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流體動力學原理及應用范文1
摘 要 高能閃光照相是診斷致密物質內部幾何結構和物理特性的最有效技術.高能質子照相在穿透能力、材料識別、空間分辨率等方面都優于X射線照相，已經成為美國先進流體動力學試驗裝置的優先發展對象.文章詳細介紹了高能質子照相方案及其研究進展.
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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流體動力學原理及應用范文2
Verification and Validation
in Scientific Computing
2010,780pp
Hardback
ISBN9780521113601
科學計算中的進展使得建模及模擬成為工程、科學及公共政策決策過程中的一個重要部分。驗證和確認是建立在定量準確性評價的概念上的。本書提供了用于模型和模擬驗證和確認的基本概念、原理及步驟的全面與系統的發展過程。它的重點放在了利用偏微分方程描述模型和模擬上面。書中所描述的方法可以應用于廣泛的技術領域，諸如物理科學、工程及技術，以及工業、環境管理與安全、產品與設備安全、金融投資和政府管理中。
本書共有16章，除第1章外分成5個部分。1.緒論，內容包括建模與模擬的歷史及現代的作用、科學計算的可信度、本書的內容概括與使用。第1部分 基本概念，含第2-3章，2.基本概念與術語；3.建模與計算模擬。第2部分 代碼驗證，含第2-3章，4.軟件工程；5.代碼驗證；6.正確解法。第3部分 解法驗證，含第4-6章，7.解法驗證；8.離散化誤差；9.解法適應。第4部分 模型的驗證與預測，含第10-13章，10.模型驗證基礎；11.確認實驗的設計與執行；12.模型準確性評價；13.預測能力。第5部分 涉及規劃、管理及實施的問題，含第14-16章，14.建模與模擬的規劃與優先化；15.建模與模擬的成熟度評價；16.驗證、確認及不確定性量化的開發與責任。
本書的第一作者具有在流體動力學、傳熱、飛行動力學及固體力學領域39年的研究與開發經驗。并且在計算和實驗兩個領域工作過，他教授過驗證和確認領域的30門短課程?，F在，他帶著技術人員的杰出代表的榮譽已從美國Sandia國家實驗室退休。
本書的第二作者是弗吉尼亞理工學院航空與航天及海洋工程系的副教授。他于1998年從北卡羅來納州立大學獲得博士學位后，作為高級技術人員在美國Sandia國家實驗室工作了5年。他在計算流體動力學領域發表過許多有關驗證和確認的文章。2006年，他因計算科學與工程中的驗證和確認方面的研究工作而獲得美國青年科學家總統獎（PECASE）。
本書將會受到那些尋求改進模擬結果的可信度及可靠性的各個領域中的研究人員、專業人員及決策者的熱誠歡迎。它的內容也適合用作大學課程或供人們自學。
胡光華，
退休高工
(原中國科學院物理學研究所)
流體動力學原理及應用范文3
關鍵詞：流體力學；教學理念；內容調整；教學方法；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0041-02
流體力學是研究流體平衡和運動規律的一門科學，是力學的一個重要分支，已廣泛應用到國民經濟的各部門。工程流體力學課程在哈工大是機械類、材料類、儀器儀表類、航空航天類、建筑工程類、熱能動力類、流體動力工程類等專業必修的技術基礎課程，既有基礎學科的性質，又具有鮮明的技術學科的特點，既與高等數學、大學物理、理論力學等課程有緊密的聯系，又是專業課的基礎，是一門理論性和工程實際意義都較強的課程[1]。哈工大流體力學教研室成立于1956年，歷來重視教學研究及教學質量，不斷積累教學經驗，改進教學思想，在基礎教學與實驗設施、師資隊伍建設、教學質量、教學研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國內領先水平，并于2009年被評為國家精品課程，目前正在進行國家精品資源共享課程的升級。雖然取得了一系列的重要成績，但是仍然存在一些問題，需要進一步轉換觀念，從當前社會的實際需求出發，深入進行教學模式和教學內容等方面的研究和探索。
一、改革教學理念
課程建設的目的是提高教學質量，歸根到底是提高學生培養的質量，而學生質量的衡量標準則是其綜合素質及能力。工程流體力學課程的特點是抽象概念多，數學分量重，理論性較強，許多復雜的流動物理現象難以用言語和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學課程中有很多較難的知識點，例如流體微元運動的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運動微分方程、邊界層基本方程及近似計算等，這些知識點包含了大量的數學推導，往往要占用很多課時，同時這些理論知識的講解又是空洞和死板的，無法激發學生的學習熱情。即使是多數教師能夠本著負責的態度將這些知識難點講解清楚，也往往并不能使學生對這些難點留下深刻的印象。這種教學過程是事倍功半的，容易引起學生對這些知識做機械的符號記憶或者陷入對推導嚴密性的過度鉆研，無法建立起流體力學的全局思維方式，進而也不能提高學生的綜合分析應用能力。因此，教師在授課過程中要不斷引導學生梳理所講授的知識，使學生能夠運用流體力學知識進行綜合分析。要讓學生明白，流體力學的學習不是背定理、記公式，而是要通過學習這門課程，掌握一門新的科學知識，了解它的人文背景，學習它的思想和方法，掌握它的原理和應用。學生是課程學習的主體，在教學過程中需要注意教與學的同步，授課時關注學生的反映，根據學生的反應對授課進行調整，必要時放慢節奏或變換講解方法，也可以讓學生參與討論。學生有必要參與到深層的學科知識應用中，因此可以讓同學參加與學科相關的科學研究，引導同學應用流體計算模擬軟件，實現模擬實驗[3]。教師對學生的實踐引導可以消減同學對流體力學公式繁多的苦惱，而在實踐能力不斷提高的過程中，學生的創新意識和能力將得到很大的鍛煉。實踐證明，學生可以完成適當的工程流體力學課程內容的拓展研究，實現課程與科研工作的相互促進。在積極開展第一課堂的同時，還應該引導學生參加第二課堂活動，激發學生創造熱情，培養學生科學素質和創新精神，提高學生獲取知識、運用知識的能力和創新能力。例如科技創新和節能減排大賽這樣的大學生科技活動是開展素質教育的重要平臺，為學生提供了施展才能、張揚個性的舞臺，使學生得以將課本所學知識充分的運用，并從制作和創新過程中學到了比課本更多的知識，提高了其知識綜合運用能力、實踐動手能力。流體力學教師應該充分利用流體力學知識應用面廣、基礎性強的特點，引導并指導學生參與此類科技活動。另外，流體力學教師還應該經常舉行科技講座，豐富學生的專業和學科知識，培養學生的科研意識和科學精神。
二、課程內容調整
目前所使用的工程流體力學課程內容包括了流體靜力學、流體動力學、漩渦理論基礎、理想流體平面勢流、粘性流體動力學、相似理論基礎、流動的阻力與損失、管路的水力計算、粘性流體繞物體流動、氣體動力學基礎、機翼及葉柵理論、流體要素測量等內容?？偟膩碚f涵蓋了流體力學工程應用的多數情況，但是結構仍然需要進一步調整。首先，工程流體力學課程內容較多，多年未更新，有些知識也趨于老化，應適當地對內容進行增減。2006年專業調整后，能源與動力工程本科教學按一級學科制定教學內容，在這種體系下，工程流體力學課程應在主體結構保留的情況下，對于涉及到工程熱力學和空氣動力學的內容進行刪減，避免不同課程的內容重復，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學生利用有限的課時可以將流體力學主體結構體系學得更好。另外，由于工程流體力學更多的應該涉及流體力學的工程應用，所以關于漩渦理論、理想流體平面勢流及粘性流體繞物體流動章節內涉及的較多理論性知識且與工程應用關系不大的應該適當精簡，減少課時占用。其次，工程流體力學課程內容應適當增加與工程應用相關的內容。美國著名的流體力學教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實際的管道流動、葉輪機械流動、環境流體力學等內容，作為經典流體力學主題內容的有機補充[4]。哈工大工程流體力學課程也應該針對學校定位及專業設置，在廣泛調研開課專業的需求基礎上，適當增加有普遍性、代表性的工程應用知識。最后，工程流體力學課程內容應更新與近期科技發展緊密聯系的內容。由于教材不可能年年更新，教師應該在教材內容基礎之上，適當增加與科技進展相關的內容，例如流動的虛擬實驗、流體參數的現代化測量、流體力學的發展現狀、流體力學的最新應用情況等，讓學生了解到流體力學的科技前沿，開拓學生視野，增強其學習流體力學的熱情和興趣。
三、改革教學方法
關于教學方法，哈工大流體力學教師較早地采用了不完全教學法、潛科學教學法、社會探究法、問題教學法、角度教學法等創新性教學法，將教學內容、教學媒體、教師活動、學生活動等課堂教學要素有機組織起來，發揮整體的最大效能。強調學生通過主動探求問題解決的途徑和方法，培養能力，以展素質；并將多媒體技術的運用與傳統教學手段、教學形式的改革統一起來，突出重點，突破難點，從而充分調動和激發學生的學習興趣和積極性。目前多媒體教學在高等教育中的應用越來越廣，在如何正確使用多媒體教學的問題上目前還有一些爭議和討論。工程流體力學課程知識點多，公式推導多，難度大，對于具體的知識點利用板書詳細推演在課堂教學中占用了大量的課時，同時也會影響到學生對流體力學整體思維的把握。由于工程流體力學課程的特點，很多流動現象概念比較抽象，難以用板書表達清楚，很顯然傳統教學方式達不到理想的教學效果。利用多種媒體手段可以更好地創設教學意境，變抽象為具體，變靜態為動態，變黑白為彩色，變無聲為有聲，通過豐富的圖例、連貫的動畫以及真實的實驗錄像，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，同時也豐富了學生的信息量，可以更好地激發學習興趣[5]。另外，流體力學的特點是數學分量重、理論性強，所以又不能過多依賴多媒體教學。對于涉及到重要理論公式推導的內容，簡單地將推導過程搬到課件上去，并不能使學生了解重要理論公式的來龍去脈，也難以加深學生對這些關鍵知識點的理解程度。這個時候需要收起屏幕，用板書認真書寫每個符號，推導每個關鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書都有各自的優缺點，因此我們可以取其長而避其短，采用兩者兼顧而又兩者不棄的原則，交互使用，相輔相成。
四、更新考評制度
哈工大工程流體力學課程作為技術基礎課，目前采取了綜合性的考評方法，總成績由作業、實驗、考試三部分組成，學生共計要完成60題左右的作業，由教師進行判分并作為總成績的10%；共計要完成11項左右的實驗，根據學生對每個實驗原理和操作技能的掌握及實驗報告的質量情況分為優、良、及格、不及格來評定成績，若有兩次不及格或者缺席者必須重做否則不得參加期末考試。實驗課成績占課程總成績的10%。期末考試為閉卷，占總成績的80%。流體力學考試的組卷與課堂教學內容息息相關，課堂教學如果注重內容的應用性、靈活性和綜合性，則在組卷時應適當減少客觀題，豐富試題類型，加大理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性成分所占比重較大，而學生臨近考試加班加點應付考試的現象。另外，根據課堂教學和課外科研實踐的特點，對于偏重于工程應用的專題，可以探索利用撰寫科技論文、提交科研作品的方法進行考試，與傳統考試成績綜合來建立起更合理、更具實踐意義的考評制度。
工程流體力學課程是面向工程應用人才的課程，所以教學核心始終應該是學生知識應用能力的培養。為此，在教學中貫穿流體力學思維模式和綜合分析解決問題能力的鍛煉，使學生學有所成、學有所用，是工程流體力學課程改革的一個長期方向。
參考文獻：
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[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.
流體動力學原理及應用范文4
【論文摘要】針對目前液壓傳動課程教學過程中存在的主要問題，本文試圖從學生心理、社會需求這一視角出發，大膽進行課程教學改革，尋找一條適合現代教學理念的教學新路子。
液壓傳動課程是機電一體化類、機械制造、數控技術等機械相關專業一門重要的專業基礎課程。也是機械類各專業課中難度較大的課程之一。對該專業學生而言，動手能力的培養非常重要。如何開展教學活動，讓學生實現真正去做，是全面實施素質教育對教學改革提出的要求。因此，本文針對液壓傳動課程自身特點和教學過程中存在的問題，為提高教學質量，培養學生創新實踐能力，從學生心理、社會需求出發，對教學改革作了一些有益的探討。
一、目前液壓課程教學存在的問題
(一)內容多，學時少
使學生能夠閱讀、設計一個完整的液壓傳動系統是“液壓傳動”課程的教學目的。要達到這一教學目標，應對以下內容進行講解:流體動力學的基本理論、液壓元件的結構原理、液壓基本回路及液壓系統。這些內容前后相關，在教學過程中需通盤考慮，缺一不可。傳統教學計劃中總教學課時在100學時以上，現在隨著教學計劃的改革，教學學時已縮減至50學時左右。如何處理好教學學時與教學目標這一矛盾，是該課程教改面臨的首要問題。
(二)學習困難
液壓傳動以流體力學為理論基礎，概念、原理較抽象，各類元件及傳動的原理非常不直觀，學生較難理解和掌握。同時，該門課程實踐性也較強，教學過程中安排的四個實驗項目，絕大多數為驗證性實驗，實驗課上很多學生是“看”實驗，而不是“做”實驗，即便動手做，也只是動手不動腦，很少去思考為什么要這樣做。由此導致學生理論學習困難、應用基本不會的局面。
二、教學方法探討
針對以上液壓傳動學習過程中存在的問題，如何改變傳統的理論授課、集中實驗、期終考試的教學方式，以激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，讓學生在學習過程中把理論和實踐結合起來，可進行以下教學改革。
(一)依據必需、夠用原則安排教學內容
液壓傳動課程主要由三部分內容組成:流體動力學、液壓元件、液壓回路。這三部分內容既有自身的特點和知識體系，彼此之間又有一定的內在聯系。這就導致學生在學習這門課時產生一種“內容繁雜、知識散亂”的迷茫感覺，課程的知識要領很難把握。如何使學生抓住學習的重點和難點，這是教師在教學中需要面對的難題之一。對此，在課程的理論教學過程中，應堅決貫徹“必需、夠用”的原則，在闡述基本概念和基本理論的同時，重點突出其技術的應用和實用，大量刪減理論偏深、偏多的推導及證明。在教學內容安排上，一是應打破原有的編排順序，將流體力學和液壓元件基本原理、液壓元件原理和液壓回路分析等有關內容結合起來講授，加強知識的連貫性，以利于學生的理解、接受和記憶。二是應重點介紹液壓元件作用、基本回路的特性、整機系統的分析等。三是應簡要介紹目前新型液壓技術。 (二)依據學生主體原則采取教學措施
目前，大學液壓傳動課程教學過程主要以教師授課為主導，而學生的學習主動性不高，這與培養實用型人才的目標相悖。激發學生主體意識的重要手段是激發學生的興趣，興趣是推動學生學習的內在力量。因此，課程教學改革應充分考慮學生及社會實際需求，從學生心理需求出發調動學生的學習積極性與主動性，始終貫穿著學生主體原則，改變過去那種“我講你聽”的“滿堂灌”的填鴨式教學方法，探討新的教學模式，提高教學質量與效果。首先，學生自主學習，應先給學生提出些問題及要求，讓學生帶著問題和要求去自學，培養大學生從書本中獲取知識的能力。教師應通過多種途徑引導學生從被動地接受中走出來，強化學生的主體意識，激發學生的學習潛能，實現學生的自主學習。教師應讓學生懂得教師只是他們的疏導者和助學者。其次，應進行多種方式的理論講授。在學生自學基礎上，教師對課程中每一章節，都應開展重點、難點部分的理論講授。教師可根據每一章節自身特點，采用多種方式，如液壓元件部分采用直觀性教學方法，讓學生對照實物，學習元件工作原理，組織學生討論;鼓勵學生發表意見，最后由教師總結歸納。這樣教師可減少繁瑣的簡單說教，學生也可得到必要的鍛煉?；芈凡糠植捎枚嗝襟w教學方法，用動畫形象生動地表現回路的中液壓油的流動方向，執行元件的運動等，控制過程一目了然，加上講解，可收到事半功倍的教學效果。最后，學生自擬實驗。液壓傳動課程是一門實踐性很強的專業基礎課，學生能否實際運用所學理論知識與實驗內容和實驗教學方法有關。因此，應結合實驗室條件，刪除部分驗證性實驗，同時增加動手型、設計性實驗。教師在此類實驗中只對學生提出實驗內容、實驗要求，提供實驗設備，由學生根據所學的液壓基本理論知識，自己擬定實驗方案、實驗步驟，選配相應液壓元件，連接液壓回路，并獨立操作，自行發現并解決問題。這樣，就能為學生創造主動思考和主動參與的機會，從而培養學生獨立分析問題、解決問題的能力。
流體動力學原理及應用范文5
關鍵詞：小水線面雙體船 船舶阻力 數值模擬 粘性繞流 計算流體力學軟件
小水線面雙體船又稱為半潛式雙體船，是一種為了改善耐波性、減小興波阻力，將常規雙體船的片體在水線處縮小寬度形成狹長流線形水線面的雙體船型。
小水線面雙體船由常規雙體船發展而來，和常規雙體船一樣，具有甲板面積寬廣、使用空間規整而充裕、橫向穩定性好等優點。此外，小水線面雙體船還具有其他的一些優點：高速航行時，靜水阻力性能和波浪阻力性能好；螺旋槳軸線沉深較大，推進效率高；水線面面積小，耐波性能好；易實施聯合控制操縱系統，操縱靈活，航向穩定性及其回轉性能良好；船體表面外形簡單，便于模塊化設計和建造，建造成本低周期短；靜穩性好，具有較強的生命力。
目前，世界各主要造船國家都在致力于小水線面雙體船的研究開發，并將其應用軍船和民船之上。而船舶阻力作為船舶快速性能的重要方面，是進行小水線面雙體船設計首要予以保證和優先進行研究的。
小水線面雙體船阻力及其研究方法
小水線面雙體船總阻力Rt主要包括興波阻力Rw、粘性阻力Rv、附體阻力Rap和波浪中航行時的阻力增值Raw，即：
Rt=Rw+Rv+Rap+Raw （1）
與單體船一樣，小水線面雙體船的阻力研究方法有理論計算分析法、數值模擬法和模型試驗法等三種。理論計算分析方法有線性理論、面元法理論及經驗公式估算等；常用的數值模擬方法有有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法等；模型試驗對于小水線面雙體船阻力的確定仍然起著決定性的作用，常用來驗證其他阻力研究手段的可靠性。
小水線面雙體船阻力數值模擬方法研究
水動力性能的數值模擬是通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件來實現的。CFD軟件是專門進行流場計算、分析和預報的軟件。通過CFD軟件數值模擬，可以計算、分析并顯示發生在流場中的各種現象，可以得到比模型試驗更多的流場信息；在比較短的時間內，可以進行水動力性能的預報，在多目標方案選優方面有著廣泛的應用；也可以通過改變各種參數預報性能，達到單目標優化的目的。
1、幾何模型的建立
某小水線面雙體船片體的主要尺度：下潛體長度LB=59.67m，下潛體直徑DB=3.32m，支柱體長度 LS=38m，支柱體沉深HS=2.73m，支柱體最大厚度tS=1.6m，兩片體中心距2b=16m。
建立幾何模型：首先，根據支柱體和下潛體的外形生成坐標數據，進行適當的處理后建立建模軟件能夠識別的數據點文件；然后，在建模軟件中導入數據點文件，分別建立幾何體；最后，進過布爾運算等處理生成一個完整的片體實體模型。
小水線面雙體船的兩個片體及其流場左右關于船體中縱剖面對稱，基于加快數值模擬計算速度方面的考慮，只需建立一個片體模型并設置對稱面便可實現整個流場的模擬。
2、構建計算控制域
數值模擬的目的是得到小水線面雙體船片體以一定航速在靜水中航行的阻力及流場信息。在進行數值模擬的時候，根據運動的相對性，可以將片體模型固定在一個位置，而給水流一個來流速度。
小水線面雙體船實際航行的時候，可以認為片體處于無界的流場中。因此，從理論上講，進行數值模擬的時候也應該將片體模型放置在一個無限大的流場中，才能保證數值模擬與實際情況相符。然而，在實際計算中計算控制域不可能取到無限大，我們只有根據片體模型的尺寸和實際流場計算的要求建立適當大小的控制域。在數值模擬中，控制域的外形也是非常重要的，它影響到網格劃分的網格劃分的網格類型和網格質量，進而對數值模擬的精度和需要的時間產生重大的影響。
計算控制域分上、下兩個部分，上部分控制域流過的流體是空氣，下部分控制域流過的流體是水?？刂朴驗橐婚L方體，其尺寸長（x軸，船長方向）為456m、寬（z軸，船寬方向）為100m、高（y軸，吃水方向）155m。
3、網格劃分
雙體船阻力數值模擬中，網格劃分的原則：①雙體船表面網格大小應約為設計水線長度Lwl的6‰；②建議細化流場網格系數r*
由于片體表面不規則，不易生成結構化網格，所以本文在片體表面采用了非結構化的四邊形面網格，減小假擴散誤差，提高計算精度。體網格采用四面體、六面體和楔形的混合網格單元。
根據雙體船網格劃分的原則及計算機硬件配置情況，共生成了214萬個混合型體網格單元，網格質量EQUISIZE SKEW≤0.88。
4、定義邊界條件
根據具體的數據模擬問題的定義邊界條件，來流方向沿x軸指向負方向，我們將右側表面設定為空氣速度入口和水流速度入口（velocity inlet，專門用于不可壓縮流動入口定義）；假定出口表面處水流不受片體擾動的影響，我們將左側表面設定為自由流出口邊界（outflow，用于充分發展的自由流出口邊界定義）；進行數值模擬的目的是求解片體所受阻力大小，所以將片體表面設定為壁面邊界（wall，無滑移壁面條件）；控制域的側向表面及兩片體流場的對稱面均設定為對稱邊界；將整個控制域設定為流域中的流體性質。
5、求解設定與計算
采用三維單精度求解器。首先，進行網格的處理及模型尺寸比例的設定，包括網格檢查、光滑、粗化及模型比例設定；其次，求解的設定，采用分離式求解器非穩態求解，用VOF模型對自由液面進行捕捉，選用工程上常用的標準k-ε湍流模型，對于近壁區域采用壁面函數法進行處理，兩相流方面將空氣設置為第一相、水設置為第二相，選擇精確的界面跟蹤方法幾何重構公式模擬，運行環境考慮重力的影響，并且進一步設置邊界條件參數；再次，求解的控制，選用SIMPLE算法進行壓力和速度耦合，欠松弛因子保持默認，對壓力采用PRESTO！離散動量插值采用二階迎風格式，壓力用Geo-Reconstruct格式，其他均用一階迎風格式，根據問題的需要進行多重網格和參數限制進行設定，進行求解初始化和兩相流狀態初始化，分別設置殘差監視器、阻力監視器等作為判斷收斂標準。最后，進行數值模擬計算至結果收斂。
數值模擬結果
數值模擬結果的后處理：計算至收斂以后，根據需要分別提取殘差監視曲線圖、阻力系數監視曲線圖、片體表面動壓力分布圖、空氣體積分數分布圖以及采集片體所受阻力D。
根據采集的不同航速時候片體所受阻力數據D，求得總阻力R。以航速V為橫軸，總阻力R為縱軸繪制出小水線面雙體船阻力曲線圖。
結論
本文對小水線面雙體船阻力進行了分析，并對其數值模擬方法具體過程進行了研究。通過分析研究，可以得到如下結論：①數值模擬方法可以很好地進行小水線面雙體船流場計算、分析和預報，進而預報其水動力性能；②通過對流場的計算分析和預報，計算流體動力學軟件可以簡單方便地進行小水線面雙體船阻力計算和預報，為船舶快速性設計提供依據；③通過對流場的計算分析和預報，計算流體動力學軟件可以直觀形象地顯示發生在流場中的各種現象，得到比模型試驗更多地流場信息；④在船舶粘性數值模擬自由液面的模擬和捕捉上，VOF模型具有一定的優勢；⑤數值模擬方法可以在比較短的時間內進行小水線面雙體船水動力性能的預報，在多目標方案選優方面有著廣泛地應用，并通過改變各種參數預報性能可以達到單目標優化的目的。
參考文獻：
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流體動力學原理及應用范文6
關鍵詞：汽車CAE；力學專業；數值模擬能力；課程體系
作者簡介：丁軍（1978-），男，重慶人，重慶理工大學機械工程學院，副教授；黃霞（1977-），女，四川射洪人，重慶理工大學機械工程學院，講師。（重慶 400054）
基金項目：本文系重慶市高等教育教學改革研究項目（項目編號：112013）的研究成果。
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0051-02
力學是研究物質機械運動規律的科學。它以理論分析、實驗驗證和數值模擬為主要研究手段，揭示和解決工程技術中的普遍規律和共性問題，涉及航空、航天、造船、核能、建筑、機械、汽車、環境、生物醫學等諸多領域。它包括力學中的基本問題和方法、動力學與控制、固體力學、流體力學、生物力學、爆炸與沖擊動力學等學科。[1]力學基礎課程和力學基礎知識是大多數工科專業，特別是機械、汽車相關領域的必備基礎。力學具有基礎和技術學科的雙重特征，力學專業不僅十分關注科學技術的發展前沿，成為推動新學科發展的重要力量，而且特別注重解決工程實際問題。例如在固體力學的范疇內，新材料的發展帶來了新的固體力學問題。當經典力學的連續、均勻、小變形假設不再成立時，要想找到精確解是不可能的，唯一解決手段是計算力學方法。另一方面，在經濟和社會發展中的重大工程問題中，例如交通運輸、先進裝備以及航空航天等領域，工程力學的作用越來越大?，F代力學問題追求更加真實的工程環境以及跨尺度、多物理場耦合的相互影響，因而提出了大量的數值模擬仿真問題，計算力學是解決工程數值模擬關鍵技術的主要手段。[2-3]我國著名科學家錢學森曾經預言：在21世紀，“力學加計算機將成為工程設計的主要手段”。[4]當今數值計算理論及CAE仿真技術的飛速發展驗證了錢老的真知灼見。
重慶理工大學（以下簡稱“我?！保┑靥幬覈鞴I和裝備制造業的集結重鎮——重慶。汽車、摩托車產業和裝備制造業是重慶市經濟發展的重要支柱產業，是催生重慶市地方區域經濟發展的新增長點，促進和推動重慶市經濟快速穩步增長的核心和動力。目前，重慶已發展成為全國重要的汽車生產基地、世界最大的摩托車零部件制造基地和全國最大的摩托車整車生產基地?！?013重慶經濟展望》指出：2012年全年，重慶市汽車、摩托車產值高達3600億元，預計2013年汽車、摩托車產業總值將達到4000億元左右。同時，重慶是我國10個重大裝備制造業基地之一?！吨貞c市裝備制造業三年振興規劃》指出：未來三年，重慶將依托現有裝備制造產業基礎，加快產業結構調整，推動產業優化升級，形成特色產業集群，全面提升產業競爭力，預計三年后，即2015年，重慶裝備制造業實現工業總產值5000億元的規模。汽車、摩托車產業和裝備制造業帶來的龐大經濟規模，勢必提高產業發展對大學本科應用型人才培養質量的要求。
我校主動適應地方區域經濟及產業發展對應用型人才的需求，將理論與應用力學專業與汽車產業緊密結合，形成具有汽車CAE特色的力學專業人才培養模式，培養具有較強汽車CAE分析能力和堅實力學專門知識的應用型人才。
一、數值模擬能力范疇
近年來，數值模擬分析能力水平已成為工科研究生，特別是汽車和機械類研究生的必備工具之一，而對于機械、汽車專業學生來講，其CAE分析水平主要還是停留在利用軟件進行簡單的建模分析階段，由于CAE分析軟件具有較強力學專業背景，多數學生并不了解CAE分析的具體過程和產生此種分析結果的緣由；另一方面，力學專業的學生往往又不具備很強的汽車結構專業知識和工程背景。因此，為了彌補既有較強汽車專業知識又具有扎實力學專門知識的人才空白，我們將力學與車輛兩個專業有機而緊密結合起來，將數值計算模擬分析能力進行進一步深化和拓展，培養力學專業學生扎實的數值模擬分析能力和較強汽車工程背景。數值模擬能力主要歸結為以下方面：
1.數學建模能力
建立正確的模型是進行計算分析的基礎。對于工程問題，首先要建立反映問題本質的數學力學模型，建立反映問題變量之間關系的微分方程及相應定解條件，這是數值計算的出發點。沒有正確完善的數學模型，數值計算就無法模擬真實情況。
2.結果分析能力
在CAE分析過程中，一旦確定了正確的力學模型之后，求解過程是一個關鍵問題。但問題在于，任何一種通用有限元分析軟件的求解過程都是一個“黑匣子”，其所有方程求解都封裝于求解器之內，對于一般大學本科生層次來講，無需深入了解暗箱中的操作。但結果出來之后，結果分析能力就顯得至關重要。如何去判斷所得的結果是否正確，是CAE分析的關鍵所在。因此，力學專業本科生要掌握運用所學力學知識進行結果分析和討論的能力，不能只看到表面上的數字和圖表，而是通過分析和討論，挖掘數字和圖表后面所隱含的力學原理和實際意義，學會判斷計算結果的正確性、精確度、應用限制與改進方法。
3.程序編制能力
前面所說CAE的求解是一個封裝后的黑匣子，對于一般用戶來講無需去細究，但是，對于想要成為具有較強數值模擬能力的CAE專業人員來講，具備一定的程序編制能力非常必要，是實現自己新思想、新方法的唯一途徑。目前，通用有限元分析軟件如SIMULIA（ABAQUS）、ANSYS、PATRAN&NASTRAN等都是針對用戶實現一般分析功能的通用程序，在某些特定環境下或針對某些具體的工程實際問題，如先進復合材料分析，由于軟件本身自帶的材料物理本構模型無法表述某種復合材料時，此時就必須利用程序來編制適合工程實際的材料本構方程。
4.軟件的綜合應用與開發能力
軟件的綜合應用能力是解決工程問題的利器，也是分析和提高計算的可靠性、有效性和精確性的有利方法?，F代計算力學發展已經逐步專業化、產業化，功能強大的、成熟的商業軟件是解決工程實際問題的有力工具。在掌握模型建立的基礎上，讓學生熟悉多種商業軟件的使用既有利于對前期建模、計算方法、有限元分析等知識的進一步深化，也為今后解決工程實際問題掌握了有力工具。教學中要求學生針對具體的、較復雜的工程問題采用成熟軟件進行模擬分析，寫出分析報告，并在課堂講解接受答辯。
二、汽車CAE特色的數值模擬能力培養和提升的核心課程體系
為了培養既具有汽車結構專業知識，又具有較強數值模擬計算能力的力學專業高素質應用型專門人才，我們在理論與應用力學專業人才培養方案中設置了“汽車構造”和“現代汽車技術”兩門課程，專門用于培養學生汽車結構專業知識和提高其對現代汽車技術發展的了解和掌握，強化了學生的工程背景，構建了以數值計算能力培養和提高為驅動的力學專業核心課程體系。整個課程體系設置如圖1所示。
數值模擬能力的基礎是有限單元法，其將工程結構問題抽象成數學力學模型，然后再采用偏微分方程、泛函分析、數值分析等數學工具求出工程實際問題的近似解，通過不斷提高網格質量和增加網格數量等技術手段來逼近物理問題的真實解，學生要很好掌握有限單元法知識必須得具有扎實的彈塑性力學知識（其是理解并抽象工程實際問題的最基本工具和方法），C語言或Fortran語言程序識讀及編程能力，以及必備的數值分析能力，這三門學科知識奠定了有限單元法堅固的理論基礎。[5-6]
在良好掌握有限單元法知識后，開設了“CAE軟件應用”、“多體動力學軟件及應用”、“動力學有限元軟件及應用”、“計算流體動力學及軟件應用”等技術課程。這四門課程的學習可以使學生對有限元法的理論和編程思想有更深刻的理解和認識，實現質的提升。在“CAE軟件應用”課程的學習中，采用ABAQUS軟件作為學生的操作軟件。ABAQUS一直是國外高?？蒲性核?、航空航天領域的標志性工具軟件。作為力學專業學生，理應需要學習專業性更強、拓展性更好的分析軟件?！岸囿w動力學軟件及應用”課程采用的是ADAMS軟件，該軟件在國際多體動力學分析行業中得到一致認可，通過對多體動力學理論和軟件的學習，彌補了理論與應用力學專業學生機械知識薄弱等不足，強化了學生對機構等構件的認識和理解，同時，ADAMS軟件在汽車業界也是公認的主流軟件，加深了力學專業學生畢業后在汽車業界的被認同感?！皠恿W有限元軟件及應用”主要采用LS-Dyna和Nastran，結合我校的學科特點和專業特色，讓學生通過動力學理論及軟件的學習掌握對機械零部件、汽車零部件及整車的動力學特性分析（如機械零部件的振動、汽車的碰撞等）?！坝嬎懔黧w動力學軟件及應用”課程采用國際公認的專業流體分析軟件Fluent。隨著近年來國內汽車工業的飛速發展，國產轎車技術的突飛猛進，產生大量需要利用空氣動力學理論來解決的汽車工程問題，如車身外形的設計及優化、發動機的冷卻、車內空調制冷優化等問題。在掌握了ABAQUS、ADAMS、Nastran、Fluent等通用或專業分析軟件之后，在人才培養方案中，我們結合“汽車構造”和“現代汽車技術”兩門專業課程，讓力學專業學生系統地學習汽車專業知識，將汽車工程實際問題與已獲得的CAE分析能力有機結合起來，達到力學專業并不是只注重理論，還要將力學專業知識與工程背景相結合的人才培養目標。
三、教學環節的實施
在每門課程教學中，特別注意重點內容的選擇，把主要精力放在有限單元法的基本原理、工程實際問題建模和程序實現上，特別是不能把有限單元法的求解過程講解成計算方法或線性代數。主要的實施環節可以歸結為三項。
1.研讀源程序
學生最早接觸有限元源程序是在有限單元法課程學習中，因此，要求學生不僅理解有限元法程序的設計流程、主要模塊功能、算法實現和調試驗證等主要環節的基本原理，而且要求學生具備對源程序進行修改、增加功能模塊和自行編制調試程序的能力。在有限單元法課程上準備了三個源程序，即入門級的三角形常應變程序、平面問題的等參元程序和板殼單元程序。
2.自主建模
為了培養學生解決實際工程問題的能力，特別是汽車工程的建模能力，在上機實習、考試和課外作業中實行自我命題、自我解決、自我判斷的能力培養環節。工程實際問題的分析模型可能有多個，鼓勵學生對不同的幾何簡化、載荷工況和邊界約束進行分析比較。找到合理模型，積累建模經驗。
3.閱讀經典著作及文獻
以有限元分析軟件為手段的數值模擬計算現在已經成為各個研究領域解決工程實際問題特別是大工程問題的主要手段。因此，培養和提高數值模擬計算能力對于地方工科院校人才培養是十分重要的環節。地方高校要加強內涵發展，培養和提高學生的工程實踐能力，培養學生的創新精神，全面提高人才的培養質量。實現學生創新精神和能力的培養需要對所學行業、學科及專業的縱深有了解，因此，在教學過程中，我們十分重視向學生引入汽車的先進技術知識、數值模擬先進手段、超高性能計算機的發展現狀及趨勢。推薦學生閱讀優秀的科研論文以對計算力學的先進理論成果進行了解，對CAE領域的發展具有一個總體的研判。
有限單元法課程理論深奧，涉及學科錯綜復雜，不同版本教材的作者站在不同的學科和專業視角，可能會讓學生產生難學難懂的錯覺，甚至有學生產生學習抵觸情緒。我們就此專門向學生推薦有限單元法領域世界級大師的著作，如K.J Bathe，J.N Reddy等有限元法原著，傾聽大師對有限元法的風趣詮釋和超凡理解，讓學生從另外一個角度來深刻體會和學習知識。
在該課程體系的實踐下，我校首屆理論與應用力學專業學生取得了良好成績和效果，有33%左右的學生考上了國內著名985高校的研究生，多名學生就讀于在國際國內計算力學領域具有重大影響的大連理工大學，師從業界有名的計算力學專家。其中一名學生更是以專業第一名的優異成績完勝其他高校學生，被大連理工大學計算力學專業錄取為直博研究生。部分學生憑借其在校期間掌握和積累的數值模擬計算分析能力就職于國內多家著名汽車整機或零部件企業，獲得用人單位一致好評。
四、結論
以掌握有限元軟件分析應用為手段的數值模擬計算能力是地方工科院校力學專業學生應具備的基本素質。將力學專業知識和飛速發展的汽車行業緊密結合，培養學生堅實的力學知識且具有熱門行業的專業知識和工程背景。拓寬了地方工科院校力學專業人才培養的思路和渠道，為力學專業畢業生提供了更為廣闊的用武之地和發展愿景。通過系列化的課程設置、工程化的培養手段和融入少許國際元素的教學理念，為國家培養具有高水平數值計算模擬能力的力學和汽車專業人才。
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