适当地对内容进行增减。2006年专业调整后，能源与动力工程本科教学按一级学科制定教学内容，在这种体系下，工程流体力学课程应在主体结构保留的情况下，对于涉及到工程热力学和空气动力学的内容进行删减，避免不同课程的内容重复，使课程之间的界线更加明晰。这样的好处就是，学生利用有限的课时可以将流体力学主体结构体系学得更好。另外，由于工程流体力学更多的应该涉及流体力学的工程应用，所以关于漩涡理论、理想流体平面势流及粘性流体绕物体流动章节内涉及的较多理论性知识且与工程应用关系不大的应该适当精简，减少课时占用。其次，工程流体力学课程内容应适当增加与工程应用相关的内容。美国著名的流体力学教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）选取了贴近工程实际的管道流动、叶轮机械流动、环境流体力学等内容，作为经典流体力学主题内容的有机补充[4]。哈工大工程流体力学课程也应该针对学校定位及专业设置，在广泛调研开课专业的需求基础上，适当增加有普遍性、代表性的工程应用知识。最后，工程流体力学课程内容应更新与近期科技发展紧密联系的内容。由于教材不可能年年更新，教师应该在教材内容基础之上，适当增加与科技进展相关的内容，例如流动的虚拟实验、流体参数的现代化测量、流体力学的发展现状、流体力学的最新应用情况等，让学生了解到流体力学的科技前沿，开拓学生视野，增强其学习流体力学的热情和兴趣。

三、改革教学方法

关于教学方法，哈工大流体力学教师较早地采用了不完全教学法、潜科学教学法、社会探究法、问题教学法、角度教学法等创新性教学法，将教学内容、教学媒体、教师活动、学生活动等课堂教学要素有机组织起来，发挥整体的最大效能。强调学生通过主动探求问题解决的途径和方法，培养能力，以展素质；并将多媒体技术的运用与传统教学手段、教学形式的改革统一起来，突出重点，突破难点，从而充分调动和激发学生的学习兴趣和积极性。目前多媒体教学在高等教育中的应用越来越广，在如何正确使用多媒体教学的问题上目前还有一些争议和讨论。工程流体力学课程知识点多，公式推导多，难度大，对于具体的知识点利用板书详细推演在课堂教学中占用了大量的课时，同时也会影响到学生对流体力学整体思维的把握。由于工程流体力学课程的特点，很多流动现象概念比较抽象，难以用板书表达清楚，很显然传统教学方式达不到理想的教学效果。利用多种媒体手段可以更好地创设教学意境，变抽象为具体，变静态为动态，变黑白为彩色，变无声为有声，通过丰富的图例、连贯的动画以及真实的实验录像，可以使枯燥、乏味的内容变得趣味盎然，使抽象、晦涩的内容变得直观生动，同时也丰富了学生的信息量，可以更好地激发学习兴趣[5]。另外，流体力学的特点是数学分量重、理论性强，所以又不能过多依赖多媒体教学。对于涉及到重要理论公式推导的内容，简单地将推导过程搬到课件上去，并不能使学生了解重要理论公式的来龙去脉，也难以加深学生对这些关键知识点的理解程度。这个时候需要收起屏幕，用板书认真书写每个符号，推导每个关键公式，并解释其中的物理概念和意义。多媒体和板书都有各自的优缺点，因此我们可以取其长而避其短，采用两者兼顾而又两者不弃的原则，交互使用，相辅相成。

四、更新考评制度

哈工大工程流体力学课程作为技术基础课，目前采取了综合性的考评方法，总成绩由作业、实验、考试三部分组成，学生共计要完成60题左右的作业，由教师进行判分并作为总成绩的10%；共计要完成11项左右的实验，根据学生对每个实验原理和操作技能的掌握及实验报告的质量情况分为优、良、及格、不及格来评定成绩，若有两次不及格或者缺席者必须重做否则不得参加期末考试。实验课成绩占课程总成绩的10%。期末考试为闭卷，占总成绩的80%。流体力学考试的组卷与课堂教学内容息息相关，课堂教学如果注重内容的应用性、灵活性和综合性，则在组卷时应适当减少客观题，丰富试题类型，加大理解性和综合性题目的分量，避免记忆性成分所占比重较大，而学生临近考试加班加点应付考试的现象。另外，根据课堂教学和课外科研实践的特点，对于偏重于工程应用的专题，可以探索利用撰写科技论文、提交科研作品的方法进行考试，与传统考试成绩综合来建立起更合理、更具实践意义的考评制度。

工程流体力学课程是面向工程应用人才的课程，所以教学核心始终应该是学生知识应用能力的培养。为此，在教学中贯穿流体力学思维模式和综合分析解决问题能力的锻炼，使学生学有所成、学有所用，是工程流体力学课程改革的一个长期方向。

参考文献：

[1]陈卓如，金朝铭，等.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]赵超.“流体力学”课程教学方法探索.中国冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李岩，孙石.《工程流体力学》课程教学改革与实践.科教文汇[J].2008，（11）：88-89.

[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.

篇6

关键词：空调进气格栅 水管理 气管理

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃、发动机舱盖、翼子板之间的外饰覆盖件，纵向连接前风挡玻璃以及发动机舱盖，横向连接左右翼子板，一般为黑色塑料件，实物外观以及整车位置如图1所示。

空调进气格栅与车身钣金共同围成一个空腔，在这个空腔里布置有前雨刮系统以及空调系统的进气口，空调进气格栅是空调系统新鲜空气的入口，同时保护雨刮系统以及空调系统免受雨水侵蚀，空腔是水流及气流的通道，该文重点介绍空调进气格栅的水、气等功能设计的开发。

1 气管理

空气通过发动机舱盖与空调进气格栅之间间隙进入，通过空调进气格栅开口到达车身空调进气腔，在腔内流动并通过位于腔内的空调进气口最终进入空调箱，实现冷热调节后按客户设置经由吹面风道、除霜风道送达至目标区域，如图2进气流路断面示意图。

气体在管道内流动实质是通过牺牲自身能量以克服流动阻力的过程，空调鼓风功能本质上是鼓风机模块所产生的压力克服气流流路上流动阻力的结果，进气气路上压降的大小直接影响鼓风模块功耗，该文主要涉及空调箱进气口上游进气通道，确保其在一定空气流量情况下流阻处于合理水平。总阻力损失主要由摩擦阻力和局部阻力构成。摩擦阻力损失是指气体沿管道流动时由于质点间的内摩擦力及与管壁之间的外摩擦而引起的能量损失，压力降参考范宁公式：

局部阻力损失：当气体流过的管道发生局部变化时，就在管道的局部化地区发生气体与管壁的冲击，因而造成一部分能量损失。

工程上常见的流体流速范围内，摩擦系数λ近似等于常数。当管路及输送的流体一定时，l、d、Σζ、ρ均为定值，故R等于常数，称之为阻力系数。项目设计上，用阻力系数（R值）来表征进气流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P为流道静压降Pa；Q为空气流量l/s），阻力系数（R值）表征的是流道顺畅程度。理论上，流道结构不变的情况下，R值也唯一。

空调进气压降设计工作中通常借助计算流体商业软件进行虚拟分析实现，其分析原理基于流体力学理论，计算过程涉及流体力学连续性方程，即运动流体物质守恒方程以及动量方程，及流体流动过程中受各种力作用下的平衡方程[1，2]。分析步骤从数据的收集到前处理划分网格，设置边界条件，到计算输出结果，其中网格生成采用四面体画法，最后通过生成的网格导人Fluent软件进行计算。

通过计算机仿真技术的应用以及经验积累发现，空调进气格栅开口面积、位置，空调进气格栅与发动机舱盖之间的间隙大小，车身空调进气腔结构形式等都是影响阻力系数的关键因素。空调进气格栅开口面积越大，进气阻力越小，但是过大的开口面积，会导致车身空调进气腔排水负担过重，排水不及时等问题，因此开口面积的大小需要根据整车空气流量的大小并结合车身空调进气腔的排水能力综合制定。为确保整车开发过程中空调进气压降设计上处于合理水平，空调进气格栅进气面必须布置在正压区，为保证空调进气口的水汽分离，空调进气格栅上的开口距离空调进气口距离至少大于250 mm。车身空调进气腔结构受前舱区域总布置得影响，在保证前舱布置的前提下，截面面积尽可能大并且均匀一致，车身空调进气腔宽深比大于3，腔内支架的设计也要考虑对气流的阻力影响。

2 水管理

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃，发动机舱盖，翼子板之间的外饰覆盖件，下雨或洗车时，大部分的水会从车顶沿前挡风玻璃流下，积水从进气格栅上的孔状结构流入车身腔体内，从图2可以看出，乘用车空调进气格栅区域有雨刮系统，空调进气口等需要防水的部件，雨刮电机水侵入会导致系统不能正常运行，影响行车安全，空调系统水侵入会影响鼓风机性能，严重的甚至会出现水侵入乘客舱，影响车辆最基本的挡风遮雨功能，因此该区域需要考虑安全有效的水管理。前期设计时，要充分考虑空调进气格栅对外界水流的导向以及车身空腔结构的排水能力，车身空调进气腔内的积水高度不能超过雨刮电机以及空调进气口的布置高度，并要有足够的设计余量。

为提升前期设计的精确度，同样借助计算机流体动力学软件来模拟水流状况，积水高度等，计算采用VOF多相流模型的瞬态模拟，通过定义VOF界面，进行数值模拟，显示在既定的边界条件下水的容积，积水的高度以及水流速度等，为空调系统以及雨刮系统的布置提供设计指导[3]。首先对空调进气格栅、车身空调进气腔、雨刮系统、空调内循环进气口，前挡风玻璃等关键子系统进行网格划分，从以上子系统三维几何模型中提取VOF分析的边界条件，边界条件设置完成后，有计算机分析并输出分析结果，具体结果分析实例如下。

（1）水流高度跟空调内循环进气口之间的关系，根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度超过内循环进气口高度，需要修改设计降低水流高度或者增加水流挡板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮电机及连杆机构之间的关系：根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度高于雨刮电机的高度，需要修改设计降低水流高度或抬高雨刮电机，防止电机进水影响性能。

车身空调进气腔是水流和气流的通道，通常设计时考虑足够的坡度设计并保证开口面积来加速水流的速度，根据水往低处走的物理常识，中间位置是最高点，将排水口设计在两侧位置低点，从而将水导向两侧安全区域。

3 结语

该文从空调进气格栅的功能要求着手，从水、气管理两方面介绍了关键影响因素及其原理，影响因素间存在着相互的制约关系，在设计中需要综合考虑其对水、气的影响，该文借助计算机流体软件模拟该区域的气流受阻状况、水流状况以及积水高度，根据这些数据就可以调整设计找到最优匹配方案，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，有助于设计优化，从而提高设计开发质量。

参考文献

[1] 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，2004：235-238.

篇7

关键词：CFD技术；教学改革；创新实践；能力培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0064-02

一、现状及存在的问题

随着制造技术的进步和发展，人们对产品的性能提出了更高的要求。一方面，要求产品品质高、价格低，且具有创新性；另一方面要求产品设计开发及生产周期短，以节约人力、物力和财力。国内外研究表明：CFD技术是解决这一要求的最好途径。实际上，CFD技术是解决工程中复杂流动和传热问题的一种有效手段，同时也是一门新型的独立学科。让广大设计人员学习掌握CFD技术，是提高其设计水平的具体途径。目前，国内有多所高校为本科生开设CFD技术课程，集中讲授20世纪直至本世纪CFD技术方面的最新成就，具有理论性和实践性的双重特点。我们在近五年的教学过程中深深体会到：学生要学习掌握CFD技术，一方面要学好CFD技术的基本原理，另一方面还要进行大量的自主实践。更重要的是，要在自主实践过程中培养大学生的创新能力。而在目前的教学中，大多强化基本原理的讲授，缺少对实际问题的分析和处理，从而造成大学生解决生产实际问题能力的欠缺。针对这种现象，我们认为构建CFD技术平台，提高大学生的实践与创新能力具有重要的现实意义。

二、构建CFD技术平台

基于CFD技术课程教学中发现的问题，我们提出构建CFD技术平台。具体内容包括：组建教学团队，组织教师编写教材、建设软件平台以及引导学生参与科研实践等四个方面。对于组建教学团队，这是构建CFD技术平台最为重要的一件事情。通过各学科方向教师自愿报名，教研室推荐，学院公开选拔的方式，组建一支高水平、高素质的教学团队。这样就可以确保承当CFD技术课程的教学工作的各位教师是学院各个学科专业方向的优秀教师。因为大家知道，只有高水平高素质的教师，才能更好地引导和培养学生的实践与创新能力。对于教材的编写，现有的关于计算流体动力学方面的教材有很多种，但大多以介绍基本原理和计算理论为主，缺乏相关软件的应用及实例的介绍，不能满足学生自主学习的需要，不利于培养学生的实践与创新能力。对此，教学团队需要重新制定CFD技术课程大纲，广泛收集国内外CFD技术的最新科技成果，编写反映科研与教学相结合的特色，重点、难点突出，并具有自身特色的教材。对于软件平台的建设，教学团队应根据能源动力类各专业方向所使用的CFD软件情况，从众多商用CFD软件中挑选出适合能源动力类本科生学习和使用的软件，同时建设一个可容纳30人以上的计算机机房，并通过局域网络连接建立一个交互式的软件平台，供广大学生进行自主学习和自主实践。软件平台由学生实行自主维护、自主管理，教学团队只需安排任课教师不定期通过软件平台引导和指导学生实践创新。对于科研实践，教学团队需要安排任课教师组织优秀学生参与到科研实践中来，让学生通过科研实践的锻炼，提高自身的实践与创新能力。让学生参与基础研究，可以从深度方面提高学生对所学知识的理解能力，为培养学生的原始创新能力作铺垫、打基础；让学生参与应用研究，则可以从广度方面提高学生对所学知识的应用能力，为今后在实践中进行技术创新奠定基础。

三、利用CFD技术平台培养大学生的实践与创新能力

目前，教学团队已经成立，分别由来自五个学科方向的、具有一定教学经验的优秀教师组成，他们集中代表能源动力各学科的发展动向。教学团队定期召开教学会议，对构建CFD技术平台和培养学生实践与创新能力过程中出现的各方面问题进行研讨，大家共同协商，寻找解决方案。与此同时，教学团队已经编写了一本适用于能源动力类本科生的教材《计算流体动力学及其应用》，该教材最大的特点是理论与实践并重。该教材不但讲述CFD技术的基本理论，而且还提供了大量的CFD技术应用实例，帮助学生进行自主实践。该教材已于2011年1月由华中科技大学出版社正式出版发行。在编写教材的同时，教学团队还利用学院现有的计算机机房（拥有50台电脑），建立了一个CFD技术软件平台，该平台拥有多种CFD软件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，现已成为广大学生自主学习和自主实践CFD技术的优良场所。教学团队根据学生的需求，安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑，引导学生实践创新。与此同时，教学团队还组织优秀学生参与到科研实践中来，培养学生的实践与创新能力。比如，引导学生将CFD技术应用到大学生科技创新项目中，优化设计叶片翼型，模拟计算小型垂直轴风力机的气动性能，使得风力机输出功率和效率大为提升。同时，该项目荣获2010年第三届全国大学生节能减排科技创新作品一等奖。再比如，学生在教师指导下进行自主创新，应用CFD软件对水力涡轮结构进行优化，使原来的水轮机组效率提高1%，每年增加的直接经济效益达数百万元之多。还有，学生在教师的引导下研究格子Boltzmann算法，将之与IP算法、DSMC算法对比，分析不同算法之间的优劣，对格子Boltzmann算法进行改进。具体成果体现在，学生以第一作者在能源动力学科领域国际顶级期刊上发表学术论文2篇。

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。大学生不仅需要扎实掌握专业知识，更要具有较强的创新意识和创新能力。目前，高等学校在大学生创新能力培养方面还有待加强，为此，本文提出了通过构建CFD技术平台培养学生实践与创新能力，并给出了实施过程中的一些具体措施和经验。

参考文献：

[1]王永生，屈波，刘拓，等.构建本科生科研训练与创新实践的长效机制[J].中国高等教育，2010，（6）：21-25.

[2]刘欣，唐庆蜂.科研创新培养创新人才的有效模式[J].中国科教创新新导刊，2008，（11）：83-86.

[3]张新荣.实验教学在教学改革中的作用[J].中国科教创新导刊，2010，（9）：95-97.

[4]潘云霞.培养大学生创新精神与实践能力的几点思考[J].中国科教创新导刊，2009，（11）：17-18.

[5]刘光复.加强工科大学生的工程实践能力培养[J].中国青年科技，2005，（3）：18-19.

[6]夏玉颜，王责成.高校工科专业人才创新素质现状调查与思考[J].高校教育管理，2010，（2）：79-83.

篇8

关键词：湿地水环境；演变机理；生态效应；新思路;研究

引言

湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统，在为人类提供食物、原料和水资源、稳定环境、维持生态平衡、保持生物多样性等方面均起到重要作用,是人类赖以生存和持续发展的重要基础,享有“地球之肾”的美誉[1]。近一个世纪以来，由于受盲目围垦、过度开发和水质污染等人类活动及气候变化、天然水循环变化的影响，使得湿地水环境和生态空间格局发生变化，进而造成湿地的功能下降、生物多样性丧失、甚至湿地的消亡[2，3]。

我国自1992年加入《湿地公约》后，对保护湿地开展了一系列富有成效的工作，但湿地保护形势依然严峻，由于对湿地形成演变机理、水环境效应及生态系统结构方面缺乏全面而深刻的了解，往往给保护区的工作造成一定困难，湿地保护研究相对滞后[4]。开展变化环境下湿地水环境演变机理及生态效应研究，对更好的利用和保护湿地有重要意义。

1国内外研究现状及分析

1.1研究方法

湿地的定量模拟研究是当前生态学、水文学和湿地科学的一个热点研究领域[5]。湿地建模、情势重建是理解湿地形成演变机理、水环境效应、生态系统结构的重要途径。目前，国内外对湿地的模型与研究方法已经取得了较大的进展，现综述如下：

（1）图表分析法与经验统计法：传统湿地生态水文学采用图表分析法与经验统计法研究湿地生态水文问题。从研究手段上看，在水文水质调查、湿地生物调查的基础上，引入遥测信息。方法原理是通过宏观尺度上湿地水文、生态调查，从植被生态的水文适应性角度，根据收集的信息，通过统计分析或采用制图方式进行湿地水文景观分类、生物结构、生物量和生物多样性分析；在此基础上，根据经验方法估算生态环境需水总量[6]。由于这类方法未能充分表达湿地生态演替的阶段性、湿地的基本特征、形成机理和动态过程，缺乏深入的物理机制剖析，研究水平较低，研究的角度相对狭窄。

（2）湿地水文模型：水文过程是湿地中最重要的过程,是决定产生和维持湿地典型类型和湿地过程的重要因素，是湿地研究的核心内容，在湿地形成、发育、演替直至消亡全过程中起重要作用。湿地水文模型可用以定量地评价湿地开发活动及保护管理活动带来的环境影响和生态效应；可用作预测湿地水文及其它“动力”特征的变化规律；可用作检验湿地的概念、理论和湿地研究基本实测数据；也可用作辅助设计工具,在湿地的重新自然化和人工湿地的建造工程中用于辅助设计工程设施的结构、形式和参数等[7]。

近年来，湿地水文模拟技术得到了快速发展，特别是在水库或洪泛湿地方面，如加拿大Waterloo大学提出一个蓄水～出流函数模型用于模拟湿地径流响应[8]；英国Birmingham大学改进MODFLOW模型，在British 洪泛平原湿地成功地模拟了以年或季为水文周期的湿地水位变化[9]。国际上已成功开发了适合湿地的分布水文模型, Zacharias等认为湿地是一个水文、水环境系统，强调要加强湿地水资源综合管理，结合GIS和RS发展了一个有物理基础的水文模型来管理湖泊湿地水资源[10]；Da Paz等认为水循环对湿地生态系统起着重要作用，采用了二维平面水动力模型在Mangueira湖泊和Taim湿地中的应用[11]。我国湿地模拟研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型为主，湿地分布水文模型缺乏，有待加强。

（3）湿地监测和高新技术应用：美国从二十世纪70年代初就开始关注湿地监测和高新技术应用。Grapes, TR监测了chalk流域湿地的洪水和地下水，分析了湿地地下水流与河渠水位关系，以及壤中流和垂直水分通量变化规律[12]。国内王茜等人利用3S技术对洪湖湿地的结构类型进行监测，在分析研究洪湖湿地现状(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、经济发展、开发等内容)的基础上,根据国际湿地分类的原则和实际情况,考虑遥感上的可操作性,设计出研究区域的湿地遥感分类系统[13]。

（4）湿地水环境流体模型研究：国内外有关科学工作者从70 年代后期开始从环境科学的角度对湿地进行研究, 取得了大量研究成果,为湿地保护和合理开发提供了重要的科学依据。如国外60年代开始研究河流水量水质、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,国内外研究者较多地研究应用了一维、二维水量水质模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代国外三维水量水质模型研究比较成熟(如Simons, et al，1977)。例如美国国家环境保护局提出的多参数综合水质模型(WASP，1996)和环境流体动力学模型（EFDC，2001），丹麦水力学研究所Mike水质模型等。国外环境流体动力学模型在我国应用研究也取得了很大进展，目前已广泛应用在河流、水库、湖泊、河口、港湾以及湿地等水环境生态系统中[14]。我国的湖泊工作者和环境工作者从70 年代后期开始, 进行了大量湖泊环境保护方面的研究工作, 在湖泊、水库水质预测、污染物迁移转化规律、总量控制等方面取得了一批重要成果[15]。

（5）湿地生态环境需水研究：90年代后环境需水量和生态需水量开始成为人们关注的焦点[16]。到目前为止，国外有关生态环境需水量研究内容主要有：河道流量与鱼类生息环境关系研究[17]；河流流量、水生生物与溶解氧三者关系研究[18～20]；水生生物指示物与流量之间的关系研究；湿地调度考虑生态需水量的优化配置研究；环境用水与经济用水关系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量历时曲线分析法、湿周法、栖息地排水法、BBM法、水利额定法等。对水库、湖泊、湿地的生态环境需水还没有成熟的理论、指标体系和计算方法[23]。从国内外对生态环境用水的研究来看，定性描述的多，理论推求的少，河流描述多，湿地研究少。总量估算多，过程计算少。另外，在确定生态环境需水时，时问尺度和空间尺度不明确，水量和水质耦合研究缺乏，各生态需水量重复计算，可操作性差，研究结果与实际应用还存在相当差距。所以，湿地生态环境需水估算仍然研究不足。

湿地水文生态模型与新兴交叉学科和地学信息技术耦合是未来发展的必然趋势。但至今我国湿地模型的研究才刚刚起步，研究进展缓慢原因是：有物理基础的分布水文模型建模因涉及多学科有较高的难度，另外我国湿地监测与实验资料缺乏，在今后的研究中，还有待进一步加强和完善。

我国目前湿地保护才刚刚起步，很多问题有待深入研究，如湿地的水文水环境效应研究不深入，有物理基础的湿地模型缺乏；湿地健康评价指标体系和生态需水过程估算方法还不完善；湿地生态环境流体动力学研究不足；湿地建设与湿地管理缺乏系统成熟的技术方案等。

1.2评价方法

国内外已经发展了较成熟的湿地评价方法。在众多湿地分类方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分类体系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌学分类方法[25]。美国农业部湿地研究所推荐一套湿地评价水文模型DRAINMOD和湿地水文识别准则[26]。国外Sutula, MA等应用一种湿地快速评估方法(RAMs)评价湿地系统，介绍了RAMs方法的发展[27]。国内贾忠华等人采用美国农业部推荐的湿地评价水文模型DRAINMOD,探讨西安干旱与半干旱地区不同来水量对湿地地下水位变化的影响，分析了该区形成临界湿地水文条件所需的临界水量[28]。袁军等运用多级模糊模式评价模型对黑龙江洪河国家级保护区不同年份的湿地水文功能进行评价[29]。

诊断湿地生态系统健康是水聚湿地保护的重要手段之一。开展湿地生态系统健康评价方法可分为：物种指示法和结构功能指标法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系统层次的生态健康指数(Health Index，HI)[32]。此外，也有学者提出了基于河流水文学、物理构造特征、河岸区状况、水质及水生生物等5方面共计22项指标体系计分基础上的溪流状况指数(Index of Stream Condition，ISC) 。随着对湖泊生态系统研究的深入，最近几年物理指标、压力指标等也被考虑在内，使健康诊断指标不断完善。

2研究思路创新

分析理解湿地水文、水质与生态三者之间的相互作用关系，对变化环境下湿地水循环规律、水环境效应、污染物迁移转化机理和生态格局演变规律进行单独研究并做集成研究；构建一个变集水区尺度、基于RS和GIS、反映湿地特征的、有物理基础的、多尺度集成、多要素耦合的“变网格”技术支持下湿地分布式生态水文模型范式，以便于增加对湿地水循环、污染物迁移转化、湿地的消长与退化、湿地生态环境需水过程的理解和认识；对湿地消长过程、湿地生态需水变化过程、环境需水变化过程的模拟与预测，包括预测坡地、湿地、河流之界面水循环过程；开展湿地水流场、浓度场和生物量的情景预测等等，对于理解湿地水环境效应及生态修复功能有指导作用。

3结语及展望

我国湿地保护当前所面临的主要问题，以生态水文学、环境生态学、水动力学等理论为指导，以洪泛湿地为典型研究对象，以自然与人类相互作用为核心，强调流域坡地、湿地、河流、湖泊、大气、地表林冠层、包气带、地下饱和水带等不同空间尺度上和界面上的水循环、N-P物质循环等自然过程的相互作用研究；揭示变动水文情势下湿地水循环规律、水环境效应、水环境演变机理和生态格局演化规律；了解湿地水文、水质与生态三者之间的相互作用关系；基于对过程理解的模型研究，以生境湿度特征为核心，预测生态环境过程，诊断典型湿地生态环境健康，检测典型湿地可持续发展中人为作用与自然作用的关系，探讨实现湿地可持续发展的途径，提出湿地生态系统保护规划及水污染治理规划的生态、水利双重调控对策。丰富湿地生态水文学理论和方法，为湿地水资源、水环境生态保护提供参考借鉴。

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篇9

摘要：由于ISO5级（百级）洁净室运行能耗较大，考虑到节能的必要性，本文利用计算流体动力学（CFD）方法对拟采用风机过滤器单元（FFU）洁净空调方案的ISO5级电子工业洁净室进行模拟，得出室内气流速度场，分析其性能，并通过理论公式计算所能达到的洁净度。我们认为结合洁净室的具体用途，通过合理布置末端FFU送风口位置及选择回风形式，以及选择较高级别的末端过滤器，可以在满布率较低时达到较高的洁净度级别。利用CFD模拟技术可以为设计高效能的洁净室系统提供依据。

关键词：洁净室计算流体动力学风机过滤器单元满布率节能

1引言

洁净室空调系统经典的方案是采用中央空调和三级过滤器集中送风，通过大型风道将已经处理的空气送至过滤器的接联管道，然后经高效空气过滤器（HEPAFilter）或者超高效空气过滤器（ULPAFilter）送到洁净室。而另一种方案是采用室内循环风就地冷却，利用干冷却盘管解决新风不能提供全部冷负荷的问题，同时利用风机过滤器单元来进行空气循环。每种方式各有一定的适用范围，风机过滤器单元（FFU）因其灵活性大,即可通过置换盲板来提高局部区域的洁净度、占用空间较少等优点得到越来越多的应用，尤其适合于旧厂房的改造及技术更新较快的工程。虽然FFU系统成本较高，而从综合投资角度，分析认为采用FFU方式在末端过滤器铺设率为25%－30%时较为有利【1】。

ISO5级（百级）洁净室属于洁净室用暖通空调系统耗能大户，通常采用吊顶满布高效过滤器的送风方式，运行能耗较大。有关洁净室运行费用的文献指出，在某些欧洲国家，能源消耗的费用已占洁净室运行、维护年度总费用的65%～75%【2】，其主要影响因素是洁净室的空气流量和采暖通风空调系统如何有效地向洁净室分布经过净化和温湿度调节的空气，所以在保证洁净污染控制的条件下，合理选择送风速度，布置末端过滤器、回风口、减少送风量以便节能是人们关注的焦点。

另外国外对一些ISO5级洁净室实测数据表明，大部分换气次数远低于建议的下限值【2】，而在设计中存在系统风量过大的倾向，这可能与对气流缺乏了解，担心系统运行可靠性的保守思想有关，说明提高节省能源的机会确实存在。随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域，通过计算机求解流体所遵循的控制方程，可以获得流动区域的流速、温度、浓度等物理量的详细分布情况，是一种较好的优化设计工具。其优势在于利用CFD技术对设计方案进行模拟可以在施工前发现失误并及时更正，避免经济损失；可以迅速发现提高系统运行效率的可能性；另外，通过模拟可以得到一系列运行的备选方案，以便在寻找最经济方案时有所依据。

本文利用CFD软件，对拟采用FFU净化空调系统的某微电子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟，通过几个设计方案相比较，利用所得到的速度场，分析评价其性能，利用理论计算验证其平衡态的洁净度，并提出一些应用中的注意事项，为实际工程应用提供参考。

2数值模拟及分析

2.1数学模型

从流动的雷诺数Re来考虑，洁净室的气流均为紊流【3】，空气的流动满足连续性方程，动量方程和能量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有关平均值，因此，本文采用数值计算三类方法中雷诺时均方程中的紊流粘性系数法，流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型，k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。

控制方程的通用形式为【4】：

式中：ρ为空气密度(kg/m3)，V为气流速度矢量(m/s)，Γφ，eff为有效扩散系数(kg/ms)，Sφ是源项，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一项，u,v,w为三个方向的速度分量(m/s)，k为紊流动能(m2/s2)，ε为紊流动能耗散率(m2/s3)，Φ=1时通用方程变为连续性方程。

边界条件：墙体边界设为无滑移边界条件。送风边界条件，送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下。回风边界条件，回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。

2.2物理模型及计算结果分析

方案一将风机过滤器单元（规格为1.2m×1.2m）成条型居中布置于天花板，满布比在25%，回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。物理模型平面图如图1。经模拟计算得到气流流场示于图3，由于送风口在Y方向呈对称布置，图中只给出一半流场。从图中可见，在送风口下方流线垂直向下，流线平行较好，而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区，则主流区范围减少，不能使全室工作区达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入主流区，排除污染物的路径增长，增加污染的可能性。

图1FFU布置平面示意图（条型）

图2FFU布置平面示意图（均匀）

图3FFU条型布置YZ截面流场图

图4FFU均匀布置YZ截面流场图

方案二将FFU（规格为1.2m×1.2m）散布于天花板，满布比仍为25%，过滤器面风速在0.45m/s，回风采用全地面均匀散布高架格栅地板作为回风口。物理模型平面示意图如图2，气流流场分布如图4。模拟计算显示，对于均匀布置FFU方案，工作区1.2m及0.8m高度断面平均风速分别为0.1545m/s、0.1516m/s，可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流，形成小的涡流区，但在工作区0.8m－1.2m范围内已形成竖直向下的流线，时均流线平行较好，由于此洁净室产热量较小，热气流对流线影响可忽略，不会产生逆向污染，因此上部的涡流不会对主流区产生影响。空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运动速度和位移是微小的，直径在1μm时，微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10－3【3】。此设计中新风处理机组设三级过滤器，FFU中过滤器为U15≥99.9995%＠MPPS，直径＞1μm的微粒可视为零，因此，工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动，直接排出洁净室。

当进一步减小满布比时模拟计算可知，除送风口正下方—定区域外，其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下，过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区，污染物极易被卷吸进入涡流区内而不易排出。

过模拟计算及分析，我们认为在送风口满布比为25%，均匀分布FFU，采用全地面均匀散布穿孔板回风，过滤器面风速在0.45m/s，相应换气次数为147次/小时，由于FFU可达到较大的送风面风速，以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用，因为如果采用侧墙下侧回风，就会在洁净室中间下部区域形成较大的涡流三角区【5】，因此，洁净室内能够形成比较合理的气流流形，在主流区内能形成基本垂直向下的流线，但在靠近四周墙壁处，由于形成受限射流，出现涡旋，因此在布置设备时，应避免将设备靠墙壁布置，而应留有一定距离，这是洁净室施工完毕，开始投入使用时应加以注意的。另外，此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流，但美国标准IES－RP－CC012.1【6】中已认为ISO5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型。

3.理论计算洁净度

洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定。可以通过数学公式对其进行计算。根据粒子平衡理论，进入洁净室的粒子有室外新风带入、循环空气带入及室内污染源。对于电子厂房室内污染源主要是工作人员的产尘，而设备产尘很小可忽略不计。从洁净室排出的粒子有回风带出及由于室内正压而渗出的粒子。可得如下方程【7】：

达到平衡状态时，浓度方程变为：

其中

以上式中：Q，送风量，m3/sq，渗出的空气量，m3/s；V，洁净室的容积，m3；x，循环风的比例，此处为1；c，洁净室的浓度，粒/m3；c0，洁净室的初始浓度，粒/m3；c∞，洁净室的平衡浓度，粒/m3；c1，渗出空气的浓度，粒/m3；cout，室外新风的浓度，粒/m3；t，时间；ηout，新风过滤器效率；ηrec，回风过滤器效率；S，室内污染源，粒/秒；ε,通风效率。

新风预过滤器为F5（η＝55%），中效过滤器为F9（η＝95%），高效过滤器为H12（η＝99.5%），FFU中过滤器为U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新风含尘浓度天津地区取为3×107粒/m3(≥0.5μm)；身着洁净服的工作人员走动时的产尘量为1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；设同时有3人在工作；通风效率取为90%；新风比为4.42%。计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度为2857粒/m3（即81粒/ft3），达到ISO5级100粒/ft3的设计要求。

4结论

通过本文的研究可得到如下结论：

1）针对电子厂房洁净室发尘量较低，室内人员较少，热负荷较小的情况，通过选择级别较高的过滤器，合理布置末端高效过滤器的位置，回风方式后，即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于规范建议的下限值，仍可有效地滤除粒子，满足空气洁净度要求。

2）CFD是一种较好的优化设计工具，结合工程实际情况，借助模拟工具进行辅助设计是必然趋势。

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篇10

但我公司作为一家集研发、制造为一体的国有企业，要进一步发展和壮大，除了充分用好已有资源、努力进行内部挖潜、深化生产管理来促进发展外，也需要进一步吸收、深化应用先进的CAE研发技术，完善整车、整机CAE分析体系，以缩短产品研制周期、优化产品结构、提高产品质量、降低研发成本，从而高效地研制出具有自主知识产权的好产品、增强公司的核心竞争力、获得更好的市场回报。

一、问题的提出

现在机车以及柴油机设计越来越趋向于安全、高速、重载、轻量化的设计要求，由于机车、柴油机、柴油发电机组和曲轴等本身都是结构大型复杂的产品，都是在动态载荷工况下服役工作，且有不少产品为焊接装配件。从产品的专业性、特殊性而言，涉及到的CAE计算需求是多方面的，包括部件的散热性能、运动学/动力学性能、极端载荷条件（结构载荷、热载荷）的强度/刚度性能、疲劳性能、结构优化问题等，这些性能也直接与某项目各部件的可靠性、品质等息息相关。

经过多年努力和积累，机车研发部虽然很早就拥有一批相关CAE专业分析人员，但受人员变化、当前分析工作中不断出现新的复杂需求、CAE分析软件版本低功能受限等原因影响，公司CAE人员近几年主要是针对部件结构强度计算分析（如车体、构架、车轴、曲轴、柴油机发电机组安装架的强度计算）。而柴油机的传热分析和热-结构耦合分析；机车和车辆的碰撞动力学分析；机车中司乘人员和乘客的安全和舒适性的动力学分析；电力机车受电弓网系统的动力学分析；铁路机车运行的动力学仿真分析；机车、与轨道的系统动力学仿真分析；机车柴油机供油系统、冷却系统的流体动力学分析；机车通风系统和空调系统的流体力学分析等则很少涉及。

整个机车及柴油机的系统优化、减重、疲劳强度、流体动力学分析、散热性能、运动学/动力学性能和稳定性等CAE新问题已越来越制约着产品的品质进一步提升。公司经过多个整车整机的开发，也积累了一部分CAE知识点，如何进一步将这些知识系统化，形成公司的规范体系？CAE技术如何贯彻于整个设计流程？如何建设符合公司实际情况的CAE体系，为公司产品开发提供安全保障，也为整车优化提供保证？这已成为迫在眉睫的问题。

笔者认为只有深入分析CAE在机械、装备行业的应用现状，再结合公司产品的实际特点，摸索出符合我公司特色的整车及整机的CAE体系建设之路，才能提升产品研发效率，提高技术性能并降低成本，增强企业竞争力。

二、CAE技术在国内外现状分析

1.CAE技术在国内外现状分析

就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性和经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，CAE分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。

国内这几年，各方也加大了这方面的投入，逐渐从过去的结构强度分析，向更高、更难的流体、流固耦合、空气动力学、系统优化、控制和疲劳等CAE方面开展深入研究。但产品的应用范围、计算项目的深度、CAE平台建设的规模以及CAE计算分析的细节程度还与国外还有不小的差距。

2.CAE技术在国内机车行业应用现状分析

目前国内铁路行业的CAE技术应用在很多企业已经进入逐渐的普及阶段，但比航空、国防和汽车行业应用层次要低。其中长春客车厂、株洲机车车辆厂、齐齐哈尔车辆厂、北京二七机车车辆、四方股份公司、大连机车厂、大连机车研究所、株洲电力机车厂和研究所与戚墅堰厂和工艺所等的仿真分析手段基本都已涵盖了零部件的结构强度、整车或列车动力学和零部件疲劳、振动噪声等专业，取得了显著的成果。尤其是四方股份、长江集团、齐齐哈尔、长客和大连等实施相应的CAE技术已经近10年了。其CAE仿真技术已经越来越多地被相关的厂家接受。另外，为了保证实施CAE仿真技术的延续性，有些厂所也出台了相应的鼓励分析师的政策，并成立了专业的分析团队，充分发挥了CAE仿真技术在产品研发过程中的作用。

而我公司与同行业其他兄弟公司相比，CAE技术相对滞后，现有CAE应用情况如下。

（1）无法快速地评估设计结构的大量复杂的流体力学、疲劳寿命预测、电磁场、温度场以及多体耦合场、抗冲击、抗振动、冷却效果和使用寿命等性能，许多课题还未开展研究。

（2）无法贯穿整个产品的设计过程，主要是做校核计算。

（3）无法快速地分析与改进设计结构的降噪措施。

（4）无法快速地对新设计结构进行针对性的结构优化和用料优化。

三、整车整机的CAE体系建设思路

公司正逐渐加大研发力度，不断增强自主研发能力，这必将对机车及发动机提出了更高的设计要求，而过去的CAE分析内容显得过少，CAE分析的深度及广度不够，为此CAE体系应尽快完善，以下根据笔者多年的工作经验及结合公司产品的实际情况，提出的CAE体系建设的思路。

1.完善整车、整机的CAE分析内容

（1）整车的CAE分析内容：机车包含的常用部件如车体、构架和车轴等需做常规的结构强度、刚度有限元分析；进一步考虑，部分关键件、大型件的结构优化、拓扑优化、模态分析，车身结构噪声分析、疲劳强度分析；研究整车空气动力学、整车动力学性能和整车稳定性能。

（2）整机的CAE分析内容：发动机常用部件的有限元分析、缸体及缸盖的结构分析、轴系的多体动力学分析、发动机三维CFD分析、发动机性能分析、发动机冷却分析和发动机热固耦合分析。

另外，需根据各个整车、整机的开发级别定义不同级别CAE的分析内容。整车、整机研发的新技术越多，产品结构越新颖，CAE计算分析的内容细化级别也应相应增加，以保证产品研发的可靠性。

2.细化整车、整机的CAE分析流程

对于全新的机车或发动机研发，CAE流程应分为三个阶段。

第一阶段：概念分析阶段。主要是考虑整车、整机设计的总体要求，根据相关评定标准，CAE人员对整车、整机的总体性能进行CAE计算，以验证是否能达到设计目标，同时提出优化建议，在预研阶段把握产品的总体性能，为高层决策提供技术参考。此阶段分析结束后，须确定基本结构形式，总布置方式，各子性能的详细设计目标值。

此阶段的工作难度较大，需要CAE工程师具备较多的设计和分析经验。

第二阶段：工程化分析阶段。主要是根据设计师的详细设计情况，进行各部类常用部件的各类型的详细等分析。此阶段是以产品的详细结构为输入，从CAE方面，对设计的产品各方面的性能进行分析，以验证是否达到概念分析阶段所获得的性能目标，若没有达到，则需优化分析，并与设计师、工艺师共同商定，确定修改设计方案。

工程化分析阶段是整车、整机开发中工作量最大的阶段，此阶段必须根据整车、整机设计的进度要求，进行至少2～3轮覆盖结构、流体、动力学、热固耦合CAE领域的完整的CAE分析，为工程化设计进行虚拟验证并在设计阶段进行优化。

第三阶段：试验验证分析阶段。主要是根据整车、整机做试验以及试运行时出现的一些的问题，进行CAE工程分析，找出问题出现的原因，并提出可行的解决方案。

此阶段的工作难度和工作量则是不确定的，一般来说，在设计前期，考虑的问题越周全，在试验阶段出现的问题就越少，涉及的CAE工作量也就越小。

按此流程，公司的CAE技术还应更早介入设计流程中，因为在早期采用CAE技术，虽然加大了前期投入，但降低了后续的产品开发费用。投入总量和传统做法相比要少得多，而且在产品投产后，能将投入维持在很低的水平，从总体上来说，降低了产品开发的总费用，也使产品的上市时间得以提前。CAE在降低成本方面的作用，如图1所示；CAE技术贯穿设计流程对解决工程问题的意义如图2所示。

3.整车、整机的CAE体系规范

流程是定义什么时候该做什么事，而规范是定义如何正确做事的准则。机车和发动机开发本就是一项系统性很强的任务，需要不断地总结，建立合理的规范体系，系统性地沉淀已有的知识点，并保证持续修订。经过这些年整车整机的开发，我公司其实也积累了很多经验知识点，但没有形成书面规范，前些年随着CAE人才的流失，公司也随之流失了CAE的经验知识点，为此应该进一步将这些知识系统化，形成公司的规范体系。不能为了建规范而建规范，而是应该根据公司的技术规划来建立规范体系，如对应不同的开发级别，首先规划必须具备哪些能力，应该建立哪些规范，然后分专业有计划地进行实施，并不断完善。只有不断地建设有价值的规范，才能将已有的知识固化在公司，而不至于因为人员的流动造成能力的损失，同时也才能保持已有的技术能力。一般来说，规范是很难从其他企业获得或者购买，因为这都是各企业的核心技术，多少钱都不会卖，而且各企业情况差别很大，直接引进的规范不一定适用，所以必须公司自己建设。

结合公司实际产品CAE分析特点，笔者认为应逐渐形成公司CAE体系自己的规范，如：CAE操作规范、CAE任务流程规范和具体的CAE专业分析规范。

4.CAE数据库的完善

CAE的计算相关数据应有效规划、利用，因为每次产品设计的革新离不开过去的技术基础。笔者认为，这类数据应分为两类：第一类是性能数据库，性能数据库积累了多个平台车型或机型的结构强度、总体稳定性和动力学性能等多项重要性能指标，为后续车型或机型开发目标值设定、工程判断提供了充分、可靠的依据。第二类是结构数据库，结构数据库积累了跟某项性能相关的重要结构信息，为后续CAE能力提高、指导工程化设计提供依据。

5.整车、整机CAE资源配置

在影响CAE应用效果的诸多因素中，人才、分析软件和计算机硬件、外部资源是三个最主要的方面，其中“人才”是最重要的因素，这涉及到对CAE人才的层次规划、CAE队伍的稳定性建设。

（1）没有CAE队伍，核心技术无从谈起，CAE工程人员工程背景要求高，因CAE技术具有较高的技术含量，CAE应用的每一个方向实际上都是一门专门学科，如结构力学、断裂力学、流体力学、电磁学或传热学等，且CAE工程人员对设计、工艺和产品的工作原理、特性也应有一定的了解。根据前面CAE体系的思路，公司人员配置7～10人，才能满足未来CAE设计分析要求。

（2）软，硬件平台：要根据公司实际情况，购置适合公司产品特点的分析软件及硬件，除非有十足的把握，否则不应贪大求全。应制定一个合理的CAE实施计划，在预算允许的情况下，先考虑最急需的CAE软件和硬件，应用一段时间、见到良好效益后，再考虑使用权的扩充或其他软件模块的扩充。

（3）重视与高校、CAE软件厂商的合作关系：与CAE软件开发商建立良好的技术合作而不仅仅是商务合作关系，相互间长期的技术交流甚至与程序开发人员本身的底层技术讨论等是保证CAE应用能取得实效的关键因素之一。与CAE软件厂商、高校合作的另一种好的方式是进行一系列项目咨询工作，项目咨询不但能结合多方的优势最佳地解决实际工程问题，而且能在合作过程中非常对口地深入学习和掌握软件应用技巧，同时还能增进双方的了解和建立良好的关系。

四、几点建议

（1）要给予CAE足够的重视。一项新的技术从提出到应用再到产生效益总有一个成长的过程，尤其是在起步阶段，还特别需要各个方面的重视和支持，只有这样，才能共同把这项工作做好。

（2）CAE的价值有很大一部分隐含或体现在设计工作中，因此，单从CAE自身的效益很难看出工作的价值。另外，还要理顺关系，责权明确，避免出现“做好了是设计人员的功劳，做不好是分析人员的责任”的现象。

（3）CAE行业正处于一个快速发展、成长时期，从业人员流动性较大，因此有必要从政策上对此予以引导和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保证工作的持续性。

（4）现在的CAE技术已经基本成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决，CAE软件应该成为设计工程师实现工程创新、产品创新的得力助手和有效工具，一些比较简单的分析计算可以在CAD软件上直接完成。

（5）及时发现问题、解决问题。能在设计早期进行CAE分析，及时发现可能存在的问题，是对设计工作的一个重要补充。