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篇1

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）06-0117-02

流體動力學的發展動力是生產的發展和需要，它的任務就是解決科學研究和工農業生產中遇到的有關流體流動的問題。因此，流體動力學涉及的技術部門較多，除了航空、水利之外，還涉及機械、動力、航海、冶金、建筑、環境等技術部門。[1]同樣，流體動力學作為高等學校一門專業基礎理論課程，所涉及的專業領域也較多，對各專業的多門后續課程的學習都有著重要的影響。流體動力學具有理論不易掌握、概念多而抽象、難以理解、易混淆、對高等數學知識要求高等特點。如果學生的高等數學知識薄弱，更容易造成“教師難教，學生難學”的現象。[2] [3]國內外學者在流體動力學課程教學方法改革方面做了較多的探討和研究。[4] [5] [6] 而且，流體動力學理論性較強，但并非純理論課程，它與工程實際是息息相關的。基于此，筆者根據流體動力學教學、設計及科研經驗，就流體動力學教學內容及考核方法方面的改革進行了研究。

針對流體動力學課程的特點以及教學過程中普遍存在的問題，本文首先明確了流體動力學教學內容及考核方法改革的目標：各高校應該根據自身辦學等條件，注意優化整合教學資源，注重理論教學融入實驗教學的思想，在教學內容設計、教學方法手段、考核方式方面，應在一定程度上突出學生的主體作用，建立良好教學氛圍，提高學生學習的主動性，培養學生熱愛科學、積極創新的思想和素質，真正使流體動力學這門課程起到從基礎理論到工程實際應用的橋梁作用，為學生后續的專業學習打下良好的基礎。

一、教學內容

（一）理論教學內容

在理論教學內容設計方面，可以將理論教學內容分為基本理論模塊、專業關聯模塊、理論拓展模塊、創新素質培養模塊四個模塊。這四個模塊分別具有以下的含義：

（1）基本理論模塊：由流體動力學這門課程中最基本的理論、技能構成，具有通識性。

（2）專業關聯模塊：由流體動力學這門課程中與專業直接關聯內容，或者與后續的專業學習相關聯的，利用基礎理論解決實際問題的理念和方法構成，是體現流體動力學這門課程，起到從基礎理論到工程應用橋梁作用的主要模塊。

（3）理論拓展模塊：由流體動力學這門課程中與本專業關聯度相對較小，但是概念更抽象、難度更大，有利于拓寬學生知識面、培養學生抽象思維能力的內容構成。

（4）創新素質培養模塊：由流體動力學這門課程中有利于培養學生創新的思維、創新的技能、創新的理論研究方法，甚至有利于人文素質教育的內容構成。

模塊的劃分應細化到每一個章節，并且明確在每個章節的權重，這樣可使教師明確地把握每一個章節的教學目標和培養目標。同時，學生也能夠掌握每一個章節的學習目標。如果學生在某一章節學習上出現問題，教師和學生能夠及時發現是在哪個模塊上出現了問題，這有利于教師及時改進教學方法，學生及時改進學習方法，及時解決問題，不至于出現問題堆積，影響學生對課程的學習的情況。而且，我們也應注意到，針對教材而言，每一章節的內容與內容之間都有著承上啟下、相互關聯的特點，當然，各章節之間也有一定聯系，在理論以及涉及的概念的深度方面也是逐步遞增的。因此，在講授過程中，還應注意同一內容多模塊化，以及模塊與模塊之間的關聯性，明確模塊之間的關聯點，而不能將模塊孤立化，往往造成只見樹木、不見森林的不良后果，使學生對每一部分的內容都了解得透徹，但由于不了解相互之間的關系，從而限制本課程學習過程中的理論拓展。例如：在講授“描述流體運動的兩種方法”的過程中，涉及兩個內容：拉格朗日法和歐拉法。基于本文的教學內容模塊化思想，其模塊化形式如圖1所示：

圖1 模塊構建示意圖

從圖中可以看到，“拉格朗日法”內容構成基本理論模塊，而“歐拉法”內容具有兩種模塊形式：基本理論模塊和創新素質培養模塊。其構成的原因有：（1） “歐拉法”不研究個別質點的運動規律，而對流場進行分析和計算，它是流體動力學理論研究和工程應用的基礎;（2） “歐拉法”的提出是創新思想的體現，因為它超越了常規的描述固體運動的思維方法，“歐拉法”是基于“拉格朗日法”的換位思考，而它的意義卻遠遠超過了“拉格朗日法”。在這部分內容的講授中，要注意模塊與模塊之間的關聯性，明確“拉格朗日法”與 “歐拉法”的關系，使學生能深入地理解“歐拉法”的思想以及相關的概念，為課程后續的學習打下良好的基礎。另一方面，可以針對學生的特點，借助“歐拉法”的換位思考法，起到培養學生人文素質的作用，引導學生采用換位思考方法，正確地面對人生的問題，使自己的人生觀和道德觀得到升華。

（二）實驗教學內容

由于流體動力學的研究方法主要有理論分析、實驗研究和數值模擬三種，其中實驗是學生應用理論解決實際問題，進一步加深對概念理解的重要環節。因此，在流體動力學的理論教學中，應注意融入實驗教學的思想。基于此，將實驗教學內容分為必做實驗模塊、選做實驗模塊、自行設計實驗模塊三個模塊。這三個模塊分別具有以下的含義：

（1）必做實驗模塊：由傳統驗證實驗構成。

（2）選做實驗模塊：由教師設計的實驗，或者與流體動力學課程相關的科研實驗構成。

（3）自行設計實驗模塊：由學生自行設計的實驗構成。

其中，在選做實驗模塊的實施過程中，關鍵是注意了解學校與流體動力學課程相關的科研實驗臺架和主要的科研實驗內容，優化整合實驗教學資源。針對大部分高校現有的條件，在自行設計實驗模塊的實施過程中具有一定的難度，但是可考慮利用先進的計算機技術，實現“虛擬實驗”，或者采用針對個別學生實施這部分實驗，然后再增加學生人數，逐步實現這一實驗模塊的教學。

二、教學方法手段

理論教學過程中以多媒體教學手段為主，多媒體課件的制作應結合本課程的教學規律，符合實際需要，將理論問題形象化，并注意將理論教學融入實驗教學和數值模擬的思想。

例如，“雷諾實驗”這部分內容的理論教學中，多媒體的制作可采用動畫的形式演示實驗的基本過程和結果，將層流和紊流兩種流態形象地表現出來。同時，可以借助實際工程中的數值模擬結果，更形象地反映這兩種流態的特點和工程實際的應用。這樣既說明了實驗和數值模擬之間相輔相成，又將實驗教學和數值模擬的思想融入理論教學中，由此起到培養學生科學研究能力的作用。

三、考核方式方法

由于考核的目的在于助學和改進教學方法。因此，本課程的考核應在一定程度能夠發揮學生的主體作用，這樣有利于良好教學氛圍的營造，有利于師生雙向的交流。具體的考核方式有多種，綜合的考核方式應該更合理，但操作起來也更復雜，可以采用先試點后鋪開的途徑。目前，大多數高校主要采用平時成績和期末成績綜合考核的方法。平時成績通常包括考勤、作業、實驗。平時成績的考核應是考核中最重要的內容，它是教師及時了解學生對該課程學習狀況、把握教學目標的關鍵。其中作業內容的設計和要求是不可忽視的，例如，可以采用必做題、選做題，不是盲目地采用題海戰術，這有利于調動學生學習的主動性，同時使學生對每一章節的學習有的放矢。對作業中的解題步驟和圖的繪制都應該有明確的要求，這樣有利于工程師卓越素質的培養。總之，平時成績的考核注重調動學生學習的主動性，培養工程師卓越素質，同時培養學生利用知識分析問題的能力和創新能力，在考核內容設計方面應該是考核目的的體現。

四、結語

流體動力學的學習對于學生后續專業基礎和專業課程的學習是非常重要的，作為一名優秀的教師，應該在教學實踐過程中，不斷地總結、反思所授的課程，而且要注意針對學生的特點，不斷改進和完善教學方法，幫助學生學好課程，同時還應起到育人的作用。

[ 注 釋 ]

[1] 莫乃榕.工程流體力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[2] 閔春華.流體力學教學中學生學習興趣的培養[J].消費導刊，2009（18）：199.

[3] 吳光林.《流體力學》課程教學改革的思考[J].科技信息（科技教研），2008（14）：172-173.

[4] 于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學課程教學改革與實踐[J].裝備與制造技術，2011（11）：205-207.

[5] 王峰，王宏燕.建筑環境與設備工程專業《流體力學》課程的教學改革[J].中國建設教育，2008（10）：12-12.

[6] 周滔.熱能動力專業《流體力學泵與風機》課程改革的基本思路[J].電力職業技術學刊，2009（4）：41-42.

篇2

關鍵詞 光電子學，質子照相，綜述，質子加速器，磁透鏡 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattan project），并持續到現在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發展的靜止“凍結”圖像.這一過程非常類似于醫學X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先，照相客體是厚度很大的高密度物質，要求能量足夠高;其次，客體內的流體動力學行為瞬時變化，要求曝光時間足夠短.

目前，世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應加速器組成的雙軸照相系統，一次實驗能從兩個垂直方向連續拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個軸，這是獲得三維數據的最小視軸數目，最多只能連續拍攝4幅圖像，不能進行多角度多時刻的輻射照相，獲得流體動力學試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥，電子束不能無限壓縮，束流打到轉換靶上，產生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm，制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實現對流體動力學試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動力學試驗的三維動態過程圖像.l995年，美國LANL的科學家Chris Morris提出用質子代替X射線進行流體動力學試驗透射成像［2］.首次質子照相得到的圖像，其非凡的質量出乎發明者的預料.后續的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據Morris回憶， 20世紀90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質子、中子和其他強子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個思路出發，研究了使用中子照相進行流體動力學試驗診斷的可能性.然而即使使用質子儲存環(PSR)的強脈沖產生中子，中子通量都不足以在流體動力學試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應是“為什么不用質子？” Morris將這些思想統一起來，利用高能質子束實現流體動力學試驗診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質子照相的實施應歸功于現代加速器具有產生高能質子和高強度質子的能力.促使發展質子照相技術最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統［4］，以及Nick King 在武器應用中發展改進的快速成像探測系統［5］.

高能質子束為內爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學試驗模型的厚度相匹配.射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短，則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長，則沒有投影產生.質子照相為流體動力學試驗提供了一種先進的診斷方法.

2 質子與物質相互作用機制

高能質子與物質相互作用的機制是質子照相原理的基礎.首先，需要從質子與物質的相互作用出發，對質子在物質中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質子都在被測物質內部并與其發生相互作用.質子與物質的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力，質子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞，以某種角度散射的質子保持其特性和動量，質子因受核力的強大作用，會偏轉很大角度， 這種現象叫做核彈性散射（如果采用角度準直器，這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產生亞原子粒子——π介子.當質子能量達到GeV量級，質子與原子核的強相互作用占主導地位.質子與物質原子核中的質子和中子發生非彈性核相互作用，造成質子束指數衰減，其衰減規律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分別為入射到被測物體上的質子通量和穿過被測物體的質子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當質子能量達到GeV量級，核反應截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質子能量達到GeV量級就足夠了.核反應截面不變有利于質子照相的密度重建，因為質子在客體中的散射過程可能導致質子能量發生變化.

由于質子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質相互作用. 當質子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產生很小的能量損失和方向變化:

質子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射，穿過原子核的每個質子，即使和核并不接近，也能導致質子方向發生小的變化，每個小散射效應可以累積，這種現象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀30年代建立.質子與原子核之間的庫侖力作用發生多重庫侖散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p為束動量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長度，其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序數.多重庫侖散射的結果很重要，特別是對重物質，最終導致圖像模糊.另一方面，因為Ri與材料的原子序數有關，也正是這個特性使質子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質子和電子之間也會產生庫侖力作用，通常是非彈性的.因為電子質量與質子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產生躍變，而對質子的方向和能量只產生緩變. 也就是說，質子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導致質子運動方向大的改變，但會導致質子能量的減少.20世紀30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當質子能量達到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關.如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位，則

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質子通過物體后損失能量，發生能量分散.磁透鏡對不同能量的質子聚焦位置不同，也將導致模糊，這就是所謂的色差［8］.

3 質子照相原理

質子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質和幾何結構.

由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質子束有不同的散射方向，形成一個相對于入射方向的錐形束，需要磁透鏡系統才能成像.如果質子照相的模糊效應持續存在的話，質子照相的潛力可能永遠不會被發掘出來.1995年，Morris發現磁透鏡能使質子聚焦進而消除模糊效應，最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來， LANL的另一位物理學家John Zumbro改進了磁透鏡系統的設計方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優點是它的消色差能力.加速器產生質子束并非是單一能量的束流，實驗客體對質子的散射增加了質子能量的分散，不同能量的質子具有不同的焦距，導致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設計使得入射到被測物體上的質子束具有角度-位置關聯，即質子與透鏡光軸夾角與質子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關聯系數與成像系統磁透鏡的設計有關［9］. 這樣，可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.

剩余的色差項為

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx為透鏡的色差系數，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質子的能量成反比.因此，為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響，質子束的能量越高越好.高能量意味著大規模和高造價，根據空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學試驗的精度要求，LANL為先進流體動力學試驗裝置 (AHF)建議的質子能量為50GeV.

質子照相技術的關鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統.圖1給出了LANL質子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質子束通過金屬薄片擴散，再經過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質子束在擊中物體前發散開來，以便覆蓋整個物體，避免了使用很厚的金屬作為擴束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負恒等透鏡組，分別是監控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據庫侖散射角的不同，在透鏡系統的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質子束區分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準直器，可以將某些散射角度的質子束準直掉，對允許的角度范圍進行積分，得到總質子通量為

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

第一個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］，則第一幅圖像接收到的質子通量為

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

第二個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

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

角度準直器的使用增加了圖像的對比度.根據物體的光程調節角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數據，可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數服從泊松統計分布，面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質子數應為104，每幅圖像大約需要的質子數應為1011. 如果一次流體動力學試驗需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質子總數達3×1013個.

4 質子照相裝置

質子照相技術自1995年首次在美國LANL被論證以來，LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學有關的關鍵科學問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態實驗（質子能量800MeV），小型動態實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復雜響應實驗（包括失效、不穩定性和微噴射等）以及驗證內爆過程后期的材料動力學和材料狀態的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學試驗的高能質子照相實驗（質子能量12GeV或24GeV）.進行高能質子照相的目的是:發展高能質子照相所需技術，驗證采用質子照相進行大尺度流體動力學試驗的能力，以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學試驗客體而言，質子照相的質量遠好于DARHT的照相結果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節，需將其劑量提高100倍.而且比照片質量更重要的是，質子照相具有定量的特性.質子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學試驗閃光照相設施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質子照相裝置包括質子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統，圖2給出了質子加速器和分束系統方案［12］.質子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器，一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調制器將質子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器，經過同步傳輸系統和使用分束器將質子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質子束穿過實驗靶后，磁透鏡系統對質子束信號進行分類，由探測系統記錄數據.實驗布局的復雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.

圖2 LANL的質子加速器和分束方案

LANL提出的質子照相裝置的主要指標:質子束能量達到50GeV，空間分辨率優于1mm，密度分辨率達到1%;每次加速的質子總數達3×1013個，每幅圖像的質子數達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續提供20個脈沖，視軸數12個，覆蓋角度達165°.這樣，一次流體動力學試驗可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發展質子照相的研究計劃.整個裝置預計投資20億美元，其中質子加速器系統使用原有的部分設備，需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年，分幾個階段進行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統.從目前的調研情況來看，原計劃2007年前完成的任務沒能按期完成.因此，這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5 質子照相與X射線照相的比較

我們通過與現有最好的流體動力學試驗裝置——DARHT比較來說明質子照相的特點和優勢［13］.

(1) 三維動態照相. 由于質子加速器固有的多脈沖能力和質子束分離技術，因此，質子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態過程圖像.質子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內爆運動過程的動態圖像. 而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外，質子照相不需要轉換靶，保證了多次連續照相不受影響，而X射線照相由于需要轉換靶，需要考慮束斑的影響.

(2) 精細結構分辨.高能質子穿透能力強，其穿透深度和流體動力學試驗模型達到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度，此時其穿透能力只有高能質子的1/10. 質子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質子散射能得到控制. 散射質子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質子對密度和材料都比較敏感，可以分辨密度差別不大的兩種物質.實際上，質子散射的利大于弊，它能用于識別物質的化學組成.利用兩個相同的磁透鏡系統和不同孔徑準直器串聯組成的兩級成像系統，通過對兩種不同準直孔徑得到的數據進行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感，故分辨不出密度差別不大的兩種物質.

(4) 曝光時間可調.質子加速器能夠產生持續時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此，質子照相可任意選定曝光時間和間隔.內爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔，對較慢的運動進行連續式“凍結”照相.當內爆速度變快時，可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定，一旦脈沖的時間間隔和持續時間固定，只能以固定的時間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質子是帶電粒子，直接與探測介質中的電子相互作用產生信號，因此，很薄的探測器就能將質子探測出來.如此薄的探測介質接收不到被探測客體中產生的中子和 γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像，沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法)，圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質子散射雖然也會引起圖像模糊，但質子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質子，而且能減小次級粒子的模糊效應.但不同能量質子的聚焦不同，也將導致模糊.Zumbro改進了透鏡系統，消色差提高了圖像品質.對于小尺寸物體的靜態質子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質子照相實驗已達到15μm，并有達到1.2μm的潛力.

6 結束語

質子照相是美國國防研究與基礎科學相結合而誕生的高度多用性的發明.質子照相若不是與國防基礎研究共同立項，也絕不會有如今的發展.雄厚的武器實驗基礎能持續提供人員和創新技術.質子照相極大地提高了流體動力學試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內爆壓縮的細節，多角度照相有利于建立完整的流體動力學模型，多幅連續照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來，科學家們加緊了對高能質子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學試驗的主要設備.總有一天，質子照相將代替X射線照相并對流體動力學試驗進行充分解釋.

參考文獻

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篇3

“纖維/高速氣流兩相流體動力學及“應用基礎研究”項目解決了纖維在高速氣流場中的耦合相互作用問題，這在國內外同類研究中未見報道。作為基礎科學研究項目，東華大學紡織學院獲得紡織之光2012年度科技獎一等獎的項目，為紡織新技術、新工藝的產生與發展奠定了基礎。

紡織氣流問題是紡織科學中的重要基礎性課題。自上世紀80年代高速氣流在噴氣織機、噴氣紡紗機得到商業化應用以來，在陸續產生了變形絲、網絡絲、空氣捻接、熔噴非織造和噴氣渦流紡紗等現代紡織新技術中，高速氣流技術已成為現代紡織加工的主流技術之一。

高速氣流與其加工對象——纖維或紗線之間的耦合作用特性是這些技術共有的基本特征。但是，國內外的相關研究還主要局限在低速氣流，纖維/高速氣流兩相流體動力學的基礎研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術的紡織應用提供有力的支撐。

項目研究團隊于1995年起，在國家自然科學基金委、教育部和上海市等科研計劃項目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學開展了系統的研究工作，實現了五個方面的技術創新。

作為項目組成員之一，東華大學教授曾泳春為我們做了更加詳細的介紹。首先，構建了基于柔彈性特征的纖維模型。“珠—桿”鏈式和基于有限單元法的纖維模型，將纖維的柔彈性物理特征納入其中，實現了纖維在高速氣流中位置、取向及變形的合理描述。二是揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運動變形規律。在國際上首次實現了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動的數值模擬，獲得了纖維運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規律。三是實現了紡紗噴嘴內高速氣流場流動特性的數值模擬與實驗測試。四是對纖維，高速氣流兩相流體動力學理論研究成果在高速氣流紡紗中進行應用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線毛羽的機理，設計了具有自主知識產權的紡紗噴嘴，實現了工藝的系統優化與成紗質量的精確預測。五是將纖維，高速氣流兩相流體動力學模型拓展應用于超細纖維紡絲拉伸技術中。

篇4

自上世紀80年代以來，高速氣流在紡織行業內逐漸得到廣泛應用，但業內對纖維/高速氣流兩相流體動力學的基礎研究還相對薄弱，難以為高速氣流技術的紡織應用提供有力的支撐。在這種背景下，項目研究團隊于1995年起，在國家自然科學基金委、教育部和上海市等科研計劃項目的支持下，圍繞纖維/高速氣流兩相流動力學開展了系統的研究工作。目前，該項目已通過評審驗收，研究工作的總體水平達到國際先進，形成了數項自主創新成果，主要表現為以下4 個方面。

針對纖維/氣流兩相流動中的剛性圓柱桿和橢圓形顆粒模型無法體現纖維柔性和彈性特征的不足，構建與完善了基于柔彈性特征的“珠-桿”鏈式纖維模型和基于有限單元法的纖維模型，新模型不僅可合理描述纖維的位置與取向，同時可有效表征纖維的彎曲、扭轉、拉伸等變形情況。

實現了紡紗噴嘴內高速氣流場流動特性的數值模擬與實驗測試。國內最早采用計算流體動力學（CFD）技術對紡織工藝中（如噴氣紡紗噴嘴內）高速氣流場特性進行數值模擬研究，并通過激光多普勒（LDV）技術和同粒子成像測速（PIV）技術以及高速攝影等實驗流體力學方法進行了測試，獲得的結果更加真實、可靠。

揭示了纖維在高速氣流場中的耦合作用特性與運動變形規律。采用拉格朗日-歐拉法構建了纖維/氣流的耦合動力學模型，在國際上首次實現了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動的數值模擬，獲得了纖維運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規律。

篇5

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0039-02

流體力學是一門研究流體的受力與運動規律的嚴密科學，是一門材料科學與工程專業中理論性和實踐性都較強的專業基礎課程。在流體力學的教學過程中，涉及到的數學公式很多，過程較為復雜。歷年來，學生們普遍認為流體力學課程枯燥無味，難以學懂，興趣不大，導致教學效果較差。分析材料科學與工程專業現狀可知，目前，該課程體系教學中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數學推導與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應用的有效結合；另一方面，忽視了課程的基礎作用，片面強調課程的專業性。為此，本文結合材料科學與工程專業的課程設置，對課程的教學環節進行了改革探索。課堂教學是提升學生認知的重要手段。筆者認為可以從以下幾個方面來提高流體力學的教學質量。

一、優化教學內容

縱觀材料科學與工程專業的流體力學課程體系，可將之分為基本理論知識、基本應用、實驗部分、與其他學科的交叉內容、工程實際應用等方面。在教學過程中，筆者認為采用模塊化教學方式能夠達到較好的效果。所謂模塊化教學是指根據學科或專業的不同需求選擇學習內容，將每個內容或環節定義為模塊。每個模塊的目標明確，針對性強，而且學時數相對較少，容易提高學生的學習效率。當然，各個模塊之間并不是孤立的，在教學實施過程中，模塊是相對獨立的，但從課程的整體架構上來說又是有機關聯的，步步為營，內容豐富，難度螺旋式上升，使整個流體力學課程具有較強的系統性和完整性。目前，國內材料科學與工程專業的流體力學課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學理想流體運動動力學實際流體運動：一元流體相似理論泵與風機。每部分的研究方法較為統一，所形成的體系由簡到繁、由易到難，并且很容易實現模塊化處理。例如在講授流體運動學基礎、動力學基礎時，可以先從實際流體流動的基本方程入手，使學生在本門課程開始就接觸到流體動力學的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動力學及一元流體動力學問題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動的條件代入有關方程，即可得到理想流體、一元流動的動力學方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點，條理清楚。這樣一來，教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學及理想流體動力學問題，就可略去大量的公式推導過程，節省了大量的課時，內容組織層次感較強，講起來重點更突出，教學過程卻相對簡化。

二、更新教材結構

同時，考慮到材料科學與工程專業的特色與應用范疇，非常有必要對教材內容進行優化處理，根據材料科學與工程的課堂要求，淡化一些理論推導過程，以工程應用為根本。從學生的學習規律來看，一般學生剛學習課程的時候積極性和重視程度都比較高，在學習時花費時間較長，但隨著課堂內容的推進，學生們的興趣減弱，教學內容和教學方法的改革與優化勢在必行。材料科學與工程專業的流體力學課程內容并不包括本領域的全部專業知識，主要講授流體流動的基本原理與基本思路，并側重于工程應用。因此，教材的選取要更具科學性，要根據專業特點和需要，結合學生興趣與學習層次，有針對性地選取講義，教材要更側重于基本原理與基本公式的講述與應用，做到簡單易懂，實用性較強。

三、激發學習興趣

在流體力學教學的開始，教師就應該緊緊抓住學生們的學習興趣，在緊扣教學計劃的基礎上，以當前熱點問題為引導，充分調動學生們的學習積極性。因此，在流體力學教學的過程中，如何將教學內容與工程實踐相結合，與熱點問題相結合，激發學生的學習興趣是提升教學效果的重要措施之一。比如在給學生上緒論課的時候，可以通過一些生動的圖片、視頻、動畫給學生形象地展示大自然與人類生活密切相關的流體力學現象，增強學生對流體力學的感性認識與興趣，如汽車為什么要做成流線型的；高爾夫球為什么在表面有很多坑；火箭為什么能夠上天；海岸為什么是弧形；戰斗機為什么頭部是尖的等。這些問題是日常生活中經常見到的，通過這些問題的設計與引導，可以讓學生們知道本課程的主要學習目標是什么，能解決什么樣的實際問題，讓學生們帶著疑問和興趣去學習，效果將事半功倍。

四、改革教學手段

目前，流體力學教學過程中教學手段較為豐富，但仍以板書和多媒體教學兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書為輔”的方法。多媒體教學較為直觀、形象，所傳輸的信息量巨大。同時，伴隨著信息網絡化大形勢的進一步深化，網絡電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時間。但這種方式也有不足之處，最主要表現在多媒體授課速度偏快，學生尚未形成知識結構體系就一帶而過，課堂上考慮的時間不足，很難形成師生之間的互動。相對而言，板書備課時間較長，課堂上書寫時間也較長，對于一些較難理解的內容，可以給學生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識點，易于形成師生間的“一問一答”式的互動關系。因此，在流體力學授課過程中宜采用二者結合的方式，對于系統性較差的知識點來說采用多媒體方式，而對于重點、難點內容則主要采用板書的形式，真正做到對該知識點的側重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學生對課程既有充足的知識量，又有重點突出，進而提高學生的學習效率。

五、重視實驗與工程教學

流體力學課是一門與工程實踐結合緊密的學科。因此，在課程開展的過程中應該對實驗課與工程教學進行重點關注。實驗教學目前可以分為演示型和驗證型，但教學方法單一，限制了學生分析問題、解決問題的能力；同時，由于長期以來實驗教學從屬于理論教學，實驗教學與工程教學的課程建設與發展受到了嚴重制約。因此非常有必要對實驗與工程教學進行改革來適應目前高校的培養模式。首先，實驗與工程教學要注重同專業知識相結合。傳統的實驗教學較多適用于試驗臺環境下，是國家根據課程規劃以及人才的知識結構需要設立的，這嚴重阻礙了學生們與工程實踐的有效溝通，因此，可以針對學生所學專業逐步設立既符合本專業又具有工程背景的可操作性較強的實驗項目，用以適應學生對專業領域知識的理解與創新需求。其次，有效利用高校科研優勢，促進實驗與工程教學的發展。以學科為依托，實現科研與教學互補，將科研成果引入實驗教學，這樣可以開闊學生視野，激發學生的創新思維。第三，實現基礎實驗與個性實驗的互補。在基礎實驗訓練的基礎上，開展一些更具有研究性和綜合性的實驗，這樣對理論知識的學習有一個較為有利的補充，同時也可以鍛煉學生們實驗設計、整體規劃的能力，積極調動學生們的學習積極性。

參考文獻：

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DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.198

0 引言

嬰兒培養箱是一種嬰幼兒保育設備，采用“空氣對流熱調節”的循環方式，維持嬰兒艙內域流場參數的穩定性。在空氣流動循環過程中，路程較長，過程復雜，空氣流動狀態比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態。本文以計算流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，對嬰兒培養箱內空氣流場進行的可視化模擬研究。

1 嬰兒培養箱空氣流動循環原理

目前，多數廠家生產的嬰兒培養箱是由風扇驅動，采用“縱向空氣對流熱調節”方式，維持內部空氣往復循環的過程。通過空氣入口，補充在循環過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風道結構的設計，控制空氣流場的分布狀態等。其空氣循環通道結構主要包括風扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內襯板、上內襯板、后內襯板、嬰兒床等。如圖1。

2 CFD建模與仿真

基于CFD的嬰兒培養箱內空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養箱內空氣流場仿真模型，利用CFD計算機流體仿真軟件進行仿真，并對仿真結果進行參數化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養箱內空氣流場循環過程[1]。

建立三維仿真模型，采用自適應網格的劃分方法進行網格劃分，采用瞬態模擬，設置流體計算域和風扇旋轉計算域。計算域介質為理想空氣，風扇旋轉域的運動模式為旋轉模式，旋轉速度為100rad/s。空氣進口溫度設為環境溫度25℃，出口溫度設置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設置為絕熱條件。

參照GB 11243-2008，在模型中設置五個監控點，分別命名為A、B、C、D、E，分別監控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據求解器收斂情況，判斷程序求解運行過程是否正常，及確認求解結束。

3 仿真結果分析

利用CFD軟件的后處理器對計算的數據結果進行參數化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點的速度和溫度進行分析，與樣機實測數據相比較，驗證仿真結果的合理性。如表1，2。

由表中數據可以看出，計算值與實測值的分布狀態一致，并且五個監控點速度平均值均在0.1m/s以下，監控點溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養箱內空氣流動狀態分析使用參數要求，因此可以確認仿真結果是合理的。

4 總結

基于CFD的嬰兒培養箱內流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養箱內空氣流動狀態，得到嬰兒培養箱內部空氣流動特性。經過仿真結果后處理分析，能夠進行全方位的視覺觀察嬰兒培養箱內部空氣的整個循環過程和流動特性，并提供詳細和完整的數據參數，實現了仿真模型的形象化，可視化，參數化，彌補理論分析的抽象化、簡單化和實驗分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進一步開展的系統研究，結構優化設計等方面提供參考數據。

參考文獻：

篇7

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0180-03

流體力學是人們在利用流體的過程中逐漸形成的一門學科，它起源于阿基米德對浮力的研究，由于數理學科和流體工程學科相互推動而得到發展[1]。現如今已經成為航空航天、車輛、機械、環境生物等工程學科的基礎之一。通過對流體力學的基礎理論的學習，結合汽車工況，發現流體力學在汽車設計中具有重要的應用。

汽車自19世紀末誕生至今，汽車工業以驚人的速度發展。當今21世紀科技突飛猛進，汽車工業已成為與人類生活息息相關的時代驕子。近年來，國家加大交通設施的投資建設，高速公路、高架橋等交通網絡四通八達，不僅縮短了城市之間的距離，更極大地改善了人的日常生活。為減少汽車的能耗、汽車的操縱穩定性以及改善汽車的動力性，對汽車設計中的安全性、環保性提出了更高的要求[2]。為此，本文以流體力學基本理論，對汽車行駛時的空氣阻力、汽車表面受到的壓力、氣動升力、氣動側力等不可忽視的關鍵因素進行理論分析，探討流體力學在汽車研究方面的應用。

一、基于流體力學的汽車空氣阻力分析

汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力主要分為摩擦阻力和壓力阻力，期中壓力阻力約占空氣阻力的91%，成為汽車阻力的主要作用。空氣作為流體，具有粘性，根據牛頓定律，粘性流體在流動過程中層與層之間存在相互作用，空氣在車身表面產生的切向力即為摩擦阻力，這是合力在行駛方向的分力；而作用在汽車車身表面上的法向壓力的合力稱之為壓力阻力，可分為形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力和誘導阻力。其中，形狀阻力是壓力阻力的主要部分，并與車身形狀有直接關系，是影響空氣阻力的主要因素；干擾阻力是車身表面凸起物引起的氣流干擾而產生的阻力，只占壓力阻力的14%；內循環阻力（12%）是空氣流經車體內部時構成的阻力；誘導阻力（7%）也叫壓差力，是由于流經車頂的氣流速度大于流經車底的氣流速度，使得車底的空氣壓力大于車頂，從而空氣作用在車身上的垂直方向的壓力形成壓力差[3，4]，如圖1所示。

空氣阻力是影響燃油消耗的重要因素。最大限度地減小整車空氣阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同時也能減少排放并降低使用成本[5]。有試驗表明，空氣阻力系數每降低10%，燃油節省7%左右。因此，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數的減小[4]。目前，汽車空氣阻力的計算或仿真多以流體仿真為基礎，從動力學理論出發，利用相應的物理模型，建立相關流體運動模型。采用的軟件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以來，PowerFLOW分析軟件是汽車行業中空氣動力學的重要工具。利用此軟件可以分析整車的總體空氣阻力數據外，也可以充分利用流場數據，研究環繞整個車身的空氣流體動力學行為，研究阻力的細化、量化等，以此來指導汽車設計并優化[5]。

二、基于流體力學的汽車表面壓力分析

汽車行駛時，前方氣流首先與車身前部作用，使氣流受阻，降低速度，在氣流壓力作用下，車頭前部形成一個正壓區，汽車周圍的壓強分布如圖2所示。這部分氣流分為兩股，一部分通過發動機罩、前擋風玻璃、駕駛室頂向后流去；另一部分，通過車身下部，向車尾流去，如圖2 b）中所示。流向上方的這股氣流在流經車頭上緣時，由于緣角半徑相對較小，氣流來不及轉折，導致局部分離，所以在上緣角附近存在很大的吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發動機罩上。

傳統的汽車外形設計、壓力分析等以風洞實驗研究為主，實驗成本極高[4，6]，對汽車外形的氣動特性研究十分困難。計算流體力學（CFD）是流體力學的一個重要分支，以計算機科學、數值計算方法的發展為基礎，是流體力學理論分析、計算科學及數值計算方法共同發展的產物。伴隨著CFD方法的不斷發展、進步，利用CFD軟件分析汽車氣動性能成為可能。采用這一軟件對空氣動力學的計算，能夠較為精確地分析汽車三維外流場，準確的研究汽車表面壓力，可以幫助工程技術人員直觀、深入地分析汽車氣動特性；更重要的是相對于實驗分析，CFD軟件研究可以縮短汽車設計研發周期、降低成本。

三、基于流體力學在氣動升力分析中的應用

汽車氣動升力的來源與機翼類似，由于汽車是在地面上行駛，地面效應是影響汽車氣動升力的重要因素。汽車氣動升力包括壓差升力和粘性升力，其中壓差升力占主要部分。壓差升力一方面是由于汽車上下表面曲率不同，形成上下表面壓差產生；另一方面是由于地面效應，汽車底部和地面之間形成了一個類似于漸縮噴管的氣流通道，使得汽車底部形成負升力。

研究表明，當汽車速度超過70km/h，車身所受的氣動力成為影響汽車性能的主要因素之一[7]。汽車在行駛中，氣動升力隨車速的提高，對汽車的穩定性和經濟性有一定的影響。氣動升力的存在降低了汽車輪胎對地面的壓力，影響了汽車的動力性和制動性能；同時，氣動升力的存在降低了輪胎的側向附著力和側偏剛度，從而影響了汽車的操縱穩定性[8]。

當汽車高速行駛時，氣動力對汽車各性能的影響占主要地位。隨著汽車速度的增加，汽車的滾動阻力受氣動升力的影響逐漸減小；而汽車的氣動阻力則隨著車速的增加迅速提高。研究表明，當汽車車速為70km/h左右時，汽車所受的氣動阻力和滾動阻力幾乎相同。當汽車車速大于150km/h后，所受的氣動阻力是滾動阻力的2―3倍。顯然，汽車高速行駛時，氣動升力的影響則更為顯著。所以為了保證安全，對高速行駛時的氣動升力提出了更高的要求[9]。

空氣作為汽車受力分析中的主要流體，在流過汽車車身的整個過程都受流體質量守恒、動量守恒和能量守恒等流體力學的支配。計算流體力學就是通過這些基本的控制方程來分析汽車周圍流場中空氣的運動。在理論方面，對氣動阻力和氣動升力的研究是根據伯努利提出的“路徑理論”為基礎進行分析[10]，這一理論基礎便是流體動力學，理論中要充分考慮雷諾數、流態等基本流體動力學要素；在數值計算上，也主要是基于氣動力學計算的流體模型進行分析。當今社會，車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快，所以解決高速行駛時發飄的問題是非常有必要而且是保障駕駛安全的重要舉措。

四、流體力學在氣動側力分析中的作用

危險不一定來自背后，危險也會來自側面。在高速下發生的交通事故，除了氣動升力的作用外，還有相當一部分是由于氣動側力的作用。當氣流與汽車的縱對稱面平行時，是不存在氣動側向力的。但在汽車實際行駛中，氣流不會總是與汽車的縱對稱面平行，當氣流與汽車存在橫偏角時，汽車都會產生氣動側向力。也就是說側向力的來源就是由于受到了側向氣流的作用。在實際h境中側向來流的來源比較復雜，如自然界陣風、汽車駛過大橋、車輛超車等情況。

氣動側力對汽車性能影響的研究是一個較廣泛的領域，而且對汽車主要性能有著不可忽略的影響[11]。汽車受側向風時，在車身側板處就會產生強烈的氣流。這一氣流的存在不但破壞了駕駛室與車身之間正常的小渦流狀態，而且還會形成旋渦稠密氣流區，增大車身正前方的阻力，使汽車相對原直線行駛方向發生偏移，造成潛在危險[12]，因此，氣動側力也是汽車設計中必須分析的一個重要因素之一。

自然界中的側向風變化非常復雜，側風的方向、波長的變化等都對流場產生重要影響，所以氣動側力的分析相對更加復雜。采用復雜的風洞實驗方法可以對側風進行研究，但利用風洞實驗再現汽車遇到側風的復雜工況是非常困難的。而采用計算流體動力學（CFD）方法研究瞬態側風是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態變化信息，可對實際行駛過程中的汽車氣動性能進行更深入的研究[13]。

五、結語

流體力學相關理論及對應的軟件在汽車研究設計中的應用受到越來越多的關注，不但可以節約成本、優化設計效果，相關軟件的使用也使設計更科學、安全、環保和人性化。現代汽車設計中，車輛的設計速度和公路允許的行車速度越來越快，空氣阻力是影響車輛動力性、燃油經濟性等汽車性能的重要影響因素，汽車的安全性能是當今人們高質量生活水平能得以保證的前提。充分利用流體力學在汽車空氣阻力、壓力、氣動力等方面的應用來提高車輛各方面的性能。流體力學與汽車設計相關知識的交叉，將對汽車實車造型與分析評價產生重大影響，逐漸成為汽車產品開發、設計的主要理論知識。

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篇8

           characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass graftingqi xingyi， hu qiangfu, huang weiqingdepartment of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, chinaabstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

   

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術的廣泛開展,人們對其血流動力學及病理生理變化的認識更加深入。非體外循環冠狀動脈旁路移植術(opcabg)與常規體外循環冠狀動脈旁路移植術(cabg)比較有很多優點,如不激活補體和炎癥系統,不消耗凝血因子和血小板,血細胞破壞減少,可降低圍手術期用血量,降低住院費用等等[ 1～3]。但由于opcab術中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標冠狀血管，因此血流動力學波動難以避免，有時會導致嚴重的后果，術中減少其變化是手術成功的關鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學指標的變化,以期發現術中血流動力學變化特點, 探討維持術中血流動力學穩定的管理措施。

   

1  資料與方法

1.1  一般資料

    

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分數(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術前1個月內發生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2  麻醉方法

    

術前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術日晨，術前1 h口服地西泮10mg,術前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮靜，入手術室后常規面罩吸氧，監測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續監測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內靜脈穿刺置入swan-ganz導管及三腔靜脈導管，經口置入食道超聲（tee）探頭。術中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術中自體血回收,維持血細胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復至術前水平。胸部正中切口, 取左乳內動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學的穩定，防止心肌缺血和心梗的發生，加強心肺腦腎和血液五大保護，促使病人早期拔管。

1.3  監測指標

    

于麻醉誘導后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術畢(t5)各時間點記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(ci) 、體循環阻力(svr) 、肺循環阻力(pvr)和右室射血分數(rvef) 。

1.4  統計方法

   

計量資料以均數±標準差(±s)表示。統計分析采用spss11.5統計軟件包，各個時間點的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

   

2  結  果

   

本組60例病人均按術前計劃在非體外循環下順利完成了心臟的完全再血管化。手術時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學數據。每例患者移植血管支數平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術期心肌梗塞。

    行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值（誘導后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學指標都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, ci、map、rvef較基礎值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎值明顯升高(p<0.05)。術畢各血流動力學指標趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1  60例非體外循環冠狀動脈旁路移植手術術中血流動力學變化(略)注：與誘導后15 min相比#p<0.05。

   

3  討  論

    opcabg由于不用體外循環,簡化了手術操作,縮短了手術時間,避免了體外循環帶來的損害,可獲得與體外循環下cabg同樣的效果，現在應用越來越普遍,而且適應證拓寬,尤其對于高危患者更有其優越性[4，5]。opcabg術中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學的穩定, 尤其是對于心功能較差者,可導致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴重者可導致心律紊亂及心跳驟停。因此,術中維護血流動力學穩定對于opcabg手術的成功至關重要。

    運用opcabg一般首先完成前降支的吻合,這是由于前降支分布區域的重要性及前降支顯露良好,無需過多地搬動心臟, 各心腔幾何結構無大幅度改變,對血流動力學影響較小。本組病人行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，血流動力學變化不大。前降支吻合完后，左室血供增加，可視心臟狀況予多巴胺3～5μg/kg·min 持續泵入以增加心肌收縮力，改善血流動力學。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap 、pvr明顯升高，svr 輕度升高，但比吻合lcx 時的變化幅度要小。其原因主要是心臟左旋、心尖抬高, 造成三尖瓣的部分梗阻和固定器對右室后壁心肌的直接壓迫, 心臟垂直位所致的右心室舒張性充盈障礙, 順應性下降, 肺阻力增加，右心收縮功能較差, 肺血流量和心輸出量（co）減少，為了維持co, hr代償性增加。tredelenburg使血液重分布,增加回心血量,改善前負荷,同增加的hr一起,補償心肌收縮力下降引起的co降低。mathison等[6]報道血流動力學衰減的主要原因是右心室舒張功能受損，導致co下降。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, 血流動力學波動最明顯，同基礎值相比,rvef顯著降低, ci、map顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr明顯升高，可能由于在進行吻合時,左室受到壓迫,但左室較厚,此時右室也受壓,心室壁較薄,進而引起右室功能明顯下降。說明在進行回旋支吻合時,右心功能受到較大影響。經食道超聲(tee)監測顯示,此時室間隔移向左側,左室無擴張,右室小部分被擠壓,這些改變都符合右室舒張功能受損的診斷。對于大心臟者,在搬動時尤其是進行回旋支吻合時,應打開右側胸膜腔為右心提供足夠的空間。另外,的變化對于維持右心功能也是非常重要的,在進行回旋支吻合時, trendenburg對于維持血壓及暴露血管非常重要。我們同時觀察到,如果固定器應用后,血壓經反復藥物調整后仍舊較低,可先心臟回位,等血流動力學指標穩定后再行固定,如此反復幾次可使絕大多數病人得以耐受。對于嚴重的左心功能不全的患者,術前應提倡應用主動脈內氣囊泵（iabp）以保證防止因為左心功能不全引起右心的衰竭。另外shane等[7]應用三維超聲動圖重建技術觀察到opcabg術中,暴露各支冠脈時都發生了二尖瓣變形,引起功能性二尖瓣狹窄或加重原有二尖瓣返流,最終引起sv下降,所以,二尖瓣關閉不全也是可能原因之一。同心電圖相比, tee觀察心肌缺血更敏感,當冠狀動脈被暫時阻斷時, tee可以觀察到局部心室壁的運動異常。這種運動異常在恢復灌注后30min基本消失。持續存在的新出現的室壁運動異常通常提示搭橋的冠狀動脈的通暢度不佳[8]。

    影響術中血流動力學變化的因素主要有冠狀動脈病變部位及程度、心功能、心肌氧供耗平衡狀態、心臟的變化等。冠心病病人的心肌氧供、氧耗平衡處于邊緣狀態，冠脈儲備能力差，只有降低心肌氧耗，才能保持心肌氧供耗的平衡。控制心率、血壓極其重要。術中心率一般小于70次/min，控制適當水平的血壓，血壓過低不能保證心肌的氧供，過高增加心臟的后負荷，增加心臟的氧耗。故應盡可能維持和改善其平衡狀態。tee可隨時觀察心臟的形態學及血流動力學變化，配合持續心電圖s-t段分析，可及時發現心臟缺血。對重癥擇期手術患者，充分的術前心功能調整，代償性擴大的心臟常可明顯縮小，而且大部分患者的心功能狀態和射血分數都會有一定程度的改善。可見術中密切觀察心臟狀況，控制液體平衡，及時發現心肌缺血，正確應用藥物輔助，opcabg是安全可行的。

【參考文獻】

  characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass grafting

qi xingyi， hu qiangfu, huang weiqing

department of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, china

abstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術的廣泛開展,人們對其血流動力學及病理生理變化的認識更加深入。非體外循環冠狀動脈旁路移植術(opcabg)與常規體外循環冠狀動脈旁路移植術(cabg)比較有很多優點,如不激活補體和炎癥系統,不消耗凝血因子和血小板,血細胞破壞減少,可降低圍手術期用血量,降低住院費用等等[ 1～3]。但由于opcab術中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標冠狀血管，因此血流動力學波動難以避免，有時會導致嚴重的后果，術中減少其變化是手術成功的關鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學指標的變化,以期發現術中血流動力學變化特點, 探討維持術中血流動力學穩定的管理措施。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分數(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術前1個月內發生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2 麻醉方法

術前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術日晨，術前1 h口服地西泮10mg,術前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮靜，入手術室后常規面罩吸氧，監測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續監測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內靜脈穿刺置入swan-ganz導管及三腔靜脈導管，經口置入食道超聲（tee）探頭。術中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術中自體血回收,維持血細胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復至術前水平。胸部正中切口, 取左乳內動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學的穩定，防止心肌缺血和心梗的發生，加強心肺腦腎和血液五大保護，促使病人早期拔管。

1.3 監測指標

于麻醉誘導后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術畢(t5)各時間點記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(ci) 、體循環阻力(svr) 、肺循環阻力(pvr)和右室射血分數(rvef) 。

1.4 統計方法

計量資料以均數±標準差(±s)表示。統計分析采用spss11.5統計軟件包，各個時間點的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

2 結 果

本組60例病人均按術前計劃在非體外循環下順利完成了心臟的完全再血管化。手術時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學數據。每例患者移植血管支數平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術期心肌梗塞。

行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值（誘導后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學指標都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, ci、map、rvef較基礎值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎值明顯升高(p<0.05)。術畢各血流動力學指標趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1 60例非體外循環冠狀動脈旁路移植手術術中血流動力學變化(略)注：與誘導后15 min相比#p<0.05。

3 討 論

篇9

往復式壓縮機是石油、天然氣、化工及電力等工業生產中的重要機械設備，其管道系統又是實現物質運輸的主要途徑，然而管道系統的振動會對安全生產造成很大的威脅，眾多生產實踐表明壓縮機管路的絕大多數振動問題都是由氣流脈動引起的，而壓縮機吸排氣的間歇性、周期性特點是產生氣流脈動的主要原因。因此研究氣流脈動的產生機理，建立合理的流體動力學模型進行管道中氣流脈動的預測具有重要的理論意義和工程實用價值。

現有研究氣流脈動較為成熟的方法大多基于平面波動理論[1]或一維非定常流動理論[2]，它們均未考慮流體流動時湍流的影響，同時對緩沖器、孔板、冷卻器、分離器等管路元件的氣流脈動計算精度也較差。隨著計算機速度的提高和近年來CFD技術的發展，選用有限元方法[3，4]及有限容積法[5]計算管系的氣流脈動取得了一定的成效。CFD方法[6]應用于穩態的工業流場模擬已有較多的報道，但對非穩態的脈動流場研究較少。

本文基于CFD方法建立管道系統流體動力學模型。在考慮湍流的情況下[7]，模擬了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系統非定常流動時氣流脈動及流場特性。通過和實驗數據對比驗證了CFD方法計算管道系統氣流脈動的合理性及準確性。

一、CFD模擬計算理論

目前廣泛用于計算流體力學的數值方法有有限差分法、有限元法、有限體積法等，其目的都是將控制方程離散化，本文用到的CFD軟件FLUENT[8-9]采用有限體積法將非線性偏微分方程轉變為網格單元上的線性代數方程，然后通過求解線性方程組得出流場的解。因此對于所有流動，FLUENT都求解質量和動量守恒方程；對于包含傳熱或可壓性流動，還需要增加能量守恒方程；如果是湍流問題，還有相應的輸運方程需要求解；我們稱以上各方程為控制方程。根據模型特點，本文所用FLUENT中的標準 湍流模型對低速可壓管流問題有良好的表現。

1.統一控制方程形式

式中， 為通用變量，可以代表 ， ， ， 等求解變量； 為廣義擴散系數； 為廣義源項 ，式中各項依次為瞬態項（transient term）、對流項（convective term）、擴散項（diffusive term）和源項（source term）。

2.標準 方程

標準 模型需要求解湍動能 和耗散率 方程。該模型假設流體流動為完全湍流，忽略分子的粘性影響。該模型的湍動能 和耗散率 方程為：

-由于平均速度梯度引起的湍動能；

-由于浮力影響引起的湍動能；

-可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

-湍流粘性系數， 。

此模型中的各個常數在FLUENT中的默認值為 ，

，湍動能 和 耗散率 的湍流普朗特數分別為： ，

該模型適合對完全湍流流動的模擬。

二、氣流壓力脈動實驗及管道系統計算模型

1.孔板消減氣流脈動實驗

為了對管道系統氣流脈動的模擬結果進行驗證，依照圖1搭建了往復式壓縮機管道系統壓力脈動測試實驗平臺。測試系統主要由一臺往復式壓縮機、變頻器、與其相連的管道系統、直流穩壓電源、壓力傳感器、示波器、數據采集及分析系統組成。

2.管道系統的計算模型

根據搭建的管道系統實驗平臺，在不影響模擬結果的前提下，為提高計算效率采用如圖2所示（尺寸單位為mm）的二維計算模型。將模型導入Gambit中劃分單元網格，網格類型采用非結構化（Pave）

的四邊形網格（Quad），共得到17644個單元。最后在Gambit中對管道系統添加邊界條件，入口邊界條件采用非定常壓力入口邊界條件，出口邊界條件為壓力出口邊界。

三、氣流脈動模擬及實驗分析

1.模擬分析

將在Gambit中化分好的網格模型導入Fluent中，在Fluent中根據管道內部介質的性質采用基于密度（耦合式）的隱式2ddp（二維雙精度）求解器，并指定其計算模式為非穩態；計算模型選擇標準

雙方程湍流模型；流體類材料為理想空氣。根據現場實驗條件，出口邊界條件采用非定常壓力邊界條件： （根據其公式用C語言編譯非定常速度UDF函數）即施加一個頻率為7.3Hz（模擬轉速為438r·min-1壓縮機）、壓力不均勻度為24%的脈動壓力條件，入口邊界條件采用定常壓力邊界條件（由儲氣罐上的背壓閥控制），文中設定為101325Pa。圖3為未加孔板時緩沖器前后壓力脈動曲線圖，由圖可以看出緩沖器對消減氣流脈動有一定的作用；圖4為加入孔徑比為0.5的孔板后緩沖器前后壓力脈動曲線圖，對比圖4發現孔板對消減氣流脈動有明顯的作用效果，但在加入孔板時需要選擇適當的孔徑比，由圖可知0.5的孔徑比衰減效果很理想。

2.實驗測試結果

圖5為當壓縮機以438 r？min-1轉速運行時，添加孔徑比為0.5，厚度為8mm的孔板后，孔板前后主管線上壓力脈動的對比圖；與模擬結果 （圖4所示曲線）十分吻合。從二者對比結果可看出利用CFD的方法計算管道系統的脈動壓力具有直觀、形象、準確的特點。

四、結論

1.基于CFD技術，通過利用FLUENT軟件對管道系統內部流場的計算，直觀形象的驗證了緩沖器、孔板等管路原件對氣流脈動的消減作用。

2.通過與實驗數據的對照，發現利用CFD技術計算氣流脈動更加可靠、準確。

參考文獻

[1]黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動[M].陜西西安：西安交通大學出版社，1984：7.143.

[2]陳守五，黃幼玲.往復式壓縮機一維不穩定氣流方程的數值解法[J].西安交通大學學報，1982，1：55～66.

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[4]Ing.Attilio Brighenti，Ing.Andrea Pavan.ACUSCOMP and ACUSYS-A powerful hybrid linear/nonlinear simulation suite to analyses pressure pulsations in piping[M].Italy：SATE Systems and Advanced Technology Engineering，Santa Croce 664/A，301 35 Venezia，2006，7 23-27.

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[7] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

篇10

一、概述

伯努利方程是理想流體作穩定流動的動力學方程，意為流體在忽略粘性損失的流動中，流管中任意截面位置處的動壓和靜壓之和為一個常量。這個理論是由瑞士數學家D.（Bernoulli，Daniel）在1738年提出的，當時被稱為伯努利原理。后人又將重力場中歐拉方程在定常流動時沿流線的積分稱為伯努利積分，將重力場中無粘性流體定常絕熱流動的能量方程稱為伯努利定理。這些統稱為伯努利方程，是流體動力學基本方程之一。

對于重力場中的不可壓縮均質流體，伯努利方程為：

式中p、ρ、v分別為流管中任一截面處流體的壓強、密度以及流速；h為截面所處的高度；g重力加速度。

從能量的角度來理解伯努利方程，則上式等式左邊從左向右依次表示為單位體積流體的壓強能、動能和重力勢能，在沿流線運動過程中，總和保持不變，即總能量守恒。顯然，二、推導思路及注意的問題

（一）推導思路

從作功和能量的轉換關系出發，結合圖1，假設流體從左往右流（圖1所示為從下往上）對伯努利方程的推導思路總結如下：

1.首先，需要對研究對象（一段流體）進行受力分析，如果用功能原理來推導，則重力當成是內力不需考慮，但若用動能定理來推導的話，則需要考慮重力，它是屬于外力范疇的。很明顯，除了重力以外，流體還受到了來自周圍流體或管壁的壓力及前后流體的壓力作用。

2.接著在1的基礎上，再對各力的作功情況進行分析，即在所有的外力中，哪些力是作功的，哪些是不作功的，由于功是有正負之分的，所以在作了功的外力中，還要分清楚哪些力是作正功的，哪些是作負功的。在圖1中，重力作負功，周圍或管壁所施的壓力垂直于流管的側面，因此是不作功的；來自后面流體的壓力起到推動流體往前流動的作用，因此作正功，而前面流體起到阻礙流動的作用，因此其施加的壓力在流動的過程中是作負功的。

3.接著在完成步驟2后，把每個外力作功的結果用數學表達式表示出來，即可得出“凈功Δw”，注意它是所有外力所作功的“代數和”。

4.根據功能原理或動能定理寫出最后的結果。

（二）需注意的一些問題

1.我們在理想流體流動的空間中取出一段流管，為什么假設流體是從下往上流而不是從上往下流的呢？因為如果取成從上往下流的話，很明顯，由于流體是理想流體，在流動的過程中，流體之間是不存在摩擦力的，這樣勢必會存在一個往下的加速度，從而使得流體加速流動，也就是說，這樣的結果是為：不能保證在同一個位置不同的流體粒子前后不同時刻經過該位置時，保持流速是不變的。換句話說，這樣的流動并不是穩定流動。

2.運用動能定理的時候要注意，Δw=Ek2-Ek1，其中（Ek2-Ek1）表示的是該段流體末初兩狀態的動能差，圖中所示的v2和v1分別表示的是y和x這兩個位置處的截面處的平均流速，它們不能代表整段研究流體的總的末初兩態的平均流速，所以不能直接利用動能的定義式 來表示該段流體所具有的初末兩態的動能。但是（Ek2-Ek1）最終寫成與 是相等時，而這里的m則表示的不是整段流體的質量，而僅表示為xx′或yy′段流體的質量，這兩段流體的質量和體積都是相等的。

3.圖中所示的h1和h2表示的是x和y兩個位置截面所處的高度，它們并不能代表所研究的這段流體的初態和末態的重心高度。所以寫重力作功表達式的時候得注意，不能直接利用重力勢能的定義式mgh來表示初末態的重力勢能。但重力所做的功的最終結果表示為（mgh1-mgh2），這里的m與上2中的意思相同。

三、結束語

伯努利方程在流體動力學中非常重要，雖然它的對象是針對理想流體的，是理想流體就需滿足兩個絕對化的條件：①絕對不可壓縮；②完全沒有粘性。而對于實際的流體而言，并不完全滿足以上兩個條件，但是在壓縮性和粘性都很小的情況下，實際的液體或氣體可近似看成是理想流體，當它們作穩定流動時，伯努利方程同樣是可以用來描述其運動規律。文章針對伯努利方程的推導思路進行了分析總結，并從細節方面對需注意的地方進行了探討。

參考文獻

[1]徐愛英.伯努利方程的推導.科技信息