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流體動力學基礎范文1
關鍵詞光電子學,質子照相,綜述,質子加速器,磁透鏡
AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.
Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens
1引言
高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattanproject）,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ChrisMorris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.SteveSterbenz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GerryGarvey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TomMottershead和JohnZumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統［4］,以及NickKing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EnricoFermi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JohnZumbro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(matchinglens),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.
TomMottershead和JohnZumbro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<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質子通量為
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2LANL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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流體動力學基礎范文2
關鍵詞：中國水墨畫；流體動力學；數字水墨書畫系統
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）07-1699-05
中國水墨畫源遠流長，有著樸素抽象、注重神似的畫風，其影響至日本、韓國、東南亞一帶，在東方乃至全世界都自成體系，可以說是東方文化的象征與瑰寶[1]。
西方的油畫、水彩畫等在繪制工具、表現技法上與中國水墨畫有著本質不同。西方的繪畫更理性，它遵循嚴格的透視原理及光學原理，以寫實為主，追求“形似”。而中國水墨畫在表現手法上往往不遵守客觀規律，其更注重神似。正是由于這些差異，使得現有的關于西方繪畫藝術的仿真方法無法直接應用于水墨畫的模擬[2]。如何運用邏輯嚴謹規范的計算機技術對極為隨意揮灑的中國水墨畫進行仿真研究是極具挑戰性的課題。
目前，對中國水墨畫的仿真方法可分為兩類：基于物理建模的方法和面向藝術效果的方法[3]。該文研究的是采用物理建模的方法對水墨畫進行仿真。該文在Curtis[4]的研究基礎上，提出了水墨畫運移、傳輸的三層模型，并將流體動力學理論引入水墨粒子在淺水層、墨粒沉積層以及毛細作用層的運移和傳輸規律的研究，通過Helmholtz-Hodge 分解，求解基于Navier-Stokes偏微分方程組的水墨運動模型。以此作為理論基礎，設計實現了一個交互式的數字水墨書畫系統。
1 相關工作
水墨畫的創作用具主要為筆、墨、紙。紙是水墨畫的載體，所以紙的建模直接關系到水墨效果仿真的質量。關于紙張建模的研究工作可參考文獻[4-6]。
在虛擬筆刷的建模及毛筆筆跡的模擬仿真方面，筆交互應用開始時就有研究者進行毛筆書法效果的模擬研究。1986 年，Strassmann[7]提出通過增加控制點連成矩形來填充毛筆筆跡的算法，1990年Chua[8]提出使用貝塞爾曲線來擬合毛筆筆跡，1991年Guo 和Kunii[9]提出了基于紙張纖維束的毛筆筆跡擴散模型，Pahm[10]提出了使用B 樣條來模擬筆道的輪廓，中間使用四邊形來擬合填充毛筆筆跡。
在水墨運動的物理建模方面，石[11]提出基于粒子系統的算法來仿真水墨擴散過程。王[12]將滲流力學引入水墨運移物理規律的研究。Nelson S.-H [6] 運用網格玻爾茲曼模型（Lattice Boltzmann methods）對水墨運移及傳輸過程進行仿真，并在GPU上實現了其算法。
2 基于流體動力學的水墨畫繪制算法
本節給出基于流體動力學的水墨畫仿真算法的定義、形式化描述及算法偽碼。
2.1 水墨粒子運移、傳輸的三層模型
在Curtis的研究基礎上本文提出水墨粒子運移、傳輸的三層模型。三層模型分別為：淺水層、墨粒沉積層、毛細作用層。三層模型相互作用，會產生不同的繪制效果。
淺水層用于模擬水墨在紙張表面的流動，主要模擬墨粒在水中浮起并被水傳送到不同的區域這一過程。在淺水層中，水的流動被限制在濕區域內。
墨粒沉積層用于模擬墨粒在紙上被吸附和解吸附的現象，主要控制墨粒在淺水層和墨粒沉積層之間的轉移。墨粒的密度、著色能力和粒度都會影響紙的吸附和解吸附能力[13]。
毛細作用層模擬水在紙張毛孔的遷移，將根據紙的水飽和度處理濕區域，在毛細作用層的作用下，濕區域會逐漸擴展。
2.2基于Navier-Stokes方程的水墨運動模型
本文采用Jos Stam [14]提出的Navier-Stokes方程作為模擬水流運動的物理模型，同時增加描述墨粒子密度因水流速度場變化而擴散的方程，兩者一并構成水墨粒子在淺水層運動的基本物理模型。形式化定義為：
其中[??u=0]。公式（1）右邊第一項表示速度場的自身平流，叫做平流項。第二項，稱作壓力項，代表了外力施加于水墨流體時，微觀上所產生的不均勻的壓力及加速度。第三項表示由于水墨濃稠度的不均勻所形成的阻礙，并由此造成了動量的擴散，同時影響了流體速度的分散。第四項是外力施加到水墨流體上而增加的加速度。
2.3 Helmholtz-Hodge分解定理
為求解以上方程，該文通過Helmholtz-Hodge 分解得到水墨粒子淺水層運移和傳輸算法[14]。
定義一個空間區域[D]，邊界法線為[n]，標量場[p]。據Helmholtz-Hodge 分解定理有[D]上的矢量場[w] 能唯一分解為：
其中[u]是散度為零的矢量場（即[??u=0]），[p]為標量。把散度算子應用到方程（3）兩邊，有：
根據Helmholtz- Hodge分解定義一個投影算子[P]， 將矢量場[w] 投影到無源分[u]。應用到方程， （3）得到：
根據[P]的定義有[Pw=Pu=u]，固[P（?p）=0]，將此投影算子應用到方程（1）的兩邊有：
因為u的散度為0，左邊的導數也是無散度的，同時[P（?p）=0]，有：
定義一個算子S，及各分量算子，平流A、擴散D、外力F、投射P， 整個求解過程變為：
從左到右進行運算，則整個求解過程，首先是平流，接著是擴散、外力和投射，即：
2.4基于流體動力學的水墨畫淺水層運移和傳輸算法
2.4.1外力項
外力項由外界對水墨流體施加的力組成，并假設該外力在其時間步長內保持恒定，形式化定義為：
2.4.2平流項
平流項表示速度場沿著擴散方向傳輸自身和水墨粒子。這里使用隱式解法[14]，形式化定義為：
2.4.3擴散項
對擴散項的求解實際轉化為對泊松方程的求解，形式化定義為：
可采用Gauss-Seidel法進行求解[14]。
2.4.4投影項
經過外力、擴散、平流運算后得到一個有散度的速度場w3（x），通過投影算子將其改變為無散度的速度場w4（x）。具體求解方法可參考文獻[14]。對方程（2）的求解可參考以上所示進行。
3.4.5水流淺水層運移和傳輸算法偽碼
詳細的代碼實現可以參考文獻[15]。
2.4.6墨粒子淺水層運移和傳輸算法偽碼
其中u， v為給定的水流速度場速度，diff為墨粒子擴散系數。更詳細的代碼實現可以參考文獻[15]。
2.5水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法
在仿真的每一步，墨粒子都會被沉積層以一定數率吸附，同時也會以一定數率解吸附會淺水層。墨粒的密度[ρ]、著色能力[w]，粒度[r]和紙張的高度[h]都影響紙的吸附和解吸附能力。下面給出水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法的偽碼。g為墨粒沉積層粒子密度，d為淺水層墨粒子密度。該文在Curtis的研究基礎上，提出了水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法。
2.6水墨粒子毛細作用層運移和傳輸算法
當墨汁向正要變干但仍保持潮濕的區域進行擴散時會產生回吸現象。這個時候墨汁會被淺水層以一定的吸收率[α]吸收，同時向毛細作用層擴散。每個網格單元都會向其鄰近區域傳輸墨汁，直到達到飽和容積率[c]。當飽和度超過[?]時，該網格單元被標記為潮濕區域。這樣，由于毛細作用層的作用，就會形成不規則的分支形狀，以此模擬水墨粒子的非規則擴散現象。該文在Curtis的研究基礎上，提出了水墨粒子毛細作用層運移和傳輸算法。
3 實驗結果
圖1為運用具有不同濃稠度的水墨畫筆書寫的筆劃（其擴散效果形態不同），圖2為使用本文開發的數字水墨書畫系統所書寫的“蛇”字。圖3為本文開發的數字水墨書畫系統的用戶界面。實驗表明本文所設計的數字水墨書畫系統能較好的仿真水墨書畫的效果。
在當今數字娛樂產業蓬勃發展的時代，如何開發出具有實用價值，符合市場需求的數字水墨書畫系統軟件，是未來值得探索和深入研究的科學熱點問題[16]。
參考文獻：
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流體動力學基礎范文3
【關鍵詞】空氣濾清器；CFD；流阻特性
對進氣系統的研究，過去主要著重于進氣效率、濾清效率以及壓力損失等方面，隨著技術的發展以及對汽車舒適性要求的提高，進氣系統的聲學特性方面的研究也越來越有必要。空氣濾清器除了要有良好的聲學性能外，同時要考慮其動力學性能，以保證發動機有良好的動力性能。
本文基于流體動力學理論，利用CAD三維模型建立計算流體動力學模型（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD），主要計算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空氣流量下含濾紙濾清器流阻與內部流場。同時，為便于比較分析，還對上述空氣流量下該濾清器空腔本體流阻及內部流場也進行了計算。
1.空氣濾清器內流場分析模型的建立
根據空氣濾清器的三維模型，建立用于CFD計算的該空氣濾清器內腔的三維實體模型，采用四節點四面體單元對該空氣濾清器實體模型進行網格離散，通過收斂性分析確定的合適單元尺寸，得到的內腔網格模型，節點51788個，單元264448個，其實體模型及網格模型不做介紹。
假設空氣濾清器中的流動為恒溫、穩態流動，已知空氣濾清器的流量，在計算中給定入口壓力邊界條件和出口速度邊界條件，濾紙給定多孔介質邊界條件。設定壓力值為101325Pa，空氣流出速度可通過已知流量及出口截面面積等數據計算得到，如表1.1中所列。
表1.1 不同空氣流量下出口平均速度
設定濾紙多孔介質的邊界條件，需要設置粘性阻力系數和慣性阻力系數慣性阻力系數兩個參數，粘性阻力系數1/α=150μ（1-ε）
Dε，慣性阻力系數C2=1.75ρ（1-ε）
Dε，代入多孔介質的流阻特性經驗公式?P=μv
α+C2v2，其中，μ是空氣的粘性阻力系數，D是濾紙的孔隙平均直徑，ε是濾紙的孔隙率。
2.空濾器本體空腔內流場結果
在CFD求解器進行網格檢查和優化處理后，定義流體物理參數、施加進出口邊界條件，不考慮濾紙影響，經過多次計算迭代后得到收斂結果。不同流量下空氣濾清器本體空腔壓力場和速度場結果分別不同。
空氣濾清器內進氣管（插入管）出口沖擊區域壓力較高。出氣管為突然收縮管，在與腔體連接處，壓力損失比較大。
表2.1 不同流量下空氣濾清器本體空腔進出口壓差計算結果
表2.1分別給出不同空氣流量下，濾清器本體空腔、即不含濾紙條件下的進出口壓力差結果?？梢钥闯?，進出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關系曲線表現出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
3.帶濾紙空濾器內流場結果
給定流體物理參數、進出口邊界條件，設置濾紙區域多孔介質邊界條件，對不同流量下帶濾紙空氣濾清器的內流場分別進行了計算。計算得到的內腔壓力場和速度場也不同。
以360m3/h工況為例，過出口軸線平面內的壓力場分布結果可以看出，濾紙下部腔內壓力較高，濾紙區域自下而上壓力下降明顯；濾紙上部整個腔體內壓力基本相等。由于截面突然收縮，在出口管處壓力梯度較大，壓力損失也較大。
過出口軸線平面內的速度矢量結果、并參考無濾紙濾清器內的速度場結果可以看出，濾紙對速度有阻礙作用，經過濾紙后速度明顯減小，并且加濾紙后速度矢量在濾清器內沒有折返現象。
表3.1 有濾紙空氣濾清器不同流量下進出口壓差計算結果
表3.1、給出不同空氣流量下，含濾紙濾清器進出口壓力差計算及實測結果。可以看出，采用濾紙模擬方法計算得到的不同流量下含濾紙空氣濾清器進出口壓差與實測流阻結果基本吻合。含濾紙濾清器進出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關系曲線表現出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
由表3.1、中還可看出，雖然隨流量增加、濾紙對空氣流動的阻力會有增長，但濾紙對整個空濾系統流阻的貢獻率卻隨流量的增大而減小。采用CFD仿真結果可以計算得到，濾紙阻力在總流阻中所占比重由90m3/h時的45.83%下降至540m3/h時的7.35%左右。參考不帶濾紙結構本體空腔流阻計算結果可知，該空氣濾清器本體空腔進氣阻力占系統總流阻的主要部分?？傮w來說，該空氣濾清器在發動機負荷范圍內具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。
4.結論
本文基于流體動力學理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過對不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統的內部流場進行計算，深入了解該空氣濾清器阻力及內部流場壓力、速度特性，并在此基礎上對其流阻特性進行評估。結果表明，濾清器在發動機負荷范圍內具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。計算得到了不同流量下濾清器內部流場、壓力場結果，該結果對了解該空氣濾清器實際工作性能與狀態具有重要指導意義。同時，基于多方案的CFD計算可在概念與方案設計階段結構型式與尺寸參數的確定提供數據支持，采用濾紙模擬模型具有較高精度，可在今后公司類似結構濾清器流阻計算中采用。
【參考文獻】
流體動力學基礎范文4
關鍵詞:EHD;離子風;電暈放電;電流體泵
隨著科學技術的發展,現代人對家居環境質量的要求日益提高,高噪音的風扇空氣壓縮機等設備的噪音成為一大困擾,同時由于全球能源危機的加劇,特別是在我國建設節約型社會的倡導下,摒除傳統電機驅動風扇做功的新型裝置日益受到研究者關注。研究表明在電暈放電時會產生高速離子射流流動,這種離子射流對周圍流體流動產生強烈的擾動,形成附加的流體運動,即所謂的電誘導二次流。離子的高速運動將會催動空氣的流動。這為我們研究新興空氣傳輸裝置提供了思路。特別是近年來,隨著電流體動力學的發展,在EHD領域的電流體泵機理成為高壓直流下空氣流動的研究基礎。本文將從電流體泵驅動機理方面定性闡述裝置的理論基礎,并提出一種簡單的實現裝置,即利用單片機控制的高壓直流電源驅動電暈放電,結合線板式電極設計,形成一個完整的空氣傳輸裝置。
一、EHD原理實現空氣傳輸的定性分析
(一)機理簡介。EHD(Electrohydrodynamics,電流體動力學)作為流體力學 的一個重要分支,其研究方向為電場對流體介質的作用,也被看做是在運動電介質中的電場力學。介于此,在電場中,空氣作為一種特殊的電介質會產生很多重要的現象,其中在強化傳熱方面、電流體泵方面漸漸為各方所重視。本文結合EHD領域電流體泵機理,著重討論EHD在空氣傳輸方面的應用,其中涉及直流高壓放電下空氣流動的數學建模計算。電流體泵有兩種驅動機理,一是利用高壓直流電場驅動流體,即離子泵拖拽,另一種是高壓行波驅動流體;其介質中電荷來源于高壓電極發射的單極性離子或是電解質分子受電擊所產生的離子。本文正是討論在直流高壓下,由線―線電極放電促成“離子雪崩”效應,大量離子帶動空氣流動,從而實現空氣傳輸的效應。
二、系統總體設計
該系統的基本結構如圖3所示,它由電暈極、直流高壓電源、收集極和氣流通道組成。 其基本原理為,空氣中的電子和離子在強電場的加速下,碰撞空氣中的中性分子。使空氣分子電離產生電子和正離子,能量足夠大的電子繼續撞擊中性空氣分子又使其電離產生電子和離子,與此同時有些能量不夠大的電子吸附在空氣中性分子中產生負離子,誘導其發生電子雪崩?？罩械恼x子在電場的作用加速,于此同時正離子將所獲得的動能傳遞給空氣分子,使其向前運動產生空氣流。電暈放電以電暈為特點的一種放電,本裝置是依據電暈放電而產生離子風。在電極制作上,吸取國內外在電暈放電領域的研究成果,通過大實驗確定電極形狀及間距。電源上,運用單片機技術保證脈沖頻率及其波形以利于最大限度的電離空氣。
三、電極結構設計
(一)電暈放電原理。本作品電極的設計基于脈沖電暈放電原理。脈沖電暈放電法脈沖放電產生等離子體的基本物理過程如下:在前沿陡峭、脈寬窄的脈沖高電壓作用下,放電電極間的氣體擊穿,形成不均勻的很細的火花通道。電離產生的電子在電場作用下,以很高的速度向陽極運動,使氣體進一步電離,形成電子流,電子流逐步擴大以致溝通整個放電通道,使儲存在電容器上的電能通過放電通道迅速地釋放。由于電容器釋放出較大的能量,脈沖電流很大,可達每平方厘米數千安培,因而會在電極間形成等離子體。
(二)線板式電極結構。常見的脈沖放電等離子體反應容器有三種:線――筒(應該把―都改成――),線――板和針――板。本裝置中將采用線――板式電極結構,線板型電極特性。放電線數一定時,線板電極間距增加,脈沖電壓峰值和直流偏壓增加,單次放電能量減小。線板電極間距一定時,隨著線線間距變化,反應器上放電電壓的峰值、流光能量有一最大值范圍,直流偏壓隨著線線間距的增加而降低并漸趨穩定。本實驗中線線與線板間距大致相當時,流光能量較大。線板電極間距一定時,隨放電線間距增加,放電線數減少,峰值電壓、直流偏壓和流光消耗的能量逐漸減小并趨于平緩。但直流偏壓在放電線數少到一定值時有增加趨勢。
此為我們設計同性電極間距與異性電極間距及整個電極排布布局的依據。
四、驅動電源設計
電源作為本裝置重要的工作元件,要求具有高頻高壓,穩定高效,低成本等優點。針對本裝置的要求――產生電子雪崩效應應滿足以下要求。
首先,鑒于上文所述脈沖電暈放電的相對直流電暈的優點,我們選用脈沖電暈放電,即要求脈沖頻率可調,脈沖頻率頻率在1KHz到100KHz可調,電壓上升時間
結束語:本裝置立意新穎,目前國內在這一領域還未有應用實例,其關鍵在于裝置的實現難度較大,具體體現在電暈放電分為暗流放電、輝光放電、刷狀放電、流注放電、火花放電等情況,而電暈放電較不穩定,研究表明電暈放電最穩定狀態為其輝光放電階段。因此,為得到穩定的離子風,將設法使設備工作在輝光放電狀態。要將設備控制在輝光放電狀態,且使設備產生的離子風最大化,其對外部電壓及極間距離有相當高的要求,而這則是該裝置研究的核心難點所在。
作者單位:浙江理工大學
參考文獻:
流體動力學基礎范文5
【摘要】目的 觀察微波熱凝治療牙本質過敏癥的臨床效果。方法 48例牙合面磨損的牙本質敏感患者160顆患牙,隨機分為2組,每組80顆。對照組用常規的75%氟化鈉甘油脫敏,治療組用微波熱凝脫敏。結果 75%氟化鈉脫敏一周有效率77.5%,6個月有效率75%;微波脫敏一周有效率93.75%,6個月有效率90%。兩組比較差異有統計學意義(P
【關鍵詞】微波熱凝;牙本質過敏;頜面磨損
1 材料與方法
1.1 病例分析選擇2004～2007年門診就診診為牙本質過敏癥患者48例,牙合面磨損患牙160例患牙,其中男30例,女18例,年齡35～74歲,平均年齡48歲。
1.2 判斷標準治療前后用銳利探針探測患牙敏感區的位置和范圍,三用槍水霧刺激敏感區,測患者的酸痛程度做詳細記錄。輕度敏感:有酸痛但可忍受;重度敏感;對刺激不能忍受。
1.3 設備材料EC-100型微波手術治療儀器(南京億高微波子源工程有限公司),75%氟化鈉(上海第二醫科大學口腔材料廠),中華牙膏(聯合利華有限公司)。
1.4 方法將160顆患牙隨機分為2組,每組80顆,治療組用微波熱凝脫敏:用3%雙氧水擦拭,吹干,患牙隔濕,將少量牙膏均勻涂于敏感區,微波治療儀器的功率調到60W。用柱狀探頭置于患牙敏感區,持續3s,然后用探針刺激患牙敏感區,查癥狀是否消失。若有酸痛再次脫敏,直至癥狀消失。對照組用75%氟化鈉甘油脫敏:患牙用3%雙氧水擦拭,隔濕,吹干,涂75%氟化鈉2分鐘共3次,治療后1周,6個月復查。
1.5 療效標準以自覺癥狀、探診、三用槍水霧噴沖敏感區為依據分為三級:顯著:自覺癥狀消失,對上述檢查無不適。好轉:自覺癥狀明顯好轉,對檢查有輕度不適。無效:自覺癥狀及客觀檢查均無明顯改善。顯著、好轉為有效。
2 結 果
治療組和對照組分別用微波和75%氟化鈉進行脫敏治療后1周和6個月的臨床效果見表1.治療1周后,治療組有效率93.75%,對照組有效率77.5%。脫敏6個月后,治療組有效率90%,對照組有效率75%,2組有效率差異有統計學意義(P
3 討 論
牙本質過敏癥發病機理的學說有3種:神經學說,牙本質纖維傳到學說,流體動力學說。主要傾向于流體動力學說,臨床治療措施也以此為基礎[1]。有研究證實,敏感牙本質小管開放率達75%,不敏感者為24%,充分支持牙本質敏感癥治療中封閉牙本質小管的重要性,而微波熱凝治療也正是此基礎上,利用熱效應,在短時間內,使牙本質內蛋白凝固,從而引起阻斷刺激,消除敏感癥狀的目的[2,3]。本研究結果顯示,治療組與對照組相比差異有統計學意義。這可能由于氟化鈉甘油中顆粒大小不等,滲入牙本質小管的氟離子有限,療效不定所致。但治療過程中功率不可過大,時間不可過長,以免對牙髓組織造成不可逆性損傷。
【參考文獻】
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流體動力學基礎范文6
論文摘要：根據環境工程專業特點，分析了該專業技術基礎課“工程流體力學”和主干專業課“水污染控制工程”在教學中存在的問題，文章從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出了“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學改革思路。
論文關鍵詞：環境工程專業；工程流體力學；水污染控制工程；教學改革
“工程流體力學”是研究流體（液體、氣體）處于平衡狀態和流動狀態時的力學規律、流體與固體之間的相互作用及其在工程技術中應用的一門科學，是力學的一個獨立分支，有其自身的理論體系，其基礎理論主要由三部分組成：流體靜力學、流體運動學和流體動力學?！八廴究刂乒こ獭笔顷P于控制水體污染途徑以及各種廢水處理方法（包括物理處理方法、化學處理方法、生物處理方法等）的基本理論、工作原理及設計計算的一門科學。“工程流體力學”是環境工程專業的重要技術基礎課，“水污染控制工程”是環境工程專業的核心專業課，這兩門課程在環境工程專業本科教學中有著舉足輕重的作用，同時兩者之間也存在著重要的相互理論關系。
“工程流體力學”是水利、環境、能源、土木、機械、動力等學科的一門技術基礎課程，該課程的教學內容紛繁豐富，其特點是理論性和綜合性比較強，概念抽象，難于理解?！八廴究刂乒こ獭闭n程內容與“工程流體力學”內容結合相對比較緊密，如城市排水溝道系統、各種污水處理構筑物等的設計計算，以及在構筑物中的生化反應、化學絮凝反應中水力條件的控制等均是工程流體力學理論知識在水污染控制工程中的實際應用。目前，在環境工程專業教學方面，“工程流體力學”和“水污染控制工程”課程正面臨著比較尷尬的局面：一方面課程內容趨于復雜和廣泛；另一方面在課時量逐漸壓縮的情況下，“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學內容沒有起到應有的相互銜接，教學內容彼此脫離。由此形成環境工程專業“工程流體力學”教學內容與專業課銜接不夠，在教學過程中學生感到內容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教學過程中，學生感到工程流體力學基礎理論知識不扎實，不能夠熟練應用工程流體力學基礎理論解決水污染控制工程方面的實際問題。
針對目前環境工程專業課程設置及教學內容的狀況，本文從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學改革，提高教學質量，培養學生綜合能力。
一、改革教學內容
對“工程流體力學”教學內容進行改革，結合環境工程專業特點，重構環境工程專業的“工程流體力學”課程，對該課程中的主要內容進行優化設計，緊密結合后續專業課“水污染控制工程”的內容進行改編，為“水污染控制工程”的講授奠定基礎理論知識。“工程流體力學”教學內容主要包括理論教學和實踐性教學兩部分，其中在理論教學內容部分，如“工程流體力學”中涉及到的流體粘滯性、流體內摩擦定律等內容，結合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流態所需要的雷諾數內容為實例進行教學內容改革；“流體靜力學”中絕對壓強、相對壓強、真空度等概念、理論在水污染控制工程中虹吸濾池、脈沖澄清池以及沉淀池、污泥濃縮池重力式排泥所需要的靜水頭壓力等實際工程中的應用為實例進行教學內容改革；流體運動學中基本理論對“水污染控制工程”中的數學模式的建立為實例進行教學內容改革；“流體動力學”中壓力損失理論在水污染控制工程中的水力計算，水射器理論在水污染控制工程中的計量作用、加藥作用、射流曝氣作用為實例進行教學內容改革等。其次，“工程流體力學”實踐性教學內容部分，改革傳統的實驗教學內容，除驗證性實驗之外，增加工程應用性實驗，如文丘里流量計、三角堰流量計、巴氏計量槽、畢托管測速儀、虹吸管、孔口與管嘴的工程應用等內容，既加強了動手操作能力，也培養了學生將基礎理論知識轉化為現實生產力的綜合分析與應用能力，不僅使教學內容豐富，也提高了學生學習的熱情和積極性。
對“水污染控制工程”教學內容進行改革包括理論教學內容改革和實踐性教學內容改革，強調“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的應用。在理論教學內容方面，“水污染控制工程”中的污水溝道系統水力計算、水處理構筑物中水力參數的確定、污水在構筑物中的最佳流態、各水處理構筑物之間高程布置、混合反應池中攪拌強度的確定、過濾池中配水系統的設計及其濾速確定等一系列涉及工程流體力學問題的相關內容進行必要教學改革，加強學生對“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的工程應用有一個更清晰的認識，理解“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的重要性，使學生既掌握了“水污染控制工程”應用設計方法、設計原則、計算方法等知識，也加強了學生對“工程流體力學”基礎知識在水污染控制實際工程的應用。在實踐性教學內容方面，加強工程性應用實驗教學內容，從不同的工業企業和居民生活區采集不同的廢水水樣，根據化驗所得廢水水質，確定所采用的處理技術和處理工藝，并通過實驗驗證在各種廢水處理工藝中所選擇的工程流體力學水力參數，基于“工程流體力學”基礎理論知識分析廢水處理工藝水力參數的合理性。
二、改革教學模式
“工程流體力學”特點是理論性、綜合性、系統性較強，概念抽象、邏輯結構嚴謹。目前傳統的教學模式基本上是教師講、學生聽，“授—受”型單一模式，盡管在學的過程中采用了多種形式的多媒體教學方式，但仍沒有改變學生在學習過程中的被動地位，學生缺乏主動性和實踐性。改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的創新教學模式，結合水污染控制工程中的實際問題，以工程實例為背景，應用工程流體力學基礎知識解決實際工程問題，誘導學生積極思考，在教學過程中形成教學互動，調動學生學習的主動性和參與性。根據教學內容性質，“工程流體力學”教學內容可以分為基礎理論和實際工程應用兩個部分。在流體靜力學、流體運動學和流體動力學三個基礎理論部分，采用形象化的多媒體演示、軟件模擬、小型實驗相結合探究式、啟發式教學模式，鼓勵學生課堂討論；在實際工程應用教學部分，如孔口管嘴、有壓管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程實例為背景，采用適量的實際工程圖片，豐富教學信息量，刺激學生的感官，激發學生的學習興趣，拓寬學生的思路，開闊學生的視野，可以使枯燥、乏味的內容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內容變得直觀生動。
“水污染控制工程”特點是實踐性、工程應用性強，因為不同的廢水水質達到處理要求所采用的處理技術、處理工藝不同；即便相同的廢水水質，如果污水量不同，所采用的處理工藝也不同；一個廢水處理工程，即廢水水質、水量數據相同，也可以采用不同的處理技術和處理工藝，工程流體力學參數的選擇是確定不同廢水處理技術、工藝的主要影響因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教學過程中，改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的實踐教學模式，以工程實例為背景，通過開放性的實踐性實驗正確選擇工程流體力學參數，并通過實驗研究對參數的選擇、廢水處理效果等進行科學驗證。通過工程實例和實踐性教學改革，使學生既對廢水處理工程設計過程有一個清晰的思路，又能達到舉一反三的效果。
三、優化師資配置
師資隊伍優化，一靠資源，二靠制度，師資隊伍優化也是一個相對的漸進過程，優化的標準和措施與所處時代、社會背景及其自身所處發展階段和學科特色有關。環境工程專業特點要求師資隊伍結構合理、質量可靠?！肮こ塘黧w力學”與“水污染控制工程”是本專業的主要技術基礎課和主干專業課，兩門課程在講授過程中存在著千絲萬縷的必然聯系，這就對師資配置和師資隊伍建設提出了更高的要求。首先，建立高質量的師資隊伍，定期或不定期對教師進行專業培訓和實踐工程訓練，要求講授“工程流體力學”和“水污染控制工程”兩門課程的教師對兩個學科均有一定的研究，或者承擔一定量研究科研工作，洞悉當前“工程流體力學”和“水污染控制工程”發展的最新前沿理論和技術；其次，在師資配置方面，要求講授“工程流體力學”的教師對“水污染控制工程”有一定的研究或承擔相關科研項目，講授“水污染控制工程”的教師對“工程流體力學”有扎實的理論研究或承擔相關的科研項目；第三，建立教師研討會制度，講授“工程流體力學”的和講授“水污染控制工程”的教師定期或不定期舉行教學研討會，避免兩門課程的講授內容出現彼此分裂現象。如果在師資配置中，講授“工程流體力學”的教師畢業于力學專業，即使講授“工程流體力學”的教師對力學有很高的造詣，對該門課程的講授有聲有色，但如果該教師對環境工程專業“水污染控制工程”專業理論知識或實踐工程知之甚少，那么在教學過程中，必然不能夠將“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學內容相結合，對環境工程專業學生來說，這樣的師資配置，必定不是最優化的師資配置。
四、改革考核方式
