流体力学问题及分析范文

导语：如何才能写好一篇流体力学问题及分析，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

一、研习月，天气晴

2017年4月是我去s学校的研习月。研习第一天，来到研习学校，由于我的校外实践导师是校长助理，不带班级，所以导师把我分到了六年一班，语文名师赵老师的班级，在与一班同学共同上课间操的时候，赵老师对我说：“咱们班有一个特殊的学生，你马上就会认识他，和他相处你要有方法。”我以为是一位调皮的学习困难生，或是一个家庭经历了变故，需要老师给予更多关照的学生，并没有觉得会出现任何问题。

二、认识你，观察你，接近你

跟班第一天，我注意到了赵老师口中的这个“特殊”的孩子，叫他小f吧！小f是个胖胖的男生，白白的，个子在班级里算是很高的了，带着黑框的眼睛，衣服穿得不是很整齐，单人单桌的坐在最后一排，他的“小天地”里，地上总是有点凌乱，每次走过他的书桌上，我总会好心地帮他把地上的书捡起来，可是当我再次路过他那里时，书又都散落在地上了，如此反复着，我有一丝无奈。在听课的过程中，@个孩子也是特例独行的，上课问好，他不会站起来向老师问好，而老师讲课的时候，他又是趴着的，我对他最初的定义，应该是个不爱学习、有自己个性的“学困”生。我并没有对学困生有过任何偏见，反而很想与他们做朋友，用我自己的方式去教育他们，最好能感化他们，我想接近他，了解他，我就是这样一个天生就想把不对的告诉别人的人，可能天生我就想去做一名教师吧，我在一点点靠近他，而在之后的跟班中，我却发现了小f的很好的特别……

三、不影响，不一样，不一般

拿课堂表现来说，趴在课桌上，不听课的状态是他的常态，倒是不影响课堂。不过偶尔在数学课、语文课和英语课上，他也是会积极回答老师的问题的，虽然这个小f不太习惯举手，一个大嗓门，就会坐着发言，一方面来说，他是会影响到一些教师教学的，可从另一方面来看，他所回答的问题竟然都是正确的，数学问题，他会说出其他解题的方法，英语口语，他也是张口就来，还会用课标外的长单词，语文问题，在节奏紧凑的课堂上，回答问题也是有理有据，想发言的时候，一直举手，老师不叫他都不行。

每天放学，学生们会在操场列队站好，一齐走出校门，在赵老师有事不能及时下楼的时候，我会得到小f一个很大的、让我措手不及的“大熊抱”……虽然有时候觉得很尴尬，我想他是在表达一种喜欢吧，这样一想心里倒还觉得暖暖的，能被孩子们喜欢，是一种莫大的幸福，只有教师才懂……他会每天在本子上写来写去的东西，竟然也是他的自创红石杂志，一个月的时间，我成了他最忠实的读者，而他，每天都会拽着我欣赏他的“大作”，我建议他把每天创作的图画钉成一本册子，就是成系列的杂志了，他很认真地听了我的建议，并将一个月来的作品钉成一个小本子，在研习即将结束的时候，作为离别礼物送给了我，虽然我并不能看懂他写的到底是什么，但是一个月来的心血送给了我，还是让我很感动……至今我还留着。我发现，小f可不是个“学困生”，他很聪明，很了不得！

案例分析：

小f其实是一个听话的孩子，每次行为习惯不好的时候，班级的老师和我都会纠正他，他会听到后停止那些不好的习惯，只是坚持不了就回到了之前的样子，他的一个问题就是自制力差了一些，需要教师去监督、去改正，有时候觉得他的说话方式就像一个小孩子，会磨人、会撒娇，他会把书桌上的书扔到地面上，因为他知道当我再次走到他的身边时，我一定会帮他把这些书捡起来，课堂上时有时无的发言或拆台，虽然有时让授课老师很烦恼，但我知道他想表现下自己，让我注意到他。他会每天跟在我的屁后让我看他新写的杂志，我知道他想有读者，更需要我的肯定，我曾经侧面地询问了他是否和父母生活在一起，某一天因为肠胃不适，吐了好久，我陪他在门卫等妈妈来接，我知道他拥有一个健全的家庭，我的心舒了口气，而他用电话和妈妈还有爸爸通话的过程，或者拒绝给爸爸妈妈打电话的过程，又让我感受到一些其他的东西……我觉得他并不是特别喜欢和父母通话，并没有“妈妈、爸爸”那样去叫他们，而在我们打给他的妈妈的时候，妈妈说忙不开，换成了爸爸来接，而那天，那么不舒服的小f和我，在门卫等了有一个半小时，我觉得小f并不是很开心。

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【关键词】饱和-非饱和多孔介质；渗流场；有限元法；地基；土力学

1 引言

土是具有连续孔隙的的多孔多相介质，并且水和空气在其孔隙内流动。水和空气在土体内的渗流传质会引起土的应力状态的改变，从而影响土体的力学性质和稳定性。文献[1]对力学渗流作用下土体地基的力学响应进行了初步研究。饱和-非饱和土地基广泛地应用于各种土木工程和水利工程建筑中，因此研究此类地基的力学和渗流耦合过程，具有重要的工程意义和学术价值。

基于固液两相耦合作用的饱和土的动力控制方程、Biot理论框架、以及Terzaghi有效应力原理，文献[2]从土体骨架的平衡方程和流相的动量守恒和质量守恒方程出发提出了饱和土的广义Biot理论模型。基于饱和土Biot理论，文献[3]采用了被动空气压力假定，即假定非饱和土域内孔隙气体压力均等于周围大气压力，发展了非饱和土数值模型。

文献[4，5]发展了用于地基孔隙水渗流分析的一些分析方法，但是没有在渗流计算过程中并行地耦合力学计算过程。本文基于Biot理论，舍弃了被动空气压力假定，发展了对含固、液、气三相的饱和-非饱和土建立了多相流与变形多孔介质相互作用的力学渗流耦合分析的有限元数值模型。并将本文发展的有限元数值方法应用于挡水结构双层地基孔隙水渗流分析中，除了得到地基内孔隙水、气的流相相关物理量的响应，也得到了地基应力演化和变形演化的响应，更加准确地模拟了地基承载问题中的力学和渗流耦合过程。

2 有限元模型控制方程

3 地基力学-渗流耦合计算

考虑平面应变条件下的地基沉降和渗流问题，地基的几何尺寸如图1所示。将地基区域离散化为681个有限元节点和206个8节点等参单元。地基顶端中部承受长度 的基础底座的荷载作用，荷载随基础底座中心A点竖直方向位移的增加而逐步增加，并允许基础底座绕A点转动。在地基顶部BC边界和EF边界上指定注水流量以模拟环境荷载，注水速度以 表示。因防渗墙的作用，地基底部HI边界、侧面BD边界和FG边界为不透水边界。地基侧面DH边界和GI边界直接与地基周边土层接触，为透水边界，并假定边界上的饱和度与周边土层的饱和度一致。

基础底座中心A点施加垂直向下指定速率 。根据BC边界和EF边界上注水速度 的不同考虑以下四种工况：（一）无降水情况下；（二） ；（三） ；（四） 。

图2给出了边坡在上述四种荷载工况下的荷载-位移曲线。图2四种工况下荷载-位移曲线的对比，可以看出增大注水速度会减小荷载峰值，说明边坡的承载能力随着注水速度的增加（即注水量的增加）而降低。由图3给出了四种工况下地基的吸力分布。可以看出，注水量增加土壤的吸力显著减小，边坡的承载力降低，说明吸力的存在大大增强了边坡的承载能力。

4 结论

（1）基于非饱和土连续介质力学的数学模型，舍弃了被动空气压力假定，发展了一个节点未知量仅含位移、液相压力和气相压力的水力-力学耦合分析有限元数值模型，用于地基承载问题的力学渗流耦合分析。

（2）二维地基力学渗流耦合分析数值算例结果说明了发展的有限元发数值计算的有效性。数值结果显示降水作用将极大地减小地基的承载能力，并能引起地基的塌陷。

（3）水力-力学耦合的数值分析较固相单一力学分析和流相单一渗流分析，在一定程度上更有利于揭示地基破坏现象的机理，对在工程生产中研究地基沉降问题提供了可靠依据。

参考文献

[1] 史如平， 韩选江. 土力学与地基工程[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 1990.

[2] ZIENKIEWICZ O C， SHIOMI T. Dynamic behaviour of saturated porous media： The generalized Biot formulation and its numerical solution [J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics， 1984， 8（1）： 71-96.

[3] 万柯， 李锡夔. Biot-Cosserat连续体-离散颗粒集合体模型的非饱和土连接尺度方法[J]. 应用力学学报， 2013， 30（3）， 297-303.

[4] 张潮， 李小勇， 毛根海. 双层地基渗流作用下有效应力性状研究[J]. 太原理工大学学报， 2003， 34（5）， 66-73.

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【关键词】专业认证流体力学教学改革考核方式

1.教学现状及分析

流体力学是一门专业基础课，其主要的先修课程有高等数学、大学物理、理论力学、材料力学等。由于流体力学对知识储备要求高，研究对象又是不具固定形状的流体，其理论教学比较抽象，因此教学现状有以下几个特点。课堂教学尽管采用多媒体方式，但流体力学的理论性太强，使得现有的多媒体教学课件形式单一，内容不够丰富，导致教学仍以口授与板书为主，课堂互动性明显不足，学生学习缺乏主动性、积极性；缺乏实践性教学环节；缺少有效的师生沟通平台。由于师生交流少，容易造成“教”、“学”分离，给课程的教学效果大打折扣。

2.考核现状及分析

现阶段流体力学的考核方式，大部分仍然采取30%的平时成绩和70%期末考试成绩。本课程包含大量的经验公式及公式推导过程，对比近两年的学生成绩，目前该课程的考核方式并不理想。

3.改革措施

3.1教学改革措施

流体力学课程需要掌握的概念多、公式多，学生学习积极性不高，需要教师对课程不断开展改革探索。为解决目前流体力学课堂教学中存在的问题，针对教学环节提出以下几个改革方案。

3.1.1完善教学大纲

根据工程教育认证标准，应进一步修订和完善教学大纲和教学计划，优化学时分配。在保证《流体力学》基本概念、基本原理以及基本理论授课时间的基础上对课程设计进行改革。比如，适当增加数学知识基础；导入课程最好用动画或者试验吸引学生的注意力，提高学生学习的兴趣；适当增加学生课后的作业，以讨论性的分析和推导公式为主。

3.1.2增设案例及课堂讨论环节

增加相关内容的案例，设置科学问题，然后分组讨论，引导学生分析问题。以流体静力学的基本公式为例，通过电视节目中模拟的桶裂实验为引导，提出问题，留有悬念。然后通过公式推导理论验证，最后给同学们讨论的时间。另外，有条件的还可以专门设置一堂实验课，课上分组展示并讲解学生在课下自行设计的桶裂实验。

3.2考核评价改革措施

增加平时考核的占比是课程改革的趋势。根据专业认证的要求，增加平时的教学工作量，为学生准备与重点知识相关的小课题，增加课堂讨论环节是一个新思路。根据课堂表现进行部分考核，提高学生平时考核成绩。从而去除纯记忆类题目，只考核综合理解类和综合应用类试题，适当增加期末考核难度，以督促学生平时注意积累。

3.3自编应用型教材

教材是学习的依据，作为机械类流体力学教材要体现理论与实际相结合，突出应用性。对于有经验的教师，可以在总结多年知识积累和教学、科研成果的基础上，结合相关流体力学书籍，撰写属于自己的机械类教材《流体力学》。自编教材对学生而言更实用，体现在以下几点。一是自编教材主要以教学大纲为依据，整体上与课堂教学具备较高的统一性。内容编排按课堂教学节次循序渐进，学生自学时，逻辑和思路清晰，课上课下的自然衔接，更具有启发性；二是可以根据课上学生的反应精简方程式数学推导内容和过程，尽量将抽象概念形象化、简单化和透彻化，使之通俗易懂。或者在课堂上减少推导过程，而在书中将推导过程编写的更加详细，甚至添加多种推导方法，便于自学；三是理论联系实际，集教学与科研成果于一体，使得课堂内容具有较高的客观性、有效性和科学性，如此更有利于解决实际问题，指导工程实践和生产活动；四是丰富例题和习题，除计算题外还设有简答题、选择题等多种题型，并给出参考答案。

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[论文摘要]结合学习主体所处的时代环境变化和流体力学知识体系的学科跨度大以及对数学基础知识要求很高的特点，分析了流体力学教学中存在的问题和难点，提出大量采用实验模型和实例教学以加强流体流动现象的观察理解对提高流体力学教学效果的必要性和重要性。

前言

流体无固定形状，即使受到的剪切力再小，只要持续存在，其变形便会随时间持续增大，不像固体那样，一定的受力只能产生一定的变形。流体力学的基本理论非常严密，描述流体流动现象的数学方程非常复杂，高度非线性[1]，因此学生对流体力学敬而远之的现象比较严重。此外由于因特网及电子计算机的普及，各种虚拟现象泛滥，在这样的环境下成长的学生接触和感受实际发生的各种流体流动现象的机会大大减少，对自然现象的观察和理解能力很弱。很多学生在接受流体力学教育之前所受的应试教育的影响下[2]，学习只是为了在短时间内对给出的试题做出接近正解的答案获得高分，这种教育具有多大的意义，近年来许多学者从教育学的角度提出了疑问[2]。只有直面实际的流体流动现象，抓住问题的本质，才能诞生真正的学问和研究。笔者基于对本科和研究生的流体学教学中存在的难点和问题，指出了重视流体流动现象的观察和理解对提高流体力学的教学效果的必要性和重要性。

一、流体力学教学面临的问题

（一）新形势下学生所处的社会环境变化

学生从小利用电脑打电子游戏的玩耍时间和机会大大超过了自己亲自动手制作道具及模型的体感玩耍时间，通过体感玩耍接触和观察自然现象的机会大大减少。

因特网的普及使得在短时间内获得大量的信息或实时获得信息成为可能，近年来出现学生过度依赖因特网的倾向，疏远了纸质图书及相关文献这些知识比较系统逻辑性也有保证的传统信息载体。但因特网上除了正确的信息外，还有很多不准确甚至错误的信息，即使是正确的信息，各信息段之间也缺乏系统性，因此学生仅通过因特网难以建立系统的知识体系的。

手机在学生中的普及也使得学生们在实际问题时，不是自己独立分析问题，找出问题发生的原因，而是直接利用手机询问他人求得答案，这样很难培养独立制定计划，对可能事态进行预测，独立进行解决问题的能力。这恰恰是对一个未来走向社会成为一个优秀的技术人员的必经的磨砺之道。

（二）流体力学教学面临的问题

流体流动的力学模型及其运动的物理意义难以理解[3]。流体粘性产生的模型与牛顿粘性定律之间的对应关系就是最好的一个例证。大多数学生虽然能够使用牛顿粘性定律进行计算，但对运动的流体为何会产生粘性却不能正确的理解。的确，对于涉及到流体力学的某些技术或产品设计，只要懂得一定的计算即可，但是对于开发和设计全新的产品，如不能准确把握所涉及到的相关流体流动的物理本质，有时会产生完全错误的设计结果。

流体的运动状态繁多，流体力学融合领域广，要求学生掌握更多的学科预备知识，尤其对数学知识的要求更高，使部分学生觉得流体力学是难以接近的一门课。同一流动现象常常可以从多个角度进行解释，容易使学生产生混乱。比如对翼型的流体力学工作原理，可以从流体流动的动量变化、伯努利方程、压力积分、流线的曲率变化等几个方面进行解释，解释方法之多反而会使学生产生混乱，但每一种解释方法都是正确的，解释的都是一个本质，只有完全理解各种解释方法所依据的理论，才可以解除认识上的混乱，将学到的知识条理化、系统化。

描述流体流动的数学方程高度非线性化，数学上求解比较困难。描述流体流动的纳维斯方程和能量方程是否可以求解以及数学解的唯一性的证明需要微分方程、偏微分方程、多元积分等很深的数学功底，但近年来学生的数学和力学基础存在下降的趋势。

学生在进入大学前所接受的应试教育的影响很大，以考试成绩自评学习效果的认识根深蒂固[4]。实际的流体流动现象往往没有单纯的标准答案，有时甚至存在多个解，重要的是抓住流动现象的物理本质，系统的理解流体力学的基本原理。

二、教学方法对应

解决上述问题的根本方法，笔者认为只有从流体力学教学上，直面涉及流体的各种现象，使学生准确的把握物理本质。为此在流体力学课堂上，广泛采用流体模型教学和实例教学，增加学生观察理解各种流动现象的机会，唤起他们对本门课的兴趣的同时，让他们形成为探究流动现象背后的物理本质进行思考的习惯，这对解决流体力学教学所面临的问题至关重要。

使用电吹风斜向上吹一个让学生事先准备好的气球模型，没经验的学生会意外的发现气球会向斜上方飘起。这一流体流动现象可从风从气球上部通过时，由于气球表面的影响风的流向会产生变化，也就是流线产生弯曲，根据风的动量变化必然产生使得气球浮起的升力得到解释，还可以从物体绕流边界层效应得到解释。从这一简单的模型教学，还可以解释飞机的机翼通过改变空气的流向进而获得升力的流体力学上的工作原理。

在一个装满水的塑料瓶内分别放入密度大于水和小于水的钢球和泡沫小球，然后放在一个可移动桌面上，使桌面等直线加速运动，可发现钢球运动较慢留在瓶底，而泡沫球运动较快停在瓶嘴附近。观察这一个现象引导学生：泡沫球运动得较快是因为等加速运动瓶内流体的静压在运动方向上递减形成压力梯度，小球的前进方向的压力大于等加速运动产生的惯性力，因此小球相对于塑料瓶向前运动；而作用于钢球的前进方向的静压力虽然与泡沫小球相同，但惯性力大于前进方向的静压力，因此钢球相对于塑料瓶向后移动。这一模型教学比一般教科书上关于流体等加速直线运动流体的静压分布的例题更容易使学生抓住问题本质，且能培养学生独立思考之习惯，使学生体会到透过流体流动现象来正确观察和理解把握流体力学基本规律的乐趣。

经常使用立式洗衣机的人都知道，洗完衣服后，衣兜总要被翻过来，假如原来兜里装有硬币等硬物，也会被掏出来[5]。把这个实例在课堂上讲出后，学生们甚有兴趣，追问其中的奥秘，当教师根据伯努利定律做出解释并介绍伯努利这位集物理学家、数学家、力学家及医学家于一身的瑞士的大科学家的基本情况后，学生们顿时对这位科学家充满了崇敬之情，通过大量这种实验模型及实例教学，学生们对学习流体力学这门课更有了兴趣和信心，教学效果的提高自不待言。

三、结语

本文详尽的分析了计算机、因特网、手机等现代化通讯工具普及后对学生产生的影响，由于流体力学课程知识体系的特点，这种影响产生的负面问题很多，尤其是教授成长在应试教育体制下走入大学的学生，更需要转换认识，改变教学观念，在课堂教学中广泛植入实验模型教学和实例教学，让学生直面实际存在的各种流体流动现象，通过实际的流体流动现象的观察和理解，达到生动及形象的把握这些流动现象背后的流体力学的基本定理，有效提升教学效果的同时，通过简单实验模型的制作还可提高学生的动手能力，这对学生走向社会成为一个具有创造性思维能力、独立思考的优秀技术人员也是一个必不可少的雏形磨砺。

[参考文献]

[1]黄卫星.工程流体力学[m].北京:化学工业出版社,2008.

[2]李丹,杨斯瑞.应试教育与创造性人才的培养[j].继续教育研究,2009,25(2):180-185

[3]向文英,程光均.流体力学教学与实验创新[j].重庆大学学报(社会科学版),2003,18(4):21-26.

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关键词：材料科学与工程专业；流体力学教学；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）48-0039-02

流体力学是一门研究流体的受力与运动规律的严密科学，是一门材料科学与工程专业中理论性和实践性都较强的专业基础课程。在流体力学的教学过程中，涉及到的数学公式很多，过程较为复杂。历年来，学生们普遍认为流体力学课程枯燥无味，难以学懂，兴趣不大，导致教学效果较差。分析材料科学与工程专业现状可知，目前，该课程体系教学中存在着较大弊端：一方面，太偏重于数学推导与公式的理解，忽视了课程理论的物理意义与工程应用的有效结合；另一方面，忽视了课程的基础作用，片面强调课程的专业性。为此，本文结合材料科学与工程专业的课程设置，对课程的教学环节进行了改革探索。课堂教学是提升学生认知的重要手段。笔者认为可以从以下几个方面来提高流体力学的教学质量。

一、优化教学内容

纵观材料科学与工程专业的流体力学课程体系，可将之分为基本理论知识、基本应用、实验部分、与其他学科的交叉内容、工程实际应用等方面。在教学过程中，笔者认为采用模块化教学方式能够达到较好的效果。所谓模块化教学是指根据学科或专业的不同需求选择学习内容，将每个内容或环节定义为模块。每个模块的目标明确，针对性强，而且学时数相对较少，容易提高学生的学习效率。当然，各个模块之间并不是孤立的，在教学实施过程中，模块是相对独立的，但从课程的整体架构上来说又是有机关联的，步步为营，内容丰富，难度螺旋式上升，使整个流体力学课程具有较强的系统性和完整性。目前，国内材料科学与工程专业的流体力学课程体系基本按照如下形式贯穿：流体静力学理想流体运动动力学实际流体运动：一元流体相似理论泵与风机。每部分的研究方法较为统一，所形成的体系由简到繁、由易到难，并且很容易实现模块化处理。例如在讲授流体运动学基础、动力学基础时，可以先从实际流体流动的基本方程入手，使学生在本门课程开始就接触到流体动力学的总的轮廓和最基本的理论方程，后面的理想流体动力学及一元流体动力学问题作为其特殊情况处理，将理想流体、一元流动的条件代入有关方程，即可得到理想流体、一元流动的动力学方程。建立的这种模块体系具有由一般到特殊的特点，条理清楚。这样一来，教师在讲完一般形式的方程组后再来讲具体一元流体动力学及理想流体动力学问题，就可略去大量的公式推导过程，节省了大量的课时，内容组织层次感较强，讲起来重点更突出，教学过程却相对简化。

二、更新教材结构

同时，考虑到材料科学与工程专业的特色与应用范畴，非常有必要对教材内容进行优化处理，根据材料科学与工程的课堂要求，淡化一些理论推导过程，以工程应用为根本。从学生的学习规律来看，一般学生刚学习课程的时候积极性和重视程度都比较高，在学习时花费时间较长，但随着课堂内容的推进，学生们的兴趣减弱，教学内容和教学方法的改革与优化势在必行。材料科学与工程专业的流体力学课程内容并不包括本领域的全部专业知识，主要讲授流体流动的基本原理与基本思路，并侧重于工程应用。因此，教材的选取要更具科学性，要根据专业特点和需要，结合学生兴趣与学习层次，有针对性地选取讲义，教材要更侧重于基本原理与基本公式的讲述与应用，做到简单易懂，实用性较强。

三、激发学习兴趣

在流体力学教学的开始，教师就应该紧紧抓住学生们的学习兴趣，在紧扣教学计划的基础上，以当前热点问题为引导，充分调动学生们的学习积极性。因此，在流体力学教学的过程中，如何将教学内容与工程实践相结合，与热点问题相结合，激发学生的学习兴趣是提升教学效果的重要措施之一。比如在给学生上绪论课的时候，可以通过一些生动的图片、视频、动画给学生形象地展示大自然与人类生活密切相关的流体力学现象，增强学生对流体力学的感性认识与兴趣，如汽车为什么要做成流线型的；高尔夫球为什么在表面有很多坑；火箭为什么能够上天；海岸为什么是弧形；战斗机为什么头部是尖的等。这些问题是日常生活中经常见到的，通过这些问题的设计与引导，可以让学生们知道本课程的主要学习目标是什么，能解决什么样的实际问题，让学生们带着疑问和兴趣去学习，效果将事半功倍。

四、改革教学手段

目前，流体力学教学过程中教学手段较为丰富，但仍以板书和多媒体教学两种方法为主。更多采用“多媒体为主，板书为辅”的方法。多媒体教学较为直观、形象，所传输的信息量巨大。同时，伴随着信息网络化大形势的进一步深化，网络电子资源更加丰富，这样大大缩短了教师们的备课时间。但这种方式也有不足之处，最主要表现在多媒体授课速度偏快，学生尚未形成知识结构体系就一带而过，课堂上考虑的时间不足，很难形成师生之间的互动。相对而言，板书备课时间较长，课堂上书写时间也较长，对于一些较难理解的内容，可以给学生们足够的思考空间，并在课堂上按照既定授课思路进行，这样能够涵盖较为琐碎的知识点，易于形成师生间的“一问一答”式的互动关系。因此，在流体力学授课过程中宜采用二者结合的方式，对于系统性较差的知识点来说采用多媒体方式，而对于重点、难点内容则主要采用板书的形式，真正做到对该知识点的侧重讲解，疏而不漏。只有这样才能使学生对课程既有充足的知识量，又有重点突出，进而提高学生的学习效率。

五、重视实验与工程教学

流体力学课是一门与工程实践结合紧密的学科。因此，在课程开展的过程中应该对实验课与工程教学进行重点关注。实验教学目前可以分为演示型和验证型，但教学方法单一，限制了学生分析问题、解决问题的能力；同时，由于长期以来实验教学从属于理论教学，实验教学与工程教学的课程建设与发展受到了严重制约。因此非常有必要对实验与工程教学进行改革来适应目前高校的培养模式。首先，实验与工程教学要注重同专业知识相结合。传统的实验教学较多适用于试验台环境下，是国家根据课程规划以及人才的知识结构需要设立的，这严重阻碍了学生们与工程实践的有效沟通，因此，可以针对学生所学专业逐步设立既符合本专业又具有工程背景的可操作性较强的实验项目，用以适应学生对专业领域知识的理解与创新需求。其次，有效利用高校科研优势，促进实验与工程教学的发展。以学科为依托，实现科研与教学互补，将科研成果引入实验教学，这样可以开阔学生视野，激发学生的创新思维。第三，实现基础实验与个性实验的互补。在基础实验训练的基础上，开展一些更具有研究性和综合性的实验，这样对理论知识的学习有一个较为有利的补充，同时也可以锻炼学生们实验设计、整体规划的能力，积极调动学生们的学习积极性。

参考文献：

[1]曾立云.流体力学课程教学方法研究[J].甘肃农业大学学报，2002，1（37）：123-125.

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【关键词】：选矿，流体力学，应用。

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：

一、一些选矿设备中的流体运动

1.1浮选机

浮选首先要求在矿浆中产生大量的且充分弥散的气泡，同时利用叫做捕收剂的药物作用于矿粒表面, 增强矿粒表面的疏水性, 有利于矿粒被捕收于气泡而上浮到矿浆表面, 实现浮选。矿粒在矿浆中受到浮力和重力的作用, 疏水矿物与气泡结合后浮力大而上浮, 亲水矿物不与气泡结合重力大而下沉。产生气泡的方法有机械搅拌、气泡自溶液中析出(压力低时)、气体通过微孔介质及水的电解等方法。下图是机械搅拌式浮选机示意图。中间转轴带动底部叶轮旋转, 转轴上带有进气通道, 当叶轮旋转时其叶轮上侧形成负压而吸入空气, 空气与矿浆充分混合, 被叶轮搅拌分割成细小气泡分散在矿浆中。浮选槽中的流动分为搅拌区, 分离区, 泡沫区三个区段, 泡沫经槽的上端刮出。

1.2浮选柱

浮选柱是浮选机的一种, 自20 世纪60年代中期兴起，发展时断时续, 主要问题是浮选机的气泡发生器始终不能很好地工作阁。下图为浮选柱示意图, 它是一个柱体, 其下部为气泡发生器, 上部设有给矿器, 泡沫槽。矿粒同样受到重力和浮力的作用实现分离。矿浆自上部给入, 靠自重在介质中下降, 与气泡发生器产生的上升气泡群碰撞和接触, 实现气泡的矿化。浮选柱的关键是气泡发生器, 它的结构性能对浮选柱的浮选有直接影响。

浮选柱内有上升的矿化气泡(与矿粒结合的气泡) , 有下降的液流, 浮选柱要有一定的高度, 使矿粒与气泡有较长距离的对流运动, 增加矿化机会。

1.3旋流器

旋流器根据用途不同可分为水力旋流器及重介质旋流器(选矿介质不是水而是配制的重介质悬浮液, 其密度与水不同)。水力旋流器可用于分级(按粒度大小分为若干级别)、还可用于脱泥、脱水及脱除浮选药剂等, 重介质旋流器可用于分选。

旋流器上端成圆筒形, 下端呈圆锥形, 矿浆快速切向给入旋流器, 在旋流器内产生旋转运动。旋流器内的颗粒主要受离心力的作用, 同时还受到与离心力相比可以忽略的重力和浮力的作用。在离心力作用下, 较粗的矿粒被抛向器壁，以螺旋线的轨迹向下运动, 由底流口排出, 较细的颗粒及大部分的水分则由溢流管排出, 如下图所示。对于颗粒尤其是小颗粒的物料, 在离心力场中分选比在重力场中分选有效得多。

旋流器内流体的运动是复杂的湍流运动 , 其平均流动是三维空间的运动, 旋流器内任一点的平均速度可分为切向速度ut, 径向速度ur及轴向速度uz，如下图所示。

二、流体力学与选矿设备的发展

2.1气泡发生器

（1）传统气泡发生器

浮选需要在分选设备中产生小而均匀的大量气泡, 产生气泡的装置称为气泡发生器。气泡发生器分为内部气泡发生器和外部气泡发生器两类。内部气泡发生器是使压缩空气通过由不同材质制成的微孔介质, 如, 帆布管、扎孔橡胶管、尼龙管、微孔陶瓷管等产生气泡。内部气泡发生器易产生结垢、堵塞问题, 常导致浮选工作不能正常进行, 现很少采用。外部气泡发生器有喷射旋流型、气水喷射型等。气水喷射型气泡发生器是将由喷嘴进入的压缩空气与水混合, 然后经扩散器, 通过带孔的分配头分散成大量小气泡, 如图。

（2）微泡发生器

传统气泡发生器的特点是: (l) 以吸气加搅拌方式产生气泡, 同时拌有微泡析出, (2)利用压缩空气并介入适当的结构产生气泡。上述方式结构复杂, 消耗动力大。

一种新型的气泡发生器, 自吸气、产生大量气泡、充分矿化同时完成。其原理如下图所示。该装置充分利用射流泵的原理, 矿浆由喷嘴射出, 射流卷吸走混合室内空气, 造成混合室负压, 空气不断地经吸入管进入混合室, 在喉管内强湍流作用下, 空气被破碎成微泡, 充分矿化阁.该装置有强烈的溶气析出, 含气率高, 矿化充分, 利于浮选。

从流体力学角度分析, 它充分利用射流原理在喉管内形成强烈的湍流场。喷嘴射出的流体先在喉管内变为分散相, 后在扩散段内变为连续相。在液气相对运动段吸入的气体先是在喉管内连续, 后在扩散段内由于压力的升高分散产生大量稳定存在的临界尺寸微气泡。同时由于喉管的约束使矿浆成为窄束流, 强化了微气泡与疏水矿物的结合。这种成泡方式具有革命性。

2.2徽泡浮选柱

微泡浮选柱如下图所示，它是在传统的浮选柱基础上，利用上图所示的微泡发生器改进而成, 其柱体结构上分为利用离心力的旋流段, 经气泡发生器进入柱体旋流段的矿浆由于压力降低会有气泡从矿浆中析出, 该段气泡迅速分离, 粗选段加稳流板, 抑制轴向混合, 提高有效浮选时间, 入料的分配盘使物料迅速沿断面均匀分布。该浮选柱是多相、多力场流动, 微泡及多力场均利于浮选, 经多年使用, 效果很好。它具有理想的湍流矿化, 静态分选的性质。

2.3切向给料喷射浮选机

该浮选机由德国研制, 在给矿方式和槽子结构上, 与其他浮选机有较大区别冈, 如下图所示。浮选槽上部为柱形，下部为锥形的容器, 分内外两个槽室, 内槽是作为精矿的泡沫层的收集槽, 在外槽柱段周围, 数个气泡发生器均匀布置在略低于矿浆面的位置, 矿浆沿近似切线的方向水平给入分选容器。进入容器的有压矿浆在容器内产生旋转运动, 矿化气泡(矿粒与气泡结合的气泡) 由于离心力小, 产生沿径向的向心运动的同时还有靠浮力的上升运动, 进入泡沫层, 由于矿浆的旋转使矿浆产生凹陷, 上部的泡沫层, 会自动地流入内槽排出; 未与气泡粘着的矿粒, 由于离心力大, 沿径向的向外运动的同时还有在重力作用下的向下运动, 形成沿螺旋轨迹向下的运动, 进入锥段底部的尾矿排出口。

浮选槽上部矿浆的给料速度为3 ~10 m /s , 矿浆面的平均旋转速度为1 ~2 m /s。该浮选机的空气弥散和矿粒与气泡的接触, 主要在气泡发生器中进行, 浆气混合物喷入槽体后，马上进入泡沫分离区, 两者是互相分开的, 这里仅对给矿矿浆充气, 而无需对槽中整体矿浆进行充气和搅拌, 因此由气泡发生器产生的大量微泡, 在微湍流作用下, 与矿粒更充分地相互作用, 形成矿化气泡, 浮入泡沫层。

实践表明, 该浮选机浮选速度快、能耗低, 对给矿波动不敏感，具有很好的发展前景。它是充分利用流动的多力场浮选。

三、结语

流体力学在选矿中的应用十分广泛，同时选矿中还面临着一些流体力学问题：

(l) 流场流动状态大多涉及湍流流动, 由于湍流自身机理的复杂性对选矿机械内部流动还不是完全清楚, 与湍流研究相结合加强对选矿机械内部流动机理研究, 不仅有利于选矿机械的发展, 也可以推动湍流研究的进步及其与工程实际的结合。

(2) 除湍流模式与实验相结合这一惟一可能依靠的方法外, 能否突破计算能力的限制, 将现有的湍流数值模拟方法如直接数值模拟方法用于解决选矿机械内部流场问题。

(3) 充分利用实验测量方法, 使用先进实验手段如LDV,，PIV等技术对选矿设备内部流场进行实验研究, 能够推动选矿机械研究的进展。

(4) 在选矿机械的研究中, 充分利用湍流研究的最新成果, 特别是湍流结构及其控制的最新研究成果, 可以推动选矿机械研究的技术进步。

参考文献：

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一、心得体会

通过这五天的实习，让我学到了很多课堂上根本学不到得东西，仿佛自己一下子成熟了，不仅懂得了怎样做事而且懂得了很多做人得道理。我也明白了肩上得重任，看清了人生和今后努力的方向，不管遇到什么事情都要认真得思考，不能太过急躁，要对自己所做的事情负责，同时也理解了很多事情，为以后工作积累了一些经验。

我知道工作是一项热情得事业，并且要有持之以恒的品质精神和吃苦耐劳的品质。这次难得的认识实习经历，是我打开了视野，增长了见识，为我们今后进一步走向社会打下了基础。

二、成果总结

力学在机械工程中的应用

在视频力学在机械工程中的应用中，我们明白了一些力学研究中的问题，如：结构部件为什么在某种条件下失效?如何定量精确预报事故发生?等。机械是机构与机器的合成，我们重点了解构件承载能力的分析，机械振动的计算，机构运动的设计。承载力学是力学应用的重要方面，在对强度的计算中会运用到计算力学，机构的承载能力与刚度，稳定性，强度。在对机械振动的计算中我们还运用了机震力，在对机构运动设计中应用了理论力学与机械原理。

化学工业中的流体力学

在视频化学工业中的流体力学中，我们知道了板式塔中塔板的种类，有无溢流塔板，泡罩塔板，f型塔板，t型塔板等。填料塔中填料的种类，还有萃取塔，流化床与气液两相流等概念。

力学在土木工程中得应用

在观看力学在土木工程中的应用中我们知道了在土木建筑中会运用到结构力学、弹性力学、材料力学等力学知识。

力学与现代生活

在视频中我们了解到一些力学问题造成的重大影响，如86年挑战者号的爆炸知识因为没有考虑到温度对一个小小橡皮圈的影响，还有塔库马悬桥的倒塌，只是因为流动的空气形成了卡门涡街。我们运用伯努里定律设计飞机的机翼，再根据机翼上下面风速差产生压力使飞机飞起来。航天工程，生命领域，能源领域均是以力学为基础的，我们可以运用流体力学原理解决股市问题，连亚洲金融风暴也可以用连通器原理解释。

钻井设备与工艺，采油设备，压裂酸化，修井作业与设备，井下工具

在视频中我们了解到钻机的组成是由起升系统，旋转系统，循环系统，动力设备，传动系统，控制系统，井架和底座，辅助设备组成。钻机的工作过程是由正常钻进，接单根，下钻，起钻组成。采油的设备有抽油机抽油与电泵采油，井下工具有封隔器，喷砂器，配水器。

力学在水利工程中的应用

在视频力学在水利工程中的应用中我们了解到灌溉中的渡槽是由槽深和下部支撑构成的，它会承受水载荷，风载荷，自重的影响。解决这些问题会运用到理论力学，材料力学，结构力学进行受力分析。大坝分为重力坝和拱坝，重力坝的特点是体积大，在分析其受力时我们会运用到材料力学，弹性力学，塑性力学，有限单元法。而拱坝则是由梁和拱共同作用。在计算地震对坝体影响时会用到振动理论，在研究放水时对坝体影响时会运用到固体力学，流体力学，交叉学科。

力学在船舶及海洋工程中的应用

在视频力学在船舶及海洋工程中的应用中我们了解到在轮船的行驶中，轮船的平稳行驶是水轮机与船闸作用的结果，船闸的主题是闸手。浮力是指被物体排开水的重量，船舶的前进是靠反作用力做推力而推进的，轮船行驶中受到的阻力又与器速度有关。船梁是一种超静定的构件。

对于工程力学的认识

工程力学专业的特色和优势就是与任何学科都又联系，分类广泛。专业的培养目标是掌握理论分析能力，能将复杂的问题简单化处理然后再复杂的分析。要掌握计算工具，如ansys，fluent等。掌握实践能力，力学是与实践能力相挂钩的学科。

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【关键词】航空发动机基础；知识体系；全局思维；质量意识

随着民航运输行业的迅速发展，民航运输总量每年均在快速 增加。同时，民航运输飞机的保有量也在随之增加。这使得民航业对于高质量民航机务维修人员的需求越来越大。航空业内将航空发动机称为工业皇冠上的明珠。航空发动机是前沿工业技术高度密集的复杂系统。航空发动机对于流体力学、结构力学、材料学、控制原理以及热学知识等多个学科均有较高的要求。

《航空发动机基础课程》作为机务培训中重要的理论基础课程，在整个课程体系中具有十分重要的地位。学生通过课程的学习将对发动机的整个工作原理和结构部件有较为清晰的认识。作为基础课程，《航空发动机基础》课程在教授本课程知识，还是培养学生整体工科素养的重要方式。本文着重分析《航空发动机基础》课程在机务培训中的重要性。

1.全面的工科知识体系

航空发动机被称为工业皇冠，是高技术密集的复杂工业系统。在《航空发动机基础》课程的学习过程中，涉及到流体力学、热力学、结构强度、材料学等诸多学科。因此，《航空发动机基础》课程可以为学生搭建较为全面的工科知识体系。

航空发动机的流体力学设计是所有工业设备中最为复杂和精密的。为了更高的空气性能，发动机的流道设计十分复杂。另一方面，许多先进的流动控制技术和设计方法都率先应用在航空发动机上。学生在课程的学习过程中，对流体力学的基本概念会有较为清晰的认识。

航空发动机是热机的一种，具有高速、高温的特点。对于航空发动机热力学知识的学习，可以让学生对热力循环、燃烧组织、冷却散热等热力学知识均有较为深入的认识。值得注意的是，航空发动机热端部件在高温环境内长期工作，是发动机中最容易发生问题的部分。特别是涡轮轴承、叶片等部件，由于燃烧或者工作不稳定均容易发生故障。因此，对于热力学的学习在机务实际工作中具有十分重要的意义。

在结构强度方面，发动机工作转速高、载荷大，对材料及结构都造成极大的挑战。结构的损坏往往也是发动机出现实质损害的先兆，如出现裂纹、震动等情况。比如说在高度旋转过程中，发动机的动平衡调教尤为重要。如果动平衡出现问题，轻则导致整机震动、工作不稳定等情况，重则导致整个发动机结构的不稳定。在航空发动机基础课程的学习中，学生可以对结构设计和强度知识有较为深刻的了解，在实际工作中增强对问题的分析解决能力。

除此之外，发动机控制、附件等系统均具有较好的工科知识基础。总之，航空发动机作为工业的集大成者，对于培养学生整体的工科知识基础具有十分重要的作用。

2.全局思维的养成

机务工作过程中，问题往往都不是独立的，而是相互耦合的。为了提高机务人员实际分析问题的能力，对机务的全局思维能力提出了更高的要求。系统的全局思维在机务工作中具有极为重要的作用。在遇到实际的维修问题时，出现的显性因素并不一定是解决问题的办法。实际的问题和原因需要通过机务人员通过系统的进行全局分析才能得知。

《航空发动机基础》课程具有完整的知识体系和分析方法理论，在培养学生全局思维方面有着非常大的优势。在发动机实际工作过程中，流体、固体、热学、电学问题相互耦合，互相联系。这就要求学生在学习航空发动机基础的过程中，综合的进行问题分析。通过对实际的航空发动机问题进行分析（如流动带来的振动问题，热学导致的结构问题等），学生在考虑问题时不再只是单纯针对部件本身，而是依靠系统的全局思维进行分析。

3.质量意识培养

航空是目前公认最安全的出行方式，这主要得益于航空业整体对质量的不懈追求。对于航空从业者，特别是机务人员，进行质量意识培养十分必要。质量意识的培养作为虚拟的意识形态培养，需要实际的课程和活动作榕嘌载体。

《航空发动机基础》课程是培养学生质量意识很好的载体，这主要是因为航空发动机设计过程极为严谨和缜密的设计态度。航空发动机工作环境极为恶劣，工作性能要求极高。因此航空发动机基础课程的学习过程，也是一个质量意识教育的过程。

《航空发动机基础》课程首先可以为学生搭建全面的工科知识体系，并在此基础上培养学生的全局思维及质量意识。基于以上分析，我们可以看到在机务培训中《航空发动机基础》是提升学生综合能力的学习平台，具有极为重要的地位。

【参考文献】

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摘要:本文主要介绍Fluent软件的组成结构、功能等，Fluent软件是流体软件中通用性比较强的商业软件，它具有计算方便、省时省力、模拟效果较好可以和试验相互验证等优点，在水利方面得到广泛应用。

关键词:Fluent软件;计算流体力学;数字模拟

流体力学是一门研究流体流动规律以及流体与固体相互作用的一门学科，研究的范围在水里中包括发动力内气体的流动，水里机械的工作原理，供水系统的设计，乃至航海航空和航天等领域内动力系统和外形设计等等。自从牛顿定律公布以来知道20世纪70年代初，研究流体运动规律的主要方法有3种:实验研究、理论分析方法和计算流体力学即数字模拟。但是实验研究耗费巨大，耗时耗力，而理论分析方法对于较复杂的非线性流动现象海域写无能为力，数字模拟需要很长的时间学习掌握微分方程求解以及对计算流体力学进行深入研究才能运用，由此，计算准确、界面有好、使用方便简单、能解决问题的商业计算软件应运而生。其中Fluent软件是通用性较强的软件，是用于计算流体流动和传热问题的程序[1，3]。

1Fluent软件介绍

Fluent软件是由美国Fluent公司推出的CFD(Comput ational Fluid Dynamics，即计算流体动力学)软件之一，在美国的市场占有率已高达60%，与流体、热传递及化学反应有关的工业均可使用，由于囊括了Fluent Dynamic International比利时Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技术力量，因此Fluent软件能推出多种优化的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理工具。Fluent软件基于有限元体积法，其思想实际上就是做很多模块，这样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模型来计算。主要用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换，可用于二维平面、二维轴对称和三维流动的分析，定常与非定常流动的分析，不可压缩流和可压缩流的计算，传热和热混合的分析，化学组分混合和反应的分析，多相流的分析，固体与流体耦合的传热分析，多孔介质的分析等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。Fluent软件是用C语言编写的，因此具有很大的灵活性与能力，可以完成内存动态的分配，解的灵活控制。Fluent的作用主要体现在缩短设计过程，减少实验室测定试验的数目，减少产品开发成本，也即为CFD的作用所在。

在Fluent5.0中，采用Gambit的专用前处理软件，使网格可以有多种形状。Gambit软件是Fluent公司提供的前处理器软件，它包含功能较强的几何建模能力和强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量网格。Gambit的功能主要包括3个方面:构造几何模型、划分网格和指定边界，其中网格划分是其最主要的功能，最终会生成包含边界信息的网格文件。另外，Gambit还提供了非常灵活的网格特性，用户可以方便地使用结构和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格;对于三维问题，可生成四面体、六面体、棱锥、楔形体及混合网格，还允许用户根据求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。使用Gambit软件，将可大大缩短用户在CFD应用过程中建立几何模型和流场以及划分网格所需要的时间。Fluent划分网格的途径有两种:一种是用Fluent提供的专用网格软件Gambit进行网格划分，另一种则是由其他的CAD 软件完成造型工作，再导入Gambit中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与Fluent兼容的网格用于Fluent计算。可以用于造型工作的CAD软件包括I-DEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。除了Gambit外，可以生成Fluent网格的网格软件还有ICEMCFD、GridGen等等。网格划分完成后保存*.dbs文件和输出*.msh文件。Fluent还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解又较大的梯度的流场很有实际的作用。由于网格自适应和调整只是需要加密的流动区域里实施，而非整个流场。因此可以节约计算时间。

Fluent求解器是Fluent的核心部分。在研究流体问题时，可以免去人工对N-S方程求解这一步，而将精力主要集中在所要研究方向上。减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质、优化算法选用、参数的设定以及初始边条件对最终流态影响的研究上。因而提高了工作效率，对问题的研究的深度广度都可以得到一定的提高。

例如，文献Lee J.H，Chen C.Q.Numerical simulation of line Puff via RNG k-e.model [J].Communication of nonlinear science and numerical simulation，1996，和Schulze.Simulation of flows past a series 60 ship hull applying a RNG k-e turbulence model on an unstructured grid[A].7th ISCFD[C].Beijing，China研究中的科学计算都是用的Fluent软件完成的。

Fluent或Tecplot是Fluent软件后处理器。后处理的功能包括:计算域的几何模型及网格显示、矢量图(如速度矢量图)、等值线图、填充型的等值线图(云图)、XY散点图、粒子轨迹图、图像处理功能(缩小、放大、旋转等)、借助后处理功能，还可以动态模型流动效果，直观地了解CFD的计算结果[1，2，7]。

2Fluent在水利工程中的应用发展

Fluent软件应用于水利水电工程，近两年来才有了长足的进展，但它必将成为研究和分析工程水力学问题的重要工具。

2.1在水工方面的应用

西北勘测设计研究院工程科研实验分院巨江等通过Fluent软件模拟了泄水建筑物溢洪道、泄洪闸工程泄洪时的泄流能力曲线、壁面压力分布、沿程水面线及流速分布，其结果与模型试验资料吻合良好。他们以积石峡溢洪道为工程算例，计算模拟了溢洪道的泄流能力曲线;计算获得了溢洪道内任意点的压力，试验仅测量了底板中线上的压力，将计算的堰面、泄槽底板以及挑流鼻坎上的压力分布与试验资料进行对比，发现计算的最大、最小压力及其位置与试验资料吻合良好;计算溢洪道泄槽水面线，并且与试验相比;还计算模拟不同断面垂线流速分布，并与试验相比较。从比较结果中可以看出，计算模拟值与试验值吻合良好。[4]

西安理工大学水利水电学院陈冲、魏文礼连同西安普迈项目管理有限公司严建军应用Fluent软件对闸后水跃强紊流区流速场进行了数值模拟，并将数值模拟结果与实测结果进行比较，表明它具有可行性与实用性。他们采用标准k～ε湍流模型封闭Reynolds方程作为紊流控制方程组，用几何重构VOF法追踪自由表面，用PISO算法计算流场，定义入口为速度进口;空气入口为压力进口;出口为压力出口，认为下游出口处紊流已经发展的很充分，服从静压分布。得到了闸后某断面沿水深方向的计算值和实验值对比图，从中可以看出计算值和实验值比较吻合，从而得出Fluent软件能很好的模拟紊流流动。[5]

2.2在节水灌溉方面的应用

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室聂磊、史玉升、魏青松、芦刚和水资源与水电工程技术国家重点实验室武汉大学董文楚采用通用流体模拟软件Fluent软件所提供的5种不同的湍流模型:标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Real2izable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型，对滴灌灌水器微流道内流场水流流动进行了数值模拟。通过对比模拟得出的灌水器的流量与实验室试验的结果，评价了不同的湍流模型对不同类型灌水器内流场流量模拟效果的影响，为灌水器内流场的理论分析以及灌水器流道结构的工程设计提供了一定的参考依据。[6]

3小结

Fluent软件在我国已经获得较好的应用。优点之一是应用于水流的计算机模拟，能取得和实验很接近的结果，并且有计算快速、简捷、方便的优点。它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数，如流速、压强等，而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布，能给出相关流场的具体信息。Fluent软件另一个主要优点就是它的后处理功能，它能清晰的显示不同计算时刻、不同位置断面处的水流运动参数。由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其必然会获得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。同时数值模拟可以提供更多的流场信息，与模型试验具有相辅相成的作用。但是对于模拟不规则边界的水流流动情况，还需要对Fluent 进行二次开发。

参考文献

1 韩占忠、王 敬、兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社，2008

2 王瑞金、张 凯、王 刚.Fluent技术基础与应用实例.北京:清华大学出版社，2007

3 王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社，2004

4 巨 江、刘少斌、杨晓池.Fluent软件在泄水工程中的应用.水力发电学报，2009.28(2)

5 聂 磊、史玉升、魏青松、芦 刚、董文楚.基于灌水器流量的湍流模型适应性研究.节水灌溉，2008(1)

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XFEM在计算精度上可满足要求,且在划分网格时无须考虑裂纹界面,在裂纹尖端应力奇异场附近不要求过密的网格,当裂纹扩展时不必重新划分网格,允许单元断开,可解决传统裂纹扩展分析中网格须重新划分的难题,适于模拟任意裂纹动态扩展问题.XFEM在Abaqus的设置也很简单,用户设定好材料等相关参数后,对模型进行XFEM的相关设置即可.所有定义可很方便地在Abaqus/CAE中完成,与XFEM的相关设置有:

图 1 Create Crack

对话框(1)切换到Interaction模块,在主菜单栏中选择SpecialCrackCreate,弹出Create Crack对话框(见图1),选择XFEM,单击Continue后选择裂纹区域,确定后进入Edit Crack对话框(见图2),用户可设置允许裂纹扩展、裂纹位置和contact property等参数.

图 2 Edit Crack对话框

(2)在Step模块中定义场输出时,需定义XFEM状态变量STATUSXFEM,以便在View后处理器中查看裂纹的相关结果.在Edit Field Output Request对话框中可选择变量STATUSXFEM(见

图3).

图 3 Edit Field Output Request对话框(部分)

2 如何在Abaqus/CAE中实现流固耦合分析?

DS SIMULIA公司于2010年开发出第3个求解器――计算流体动力学求解器Abaqus/CFD.它基于混合间断有限元法/有限体积法和有限元法,可解决与层流和湍流相关的流体力学问题

在Abaqus/CAE中,用户可尽可能地使用现有工具进行定义,使得不管是计算流体力学专家还是初学者都感觉像使用为实现流固耦合而建立的CFD前后处理工具的功能一样.用户不用通过第三方软件就可以在Abaqus/CAE中方便地实现Abaqus/Standard,Abaqus/Explicit与Abaqus/CFD的耦合,实现真正意义上的流固耦合操作过程为:

(1)用户需要定义2个模型的属性,一个定义为Standard/Explicit模型,另一个定义为CFD模型.在Abaqus/CAE的模型树中双击Models,出现定义模型属性的对话框(见图4),选择模型类型即可.

图 4 定义模型属性的对话框

(2)定义2个模型各自的部件、材料属性、分析步、载荷和边界条件等.

(3)耦合2个模型.具体操作为,激活其中1个模型,双击模型树中的Interaction,进入Create Interaction对话框(见图5),选择Step以及Fluid,Structure Co,simulation Boundary,点击Continue并选择耦合面后,进入Edit Interaction对话框,点击OK完成定义.另一个模型亦按照上述方法定义.

图 5 Create Interaction对话框

(4)建立耦合Job.在模型树中双击Co,execution,进入Edit Co,execution对话框(见图6),设定计算模型及参数.

图 6 Edit Co,execution对话框

3 如何实现求解器Abaqus/Standard与Abaqus/Explicit的协同仿真?求解器Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit各有优缺点对于应变变化较小且没有接触等非线性因素不强的区域,前者可很快收敛,且事件增量步可以设置得比较大;对于应变变化较大或复杂的接触区域,后者不存在收敛性,所以对该类问题计算速度很快二者的协同仿真可充分利用其各自优点,对于应变变化不大且没有接触或接触状态不复杂的区域,可用Abaqus/Standard计算,而对于应变变化较大或接触状态复杂的区域,用Abaqus/Explicit计算可大大提高计算效率.协同仿真的实现方法为:

(1)定义Standard和Explicit 2个模型.首先在Standard模型中将所有部件装配好,然后将其中要用于Explicit计算的部件拷贝到Explicit模型中.实现方法为:在主菜单栏中选择ModelCopy Objects,弹出Copy Objects对话框(见图7),根据需要将Standard模型中的相关instances拷贝到Explicit模型中.图 7 Copy Objects对话框

(2)激活Abaqus/Standard模型,在模型树中选中需要Link的部件,点击鼠标右键,选择Link Instances,弹出对话框(见图8),继续即可.Link完成后,这些Instance在Standard模型里将显示成灰色,便于用户检查模型.

图 8 Link Instances对话框

(3)分别定义2个模型的分析步、载荷和边界条件等.

(4)激活Abaqus/Explicit对应的模型,双击模型树中的Interaction,进入Create Interaction对话框,选择Standard,Explicit Co,simulation,点击Continue后,选择联合仿真面或者点,进入Edit Interaction对话框(见图9),完成相关定义即可.

图 9 Edit Interaction对话框