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流體力學研究方向范文1
【關鍵詞】高職教育 流體力學 教學改革 理實一體化 學習工作頁
【中圖分類號】G712 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）04-0237-02
1.引言
流體力學是力學的一個分支，在動力工程、城市建筑工程、環境工程、航空航天工程、航海工程、水利工程等領域廣泛應用[1]。因此《流體力學》是建筑工程、建筑設備工程、道路與橋梁工程等高職建筑類專業的一門重要的專業基礎課。該課程的理論性強，抽象概念多，與數學、物理、理論力學等學科有緊密聯系，一直以來都是教師 “難教”、學生 “難學”的一門課程。本文根據該課程在高職建筑類專業中的應用需要，結合目前高職學生特點，從教學手段、理實一體化、教學過程設計、課程考核方式等方面進行教學改革探索，并分析教師和學生角色轉換對教學效果的影響。
2.教學中存在的一些問題
2.1學生基礎差
隨著近幾年高考生源大幅減少，全國各省市的高職高專分數線降低至200分甚至更低，由此可知高職教學面對的生源學習成績較差，數學和物理基礎薄弱。因此，學生基礎差成為目前高職《流體力學》教學面臨的一項重大障礙，但是我們無法改變學生的過去，必須根據目前教學對象的特點調整教學方法，提高教學效果。
2.2 教學手段單一
《流體力學》是一門傳統經典學科，教學內容非常固定，于是長年從事該課程教學的教師往往根據自己的喜好，采用一種固定的教學手段。有的教師每次上課都是一本書、一根粉筆，根本不采用現代教學手段，不宜幫助學生理解《流體力學》中抽象的概念或現象；有的教師將教材中的文字轉移到PPT課件中照本宣科，學生很快就會在課堂上進入“夢鄉”。如此單一的教學手段，勢必事倍功半，教師感覺上課很累，學生學習效果也不好。
2.3 教學設計過于簡單
大部分教師仍然采用傳統的以講授為主的“填鴨式”教學模式，上課只是為了完成自己的講課任務，不關心教學效果，不重視教學設計。教學設計只是采用“集中講授、集中聽課”的簡單過程。
2.4 考核方式單一[2]
《流體力學》由于其理論性強的特點，傳統教學中大多數教師采用單一的期末考試形式評價學生的學習效果。考試從一定程度上確實能反應學生對知識的掌握程度，但不能全面反應平時的學習態度和學習效果，不能反應學生對知識的綜合應用能力。
3.教學改革
3.1 教學手段多樣化
隨著科技的發展，現代教學手段越來越多，多種教學手段的組合可以充分調動學生的視覺、聽覺、觸覺等各種感官。
（1）PPT課件
PPT課件是目前應用最廣泛的一種教學手段，通過PPT可以充分的展示教學的文字內容和圖片，并且PPT中的動畫設置可以突出一部分教學內容，吸引學生注意力。比如“測壓管水頭線和總頭線”的教學中，可以在PPT圖片中設置測壓管水頭線和總頭線用不同的顏色顯示，并根據講解需要自定義線條出現的時間順序。
（2）板書
板書是最傳統的教學手段，但是在PPT廣泛應用的今天，板書的利用率在降低[3]。不過，筆者認為如果將PPT和板書結合起來能夠發揮它們各自的長處，比如《流體力學》計算題的講解，如果只用板書需要將題干內容和插圖以及解題過程均書寫到黑板上，費時費力；如果全部以PPT顯示，學生往往很難體會到解題的過程，且長時間看PPT很容易感覺單調分散精力；如果將板書和PPT結合起來，將題干內容和插圖在PPT中顯示，而解題過程由教師隨著講解按步驟書寫到黑板上，既節省了題干書寫和畫圖的過程，又能夠通過板書帶著學生一步步展開解題過程[4]。
（3）視頻
《流體力學》一些抽象的概念或現象，有時僅僅用語言或圖片很難生動地描述或展示給學生，比如流線的概念，教師可以借助流線演示實驗視頻，通過多媒體展示給學生。視頻至少播放兩遍，第一遍完整播放讓學生對實驗現象先有個初步認識，然后帶著疑問觀看第二遍，第二遍播放過程中教師根據需要點擊暫停鍵進行講解。視頻教學手段的應用有效解決了缺乏實驗裝置無法演示或者學生人數過多實驗裝置現場演示觀看不清的問題。
（4）flas
flas在教學中的應用也越來越廣泛，《流體力學》中一些實驗現象比如雷諾實驗可以做成flas代替視頻演示。教師也可以結合本校的實驗裝置將實驗操作步驟做成flas，在學生實驗操作前通過多媒體演示，比教師守著實驗裝置講解更清晰更生動。
上述教學手段在一次課的教學過程中根據教學內容的需要至少要用到兩種，只有不斷的變換教學手段，才能夠將“愛走神”學生的心思拉回到課堂上來。
3.2 理實一體化
在傳統教學中，往往將《流體力學》課程分為理論教學與實驗教學兩個階段，一般在學期最后1～2周集中進行實驗教學，這種教學方式將理論學習與實驗操作隔離開。筆者改變這種教學方式，將理論教學和實驗教學融為一體，即將實驗教學插入到相關章節理論教學過程中，使學生在實驗室同時完成理論知識的學習和實驗任務。這種理實一體化的教學方式，可以通過實驗現象演示幫助學生理解抽象的理論知識，比如恒定流與非恒定流的演示、虹吸現象演示；通過實驗操作和數據處理，幫助學生掌握理論知識的應用，比如將“畢托管測速實驗”插入到“能量方程的應用――畢托管測速原理”的教學中，“沿程阻力實驗”插入到“紊流沿程阻力系數”的教學中。
3.3 教學設計過程化
教學設計主要是以促進學生的學習為根本目的，運用系統方法，將學習理論與教學理論等的原理轉換成對教學目標、教學內容、教學方法和教學策略、教學評價等環節進行具體計劃、創設有效的教與學系統的“過程”或“程序”[5]。隨著對課堂教學的不斷反思，“滿堂灌”的教學方式已為人詬病。如何避免出現“滿堂灌”的教學方式，就需要教師課前進行精心的教學設計，結合教學內容不斷調整教學手段，變換學生行為狀態，讓每一次課堂教學都處于動態變化中，充分調動學生積極性。教學設計要帶著“為什么學”、“學什么”、“如何學”、“如何評價”四個問題進行，進而確定教學目標、教學內容、教學策略、評價策略。
教學目標的設定要將傳統的以知識為出發點的目標轉換為以能力為出發點的目標，比如將“掌握恒定流能量方程”轉換為“（1）使學生能寫出總流能量方程并復述各項的含義；（2）使學生能繪制總水頭線與測壓管水頭線；（3）使學生能應用總流能量方程解決有關工程實際問題”。
教學內容應根據具體專業的需求進行選取，比如管路的計算在建筑設備工程技術專業應用廣泛應增加相應學時比重，而明渠水流應在道路與橋梁工程專業教學中增加學時比重。
教學策略是教學設計的重中之重，是為實現教學目標而制定的、付諸于教學過程實施的整體方案，它包括合理組織教學過程，選擇具體的教學方法和材料，制定教師與學生所遵守的教學行為程序[6]。因此，教師應將課堂教學劃分為幾個階段，比如“沿程阻力系數”一節內容的學習，筆者將其劃分為4個階段。第1階段理論講解綜合應用PPT、視頻錄像、板書等教學手段。第2階段提出沿程阻力系數如何測定的問題，結合實驗裝置布置實驗任務。第3階段各小組合作完成實驗操作與數據處理。第4階段抽查1～2個小組進行匯報。在整個教學過程中充分調動了學生的腦、眼、耳、手各個器官。上課前，教師給每位學生下發提前制作好的學習過程工作頁，讓學生明了每個階段要做的事情，并認真填寫工作頁，也方便教師檢查每位學生的學習過程。
評價策略就是如何對學生的學習過程和成果進行評價，評價是課堂教學的最后環節，也是重要環節，一個科學、合理、公平的評價策略能充分調動學生的積極性，直接影響教學程序的執行情況。比如把課堂回答問題、完成任務的先后順序、成果展示等都賦予一定的分值，讓“掙分”成為教學過程有效執行的動力。
3.4課程考核方式多元化
筆者采用平時表現（遵守紀律、完成作業、課堂作答等，占30%）+實驗操作與數據處理（占30%）+期末考試（占40%）的綜合考核方式，對于平時表現和實驗操作與數據處理取得相應分值比例95%以上的學生采取免考的方式。通過這種考核方式既能全面檢驗學生的學習態度和學習效果，又能最大程度上調動學生學習參與性，讓其重視學習的過程，這與教學設計的過程化是相呼應的。
4.角色轉換
在傳統教學中，教師的角色和學生的角色是固定的，教師是講授者，學生是接受者?！读黧w力學》教學改革必須率先改革這種陳舊的思想意識，教師的角色應隨著教學設計而不斷變換，可能是講授者，也可能是主持者或輔導者或評價者。而學生的角色也在不斷轉換，可能是實驗操作者，也可能是數據記錄者或團隊代言者或評價者。
教師角色的轉換改變教師的傳統形象，有利于融入學生，增進師生感情交流，提高教學效果。學生角色轉換改變死板學習氣氛，有利于增加學習趣味性，培養學生團隊意識，提高溝通交流、語言表達能力。
5.結語
總之，《流體力學》作為高職建筑類專業的一門重要基礎課程，由于其自身特點和當前高職學生特點，必須不斷進行教學改革，通過教學手段、理實結合、教學設計、考核方式等全過程優化，探索適合該課程的教學方法。教學改革必須以學生為主體，以增強教學效果為根本目的，培養學生知識應用、創新、團隊合作等綜合能力。
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作者簡介：
秦紀偉（1984-），男，河南周口人，北京京北職業技術學院講師，碩士研究生學歷。研究方向：建筑給水排水工程。
流體力學研究方向范文2
【關鍵詞】三本院校：工程力學；課程教學；現狀；教學改革
目前企業對人才觀念有了很大的改變，之前企業過于重視技能型人員的需求，而現在很多企業更加注重綜合型人才的需求。就目前教育體系而言，職業技能素質并不能完全代表勞動者的素質，因為職業道德、職業精神、安全意識、社會責任感、環保意識、團結協作能力以及矛盾處理能力等都是勞動者素質的范疇。所以培養熟練技能的勞動者并不是職業教育的唯一目標，培養具有社會責任的公民也是職業教育的主要目的。隨著時代的發展，在教育觀念方面，素質觀逐漸取代技能觀，培養學生的全面發展、讓學生成為綜合型人才已經成為現代職業教育的主要發展趨勢。企業人才需求的觀念是促進工程力學課程改革最主要的因素。
一、工程力學的應用
工程力學應用的范圍主要有：材料力學、固體力學、流體力學、結構力學四種類型。具體內容如下：①材料力學。在物品生產過程中，材料選擇十分重要，材料自身的剛度、強度以及韌性決定了物品使用的穩定性。在生活中，機械生產、建筑結構都運用到材料力學。就連零食的包裝袋、鉚釘在設計、生產的過程中也必須涉及到材料力學。②固體力學。固體力學研究內容涉及物體的塑性、彈性以及線性等諸多問題。固體力學主要應用于航空航天、房屋橋梁建設等行業。此外，在地質勘探的過程中也離不開固體力學原理的支持。③流體力學。在地球上水和空氣是最常見的流體物質，因此水與空氣是流體力學主要的研究領域。像飛行器、潛艇、水面艦艇、航母等軍工業的發展都運用到流體力學原理。同時，像石油、天然氣、地下水等與人們休戚相關的資源開發也需要流體力學原料的支持。④結構力學。結構力學主要分為：狹義結構力學與廣義結構力學這兩種范圍。狹義結構力學的研究內容有：杠桿組成的體系、平面杠桿系。廣義結構力學研究內容有：平板、殼體以及塊體等領域。像汽車生產、橋梁與居民住宅建設、配電系統架構都運用到結構力學。同時在地球地質運動的研究、地震監測系統的建設等領域也存在結構力學的身影?？梢哉f，工程力學應用與我們的生產、生活有著密切的聯系。
二、三本院校工程力學課程教學中存在的問題
1、課程內容不系統
工程力學是力學的一個分支，它主要涉及機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等各種工程與力學結合的領域，分為六大研究方向：非線性力學與工程、工程穩定性分析及控制技術、應力與變形測量理論和破壞檢測技術、數值分析方法與工程應用、工程材料物理力學性質、工程動力學與工程爆破。盡管工程力學一直是我國各大高校的重點專業，但是對于課程內容的選擇不夠系統。尤其是三本院校，由于教育投入相對較低，很多三本院校課程內容的設置并沒有緊跟社會的需求，并沒有以學生自身發展為中心。工程力學的學術含量較高，課程內容不系統導致畢業生缺乏社競爭力。
2、忽視實踐
工程力學課程和其它專業課程存在明顯不同，它是集理論與實踐于一身的課程。但是就目前實際教學情況而言，很多三本院校忽視工程力學實訓內容。主要體現在以下兩點：第一，實訓課程比例較小。在工程力學課程的教學過程中，實訓課程和理論課程的比例通常為3：7，不平衡的課程比例，會影響學生的實踐能力，不利于學生動手能力的培養。此外，實訓課程安排時間過于集中，通常在一段時間內全部為實訓課程。第二，實訓成績占總成績的比例較低。在工程力學考試中，很多高校還是以筆試成績為主，忽視學生的實訓成績，這會讓學生從思想意識是忽視實訓課程的學習。
三、工程力學教學方法改革的措施
1、增加實踐
實訓是學生實踐的重要體現，理論和實踐之間存在非常緊密的聯系。理論指導實踐的發展，而實踐可以檢驗出理論的正確性，它們之間相輔相成。長期以來，很多高校忽視工程力學實訓課程的發展，阻礙了學生實踐能力的提升。為了學生實踐能力可以采取以下兩種措施：第一，增加實訓課程數量。讓實訓課時與理論課程保持合理的比例。并且，為了增強學習效果，實訓課程要與理論課程相匹配。此外，保證實訓與理論課程的時間間隔，避免出現實訓內容與理論內容相互脫節的情況。第二，增加實訓成績的比例。三本院校將常規的實訓課程成績納入到學生期中、期末的成績當中，這樣可以讓學生重視實訓課程的學習。通過實訓可以暴露出工程力學課程教學的不足之處，這樣中職院?？梢詫虒W方式進行相應的調整。并且，通過實訓可以提升學生的實踐能力，有利于學生動手能力的培養。
2、改革教學方法
由于教學觀念的落后，板書、照本宣科仍然是工程力學課程教學的過程中最普遍的教學方式。這種填鴨式的教學方式雖然可以使短期內讓學生記住工程力學的相關概念，但是學生只知定義，缺乏理解，這使得學生在實踐的過程中缺乏理論性的指導。為了提高教師的教學效率，教師必須采用多種教學方式。首先，可以采取多媒體教學。很多工程力學內容過于概念化，學生很難理解。多媒體教學具有圖文并茂的特點，可以將概念化的理論知識通過圖片、動畫、視頻等形式表現出來，學生對工程力學的理解更加簡潔明了、更加直觀。第二，將課堂時間留給學生。長期以來，教師一直占據課堂的主要地位，學生只是一味的記筆記，這樣不利于學生動手能力的培養。因此在工程課程教學中，必須將課堂還給學生，可以將學生分成若干個小組，讓每個學生都能參與到學習之中，教師只是起到指導作用。
3、構建教學評價體系
教學質量是衡量工程力學課程安排是否合理的唯一標準，教學質量的提高不僅需要硬件的投入，更需要科學的教學質量評價體系。教學質量評價體系和平時學生期中、期末考試一樣，通過教學質量評價體系，高?？梢粤私獾浇虒W中的不足，教師通過教學評價系統可以調整自己對進行的教學方法進行及時的調整，教學質量評價體系使電子教學學課程變的更加合理、更加科學、更加有效。
流體力學研究方向范文3
關鍵詞：計算流體力學；汽車制造；導流通道；制動盤；散熱性能；車輪拱輪 文獻標識碼：A
中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.005
當車輛處于緊急制動、頻繁制動或持續下坡制動時，制動盤的溫度會急劇升高，這容易導致制動失效或輪胎起火等嚴重交通事故。如何使制動盤在工作過程中迅速降溫是汽車安全行駛的前提。通常，制動盤安裝在汽車車輪的內部，其冷卻過程與輪輻、輪拱等周邊零部件的結構及布置方式等關系密切。因此，分析車輪的輪拱結構對制動盤散熱特性的影響規律，具有重要的工程意義。
近年來，國內外學者對汽車制動過程中的動力學問題進行了大量的研究。Arthur Stephens采用實驗的方法測量了在多種實際工況下，旋轉徑向通風制動盤的內部空氣流動情況。測試工況包括：單個制動盤在靜止的空氣中旋轉；將制動盤安裝至車輪相應位置后，在靜止的空氣中旋轉；將制動盤安裝在車輪中，在流動的空氣中旋轉以及用四分之一實車模擬的公路制動工況。研究結果表明：與單個制動盤的制動效果相比，四分之一實車模擬的公路制動工況下的制動盤內部通道的氣流顯著減少。類似的，G P Voller等學者也發現：車輪的存在的確削弱了制動盤的散熱效果。為了提高車輛制動的冷卻效率，Zheng WQ首次提出了一種風扇式輪輻結構，它能夠在保證制動盤結構不變的情況下，增強車輛的對流散熱效果，并應用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）方法研究了輻板數量以及輻板扭轉角對制動盤冷卻效果的影響規律。Thomas Schuetz以提高制動散熱效果為目標，對車身結構進行了優化設計，將由發動機排出的氣流直接被引流至制動器區域，大大增加了流經車輪結構及制動盤內的空氣流量。
為增加車輪輪拱內的氣體流量，增強車輛的制動散熱效果，本文以車輪及其所在的輪拱為研究對象，在車身結構的進氣格柵與輪拱之間增設導流通道，采用計算流體力學方法，分析其對制動盤散熱性能的影響規律。
1 數值模型的建立
選取某款常見轎車的車身結構（基準輪拱的長、寬、高分別為2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）為研究對象，在距離車底盤8cm高度處，增設入口面積為7000mm2的導流通道。采用有限元法建立三維數值模型，分別使用四面體網格、六面體與四面體混合網格劃分車輪總成結構。經過網格無關解驗證后，最終確定網格總單元數為1520204。有限元模型中的各部件主要參數為輪輻、輪輞及螺栓部件的密度為7840kg/m3，定壓比熱為465J/（kg?K），導熱系數為48W/（m?K）；制動鼓密度為7570kg/m3，定壓比熱為470J/（kg?K），導熱系數為36W/（m?K）；空氣密度為1.029kg/m3，動力黏性系數為2.06×10-5kg/（m?s），定壓比熱為1009J/（kg?K），導熱系數為0.0296W/（m?K）。
設置車身為無滑移邊界條件，采用穩態求解器進行求解。汽車車輪制動鼓散熱時，車輪和車身周圍空氣的對流換熱問題為非定常三維不可壓流動傳熱問題，需滿足如下的連續方程、動量方程及能量方程：
式中：u為速度分量；T為溫度；μ為動力黏性系數；F為質量力；ρ為密度；Cp為定壓比熱；k為導熱系數。在計算車輪及車身外部流動換熱問題時，還需考慮車輪結構內部的導熱問題，即滿足式（3）中的能量方程。應用一階迎風格式描述動量及能量方程的離散格式，采用基于壓力求解器的隱式求解算法對式（1）至式（3）進行求解。
2 結果分析
增設導流通道后，車輪制動盤表面對流換熱系數的分布云圖，如圖1所示。從該圖可知：增設導流流通道后，制動盤表面平均對流換熱系數有所提高，可達91.97W/m2?K。
從圖2中可知：開設導流通道后，輪拱內部流場分布非常復雜，由于車輪的旋轉及其復雜的幾何形狀，形成了大量的流動分離和渦流。來自車輛前方的氣流通過導流通道進入輪拱，一部分流經車輪外側直接進入周圍空氣；另一部分流經制動盤表面后，以渦旋流動的形式散失在輪拱外部，制動盤的散熱效果增強。
3 結語
本文采用計算流體力學方法，分析了導流通道對制動盤散熱效果的影響。由數值模擬結果可知：在通向輪拱內，開設導流通道可有效提高制動盤的散熱特性。
參考文獻
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流體力學研究方向范文4
關鍵詞 微波等離子體；電磁場；電場；反射系數
中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）20-0042-02
等離子體由于在材料科學、環境保護和生物醫學等多個領域有著重要作用，受到廣泛關注和應用。尤其是常壓微波等離子體，更是被廣泛用于材料加工，例如納米材料合成和表面改性等；與其他形式等離子體相比又有著維護方便、應用面較廣和較高的能量轉化利用率等諸多優點，近些年一直都是研究的熱門課題之一[1，2]。另外大體積、大功率的工業應用需求使得大功率常壓微波等離子體成為一個研究方向，具備較大工業價值和良好的發展前景[3]。
隨著數字仿真技術的發展，數字分析在等離子體研究中正變得越來越重要，特別是當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或實驗條件無法滿足時，數字仿真是一種特別有效的研究手段。在某種程度上可以說，數字仿真結果對于等離子體裝置的優化和等離子體性質的研究發揮著重要作用[4]。雖然常壓等離子體已經有一些前人的研究基礎，但是常壓等離子體的數字分析還是有一定的困難，不僅是由于等離子體的數字仿真模型需要綜合考慮多個學科，例如電磁學、化學、流體力學等，還因為大量參數需要提前確定，而這些參數的確定也是一個較為困難的過程。本文對常壓大功率微波等離子體的產生過程進行了初步研究，在微波等離子體產生裝置的基礎上設計了一個基于時間的數字仿真模型，研究了氣體放電區域的等離子體產生過程的物理參數，有利于深化對常壓微波等離子體的特性有更的了解和認識，同時對產生裝置的設計和優化有較大幫助。
1 數字模型
等離子體的數字分析建立在許多復雜模型基礎上，包括氣體放電物理過程、邊界條件（等離子體、電磁場和熱傳導等）以及工作氣體的碰撞反應過程等；同時氣體放電過程又是以電磁學、流體力學、化學和分子動力學等多個學科理論為基礎進行表征。這些重要的參數、邊界條件和理論模型的耦合是非常繁瑣和復雜的，以前的工作本團隊已經進行過深入研究，本文不再贅述[5]。
當氣體被電離成為等離子體過程中，由于部分氣體被電離氣體，氣體的特性也發生劇烈變化[6]。此時它的相對介電常數應該表示為
（1）
式中，，為等離子體頻率；
為碰撞頻率；
為激勵頻率。
電導率可表示為
（2）
式中，為電子數密度；
為基本電荷；
為電子質量。
將式（1）、（2）帶入到麥克斯韋方程組中，可得到：
（3）
式中，k0是自由空間波數。通過對式（3）的計算，可以獲得電場，對比氣體激發過程中不同時刻電場的變化，從而可以反應出等離子體在激發過程中的部分特性。
2 數字分析
常壓微波等離子體裝置如圖1所示，包括功率源、微波傳輸系統和微波反應器。微波反應器由矩形壓縮波導、石英管、氣體饋入裝置和短路板組成，矩形壓縮波導采用漸變型單邊壓縮波導結構。2.45 GHz的電磁波以TE10模式通過WR340矩形波導和壓縮段，在石英管所在位置（距離短路板λG/4處）形成最大電場強度，環行器用于引導反射的電磁波能量進入負載，以保護功率源不受反射電磁波損壞。同時，金屬圓柱安放在石英管外，用來防止微波從放電區域輻射到空間中。本文選用氬氣作為工作氣體。
圖1 常壓微波等離子體產生裝置原理圖
圖2是氣體在被激發前后不同時刻的電廠分布，分析結果表明：
1）入射電磁波和反射波在腔內形成駐波，此時距離短路板λG/4的開孔處獲得最大電場強度。
2）激發后，放電區域的電場強度由于氣體的電離消耗大量能量，明顯減小。
3）隨著激發過程的進行，氣體電離消耗的能量減小，反射的能量增多。
（a）t=0
（b）t=
圖2 不同時刻的電場分布
（a）t=0
（b）t=
圖3 不同時刻的電場方向
圖3是氣體在被激發過程前后不同時刻的電場方向。分析結果表明，激發前，開孔處的電場方向較為一致，可隨著激發過程的進行，水平方向的電場明顯增多，電場方向也更為復雜。
圖4 反射系數隨時間的變化
圖4是等離子體激發過程中不同時刻的反射系數S11，結果不僅同上文的結論相一致，即在放電區域用于激發產生等離子體的微波功率是一個先增大后減小，隨之趨于穩定的過程；同時還說明微波激發產生等離子體一個非常劇烈的過程，在 s時反應消耗的微波功率達到頂峰，之后消耗的功率還是緩慢減小，0.1 s時等離子體的激發就已經趨于穩定。
3 結束語
以大功率常壓微波等離子體產生裝置為基礎建立的三維數字仿真模型用于研究分析等離子體在產生過程中的特性。結果表明：微波等離子體的激發是一個非常劇烈的過程。氣體電離所消耗的功率在激發開始時隨著時間增加而增大，但在 s后，電離所消耗的功率開始緩慢減少，反射功率明顯增大；直至0.1 s時消耗的功率已經趨于穩定。大量的反射波說明，如環行器和負載這類的保護裝置十分有必要，能避免反射波損害微波功率源。而對電場和反射系數S11的分析有助于對常壓微波等離子體激發過程與復雜特性的認識和理解。
參考文獻
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流體力學研究方向范文5
凝析天然氣流量計的英文是Wet Gas Meter，國內有時也翻譯成濕氣流量計。對于凝析天然氣或者濕氣的準確含義國際上還沒有統一的定義，一般指在工作條件下氣相體積含率大于90%，液相與其他組分體積含率小于10%的氣井產出物。其中液相成分可能由攜帶的和由于地面生產系統溫度壓力降低而凝析生成的烷烴類輕組分、飽和水以及為防止水合物形成人工加入的注劑等組成；有時還有部分沙粒、鐵屑等固相成份，所以凝析天然氣計量屬于特殊的多相流測量范疇，現有的計量技術一般將它簡化為氣液兩相流的測量問題。
一、國內外多相計量與凝析天然氣計量的研究現狀
目前，國內的多相流量計研制還處于起步階段，所推出的產品樣機存在著不少問題，還沒有真正的凝析天然氣流量計。除蘭州海默公司和西安交通大學兩家能夠提供商品化的多相流量計以外，勝利油田稠油所與西安交通大學合作、遼河油田與清華大學合作研制的飽和蒸汽流量計也有部分應用。針對多相流體力學、多相流動機理、氣液相間傳熱與傳質、油氣水混相輸送、多相流檢測技術、層析成像、氣力輸送與混拌等不同的研究方向，國內天津大學、浙江大學、石油大學、東北大學、上海交通大學、中科院、中國農業大學等單位也都進行過或者正在進行相應的研究工作。
國際上，多相流的基礎理論研究方面，英國曼徹斯特大學在流動成像、流型分析與判別；帝國理工大學在流型特征提取與流型自動識別、多相流動規律；美國的Tulsa大學在氣液混相輸送、水力熱力計算、管道設計、旋流分離；挪威國家能源技術研究所在計算流體力學、多相流動模型、多相計量；加拿大阿爾伯塔大學在氣液反應、氣固流化特性、流動規律等方面都進行了長期的、大量的研究工作。由于石油天然氣工業、化學工業、核工業等領域的需求推動，多相流的在線計量技術仍然是國內外當前以至今后一段時間內的研究熱點，凝析天然氣的在線計量技術已經引起越來越多的天然氣生產者、研究者和流量計生產廠商的關注。
二、凝析天然氣計量在研技術比較
下面對國內凝析天然氣計量在研技術與相關產品的工作原理進行比較，其共同點是一次傳感元件以文丘里管或者文丘里管的改進型為主，充分利用文丘里管壓降低、流量系數對氣液相的流動結構不敏感等特點；結合多相流動模型與數字信號處理技術，對測量值進行運算后得到氣液相流量。它們的不同點是有些公司采用了部分分離技術，首先對凝析天然氣進行氣液分離，然后分別用單相儀表進行計量；有些使用多種常規傳感器的組合方式直接對凝析天然氣進行計量，如：雙文丘里、文丘里與射線、文丘里與電容/電感傳感器等組合方式獲得氣液相流量，并且對常規的傳感器進行了不同程度的改進。
1.McCrometer的V-CONE系列流量計。該流量計的最大特點是其傳感器結構的改進，V-CONE也稱作V形內錐式節流件或者內文丘里節流件，它是在一段直管的中心固定一個紡錘形的阻力件，使管道流通面積發生變化，產生類似文丘里管的節流作用。單相流體的實驗結果已經證明：V-CONE的測量范圍、測量精度等指標均好于標準的文丘里管。
由于凝析天然氣的流型以光滑分層流、分層波浪流和環狀流為主，流型的共同特點是液相成分集中在管壁附近，氣相成分分布在管道中心與水平管的上半部分。標準的節流裝置，如孔板、文丘里管、噴嘴等用于凝析天然氣流量測量時，將會由于縮頸以及流體與節流件的碰撞分離效應產生液相斷續通過節流件的情況，從而產生很大的附加阻力和差壓波動，導致測量精度降低。而V-CONE能夠使凝析氣中的自由液體成分沿管壁無阻攔的通過流量計，大大減少了這種影響，使差壓的測量值更加平穩、準確；同時也減少了流量計本身對流體流型的影響，減少了其他測量參數的波動。
2.Solartron 公司的凝析天然氣流量計。該流量計2002年底推出時宣稱是“世界上第一款真正的凝析天然氣流量計”，其測量元件采用“混合器+雙文丘利管”的形式，混合器的作用是使氣液相之間的速度差盡可能小，管道截面的氣液相分布盡可能均勻，利用多相流體力學的均相流模型對不同流量系數的文丘里管上得到的差壓信號進行運算，獲得氣相質量含率，然后由所測混合物總質量流量計算得到氣液相分相流量，同時對氣液流量進行溫度、壓力補償。置信概率為90%時，氣相測量精度為±3%，液相精度為±7%，基本滿足生產計量需求。
另據文獻報道：Solartron公司對標準的文丘里管進行了許多改進，如文丘里管的入口角度變化、喉部長度加長等，對雙文丘里的最佳組合、混合器篩選等方面也進行了相應的工作。
3.PECO公司的凝析氣流量計。該流量計采用美國聯邦能源與環境實驗室開發的加長文丘里管測量氣液兩相流技術，兩個差壓信號分別取自文丘里管入口與喉部之間的差壓、加長段的壓降，結合多相流模型進行運算得到氣相質量含率，進一步得到兩相流量。其測量原理與Solarton公司的產品相同，測量參數也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號，僅僅是傳感器結構不同而已，實際上，文丘里管入口也起到了混合器的作用，加長的喉部進一步保證液相速度與氣相速度接近，因此，二者的測量精度不相上下。
4.TEA公司的VEGA流量計。該流量計實際上采用的是一種部分分離計量技術，通過一種結構緊湊的高效氣液分離裝置將凝析天然氣分離成氣液兩相，然后分別利用文丘里管、渦輪等單相計量儀表測量氣相和液相流量，分離后氣相中夾帶的少量液相成分通過一定的經驗關系式或者理論模型進行修正，據報道該流量計目前已經完成工業現場試驗。
流體力學研究方向范文6
關鍵詞：CFD；數值模擬；石油化工；應用
1 概述
計算流體力學（Computational fluid Dynamics簡稱CFD）是20世紀60年代起伴隨著計算機技術迅速崛起的學科，如今這門學科已相當成熟，應用于的范圍也早已超越了傳統的流體力學和流體工程的范疇，如航空、航天、動力、水利等，而擴展到化工、核能、冶金、建筑、環境等許多相關領域。文章就著重介紹與總結其現在石油工業方面的應用以及所帶來的成效。
2 計算流體力學（CFD）簡介
2.1 CFD軟件的發展歷程
經過幾十年的發展，現代CFD技術已經能夠對從簡單的層流流動到復雜的湍流，燃燒，爆炸，激波等流體運動進行精細的數值模擬。而后，為了解決工程問題，世界上一些大的軟件公司把那些已經經過實踐檢驗的成熟而穩定的計算方法集合起來，形成了數值軟件包，專門用于CFD數值計算。目前被廣泛采用的主流商用軟件包括：CFX、FIDAP、FLUENT、PHOENICS、STAR-AD。
2.2 CFD的工作步驟
2.2.1 首先要建立反映問題（工程問題、物理問題等）本質的數學模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件。這是數值模擬的出發點。沒有正確完善的數學模型，數值模擬就無從談起。
2.2.2 數學模型建立之后，需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。由于人們的努力，如今已發展了許多數值計算方法。計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。
2.2.3 在確定了計算方法和坐標系后，就可以開始編制程序和進行計算。由于求解的問題比較復雜，比如Navier-Stokes方程就是一個非線性的十分復雜的方程，它的數值求解方法在理論上不夠完善，所以需要通過實驗來加以驗證。正是在這個意義上講，數值模擬又叫數值試驗。
2.2.4 在計算工作完成后，大量數據只能通過圖像形象地顯示出來。因此數值的圖像顯示也是一項十分重要的工作。
3 CFD在石油工程方面的應用
由于CFD技術可以幫助人們完成與流動相關的全部的設計計算過程，從最初的基本設計到最后的參數優化選擇，又可使人們能夠洞察設備的復雜流動狀況，使得CFD技術在石油工業上的應用十分廣泛，文章作者通過下載大量文獻，并通過對其中的幾十篇具有典型代表的文章進行研讀，總結出CFD技術在石油中的應用主要包括以下幾個方面。
3.1 在油品輸送管道中的應用
3.1.1 在傳統的熱油管道中的應用，針對埋地熱油管道停輸溫降的過程，建立物理和數學模型，并應用FLUENT軟件模擬不同土壤的導熱系數，不同大氣下的溫度分布，并且在穩態的基礎上模擬非穩態過程，得到停輸后溫度場在不同條件影響下的分布規律，對于優化管道建設和制定科學合理的熱油輸送工藝起到了重要作用。
3.1.2 在成品油管道中，應用FLUENT軟件，對順序輸送混油進行CFD模擬，并將數值模擬結果與理論分析相比較，結果基本吻合，證明了混油管道數值模擬的可靠性，也為多種油品的輸送順序的先后提供了有力的驗證方法，為實現管道的最優化提供了可能。
3.1.3 在多相流管道中應用。例如在氣液兩相流管道中，利用FLUENT對管道內的兩相流流型進行數值模擬，驗證了VOF模型對模擬兩相流流型中的氣泡流，活塞流，分層流，段塞流以及波浪流的可靠性。并且對長直圓管內氣液兩相流流型隨氣液流量的變化進行了較為詳細的研究。
3.1.4 在其他流型管道中的應用。利用PHOENICS的功能建立同心和偏心環空流動的物理模型，采用K-S湍流模型和壁面函數法，對牛頓流體，冪律流體，賓漢流體的偏心環空流動進行數值計算，并利用Sci，Origin，Photoshop等后處理軟件對數據、圖片做了處理，得到了偏心環空流動的速度、壓力、湍動能等流動參數的分布情況，進而分析得出了不同流速、偏心度、流性指數、屈服值、塑性粘度等條件對偏心環空流場特征的影響。
3.1.5 在另類管道中的使用。在油田生產中，輸油管道頻繁發生重大的盜油破壞事件，嚴重影響了油田正常的生產秩序，給國家財產造成了巨大的損失。通過分析地下盜油管道的敷設特點，展開傳熱分析，利用CFD軟件建立數學、物理模型，便可對管道問題進行有效的數值模擬，而且模擬結果與實際紅外像溫度場分布基本一致，證明了此方法的可信度。
3.1.6 也可以利用CFD對實驗數據進行修正。例如在管道局部摩阻損失的研究中，由于實驗研究的局限性、離散型以及不準確性，導致了實驗所測定的各種局部摩阻的有關數據與工程實際數據有很大的誤差，利用FLUENT通用流體計算軟件對管中的流動進行數值模擬，使得許多原來無法進行實驗測定以及無法通過分析求解的局部摩阻等流體問題有了求的數值解的可能。而且模擬的計算值可以在一定程度上修訂工程實際中采用的經驗值。
3.2 在石油勘探開發中的應用
隨著石油勘探開發的發展，在復雜地質情況下的深井，超深井的數量越來越多，對鉆井技術，鉆井質量以及鉆井的平均機械轉速的要求越來越高。為了保證鉆井質量，提高井下破巖效率，使用先進的井下工具、新材料、先進的技術和計算機輔助已成為重要的研究方向。
3.2.1 應用CFD軟件模擬渦輪鉆具的機械特性。在傳統的渦輪設計過程主要包括渦輪的結構設計、葉片造型設計、水力計算、內流場分析以及性能預測等部分，它們是相互獨立的模塊，操作困難，設計周期長，不利于探討渦輪幾何參數對其水動力性能的影響。應用Visual Basic編程軟件與FLUENT流體動力分析、GAMBIT等軟件相結合，將渦輪設計的各個模塊集成于一體，建立集設計、造型、分析一體化的、高效率的軸流渦輪水力模型設計方案，提高了井下軸流渦輪水動力的轉化效率，也為改進渦輪機械性能指明了途徑。
3.2.2 利用CFD做井噴風險分析。在油氣勘探和開發工程中，不可控的井噴是最危險的事故之一，而其他的一些商業軟件，如“HSE軟件包”往往分析不夠詳細而且很容易低估井噴的后果。而CFD卻能全面分析并能對“HSE軟件包”不欲與考慮的特殊幾何邊界下的井噴分析，呈現出更高準確性，表現了CFD在做井噴風險分析方面的優越性。
3.3 在煉油化工行業的應用
CFD在煉油化工行業的應用可謂數不勝數。填料床、生化反應器、干燥器、流化床、換熱器等這些常見的生產設備，其內部流場流動規律較為復雜，傳統實驗的方法往往會受到模型尺寸、人身安全、測量精度的限制，而CFD方法卻能克服上述弱點，不但節省了人力、財力，而且結果也更加可靠。
4 結束語
文章主要匯總了該軟件在石油行業某些領域中應用的典型事例，雖只是冰山一角，但隨著計算機運行速度的加快，石油行業中很多在現實中很難通過理論分析或者實驗研究得到有效解決的問題，如普遍存在的油氣水多相流問題，這些問題都是CFD軟件的強項，故CFD軟件在石油領域應用的前景會更加廣泛，值得進行深入研究。
參考文獻
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