流體的力學特征精選(九篇)

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第1篇：流體的力學特征范文

本書主要討論在科學研究及工程實踐中遇到的流體問題中偏微分方程的變換與求解問題，書中所討論的內容在航空航天、生物力學、化學、機械工程、流體力學及地球物理學流動等領域均得到了廣泛應用。

本書一共分為8章。1，介紹了復數(shù)的基本知識、解析函數(shù)、積分與柯西定理、實積分的應用等內容；2，介紹了Gamma函數(shù)，一些用微分方程定義的函數(shù)如Legend-re函數(shù)、Bessel函數(shù)、超幾何函數(shù)、cheby―shev函數(shù)和airy函數(shù)等特殊函數(shù)及部分函數(shù)的積分；3，特征值問題與特征函數(shù)展開。內容包括Rayleigh判據(jù)，Sturm―Li―ouville問題，特征函數(shù)展開及應用實例，非標準特征值問題，F(xiàn)ourier-Bessel級數(shù)；4，格林函數(shù)邊值問題，介紹源項與基本解、有源項的球殼導熱問題、格林函數(shù)一階與高階問題、伴隨與自伴問題、一階系統(tǒng)：格林矩陣、特征函數(shù)展開及實例；5，主要介紹Laplace變換及逆變換、雙邊Laplace變換；6，F(xiàn)ourier變換及逆變換、Mellin變換。7，主要介紹了背風波、遠場動量尾跡、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定度、平板Couette流動穩(wěn)定性等物理問題中的微風方程的應用；8，積分的漸進展開，主要介紹漸進展開基本知識、部分積分法、Laplace積分、Watson引理、最速下降法、穩(wěn)相法及Kelvin結果等內容。

本書兩位作者曾多年從事相關領域研究生課程教學工作，具有豐富的教學經驗，書中很多內容就是在教學筆記的基礎上整理編寫出來的。I.H.赫倫教授曾在哈佛大學任教，美國西北大學、馬里蘭大學、麻省理工學院和美國Los Alamos國家實驗室等單位進行訪問研究，現(xiàn)在任職于倫斯勒理工學院，主要從事流體流動穩(wěn)定性理論研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大學榮譽退休教授，曾在里海大學、倫敦大學學院、鄧迪大學和曼徹斯特大學等進行訪問研究，目前是倫斯勒理工學院兼職教授，獲得過多個教學和科研獎項，是《流體動力學》、《流體物理學》、《力學學報季刊》和《應用數(shù)學》等國際雜志的審稿人，專業(yè)是理論流體動力學。

本書結構清晰，各種概念、定理解釋透徹，書中結合實際物理問題安排了大量實例，十分便于讀者理解理論知識，既可以作為非數(shù)學專業(yè)學生運用數(shù)學方法研究流體力學課程的教科書，也可以作為數(shù)學專業(yè)的輔助課程參考書，同時還可以作為相關領域研究人員的參考資料。

第2篇：流體的力學特征范文

關鍵詞：石墨烯；量子輸運；流體力學方程；剪切粘

石墨烯由于其準粒子的無質量相對分散特性和高遷移率吸引了各界關注，并且它還顯示出了一系列優(yōu)異的性質，如：超高的導電率[1]；剪切粘度與熵之比超低[2]；不僅有特殊的結構強度，而且結合了力學靈活性[3]和光透明度[4]。最近的研究顯示石墨烯提供了一種特有方式，去觀察在適度的高溫下，極端相對論粒子的等離子體輸運特性[5]。如將純石墨烯設在一個特定的參數(shù)空間，則其費米表面收縮至兩點，且在許多其他方面的表現(xiàn)，也與接近更復雜量子臨界點的系統(tǒng)非常相似[6]。由于石墨烯的無質量狄拉克（Dirac）粒子，其相對極端夸克-膠子等離子體性質也很特別。通過對這些性質的分析和計算可以推導出其流體力學方程。

1 性能介紹

剪切粘度η用來測量流體阻值，從而建立橫向速度梯度，見圖1，粘度越小則其流體力學越趨于復雜。類似于導體的電阻率，粘度通過降低速度場中的多相性而引出熵增率。雖然η=0的理想流體不存在，但能找到非常接近于理想流體的完美的流體。

（b）在一個分源點和漏極點保持在±V/2的四點幾何形中，不均勻電流的預期分布。當沒有粘性和其他非局域效應時，電流將與外加電壓V成比例，與兩點之間的距離L無關，而粘性效應隨著L減小而減小。

粘度的單位為？捩n，其中，n表示密度。為了量化剪切密度的大小，通常將η/？捩與熱激勵nth比較，nth可以通過熵密度計算，s～kBnth。受石墨烯在RHIC實驗[7]中優(yōu)異性能的啟發(fā)，Kovtun等人提出廣泛系統(tǒng)中η與s之比的下限[8]：

由于在無碰撞的光學區(qū)間？捩ω>>kBT[12]內，電子間相互作用對導電性σ（ω，Τ）的影響非常小，而在相反區(qū)間？捩ω

石墨烯中，當能量低于幾個電子伏，其電子特性則如Hamiltonian所示：

其中，費米速度υF≈108cm/s， 為動量算子，l=1，…，N為N=4自旋和谷自由度的下標，σ（σx，σy）為Pauli矩陣在蜂巢晶格結構兩個底晶格空間的表示。如果沒有庫倫相互作用，公式（2）則變成自由無質量狄拉克粒子的N類Hamiltonian[14]。

2 流體力學方程推導

接下來討論在存在庫倫相互作用的相對論流體磁動流體力學，在流體力學模型中的響應函數(shù)適用于在狄拉克點附近的石墨烯[17]。特征速度υF≠c決定了相對分散，在流體中的（反）粒子的電荷為±e。下面采用υF=e=？捩=1為單位。

由于庫倫作用傳播速度約為光速c>>υF，所以可認為它是瞬時的，則很顯然通過將實驗框架設為一個特定的參照系，打破了流體的相對不變性。

上述表達式包含了耗散項νμ，？子μν用來計算熱電流和粘性力，P代表壓強，ρ代表電荷密度。若無粘性項，則在流體元在類空間入口的壓力以及在類時間入口的能量密度這樣的靜止參考系中，應力能量張量為一個對角矩陣。坐標系中各分量為：

T00=ε，（5）

其中，ε，P，ρ為局域化學勢μ（r）的函數(shù)，ε表示能量密度，局域溫度T（r），磁場為B，μ（r）包含了由不均勻的電荷分布而引起的庫倫勢。

電荷、能量及動量守恒如下：

其中，電磁場張量，

包含一個由于系統(tǒng)本身的不均衡電荷密度而自發(fā)產生的空間變化場：

其中，式（14）中已將統(tǒng)一的本底電荷密度減去。

在坐標系中線性守恒定律則明確表示為：

此外，包含了一個由于微弱雜質散射而產生的弛豫時間τ。電流的本構方程如下：

基于上述推導出的流體力學方程以及石墨烯中電子的量子BTE，分析出了傳輸系數(shù)――流體剪切粘度[18]，也即下述模型中的輸入?yún)?shù)。當電子-電子間相互作用主導無彈性散射率時，即低雜質、高溫且穩(wěn)定場情況下，流體力學方法就能有效應用于石墨烯[19]。為了忽略電子-聲子間作用，選擇在100K左右的合適高溫區(qū)間[20]。無磁場時，即B=0，準粒子分布函數(shù)為f，由BTE，則：

其中，-Ω[f]表示考慮電子-電子間相互作用的碰撞項，

則式（17）、（18）、（19）、（20）可推導為：

其中，式（23）為電荷守恒，式（24）為能量密度守恒，式（25）為動量守恒，ρr（ε+P）/υF2。

3 性能分析

對于純石墨烯（μ=0），電荷密度由于熱能而存在，則可寫成，

然而，當石墨烯摻雜時，雜質會使石墨烯樣品產生電位，此時，則必須要考慮由于化學勢產生的修正，

其中，Φρ為無量綱遞增函數(shù)。

式（25）中的剪切密度η可由下述方程算：

其中，Cη～Ο（1）為一個數(shù)值系數(shù)。熵密度可由Gibbs-Duhem關系ε+P=Ts計算，此等式是在|■|

基于式（25），性尺寸為L0的石墨烯樣品其動態(tài)粘度由式（28）給出，此等式可寫成以下形式：

其中，引入特征頻率ωf=υF/L0，通過解合適的量子BTE，得Cη？勰0.45[21]。式（29）也可以寫成η=Cηqf-2 ？捩/L02，qf？捩ωf/（kBT）。由此，為了應用經典電子流體力學描述，激勵能量必須遠低于熱能，即qf

為了達到這個目的，鑒于式（25），定義雷諾數(shù)為：

其中，ν0=υFL0。通過將雷諾數(shù)寫成Re=υ0L0/ν，與上述方法類似，可得到：

利用η/s=0.2？捩/kB3，qf？勰0.07，則得到ν？勰10-2。盡管石墨烯動態(tài)粘度極低，但石墨烯的動力粘度依然大約比水的動力粘度大四個數(shù)量級。這四個數(shù)量級的差距是由于電子的高速而產生的，也即電子的高速是雷諾數(shù)產生高值的最終決定因素。

4 結束語

在本文中，忽略了電子-雜質及電子-聲子的相互作用，僅基于對石墨烯中的電子流體力學方程描述，對其剪切粘度、動力粘度、動態(tài)粘度及雷諾數(shù)進行了探討，表明石墨烯具有低剪切粘度與熵密度之比、高動力粘度以及低動態(tài)粘度。而通過對石墨烯動力粘度的分析，可以看出，在微米級的比例下，雷諾數(shù)可以在石墨烯樣品中實現(xiàn)高值。在后續(xù)的研究工作中，還將對電子-聲子、電子-雜質和聲子-聲子建模及量子輸運性能分析。

參考文獻

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第3篇：流體的力學特征范文

關鍵詞：能源與動力工程；網(wǎng)絡教學平臺；混合式教育

作者簡介：代乾（1981-），男，河北滄州人，天津城市建設學院能源與安全工程學院，講師；王澤生（1964-），男，天津人，天津城市建設學院能源與安全工程學院，教授。（天津 300384）

基金項目：本文系天津城市建設學院2012年度教育教學改革與研究項目（項目編號：JG-1207）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0074-02

2012年9月，教育部頒布實施新的《普通高等學校本科專業(yè)目錄（2012年）》，熱能與動力本科專業(yè)更名為能源與動力工程專業(yè)。由專業(yè)名稱可見該專業(yè)的內涵更加廣闊和深遠，從而也說明隨著能源動力科學技術的飛速發(fā)展和新問題地提出，社會對人才的培養(yǎng)提出了新的要求。目前，大約有170多所高校設置了熱能與動力工程專業(yè)。[1]隨著經濟的發(fā)展，能源與環(huán)境逐漸成為世界各國所面臨的重大科技和社會問題。培養(yǎng)高素質的具有創(chuàng)新意識的能源工程專業(yè)人才是本學科義不容辭的責任。而熱工系列課程作為重要的專業(yè)基礎課程，其重要性不言而喻。合理的課程體系是體現(xiàn)教育教學理念的重要載體，是實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標、構建學生知識結構的中心環(huán)節(jié)，建立適應社會主義市場經濟發(fā)展需要、體現(xiàn)熱能動力技術學科內在規(guī)律、科學合理的課程體系極為重要。[2]為了使該課程適應新的要求，非常有必要對其進行一定的改革，以培養(yǎng)適應21世紀社會發(fā)展需要的人才，同時對推動我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。

一、實施混合式教育方式

開發(fā)混合式學習方案的關鍵因素在于確定適當?shù)臅r機，使用適當?shù)幕旌戏绞?，為適當?shù)膶W生施行教學。而教師想要運用適當?shù)幕旌戏绞叫枰紤]學習地點的設置、信息傳輸技術及時間的安排、教學策略和績效援助策略等。[3]混合式教學模式一般可分為以下幾個階段：[4-6]

1.前期分析

學生作為學習活動的主體是有認知、有情感的，學生本身的知識水平、學習能力和社會特征都對學習的信息加工過程產生影響，教師進行學生特征分析有助于了解學生的學習準備和學習風格，從而為后面的學習環(huán)境設計和媒體的選擇提供依據(jù)。

2.混合式教學的組織與管理

教師應按照教學進度有針對性地選擇和設計教學活動，同時要參照已經設計好的課程目標、課程內容及其呈現(xiàn)形式，將其與具體的章節(jié)知識點相關聯(lián)。教學活動的作用在于為學生創(chuàng)造具體的學習情境，并加強師生、生生之間的交流互動，因此恰當?shù)慕虒W策略對于教學活動的順利展開尤為重要。

3.網(wǎng)絡教學平臺及教學資源建設

網(wǎng)絡的對于教學來說不應當只是教學內容，而更多的應該是支持教學交互、教學評價和教學管理，教學交互、教學評價和教學管理是保證教學質量的重要環(huán)節(jié)，這就需要有一個集教學內容與管理、課堂教學、在線教學交互、在線教學評價、基于項目的協(xié)作學習、發(fā)展性教學評價和教學管理等功能于一體的網(wǎng)絡教學平臺來支撐混合式教學。本校對“工程熱力學”、“傳熱學”、“工程流體力學”原有的教學網(wǎng)站進行了全面改版，并于2010年先后投入運行。其中“工程熱力學”課程教學網(wǎng)站主頁如圖1所示。網(wǎng)站按照省部級精品課程的要求制作，網(wǎng)上教學內容詳實，包括課程的概況、教學文件、習題及答案、實驗實踐教學等各種資源。學生可通過瀏覽網(wǎng)站學習更多的知識，這對課堂教育來說是一個非常有益的補充，并有助于實現(xiàn)教與學的互動。

二、教學內容優(yōu)化

“工程流體力學”是理解能源動力系統(tǒng)工質流動與流量、能量分配的基礎?！肮こ虩崃W”是研究如何充分和有效利用能量的學科，其基本內容是熱力學基本定律和工質熱物性、熱過程的研究，是理解能源動力系統(tǒng)中能量轉換基本規(guī)律和提高系統(tǒng)能源利用效率的理論基礎?！皞鳠釋W”研究熱量傳遞的基本規(guī)律，是理解和控制能源動力系統(tǒng)熱量傳遞過程的理論基礎?！盁峁W”集成了“工程熱力學”、“傳熱學”的基本理論和核心內容，為能源動力類安全工程專業(yè)等提供必要和少量學時的熱工理論基礎教育，也是其他非能源動力類專業(yè)節(jié)能技術及應用的理論基礎課程?！盁峁y量技術”和“流體熱工基礎實驗”課程則是關于“工程流體力學”、“工程熱力學”、“傳熱學”的實驗理論的技術基礎課程，旨在揭示相關課程的實驗研究目標、原理、方法以及應用。

1.熱工系列課程間內容關聯(lián)性分析

（1）“工程流體力學”與“工程熱力學”在教學內容的關聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個方面：“工程流體力學”中的一維無粘性重力流體流動能量方程（伯努利方程）與“工程熱力學”中的熱力學第一定律穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式具有相同的理論基礎，后者是普遍適用的能量方程式，而后者是前者在一維無粘性重力流體條件下的特例和不同的表達方式；“工程流體力學”中的可壓縮流體流動基礎與“工程熱力學”中的氣體和蒸汽的流動研究對象及理論基礎完全相同，只不過研究的側重點不同，前者強調流動特性，后者注重能量傳遞與轉換過程。

（2）“工程流體力學”與“傳熱學”課程在教學內容方面具有緊密的關聯(lián)性和延續(xù)性，主要體現(xiàn)在“工程流體力學”中粘性流動方面與“傳熱學”中對流換熱方面的相關內容，具體為：

1）研究對象均為傳遞現(xiàn)象，“工程流體力學”研究的是動量的傳遞，而“傳熱學”研究的則是熱量的傳遞，其規(guī)律及分析方法具有類比性。首先，傳遞驅動力分別為速度差和溫度差；其次，傳遞方式均為分子擴散和對流擴散，其中對于分子擴散基本規(guī)律兩者具有類似的形式，即牛頓摩擦定律及傅里葉定律，也均有描述傳遞能力的物性參數(shù)，即運動粘度（m2/s）和熱擴散系數(shù)（m2/s），而且流動邊界層與熱（溫度）邊界層具有相似的定義和相同的邊界層結構；最后，描述傳遞現(xiàn)象的控制方程，即動量微分方程式（N-S方程）和能量微分方程，也具有相似的形式。這也是“傳熱學”中動熱類比分析方法（類比律，即將阻力實驗結果直接用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算）的理論基礎。

2）如果粘性流體流經壁面且具有與壁面不同的溫度時，就會同時發(fā)生動量傳遞和熱量傳遞現(xiàn)象。此時“工程流體力學”與“傳熱學”研究的是同一現(xiàn)象的不同方面的特性，即阻力特性和傳熱特性。一般阻力特性是傳熱特性研究的基礎，某些特殊情況（流動及對流換熱具有耦合特征）下兩者相互影響，如流體外掠平板的層流與紊流流動及對流換熱、圓管內層流與紊流流動及對流換熱、外掠圓柱的層流與紊流流動及對流換熱、各類自由流動及對流換熱等等。顯然在此類教學內容中，“工程流體力學”是“傳熱學”的基礎。

3）具有相同的分析、計算方法。正是由于動量方程和能量方程具有相似的形式，理論分析法（包括微分方程組求解及積分方程組求解）、模化實驗方法（相似原理）、數(shù)值計算方法均可應用于阻力特性和傳熱特性的研究，甚至同一數(shù)值計算商業(yè)軟件（如FLUENT、ANSYS、PHINICS等）可同時分析求解同一現(xiàn)象的阻力特性和傳熱特性。因此在研究方法上，“工程流體力學”與“傳熱學”是并行的或者說是相同的。

（3）“工程熱力學”與“傳熱學”課程在教學內容具有關聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個方面：“工程熱力學”中有關熱量傳遞只是討論熱力過程中熱量傳遞的量，而“傳熱學”研究的是熱量傳遞的機理、方式、影響因素、計算方法。在“熱力學”中熱量的單位是q（J/kg），而“傳熱學”中熱量（熱流密度）單位是q（W/m2），可見后者強調的是熱量傳遞的速率及能力，而后者以前者的理論（即熱力學第一定律—能量守恒規(guī)律）為基礎；“工程熱力學”中有關濕空氣焓及含濕量變化規(guī)律與“傳熱學”中的熱質交換有著內在聯(lián)系。如電廠冷卻塔中，“工程熱力學”討論了其工作原理及狀態(tài)參數(shù)的變化，而“傳熱學”則討論了其熱濕交換的具體方式和傳遞速率。

2.熱工系列課程教學內容體系優(yōu)化原則

依據(jù)培養(yǎng)方案，流體熱工系列課程時間安排順序是“工程流體力學”—“工程熱力學”—“傳熱學”（或“熱工學”）—“熱工測量技術”，“流體熱工基礎實驗”課程與上述課程并行安排。因此，熱工系列課程教學內容體系優(yōu)化按照以下原則進行：

（1）安排在前的課程。教師除完成本課程教學內容外，須根據(jù)上述各課程之間知識點的關聯(lián)性，有意識地為后續(xù)課程涉及的內容打下牢固的理論基礎?！肮こ塘黧w力學”課程的教師需要向“工程熱力學”、“傳熱學”課程任課教師了解相關的內容，如一元絕熱穩(wěn)定流動的能量轉換規(guī)律、相似原理等等，在“工程流體力學”的教學中兼顧這些內容的教學需求。

（2）安排在后的課程。教師依據(jù)上述各課程之間知識點的關聯(lián)性分析，在相關內容的教學過程中，須了解前面課程任課教師的授課內容和方法，精選授課內容，避免不必要的重復，使該課程與前面課程有機銜接，且注意采取比較教學法，讓學生更容易掌握課堂知識。

（3）“熱工測量技術”和“流體熱工基礎實驗”課程。課程任課教師應了解和引用其他理論課程相關教學內容，使實驗教學與理論教學內容有機結合。如溫度測量，教師除加強溫度測量原理、儀表、標定及使用方法教學外，對于高速氣流溫度測量，需引用“工程熱力學”中氣流一維絕熱流動能量方程以及滯止溫度和氣流溫度的關系等相關理論知識，說明氣流速度對溫度測量誤差的影響；而對于高溫氣流溫度測量，需引用“傳熱學”的輻射換熱相關理論，說明輻射對測溫誤差的影響以及消除誤差的措施；而對于鎧裝熱電偶或在加溫度計套管情況下，還需引用“傳熱學”的通過肋壁導熱的相關理論，說明套管的存在對溫度測量誤差的影響以及消除誤差的措施。

三、結束語

經過一定時間的教學體驗和學生的反饋表明，該教學模式使教學效果得到很大提高。筆者認為在以后的教學當中，要把這種模式繼續(xù)深化并推廣到其他課程的教學當中，熱工系列課程的教學改革也必然會取得成功。

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第4篇：流體的力學特征范文

層流和湍流兩種流態(tài)是英國著名科學家雷諾（Reynolds）1883年在管道流體（水）實驗中發(fā)現(xiàn)的，并在實驗原理中揭示出兩種流態(tài)的變化規(guī)律。其中的觀點為：在管徑、流體密度和粘度（動力粘滯系數(shù)）等條件不變的情況下，流速與流動狀態(tài)相關。當流速小于某一數(shù)值時，流態(tài)為層流；當流速大于某一數(shù)值時，流態(tài)為湍流。流速增大，使層流轉變?yōu)橥牧?；流速減小，使湍流轉變?yōu)閷恿?。這一觀點被后人沿用至今。德國流體力學教授歐特爾在《普朗特流體力學基礎》一書中也曾借助香煙冒出的煙氣來描述層流到湍流的變化過程，并以圖示。但筆者在煙氣實驗中發(fā)現(xiàn)：煙氣上升從層流到湍流，流速不是在加快，而是在放慢。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)新的觀點：在其它條件不變的情況下，流態(tài)改變不是取決于速度，而是粘滯阻力。這一觀點是否合理，我們可通過分析以下兩個實驗得以證實。

1 對“煙氣上升”現(xiàn)象的分析

在空氣相對靜止（無風力干擾）的環(huán)境下，我們觀察香煙點燃后冒出的煙氣：煙氣從冒出到消散，其形狀是由窄到寬的過程。剛冒出的煙氣是細而集中的煙柱，上升時如同一條穩(wěn)定的直線，距離熱源最近的煙氣顏色更淡，用手觸摸此處會感到很燙，這里的煙氣上升速度很快。隨著煙氣的升高，最初細而堅實的“直線”開始有些松散、變粗。在煙氣繼續(xù)升高時，開始出現(xiàn)波動，先是幅度不明顯、頻率不快的波動，逐漸發(fā)展成幅度較大、頻率較快的波動。然后煙氣開始慢慢散開，逐漸消失在空氣中。消散時的煙氣運動速度是全流程中最慢的（見圖1）。

通過對煙氣實驗的觀察發(fā)現(xiàn)：煙氣上升是溫差（忽略壓差、慣性等因素）作用的結果。但隨著煙氣升高，與熱源距離的拉大，溫度下降。這時煙氣本應在慣性作用下繼續(xù)保持原速直線運動，但在空氣阻力作用下（沿程阻力），煙氣上升的速度在減緩，形狀由細變粗。這說明煙氣雖處層流狀態(tài)，但內部的分子橫向運動在增加，只是規(guī)模不大而已。隨著煙氣繼續(xù)上升，而溫度進一步下降，空氣阻力進一步顯現(xiàn)，煙氣開始波動，并進入明顯的整體橫向移動，湍流就這樣逐漸形成，隨后向周邊擴散，直至溶于空氣之中。在這過程中，煙氣和空氣是通過流體特有的動力與阻力之間的變化關系體現(xiàn)了牛頓第三定律—— 作用力與反作用力，作用在同一條直線上，力的大小相等，方向相反，二者均屬同一性質的力—— 摩擦力。

從圖2中可以看出，盡管作用力與反作用力之間的劃分方式有所不同，但它們之間的比例關系仍然是1∶1，只是需要一個漸變的過程。當煙氣因溫差作用而上升推動相對靜止的空氣時，空氣為受力者；但煙氣推動空氣的同時，也受到空氣的推力，所以煙氣又為受力者。由于氣體分子之間的相對運動是建立在相互接觸的流體層內部，所以這種阻礙作用力屬于摩擦力中的粘滯阻力。物理學認為：分子間有距離、分子間有相互作用力及運動無規(guī)則等特征是物質分子運動論的基本概念，由于液體分子間距遠遠小于氣體，所以在液體分子動量較小時，分子間距變化僅局限在分子力控制范圍內，粘滯阻力主要體現(xiàn)在分子間的引力上，流體運動呈現(xiàn)規(guī)則性，所以稱為層流；當液體分子動量較大時，由于分子間距已超出分子引力的控制范圍，所以粘滯阻力主要體現(xiàn)在無規(guī)則動量交換的加大，流體運動呈現(xiàn)不規(guī)則性，所以稱為湍流。由于氣體分子間距遠遠大于液體，分子間雖然也有引力，但作用很小，所以無規(guī)則運動是氣體分子運動中產生粘滯阻力的主要因素。氣體只有在空氣相對靜止的特殊條件下才體現(xiàn)出層流狀態(tài)，而在多數(shù)情況下都是湍流。為了強調煙氣上升的粘滯阻力效果，使其更接近雷諾實驗，我們在煙氣上升的某一高度放置一個頂端有孔的圓筒透明玻璃罩。觀察發(fā)現(xiàn)：罩內少部分煙氣被放走，多數(shù)煙氣被攔住并與上升的煙氣相混（局部阻力作用），產生的湍流還有向下延伸的趨勢（見圖3）。這證實了粘滯阻力是湍流形成的重要原因。

2 重新分析雷諾實驗

從煙氣上升的觀察和分析中得出結論：在其它條件不變的情況下，流態(tài)的改變取決于粘滯阻力，而不是流速。如果這一結論合理，那么在雷諾實驗中也應得到證實。從雷諾實驗中看到：湍流的最初形成是從管道閥門處開始的，這說明閥門與湍流產生密切相關。流體力學告訴我們：閥門處是管道中“局部阻力”的產生地。所以說“局部阻力”對流態(tài)改變所產生的功效與筆者的觀點不謀而合（在現(xiàn)實中體現(xiàn)更多的是“沿程阻力”對流態(tài)改變的作用）。流體力學認為：閥門是管道突然收縮而引起流體在流動中產生“頸縮”現(xiàn)象，由此而產生的“旋渦”是局部阻力的主要特征。筆者在同意這一觀點的同時，還要強調的是“頸縮”現(xiàn)象與閥門打開程度的關系。為了剖析雷諾實驗中湍流產生的原因，首先從層流產生時所需的必備條件談起。

雷諾實驗中為了使染色流束保持一條直線—— 層流，必備條件兩個：（1）管道閥門開口很??；（2）染色水針管出口要對準管道的軸心。這兩項要求使我們有了新的設想：所謂的“層流”流域并非布滿管道，而是只存在于管道軸心處很窄的流動范圍內。我們知道：由于受管道壁面與流層以及流層與流層之間粘滯阻力的影響，最活躍、最易流動的流體在管道軸心處，這里是最先產生流量和流速的區(qū)域；又由于閥門打開得很小，管軸中心雖然有流動，但速度很慢，流動的流體層對周邊流體層的影響范圍也會很?。〒?jù)上述得知：分子動量較小時，分子力起主要作用），所以流動范圍會很窄。筆者的這一觀點在“皮托管”測試流量的實驗中得到證實：當閥門開量較小時，“皮托管”只能測到管道軸心處的流量，而距離管軸中心線稍遠的地方則無法測到。這說明：只有軸心處的流體在流動，而周邊的流體則處于靜止狀態(tài)。另外，流體力學在描述管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響時認為：層流狀態(tài)下管壁粗糙度對摩擦系數(shù)沒有影響，而在湍流狀態(tài)下 有影響。這也在進一步證實：流量與軸心徑向擴展的正比關系。即使在牛頓內摩擦定律中也只有“在一定的實驗范圍內，液體層中的速度呈線性分布” 的說法，但沒有證實過在流速很慢、液層厚度不限的情況下，速度的“線性分布”可無限延續(xù)。筆者所要證實的是：染色水針管出口之所以要對準管軸中心，是因為只有管道軸心處的水在流動，而且流動的范圍很窄，染色水針管只有對準軸心，染色水在流動中才能形成一條“直線”。當閥門逐漸開大時，情況改變了。在管道軸心的流體流速加快的同時，流動范圍也開始從軸心向周邊（徑向）擴展，流動范圍的擴展進度遠大于閥門截面擴大程度（這是由固體的穩(wěn)定性與流體的易流動性的不同特性決定的），這樣，除閥門管道存在軸向流動外，閥門管道口周邊又增加了更多的流體往里流動，與軸向流動的流體所不同的是：周圍的流體在進入閥門管道時，由于流體質點在運動中的慣性，只能平滑過渡，而不能完全隨著管道邊壁的形狀突然變化而變化其運動方向，這樣一來閥門周邊的流體流動方向就要與閥門的軸向產生一個角度，使流體在閥門入口的不遠處集中，而形成局部阻力。在局部阻力的作用下，使染色流束的流動端速度放緩，但此時上游流束的流動仍保持原速，這樣一來在上游染色流束的推動下，使靠近閥門處的染色流束最先開始彎曲、波動。隨著閥門進一步開大，使閥門口周邊流量增大的同時，閥門處的阻力越加明顯。在這種情況下，閥門的排出量無法滿足更多需要流出的量，而剩余的流量則被堵在閥門口形成回流，對前行流體產生反作用力，正是這種反作用力增加了液體分子間無規(guī)則運動，使彎曲、波動的染色流束開始紊亂形成湍流，隨著閥門的繼續(xù)開大，這種紊亂現(xiàn)象逐漸從下游向上游延伸，最終擴展到整個管道。這就是在粘滯阻力作用下，雷諾實驗中的染色水從層流轉變?yōu)橥牧鞯娜^程（見圖4）。

通過對雷諾實驗的重新觀察，使我們又一次證明：在其它條件不變的情況下，流態(tài)的改變來自運動流體中的粘滯阻力，而流速不是確定因素。

以上結論是在雷諾實驗設備完善、無外界干擾、調試得當?shù)那闆r下完成流體流態(tài)轉換過程中得到的，其實，在雷諾實驗的調試過程中我們仍然可以發(fā)現(xiàn)粘滯阻力對運動流體的作用。如：當管道閥門被突然關閉時，管道水停止流動了，但有色水仍并沒停止，在管道中靜止水的阻礙下，有色水的流速開始減緩并向周邊擴散，此景與煙氣上升似乎完全相同。但有人可能將這種速度放緩、擴散、紊亂的流動現(xiàn)象與布朗運動聯(lián)系起來，從而否定其湍流的本質，這種理解是不合理的。布朗運動在說明分子是以不規(guī)則運動為存在方式，而煙氣或有色水在流動中流速放緩、擴散現(xiàn)象則是在揭示流態(tài)改變的原因。其實，雷諾實驗中的湍流現(xiàn)象與煙氣和有色水的流動圖景本應該是完全一樣的，只是由于在管壁的制約下其原貌沒有得到顯現(xiàn)而已，如果將管壁取消，我們就會看到與以上兩種流動完全相同的圖景，就會更清楚地觀察到粘滯阻力對流態(tài)改變的重要作用。

3 結語

盡管實驗是科學研究的重要手段之一，但事實證明，在實驗中所產生的現(xiàn)象最終是由人的主觀來判斷和選擇。在判斷和選擇的過程中，由于人認識能力的局限，很容易被實驗的外表現(xiàn)象所迷惑，忽略了現(xiàn)象背后的本質特征，從而得出錯誤結論。液體和氣體的不同實驗結果告訴我們：由于流速在改變流態(tài)的過程中因實驗條件的不同而變化，所以它不是改變運動流體流態(tài)的主要原因，粘滯阻力才是改變運動流體流態(tài)的重要條件。

參考文獻

 林建忠，阮曉東，陳邦國.流體力學.2版.清華大學出版社，2013.

 〖德〗H.歐特爾.普朗特流體力學基礎.科學出版社，2011.

第5篇：流體的力學特征范文

Abstract: Engineering fluid mechanics course is an important professional basic course for petro related majors with a strong in theory, logic and applicability which provides a broad space for developing students' innovation thinking and creativity. In the course teaching, the innovation thinking teaching is promoted and many teaching methods such as inquiry learning, self discussion learning, problem environment learning, topic study type and comprehensive practice type are adopted to cultivate students' innovation thinking and plays an important role for training students' innovation thinking ability.

關鍵詞：工程流體力學；創(chuàng)新教育；創(chuàng)新思維；教學法

Key words: engineering fluid mechanics; innovation education; innovation thinking; didactics

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）12-0208-02

0 引言

鉆井、采油工藝、煉油設備、油品儲存和運輸，都離不開管、罐、泵的設計與使用，這就涉及到流體力學的許多方面，諸如分析流體在管道內的流體規(guī)律，壓力、阻力、流速和輸量的關系，據(jù)以設計管徑，校核管材強度，布置管線以及選擇泵的大小和類型，設計泵的安裝位置等；我們也需要用流體力學原理分析校核油罐或其他儲液容器的結構強度；估計容器、油罐車、油罐的裝卸時間；解釋有關氣蝕、水擊等現(xiàn)象；以及了解計量用的水力儀表的原理等。有時還會遇到輸送“三高”原油、增粘或降粘劑以及某些化工產品，這就涉及到非牛頓流體的力學原理。所有這些，都要求從事石油工藝技術的科學工作者必須具備工程流體力學的知識，以便在工程的建設和管理中，更好地發(fā)揮作用。因此，如何能使“工程流體力學”的基礎理論知識及實際工程應用被學生更好地掌握，是授課教師面臨的問題。

1 在“工程流體力學”課程中推行創(chuàng)新思維教學法的必要性

“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不歇動力?！睍r代呼喚創(chuàng)新性人才，而創(chuàng)新型人才的關鍵在于創(chuàng)新教育。創(chuàng)新教育是指以創(chuàng)新人才的培養(yǎng)為核心，以創(chuàng)新思維的激發(fā)為實施手段，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，促進學生全面發(fā)展為主要特點的素質教育。

思維是人類區(qū)別于其他動物的本質特征，但若是僅有普通的感性認識和感性思維，人類就不可能取得如此絢爛多彩的發(fā)明創(chuàng)造?？梢哉f，人類社會方方面面的發(fā)展進步，無不是人類創(chuàng)新思維的結果，無不是人類智慧的結晶。所謂創(chuàng)新思維就是超越固有的常態(tài)思維模式，多角度、多側面地思考事物的特性，并通過各種實踐活動積極發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)現(xiàn)中科學思考問題，使感性認識上升到理性認識，然后又在理性認識指導下開展活動、發(fā)現(xiàn)和思考。這種形式循環(huán)往復，使認識不斷深化，創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維在活動、發(fā)現(xiàn)、思考中不斷形成，創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。

“工程流體力學”課程屬于力學的一個分支。它研究流體的平衡和運動的基本規(guī)律，以及流體與固體的互相作用的力學特點，用以分析解決工程設計和使用的實際問題，是一門既有豐富理論知識，又包含大量實踐經驗的課程，所以在“工程流體力學”教學中推行“創(chuàng)新思維教學法”是本課程自身特點決定的，是本課程教學要求的需要，是新時期我國培養(yǎng)高素質石油工程人才的需要。

2 在“工程流體力學”課程中推行創(chuàng)新思維教學法的主要做法

在課程教學中，我們靈活采用了探究發(fā)現(xiàn)式、自學研討式、問題情景式、綜合實踐式等各種教學法，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維意識，訓練學生創(chuàng)新思維能力。

2.1 探究發(fā)現(xiàn)式教學 現(xiàn)代教育理論認為，教師的職責主要不是在于“教”，而在于指導學生“學”；不能滿足于學生“學會”，更要引導學生“會學”；對學生不只是傳授知識，而更重要的是激活思維，變“教”為“導”，要啟發(fā)學生善于學習，勤于思考，勇于創(chuàng)新。由于學生的思維尚處于不成熟向成熟發(fā)展的階段，所以教師有促進學生發(fā)展的責任，特別是促進學生積極進取、勇于探索、有所創(chuàng)新的發(fā)展。創(chuàng)新教育強調的是“發(fā)現(xiàn)”知識的過程，而不是簡單地獲取結果，強調的是創(chuàng)造性解決問題的方法和形成探究的精神。如對于應用型的內容，包括孔口出流及管嘴出流、有壓管道流動、明渠流動問題。為了幫助學生既加深對基本概念、基本理論的理解，又能掌握解決實際問題的能力，教師應選取具有工程實際背景的典型例題作為研究內容，充分調動學生的學習積極性，引導學生通過查閱資料、課堂集體討論等形式解決問題，并找出最合理的解答。又比如圓管層流的研究不外乎采用兩種方法，一種是分布參數(shù)法，以N-S方程為基礎，求其偏微分方程組的特解；另一種是集中參數(shù)法，以受力平衡法來討論。對這兩種方法來說若研究的圓管放置的位置不同，又可分為任意傾斜放置及水平放置。這樣一來，實際采用的研究方法就有四種。一種為N-S方程，管道傾斜放置；二種為N-S方程，管道水平放置；三種為力平衡方程，管道傾斜放置；四種為力平衡方程，管道水平放置。讓學生自己分析比較各種不同方法特征，讓學生自己去探究發(fā)現(xiàn)不同方法的特點、規(guī)律，進而才能有全面正確深刻的理解。

2.2 自學研討式教學法 為發(fā)揮學生的主體作用和培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新學習精神，我們根據(jù)課程不同教學內容的特點和要求，在適當時機安排學生自主學習，開展研討，并在自學研討中，注重引導學生把抽象思維訓練與形象思維訓練、發(fā)散思維訓練與收斂思維訓練、逆向思維訓練與正確思維訓練與正向思維等有機結合起來，從而達到創(chuàng)新思維訓練的目的。同時，我們在課程教授的各個環(huán)節(jié)，還注重構建多維互動的創(chuàng)新性課程教學模式，把接受性、主動性、活動性、問題探究性等自主創(chuàng)新性教學模式有機結合，改變過去教師獨占課堂、學生被動接受的單一教學信息傳遞方式，促使師生間、學生間的多向和諧互動，達到互相學習、教學相長、共同進步的目的。

在安排自學過程中，教師要注意避免學員出現(xiàn)“自學不學，學而不思，思而不動”等現(xiàn)象，有效的措施之一就是采用“任務驅動法”，即在安排自學內容時，同時給學生布置任務，用完成這個任務作為動力，讓學生在完成任務的過程中達到自主學習和掌握知識的目的。比如，在講授堰流時，寬頂堰溢流、薄壁堰溢流和實用堰溢流它們的流量計算公式都是相同的，只是公式中不同情況下的流量系數(shù)不同而已。在講授粘性流體運動微分方程、紊流速度分布公式等內容時，只需要從物理概念上作簡要說明即可，這樣處理讓學生有了更多的獨立思考和自學的機會。

2.3 問題情景式教學法 創(chuàng)新教學方法，就是要改變過去的傳統(tǒng)教法，努力創(chuàng)造設問題的情景與和諧寬松的學習氛圍，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力，訓練學生的創(chuàng)造思維，使學生通過生疑、質疑、解疑等活動提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，充分挖掘學生的創(chuàng)造潛能?！皩W起于思，思起于疑”，疑則誘發(fā)探索，從而發(fā)現(xiàn)真理。為此，我們特別注重教學活動策略的選擇和運用，充分借助各種教學手段，巧設問題情景，把情景創(chuàng)設策略、多向互動策略與問題策略結合運用，綜合發(fā)揮教學策略的整體效應，促使學生主動思考探究、質疑問難、自我歸納辨析習慣的養(yǎng)成，達到學生能力培養(yǎng)、發(fā)展思維的目的。比如，在講流體表面張力特性時，向學生提問“舊常生活中我們可以看到什么現(xiàn)象能表明流體的表面張力特性？”此時學生都會非常積極的思考，隨后向大家舉例,比如說我們常?？吹降乃螒覓煸谒堫^出口處，水銀在平滑表面上成球形滾動等現(xiàn)象。通過這樣的提問與回答，可以把學生的注意力完全集中在你所講述的內容上，充分調動起學生學習的積極性。在說明課程所要掌握和了解的內容時，先提出許多與實際密切相關的問題，諸如：在講解水壩的閘門會承受多大的力，高爾夫球表面為什么要做成凹凸不平的，暖氣管道應如何設計，等等。通過這些問題的提出,學生可以知道學習這門課以后，能夠運用所學的相關知識解決哪些實際問題，學生帶著問題學習，就不會盲目地學，并且在學過相關章節(jié)后，教師再次提出問題并給予答案或讓學生自己解答，從而不僅增強了學生解決問題的能力，同時也大力激發(fā)了學生學習這門課程的興趣。在這門課程的一開始，學生學習的主動性與積極性就被充分調動起來了。

2.4 課題研究式教學法 現(xiàn)代認知心理學把知識分為陳述性知識和程序性知識。陳述性知識如食物的名稱、概念、事實等，通過教師講解可以掌握或記憶；程序性知識主要涉及原理、規(guī)則、定律等的理解與應用以及解決問題的技能、方法與策略的形成、情感體驗等，這類知識不能單憑傳授，還要求學生通過自主研究探索、親身體驗等具體活動才能內化和占有。“工程流體力學”中既有經典成熟的理論知識、技術方法，又有許多需要進一步完善發(fā)展、深入探尋研究的地方，尤其適宜于在教學中針對性開展專題研究，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。比如，在講授“水力摩阻”時，針對鋼質管線水力摩阻較大的特點，開展“水力減阻技術”研究；在講授“壓力管路水力計算及工藝設計”有關內容時，針對其涉及大量公式、過程復雜、手工計算效率低、誤差大等情況，讓學生編制“工藝計算軟件”，等等。此外，我們在課程綜合設計中，改變了過去一年同一題目，人人同一題目的傳統(tǒng)做法，而根據(jù)不同學生的特點、特長，并結合專業(yè)發(fā)展前沿，設置多個題目，讓學生自由選擇，自由組合，采取“分層互促、小組合作”的形式，促使學生自己動手、自主創(chuàng)新、團結合作精神的培養(yǎng)和訓練。

2.5 綜合實踐式教學法 如何讓學生牢固并靈活、創(chuàng)造性地運用所學知識，我們認為僅憑課堂教學、課程設計、實驗室演示等傳統(tǒng)教學模式和方法遠遠不夠。例如：在講授描述流體運動的兩種方法――拉格朗日法和歐拉法時，可以帶學生到公園劃船，在船上講清拉格朗日法； 到水文站，在水文站上講清歐拉法。在講動量方程的應用時可以到有關的水文站或水泵站現(xiàn)場，實測鎮(zhèn)墩的受力，與理論計算作比較。在計算曲面的靜水壓力的豎向分力時，需要建立壓力體概念，而在有些復雜情況下，如何畫出壓力體，以及如何判斷壓力體的虛實比較困難，這就需要借助于光盤，利用電教中心的多媒體教室作動態(tài)的演示。

3 結語

《工程流體力學》課程是面向工程應用人才的課程，所以教學核心始終是學生知識應用能力的養(yǎng)成。為此，在課程教學中，我們始終堅持推行創(chuàng)新思維教學法，注重開發(fā)學生的創(chuàng)造力，引導學生對理論、公式等進行質疑研究、探索研究，把學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融于課程教學的各個環(huán)節(jié)；應用創(chuàng)新教育先進的理念和思想，轉變教育觀、學習觀、人才觀，始終把培養(yǎng)學生創(chuàng)新情感、創(chuàng)新心理、創(chuàng)新個性，訓練學生的問題意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技法放在首位。

參考文獻：

[1]李著信.創(chuàng)造力開發(fā)與培養(yǎng)[M].第二版.北京：科學技術文獻出版社，2003.

第6篇：流體的力學特征范文

關鍵詞：Aspen；化工熱力學教學；均相性質推算；PR狀態(tài)方程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0179-03

一、引言

學習化工熱力學課程的目的是為了解決實際問題，物性數(shù)據(jù)的計算是本課程的重要內容，因為過程工程的研究、設計、操作與優(yōu)化中都離不開物性數(shù)據(jù)。從容易測量的性質推算如U、H、S等難測量的性質；從溫和條件的物性數(shù)據(jù)推算航天發(fā)射、深潛高壓等苛刻條件下所需的物性數(shù)據(jù)；等等。這些都有重要的理論與實際意義。

由經典熱力學原理能方便地建立起不同性質之間的聯(lián)系（即普遍化關系式），為實現(xiàn)不同性質之間的推算提供依據(jù)。但要推算出具體系統(tǒng)的性質數(shù)據(jù)，還必須引入反映系統(tǒng)特征的模型，如狀態(tài)方程等。

化工熱力學的研究對象更接近實際過程，實際過程所涉及的系統(tǒng)如此復雜，溫度、壓力范圍如此寬廣，化學工程師們不能再依靠簡單的理想氣體或理想溶液模型來計算物性了，而是需要適用范圍更廣、準確性更好、復雜性更高的模型，如PR等狀態(tài)方程，借助商業(yè)化的化工流程模擬軟件Aspen來促進化工熱力學教學是一個很好的選擇，對促進學生掌握概念、強化基礎、提高應用能力具有重要作用，同時對后續(xù)的化工設計、化工計算等課程的教學十分有益?；崃W教學中引入Aspen具有如下優(yōu)點：（1）Aspen軟件中物性計算原理與本課程熱力學性質的計算原理是一致的，用該軟件輔助熱力學教學能提高教學效率，簡化計算過程，激發(fā)學生的學習興趣。另一方面，也能使學生掌握Aspen軟件物性計算原理的內核，了解更多的基礎數(shù)據(jù)來源，提高應用能力，不至于再像從前那樣，只知計算結果，不知計算原理，不明所用的模型，不能分析結果，真正掌握物性推算的“核心技術”。（2）國內許多高校的后續(xù)課程，如化工設計、化工計算等教學中也開始采用Aspen輔助教學，化工熱力學作為這些課程的基礎，采用Aspen進行熱力學性質計算，無疑會使后續(xù)課程的基礎更加扎實。

第7篇：流體的力學特征范文

一、引言

斑巖型礦床具有品位低、規(guī)模大、便于機械化開采特點，由于其經濟意義巨大，其找礦勘查與理論研究工作一直是礦床學界的研究熱點?，F(xiàn)在斑巖型銅礦已是世界銅礦最重要的工業(yè)類型，儲量占世界銅儲量的 55.3%，且多集中在超大型斑巖礦床中。目前世界 99個200萬噸以上的超大型銅礦中.斑巖型有63個。在中國，已查明30個礦床為斑巖銅礦，累計銅儲量3274萬噸，約占總儲量的 44.01%。以下對當前斑巖型礦床領域研究的重點問題進行逐一總結與分析。

二、斑巖型礦床的含義與特征

斑巖型礦床的研究歷史可概略的分為3個階段：①20 世紀七八十年代，注重于礦床特征、蝕變系統(tǒng)和礦床成因研究；②20 世紀 90年代，聚焦于成礦環(huán)境和構造控制研究；③本世紀初，更加關注于成礦地球動力學背景研究。最近十多年來，在斑巖型礦床的斑巖起源、熱液系統(tǒng)、成礦系統(tǒng)、構造控制和動力學背景等研究方面，均取得了諸多新認識和新進展。

斑巖型礦床的名稱是從斑巖銅礦床演變而來的，近20年來，除斑巖型銅礦外，人們發(fā)現(xiàn)許多金、鉬、鎢、錫、鈾等礦床在地質特征、含礦性、形成條件和分布規(guī)律方面與斑巖型銅礦具有某些相似性，因此將斑巖銅礦的概念擴大到除銅以外的其他金屬礦床中，稱之為“斑巖型礦床”，泛指產在斑巖類巖體及附近大范圍分布的浸染狀和細網(wǎng)脈狀礦床。

斑巖型礦床的一般特點為：(1)金屬礦化在斑狀侵入巖及圍巖中呈浸染狀或細網(wǎng)脈狀產出；(2)無論在空間分布上，還是在形成時間上，金屬礦化與淺成侵入巖具密切關系；(3)大多數(shù)含礦侵入巖為鈣堿性或堿性巖漿巖系列；(4)典型的含礦斑狀巖漿巖組合為花崗閃長巖、花崗巖或閃長巖、正長巖；(5)與鉬礦床有關的侵入巖大都為鈣堿性長英質火成巖；(6)含礦侵入巖體大都為復式侵入雜巖，金屬礦化僅與其中某一期侵入巖有關；(7)金屬礦化與巖脈群和角礫巖管伴生，角礫組份復雜，磨圓度高；(8)含礦侵入巖體及圍巖均遭受到普遍的和強烈的斷裂與破碎作用；(9)盡管大多數(shù)礦化地段受斷裂控制， 但是在一些礦床中，浸染狀金屬礦石占有很高的比例；(10)盡管各金屬礦床在熱液蝕變類型、強度和規(guī)模等方面變化很大，但是代表性的蝕變帶普遍存在， 并具一定的分帶性；(11)在部分礦區(qū)，風化淋濾可以造成金屬元素次生富集。

三、斑巖型礦床的大地構造背景

隨著板塊構造理論的迅速發(fā)展，人們對斑巖銅礦的認識也越來深入。近年來研究發(fā)現(xiàn)，世界級規(guī)模的斑巖銅礦不僅產出于島弧或陸緣弧環(huán)境，而且還產出在碰撞造山帶環(huán)境，如青藏高原碰撞造山帶。

從斑巖銅礦在全球的分布來看，會聚板塊邊緣無疑是斑巖銅礦最重要的成礦背景。但有利于斑巖銅礦成礦的構造環(huán)境并不是單純的俯沖和擠壓。有研究者通過對智利北部地區(qū)的詳細研究，認為有利于斑巖銅礦形成的構造背景因素包括：①上地殼處于較長時期擠壓狀態(tài)后的應力松馳期；②成礦域存在早期深大斷裂，而且這些斷裂在應力松馳期活化張開。

斑巖型礦床含礦斑巖主要與俯沖背景下產出的鈣堿性中酸性火成巖有關。巖性多為斜長花崗斑巖、二長花崗斑巖及正長花崗斑巖，巖體直徑一般小于2千米，具有多期次侵位特點，常發(fā)育隱爆角礫巖筒。出于找礦工作的需要，人們試圖找出含斑巖與無礦斑巖之間的差別，但目前還沒有取得一致的結果。中國主要斑巖銅礦的斑巖巖石的 SiO2變化于62.18%～70.65%，為中酸性花崗質巖石。隨 SiO2和分異指數(shù)的增大，礦化類型依次更替的順序為：銅金型-多金屬型-銅或銅鉬型-鉬型。

四、斑巖型礦床成礦物質來源

斑巖型礦床一般形成于地殼中1.5～4km深度的淺成環(huán)境。有時斑巖礦床形成深度可以變化很大，可以從小于1km的火山型斑巖礦床到深達10km的深成巖型斑巖礦床。隨著含礦斑巖侵位深度的不同，礦體在斑巖體內部與圍巖中分比例亦大有差別。

目前國內外大多數(shù)學者都贊同斑巖型礦床礦質和成礦熱液是由中酸性巖漿在上侵過程及侵位后的結晶過程中， 由于溫度、壓力等物理化學條件的改變而析出， 并在有利的部位富集成礦。斑巖銅礦成礦作用經歷了早期巖漿階段和晚期大氣水階段，然而在搬運和沉淀礦石的是早期巖漿熱液還是晚期來自圍巖的流體的認識上還存在爭論，這一分歧也擴大到金屬、S以及其它組分的來源方面，特別集中在成礦元素是源自結晶巖漿還是通過對流流體從圍巖中萃取的。一種觀點認為成礦元素Cu源于圍巖，證據(jù)出自穩(wěn)定同位素、熱質輸運數(shù)值模擬、流體包裹體以及圍巖成礦元素降低場等方面的研究。

五、總結

斑巖礦床的研究雖然取得了許多重大成果，但有些方面的研究還需加強。如含礦斑巖巖漿的成因機制，含礦巖漿中成礦物質的析離過程，礦化分帶機制，脈體特征及成因機制，斑巖礦床中物質演化、應力演化、蝕變礦化作用之間的成因關系等等。此外，斑巖礦床還要加強系統(tǒng)的成礦作用動力學研究，它包括巖漿形成的動力學、巖漿侵位的動力學、巖漿結晶演化的動力學、蝕變與礦化作用動力學、應力演化的動力學、脈體形成的動力學和應力與化學反應藕合作用的動力學。

參考文獻：

[1]黃永衛(wèi), 李光輝, 李林山. 黑龍江雞東四山林場金銀礦礦床成因及找礦標志[J]. 世界地質2008,27(1).

[2]侯增謙, 曲曉明, 黃衛(wèi). 岡底斯斑巖銅礦成礦帶有望成為第二條玉龍銅礦帶[J]. 中國地質,2001,28:27-29.

[3]李光明, 李金祥, 秦克章. 班公湖帶多不雜超大型富金斑巖銅礦的高溫高鹽高氧化成礦流體：流體包裹體證據(jù)[J]. 巖石學報,2007,23(5)：935-952.

第8篇：流體的力學特征范文

[關鍵詞]流體力學；船舶線型優(yōu)化；應用；

中圖分類號：U661.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0332-01

1 引言

在我國船舶計算流體力學以及計算機技術不斷發(fā)展的情況，通過數(shù)值理論方式對船舶性能進行分析已經成為了重要、且較為新型的研究手段。對于計算流體力學來說，其是一門集計算數(shù)學、船舶流體力學以及計算機科學于一體的學科，在現(xiàn)今船舶操縱性能、阻力性能以及推進性能積極研究的環(huán)境下，成為了對船舶性能進行研究、預報的重要工具。作為一種對船型優(yōu)化的新手段，其目前在我國內外得到了較多的應用，已經具有了較為成熟的開發(fā)特點，且已經形成了較多的軟件類型，應用在船舶升沉、流場以及船舶阻力計算當中。雖然CFD理論方式在定量精度方面還存在著一定的不足，但依然能夠為我們帶來重要的提示，為我們線型阻力性能的評價以及比較具有重要的幫助。

2 計算軟件簡介

對于RAPID軟件來說，其是上海船舶運輸科學研究所從荷蘭引進的CFD軟件，對于該軟件來說，其對非線性勢流問題進行了較好的解決，即通過一系列線性問題的應用對非線性、完全穩(wěn)定的問題解決方案進行得出。在每一次迭代當中，問題都能夠在同距自由液面一定距離位置通過等源網(wǎng)格方式的應用進行解決，并以同DAWSON較為類似的方式對自由液面條件進行處理，能夠對船體周圍穩(wěn)定的波系、興波阻力以及非粘性流進行計算。同時，其也通過基于raised-panel方式的迭代應用對非線性的勢流問題進行解決。通過該軟件的應用，能夠有效對興波阻力以及波浪的形成情況進行減小。在計算結構當中，其以可視化的方式對船體表面壓力場分布、流線方向、船波系特性以及速度場分布等進行了顯示，且在壓力分布當中也對粘性流改善方向進行了指出。通過計算獲得的升沉、興波阻力、波系等數(shù)據(jù)的應用，設計人員則能夠更好的對其設計方案進行評估以及改進，對減少船舶阻力線型的改進方向進行判斷?？梢哉f，通過改進方案RAPID結果的研究與分析，則能夠對改型方案的減阻效果進行驗證，在能夠對多個線性方案設計計算進行優(yōu)化的基礎上同傳統(tǒng)模型方式相比能夠有效實現(xiàn)研究周期以及研究成本的降低。

3 船型參數(shù)與線型比較

在本文中，以一艘典型的大型船進行研究。在上圖中，實線標識的是圓型橫剖曲線，聯(lián)系RAPID計算結果可以了解到，對于該船來說，其在17站附近位置存在一個較為明顯的波谷，對此，即對19站之前的橫剖面積進行增加，并同時減小16、17、18站的橫剖面積，在使整個肩部水線具有較為緩和特征的基礎上對興波阻力起到了積極的改善作用。同時，由于RAPID對勢流理論進行了應用，即不能夠對目標的尾性以及粘性進行計算，而在對以往經驗進行聯(lián)系的基礎上，也對船體的尾部進行了一定的改動，即在將原有船尾削瘦之后對更為V型的線型進行運用。

4 原型同改型計算結果比較

4.1 CFD計算結果

在該環(huán)節(jié)中，我們對兩個不同的船型進行了RAPID計算，并對壓力場以及波形方面進行了比較。在經過波形以及壓力場分布情況研究可以得到以下變化：第一，在完成改型之后，船側波形同原型相比具有了較為明顯的改善；第二，在球艏部，在改型完成之后，其在壓力梯度方面具有了較為緩和的特征，低壓區(qū)范圍相較以往具有了縮小，且船尾壓力過渡方面也具有了較為緩和的特征。而為了能夠以更為形象的方式對波浪幅值進行描述，我們也在船側位置對縱切波圖進行了形成，沿船側改型之后，波形幅值同之前相比具有了一定的改善，在完成改型之后，船體興波阻力同以往相比較小。

4.2 EFD計算結果

為了能夠對CFD的分析結果進行驗證，我們分別對船體的原型以及改型方案進行了模型試驗。從試驗結果中可以了解到，在完成改型之后，其結果同原型相比具有了一定的提升，模型試驗有效功率以及剩余阻力系數(shù)的比較情況如下表所示：

4.3 不同方法比較

從CFD計算獲得結果可以了解到，同原線型相比，船舶在17以及18站位置的壓力分布情況得到了較多的改善，不僅首尾波形具有了較好的改善效果，且船在興波阻力方面同之前相比也具有了明顯的減小。經過模型試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，在傅氏數(shù)0.134-0.204之間，船舶剩余阻力都具有了較為明顯的減小，而在傅氏數(shù)增加的情況下，船舶阻力降低的百分比也將隨之增加，根據(jù)模型試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，能夠對CFD計算結果進行驗證，即能夠對優(yōu)化的目標進行形成。

5 結束語

在上文中，我們通過CFD計算方式的應用對原型以及改型兩個不同的方案進行了分析以及計算，通過對船波系特性、速度場分布以及表面壓力場分布情況的計算，則能夠在對線性優(yōu)化改善方向進行定性的基礎上設計出具有較好阻力性能的線型優(yōu)化方案。同時，也對線型優(yōu)化前后的模型試驗進行了比較，經過比較可以了解到，同原型相比，在完成改型之后，傳播總阻力以及剩余阻力系數(shù)都具有了較大的減少，同CFD計算結果一致，并因此對CFD在定性上的準確性進行了驗證。同時，在目前模型試驗當中，如果直接對模型的興波阻力進行測量，則將具有較為困難的情況，對此，其還不能夠對CFD方式計算獲得的數(shù)值給出具體評價，需要在未來研究當中不斷優(yōu)化提升。

參考文獻

第9篇：流體的力學特征范文

[關鍵詞] 力學 學科 發(fā)展報告

福建省力學學科在廣大的省內力學工作者長期不懈努力下，通過與國內外同行廣泛交流、相互學習，以及不斷從國內外引進優(yōu)秀力學人才，近十年來取得不少成果。目前，雖然總體上在國內還無法處于先進行列，但在某些領域的一些研究成果達到了國內甚至國際先進水準，國內影響也日益增加。但是，福建畢竟是力學小省，從事力學研究的隊伍很小，真正從事力學理論、基礎研究的人才更少。迄今，我省高校還沒有設置力學專業(yè)，更沒有力學或航空航天學院。正因為我們沒有強大的力學研究隊伍，我們的研究成果不夠系統(tǒng)，也無法形成國內外影響力大的研究團隊。力學是目前世界上發(fā)展非?？斓囊粋€學科，是眾多工程技術的基礎，其研究成果被廣泛應用于先進的航天航空技術、艦船技術、兵器技術、尖端的建筑領域、車輛技術、機器人技術、高速精密機床、電子技術、防震救災等等。力學學科強的省份，其工程技術各個領域普遍也強。由于經濟實力有限，福建省同其他一些省市一樣，對力學等基礎學科重視不夠，導致工程技術人才隊伍總體素質不是很高，研究后勁不足。除了高層建筑、大型橋梁、水庫等事關國計民生的大項目外，很少見到生產企業(yè)借助力學尋找疑難問題的答案，或開發(fā)設計新產品。為此，總結力學學科發(fā)展，不僅僅是有助于本學科更快更好的發(fā)展，更重要的是促進力學對工業(yè)進步的推動作用。此外，還可以幫助年輕的力學工作者、力學愛好者，以及政府有關部門，更快更好了解我省乃至全世界力學發(fā)展動態(tài)、應用與存在的問題，促進力學人才隊伍的發(fā)展壯大。雖然我省力學人才數(shù)量與培養(yǎng)機制在國內處于劣勢，然而，力學學科也同其他學科一樣， 有能力、也期待在海西建設中發(fā)揮更大的作用、得到更快的發(fā)展。

目前，我省力學學科研究領域主要集中固體力學、流體力學、計算力學、機械動力學與控制、細觀力學、實驗力學、結構力學等方面。研究內容既有理論方面的，也有許多工程實際應用的，還有關于力學教育的。本學科報告將根據(jù)上述7個領域展開。

1固體力學

固體力學研究變形固體在外界因素（如載荷、溫度、濕度等）作用下受力、變形、流動、斷裂等。包括桿件及理想彈性體變形和破壞；變形固體塑性變形與外力的關系；細長桿穩(wěn)定性理論；桿系結構、薄板殼以及它們的組合體；裂紋尖端應力場、應變場以及裂紋擴展規(guī)律。復合材料構件的力學性能、變形規(guī)律和設計準則。固體力學不但促進了近代土木建筑、機械制造和航空航天等工業(yè)的進步和繁榮，而且為廣泛的自然科學提供了范例或理論基礎[1-2]。大到橋梁、航天航空器、核動力結構，小到計算機芯片、生物組織以及近年來高速發(fā)展的微/納米機械等都需要借助固體力學理論和方法。

1.1 我省固體力學研究現(xiàn)狀

1.1.1 斷裂與疲勞方向

通過三點彎曲疲勞試驗，分別跟蹤監(jiān)測了40Cr鋼及它的兩種表面處理試樣疲勞損傷過程，得出了40Cr鋼經過兩種表面處理對其疲勞裂紋萌生壽命有顯著影響的結果，提出了對疲勞裂紋萌生壽命測量的一種新方法[3]。根據(jù)材料對稱循環(huán)持久極限和靜載強度極限，導出任意循環(huán)特征下材料持久極限的估算公式。通過非線性有限元方法對橡膠―鋼球支座的橡膠層與鋼球粘結界面上及橡膠中間層在扭轉載荷作用下存在中心裂紋和環(huán)形邊緣裂紋的情況進行了數(shù)值模擬，給出撕裂能與裂紋尺寸、載荷和橡膠層厚度的關系曲線[4]。針對抽油機井常用油管在循環(huán)載荷作用下的疲勞斷裂問題進行了理論與實驗研究。在實測油管載荷譜與應變譜的基礎上應用彈塑性有限元法計算油管螺紋內的應力應變場，并進行了有關的疲勞實驗，以得到油管的疲勞強度。

* 第一執(zhí)筆人：嚴世榕，福州大學車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

1.1.2 板殼、薄壁桿件及復合材料方向

利用群論方法提出周期區(qū)域的分片正交多項式連續(xù)函數(shù)，在周期區(qū)域內利用正交分片多項式逼近位移函數(shù)可以大大地降低計算量[5]。推導了一般各向異性板彎曲的積分方程，運用加權殘數(shù)配點法求解了正交各向異性板彎曲的積分方程。提出了兩種新的近似基本解加權雙三角級數(shù)廣義各向同性板解析形式的基本解和加權雙三角級數(shù)的疊加。根據(jù)Timoshenko幾何變形假設和Boltzmann疊加原理，推導出控制損傷粘彈性Timoshenko中厚板的非線性動力方程以及簡化的Galerkin截斷方程組;然后利用非線性動力系統(tǒng)中的數(shù)值方法求解了簡化方程組[6]。假設翹曲位移及切向位移的分布函數(shù)，考慮剪切變形的影響，利用最小勢能原理建立了單位均布畸變荷載作用下的薄壁桿件畸變角微分方程[7]。采用一般解法對該畸變角微分方程進行求解，并推導求解的初參數(shù)法。采用加權余量法提出一個簡支工字型梁在橫向荷載作用下臨界荷載的計算公式；利用這個式子算出的值與試驗結果以及其它數(shù)值方法等得到的結果吻合得很好，說明文獻[7]提出的公式能迅速、有效地計算薄壁桿件的橫向臨界荷載。以均布荷載下的拋物線鋼管拱為研究對象，在考慮雙重非線性的有限元分析基礎上，提出純壓鋼管拱穩(wěn)定臨界荷載計算的等效柱法[8]。提出了基于桿件連續(xù)分布的結構優(yōu)化方法，優(yōu)化結果不僅更接近理論解，而且克服了理論解的非均勻各向異性材料的制造困難，也完全避免了各種數(shù)值拓撲優(yōu)化普遍具有的數(shù)值不穩(wěn)定問題[9]。

1.1.3 彈性動力學方向

分析了一般粘彈結構特征值問題的特點，建立了一般粘彈結構的模態(tài)分析方法。與粘彈結構已有的模態(tài)分析方法相比，該方法通用于更一般的粘彈結構，在形式上不涉及粘彈本構關系項，并只涉及一種模態(tài)向量[10]。導出了時間步長內計算擾動的確定方法，并進一步采用同步計算消除計算擾動效應和后續(xù)步計算消除計算擾動效應，兩種途徑抵消其不利影響。基于Distorted-Born Iterative方法，提出了一種求解彈性波強非線性逆散射問題的迭代方法。在數(shù)值模擬運算時利用矩陣法進行離散處理，并采用正則化原理避免求解病態(tài)矩陣方程。應用多重尺度法推得從平方非線性振動系統(tǒng)勢能井逃逸的時間。近似勢能法用于克服非線性帶來的困難。推導了系統(tǒng)的運動學、動力學方程。分析表明，結合系統(tǒng)動量及動量矩守恒關系得到的系統(tǒng)廣義Jacobi關系為系統(tǒng)慣性參數(shù)的非線性函數(shù)。證明了借助于增廣變量法可以將增廣廣義Jacobi矩陣表示為一組適當選擇的慣性參數(shù)的線性函數(shù)。在此基礎上，給出了系統(tǒng)參數(shù)未知時由空間機械臂末端慣性空間期望軌跡產生機械臂關節(jié)鉸期望角速度、角加速度的增廣自適應控制算法。在高速公路剛架拱實橋動測及單車荷載作用研究基礎上，建立多車荷載激振模型，發(fā)展了研究剛架拱橋車激共振特性的可視化仿真方法，探討剛架拱橋在高速多車荷載作用下的共振條件，分析車距、車速和車數(shù)對豎向瞬態(tài)振動峰值的影響，編制運行多車荷載下振動仿真分析可視化程序。提出了基于壓力傳感器的汽車重心實時監(jiān)測機理的力學模型。利用該模型能實時監(jiān)測汽車的整車重量、重心位置，提供安全裝載和安全車速監(jiān)測與報警，可為汽車安全系統(tǒng)提供可靠的重心計算力學模型，為研制汽車重心實時監(jiān)測系統(tǒng)提供了必要參數(shù)與依據(jù)。論述數(shù)值計算中新的小波基無單元方法，即用小波基函數(shù)取代傳統(tǒng)無單元方法中的冪級數(shù)基之后，使無單元法具有了小波變換的局域化和多分辨率等優(yōu)良特性，并能有效地克服有限單元法的網(wǎng)格敏感性和單元之間應力不連續(xù)現(xiàn)象，從而不但拓展和豐富了無單元法的理論內容，也為其工程應用開辟了新的途徑[11]。

1.1.4 工程應用

推導了T型截面梁的彎矩-軸力-曲率關系，提出了分析大偏心體外預應力筋的應力增量和梁彎曲性能的通用方法。比較荷載作用前后，轉向座和錨具的變形差，計算出體外筋的應變和應力。因此這一方法考慮了體外筋的變形協(xié)調條件，同時自動地考慮了體外筋偏心距的損失。以B樣條函數(shù)結合配點法直接求解框剪間有限個作用力與力矩，導出的遞推公式對任意水平荷載可直接應用。采用動力特解邊界元法在時域內求解壩-水-地基動力相互作用問題特性，研究了壩體、地基和系統(tǒng)阻尼對壩體的動力特性、動水壓力、動力放大系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)的影響。提出了一種求解柔性多體系統(tǒng)控制方程數(shù)值方法，在每一時間步，利用Newmark-β直接積分法計算迭代初值，基于控制方程及約束方程的泰勒展開，推導出Newton-Raphson迭代公式，對位移及拉格朗日乘子進行修正。引用Blajer提出的違約修正方法對數(shù)值積分過程中約束方程的違約進行修正。提出了地震作用下摩擦耗能支撐參數(shù)優(yōu)化的一種新的數(shù)學模型，在給定的幾條地震波作用下，在滿足框架的規(guī)范層間位移角限值要求下，框架各層安裝的耗能支撐剛度之和最小，從而實現(xiàn)安裝較少的耗能裝置而能達到相同的抗震要求[16]。

1.2 與國內外發(fā)展現(xiàn)狀的對比與不足

整體上，我省還沒有建立起幾個系統(tǒng)、穩(wěn)定的固體力學研究方向。與國內外比較尚處于相對落后的研究水平。許多研究領域尚處于空白。系統(tǒng)性、原創(chuàng)性研究成果就更少了。

1.3 國內外固體力學發(fā)展趨勢預測

固體力學的研究對象向跨尺度和復雜性方向發(fā)展；研究手段以跨學科、交叉性和系統(tǒng)性為特色。 其基本理論以研究力與熱、電、磁、聲、光、化學及生命領域的相互作用，實現(xiàn)從原子、分子的微觀結構到納米結構、細觀顯微結構，直至宏觀結構的多尺度關聯(lián)理論框架的建立。固體力學可以將地震、邊坡失穩(wěn)、泥石流、礦井崩塌等自然災害提煉成為具有群體缺陷、裂紋和裂隙的不連續(xù)、非均勻介質的力學演化過程，預測和防范突發(fā)災害的發(fā)生。固體力學在陸地和海洋石油勘探采集和輸運、核電技術、風能技術、高壩技術和高功率水力發(fā)電技術、大型工程結構的選址等重大工程中也將發(fā)揮愈來愈重要的作用。集傳感功能和驅動功能為一體的智能材料和結構蘊含著許多與傳統(tǒng)領域不同的力學問題。新型材料與結構的多場耦合力學，包括力－電－磁－熱耦合場基礎理論與體系、破壞理論、智能結構性能等是固體力學領域充滿生機的研究方向。 利用生物學和生物技術來設計材料與器件將極大地沖擊整個工程界、生物界和醫(yī)學界。

1.4 我省固體力學發(fā)展對策

目前普遍強調工程應用的大社會背景對力學這門基礎性學科的發(fā)展是極為不利的。鼓勵自由探索，促進系統(tǒng)性、原創(chuàng)性、基礎性的研究工作是促進力學學科發(fā)展的最重要基礎工作。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）固體力學作為影響廣泛的重要基礎學科，需要長期、穩(wěn)定地投入。自由探索和基礎研究是科學新思想、新理論和新方法的重要源泉。需要以全面發(fā)展的觀點長期穩(wěn)定地處理好基礎研究、應用基礎研究和工程需求的關系，營造在各方面都鼓勵創(chuàng)新的環(huán)境。

（2）人才培養(yǎng)，特別是充分發(fā)揮優(yōu)秀人才作用是力學學科發(fā)展的重要源泉。建立有利于人才培養(yǎng)的長期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才評價體系，力學學科的科學研究和人才培養(yǎng)尤其要避免急功近利。各高校在力學學科的建設上不能以其能否直接解決工程實際問題為取舍的依據(jù)，而要以現(xiàn)有人才和研究基礎為依據(jù)。穩(wěn)定、扎實的力學學科人才培養(yǎng)可以直接惠及眾多相關學科的發(fā)展。

（3）從固體力學學科的性質、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及國家需求來看，目前的重要科學問題和前沿領域主要有：微納米力學、多尺度力學與跨尺度關聯(lián)和計算、新材料與結構的多場耦合力學、生物材料與仿生材料力學、科學與工程計算與軟件、儀器設備研制及實驗力學新技術與新表征方法。國家建設需求的重要支撐點和應用發(fā)展方向主要有：固體強度與破壞力學、計算力學軟件、固體力學在國家安全以及航空航天工程中的應用、大型工程結構與工業(yè)裝備的力學問題、爆炸與沖擊力學、環(huán)境與災害關鍵力學問題等。

2流體力學

2.1 計算流體力學

流體力學是力學的一個分支，它主要研究流體的運動以及流體和其它介質間相互作用和流動的規(guī)律。流體涉及面廣，它可以是氣、水，也可以是油或其它流變物質。流體力學在氣象、水文、石油勘探、船舶、飛行器和工業(yè)機械等領域均有廣泛應用。流體力學數(shù)學上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各種變化。

空氣動力學是流體力學針對空氣運動問題的一個分支，也是流體力學研究的一個主要內容。20世紀初，飛機的出現(xiàn)極大地促進了空氣動力學的發(fā)展。航空器的研究需要了解飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀中后期，流體力學開始和其他學科互相交叉和滲透，形成了新的交學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等。

流體力學研究的手段主要有三：實驗，理論分析，數(shù)值計算。理論分析是根據(jù)流體力學基本方程，通過數(shù)學方法進行分析，得出各種定量和定性結果。由于流體運動的復雜性，實驗方法在流體力學中占有重要的地位?，F(xiàn)代流體力學就是在純理論的古典流體力學與偏重實驗的古典水力學結合后才蓬勃發(fā)展起來的。實驗對于驗證流體運動的基本規(guī)律，測定經驗參數(shù)，解釋物理現(xiàn)象均有重要意義。

隨著計算機技術和各種高效計算方法的發(fā)展，使許多原來無法用理論分析或實驗研究的復雜流體問題有了求得數(shù)值解的可能性，形成了“計算流體力學”學科。從20世紀60年代起，在飛行器和其它相關工程的設計中，開始大量采用數(shù)值模擬，使得數(shù)值模擬成為與實驗和理論分析相輔相成的一個重要研究手段，并正在成為流體力學的主要發(fā)展方向。數(shù)值模擬方法特點如下：

①給出流體運動區(qū)域內的離散解，而不是一般理論分析方法所關注的解析解；

②它的發(fā)展與計算機技術的發(fā)展直接相關，因為復雜的流動問題要求大計算量的運算；

③若物理問題的數(shù)學模型是正確的，則可在較廣泛的流動參數(shù)（如馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、氣體性質、模型尺度等）范圍內研究流體力學問題，且能給出流場參數(shù)的定量結果。

廈門大學在計算流體力學學科開展了多方面的研究，其主要研究力量分布在數(shù)學、海洋、化學、材料、物理機電等院系，并建立了多套高水平的大型計算服務器。特別值得一提的工作是：數(shù)學科學學院在可壓和不可壓粘性流體數(shù)學模型的理論探索和高階數(shù)值模擬的研究中取得了具有國際水平的成果，豐富和發(fā)展了下面幾個重要方法:

2.1.1 譜方法（Spectral method）[17-19]。該方法是一類高階方法，它利用整體高階多項式逼近偏微分方程的解。它主要有兩種形式：從弱形式出發(fā)的Galerkin譜方法和從強形式出發(fā)的配點法，它們都可以認為是加權殘差法的特殊形式。其中配點方法更像差分法，它要求在配置點上滿足原方程，與差分法不同的是：它用高階多項式的準確求導代替了導數(shù)的差分逼近。Galerkin譜方法與有限元方法在原理上類似，都是先將偏微分方程定解問題轉化成與之等價的變分形式，然后通過試探函數(shù)和檢驗函數(shù)的選取來逼近解，它們的主要不同在于試探函數(shù)和檢驗函數(shù)的選取以及高維情況下基函數(shù)的構造。譜方法的收斂速度取決于解的正則度，當解無限光滑時可以達到指數(shù)階收斂，即比任何代數(shù)階的收斂速度都快，這是譜方法相比差分法和有限元法的一個主要優(yōu)點。

2.1.2 擬譜法和譜元法[20-21]。擬譜方法（Pseudo-spectral method）是一類準譜方法，可以通過從弱形式出發(fā)的廣義Galerkin譜方法構造，也可以由強形式出發(fā)的配點法得到。兩者在某些特殊情形下是等價的，但對絕大多數(shù)問題，配點法無法導出簡潔的弱形式，導致理論分析十分困難。現(xiàn)在配點法正漸漸淡出研究人員的視線。基于廣義Galerkin方法的擬譜方法的構造分兩步：首先構造問題的Galerkin譜方法，然后利用高精度Gauss型數(shù)值積分近似弱形式中的積分。有別于標準譜方法中使用的正交多項式基，在擬譜方法中，基函數(shù)通常選擇基于數(shù)值積分的Lagrange多項式基，這給計算，尤其是非線性問題的計算帶來了很大的便利。由于Gauss型數(shù)值積分的高精度，在大多數(shù)情形下擬譜方法的收斂速度與譜方法相同。傳統(tǒng)意義下的譜方法對于復雜區(qū)域的處理能力極其有限，這限制了它的應用范圍。20世紀80年展起來的譜元法（spectral element method）很好地解決了這個問題。譜元法結合了譜方法和有限元法各自的優(yōu)點，既能處理復雜的計算區(qū)域，又有譜方法的高精度，它在不可壓流體的計算中取得了很大的成功，如今已是計算流體中最常用的方法之一。譜元法與hp-有限元方法很相似，但兩者在發(fā)展的初期有許多不同點，hp-有限元使用的多項式階數(shù)不高，所使用的基函數(shù)也與譜元法不一樣。不過隨著兩類方法的發(fā)展，它們呈現(xiàn)出越來越多的共同點，有些學者已把兩類方法歸結為同一種方法。由于譜方法還具有低耗散，低色散的優(yōu)點，如今它已成為湍流數(shù)值模擬的主要方法。

2.1.3 湍流大渦模擬（Large eddy simulation，LES) [20-22]。 自然界中的流體運動主要有兩種形式，即層流（laminar） 和湍流（turbulence），層流是指流動時流線相互平行的流動，而湍流則是無規(guī)則脈動的，有強的渦旋和摻混性。目前一般的看法是：無論是層流還是湍流，它們都服從Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流運動特征尺度的多樣性，一般來說，直接數(shù)值模擬(DNS)僅局限于湍流機理的基礎理論研究和一些較簡單的問題。湍流大渦模擬（LES）是介于DNS和雷諾平均NS(RANS) 之間的一個折衷方法。LES需要的網(wǎng)格點數(shù)比DNS大大減少，這使得它能夠應用于許多實際工程計算中。LES僅計算大尺度部分，而亞格子尺度運動（SGS）通過附加模型實現(xiàn)。目前廣泛使用的SGS模型有1963年Smagorinsky 提出的“渦粘性” 模型及其變種，如“尺度相似性” 模型，“動力學模型”，“代數(shù)渦粘性”模型和“重正化群”模型等，這些模型均在某些特定的情形和適當?shù)募僭O下適用， 且跟所選擇的數(shù)值方法相關。較新的LES模型包括速度估計模型以及無(顯式)模型的單調積分LES(MILES)和譜消去粘性（Spectral vanishing viscosity， 即SVV)LES。MILES的基本思想是借助非線性高頻限制器來限制高頻波段上的能量振蕩，可以起到與顯式SGS模型同樣的效果。而SVV-LES是在譜元法框架內提出的，其基本思想是通過引入線性高頻粘性項來抑制可解尺度量在截斷頻率附件的震蕩。與其它LES方法相比，SVV-LES簡單且無附加計算量。

3計算力學

20世紀50年代，隨著計算機的發(fā)展，計算力學這個力學和科學計算的交叉學科得到了快速發(fā)展，特別是60年代后有限元法及其相應軟件產業(yè)的迅猛發(fā)展，使得計算力學這個新興學科迅速滲透到土木、水利、機械、航空、電子及生命科學等各個領域，成為計算機輔助設計（CAE）的重要核心內容，也使得力學這個傳統(tǒng)的學科煥發(fā)了新的強盛的生命力。在當今科學研究和工程實踐中， 科學計算已經成為與科學理論、科學實驗并行的重要科學方法。2006年美國自然科學基金委員會了《基于數(shù)值模擬的工程科學》的研究報告，明確指出計算力學和數(shù)值模擬在工程科學發(fā)展中的重要地位。

近年來我省科技工作者在計算力學及其工程應用方面開展了積極的研究工作，取得了一定的科技成果。在計算力學方法方面，我省學者系統(tǒng)地發(fā)展了土木水利、機械、航空航天等領域常見的梁板殼結構的高效無網(wǎng)格分析方法，該方法采用整體坐標建立板殼無網(wǎng)格近似，不僅簡便直接，適用于任意復雜形狀的殼體，并且可以避免參數(shù)變換，大大提高了計算效率。同時該方法利用穩(wěn)定節(jié)點積分構造離散方程，兼顧了穩(wěn)定、效率和精度，為快速準確地分析和設計這種類型結構提供了一種有效的數(shù)值工具。同時，針對福建省暴雨天氣常見的土質邊坡失穩(wěn)而產生的滑坡問題，建立了暴雨條件下土質邊坡突發(fā)失穩(wěn)的大變形高效無網(wǎng)格模擬法，該方法可有效模擬失穩(wěn)剪切帶所引發(fā)的邊坡非線性大變形損傷破壞全過程，實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的高效無網(wǎng)格法全過程仿真分析，可為暴雨條件下邊坡工程的設計施工、滑坡災害的預報、預防和加固處理提供理論依據(jù)和指導，有重要的理論和實際工程意義。另外，在雜交元研究方面提出了基于基本變形模式的正交化單元構造方法，不僅概念明晰，而且由于不依賴于材料參數(shù)而大大提高了計算效率。并且，在拓撲優(yōu)化方面提出了類桁架結構連續(xù)體的拓撲優(yōu)化方法，有效地避免了棋盤格問題。這些計算力學方法所取得的研究成果得到了國內外同行的引用和認可。

在工程應用方面，我省學者對汽車減震及管道密封橡膠構件的受力斷裂行為進行了非線性有限元和無網(wǎng)格分析和模擬，提出了合理的設計方案。對于大型土木結構例如大跨橋梁、大壩與深水進水塔以及深埋特長隧洞等結構，應用有限元法進行了動力抗震抗風分析，取得了滿意的結果，提供了有效的工程服務。另外，應用從微觀第一原理到宏觀有限元無網(wǎng)格計算的多尺度高性能計算方法，成功地進行了材料微觀設計。

雖然我省計算力學研究與應用已經得到快速發(fā)展，但在國內仍然處于相對落后的地位，表現(xiàn)在原創(chuàng)性研究偏少，參與解決工程實際問題不夠。當前我省相關科研工作者應抓住海西發(fā)展的大好時機加大科研力度，爭取在高性能計算方法、大規(guī)模工程問題數(shù)值仿真分析、災害條件下工程機構性能的計算模擬及評估預防、先進的汽車仿真方法與應用以及高性能材料計算設計等方面取得新的突破，同時密切聯(lián)系實際，切實提高解決海西建設中的工程技術問題的能力。

4機械動力學與控制

近年來，福州大學、廈門大學、福建農林大學、華僑大學等在機械動力學與控制方面做了不少工作。我省的機械動力學與控制在以下幾個方面的研究在國內具有較鮮明的特色和一定的影響力。

4.1 機器人系統(tǒng)動力學與控制問題的研究

福州大學在單臂、多臂、柔性臂空間機器人系統(tǒng)的運動學規(guī)劃、動力學分析及控制系統(tǒng)設計等方面進行了系統(tǒng)的研究工作。他們研究了載體姿態(tài)無擾、末端爪手障礙規(guī)避、機械臂關節(jié)受限等不同目標要求下的多種運動學規(guī)劃方法。在控制系統(tǒng)設計方面，分別給出了單、雙臂空間機器人關節(jié)空間軌跡及末端爪手慣性空間軌跡跟蹤的非線性反饋控制、變結構滑?？刂?、Terminal滑模控制、模糊變結構控制、魯棒控制、自適應控制、復合自適應控制、終端滑模自適應控制、魯棒自適應混合控制、自適應Backstepping滑?？刂?、自適應模糊滑模控制、基于模糊神經網(wǎng)絡的動力學控制、基于速度濾波器的魯棒控制、模糊小波神經網(wǎng)絡控制、模糊基函數(shù)自適應神經網(wǎng)絡控制、基于RBF神經網(wǎng)絡的自適應補償控制、模糊神經網(wǎng)絡自學習控制、神經網(wǎng)絡前饋控制及閉鏈雙臂空間機器人基于內力優(yōu)化配置原則的滑模變結構控制、RBF神經網(wǎng)絡滑模補償控制等一系列相關的控制方案[23-35]。在柔性臂空間機器人控制系統(tǒng)設計方面，給出了各類期望運動的Terminal滑?？刂?、Backstepping反演控制、于奇異攝動法的Backstepping反演控制、關節(jié)運動自適應控制及柔性振動的快速實時抑制、運動模糊控制及柔性振動主動抑制、運動魯棒跟蹤控制及柔性振動主動抑制等多種控制方案。其成果以150余篇論文形式，在國內外學術期刊及會議上發(fā)表與交流。此外，福州大學還開展了爬墻機器人安全系統(tǒng)的控制研究，對其提出了變結構控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 機械系統(tǒng)動力學研究

福州大學針對立井提升系統(tǒng)動力學與控制、攤鋪機和振動壓路機動力學分析、以及汽車底盤動力學控制[38-42]等方面進行了系列研究，分析了影響提升設備動力學特性的有關結構參數(shù)、運動參數(shù)，提出了減少其工作過程振動的變結構控制與模糊控制方法；針對高等級道路建設中重要設備――攤鋪機的國產化改造與開發(fā)設計，系統(tǒng)研究了其工作原理、動力學特性等，建立了相關的動力學模型，確定了影響整機正常工作的動力學特性及其影響因素；為消化吸收并趕超國外先進的汽車電子控制技術，開展了系統(tǒng)的汽車底盤總成的動力學與電子控制技術的系列研究，其研究成果有助于相關新產品的問世或改進。福州大學還對軸向運動弦線橫向振動控制進行了多種控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指導相應產品的開發(fā)設計。

4.3 研究不足與展望

迄今，還沒有系統(tǒng)地將機械動力學及其控制的研究成果應用于產品開發(fā)與產品的更新?lián)Q代中。目前，國內急需高精尖機床的開發(fā)技術與動態(tài)分析優(yōu)化技術等。我省目前是工程機械大省，但還不是強省，進一步提高相關產品性能與可靠性，仍然需要開展大量的工作。我省的工程機械產品的更新?lián)Q代（如集成優(yōu)化、計算機智能控制等）、工程機械新產品開發(fā)設計與分析、汽車整車集成優(yōu)化與設計分析、新型汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)設計、高速設備性能分析與改進、機械設備計算機智能故障診斷、微型機械產品開發(fā)設計等等，均以力學的分析研究為其成功的關鍵。

為改變這個落后局面，尤其是海西經濟建設中更好發(fā)揮力學的作用，需要政府、企業(yè)、高校等投入更多人力物力，更積極主動地對重要機械產品、大批量生產的機械產品與汽車等開展機械動力學分析研究，對相關進口軟件進行二次開發(fā)或早日開發(fā)出自己的專用機械動力學分析軟件，以提高企業(yè)的產品開發(fā)能力與開發(fā)速度。同時增強完善實驗能力與手段，實現(xiàn)對重要機械產品開展動力學特性實驗，以確保產品性能穩(wěn)定與可靠性。積極利用國內外的動力學研究成果，開展重要設備、大型設備、危險設施或設備的動態(tài)故障診斷研究，確保這些設備、設施安全可靠高效地運行。

5細觀力學

細觀力學是固體力學的一大分支，即采用連續(xù)介質力學方法分析具有細觀結構的材料的力學問題，是固體力學與材料科學的交叉學科，其發(fā)展對固體力學研究層次的深入以及對材料科學規(guī)律的定量化表達都有重要意義。

前幾年我省在細觀力學方面的研究進展不多，近幾年來才有所發(fā)展。研究主要集中在PZT和PLZT鐵電陶瓷的電致疲勞機理，微觀電疇原位觀測，應力、高溫、腐蝕性環(huán)境介質等耦合作用下固體材料的微結構和變形斷裂行為的演變規(guī)律等幾個方向：

①根據(jù)鐵電材料自發(fā)應變與自發(fā)極化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自發(fā)極化過程中材料能量密度是變形梯度和電位移向量的非凸函數(shù)，從能量角度出發(fā)，導出鐵電鐵彈材料的自極化穩(wěn)定構形所應滿足的必要條件，利用兩電疇的Gibbs 自由能之差作為疇變方向的判據(jù)，由要求板的Gibbs 函數(shù)最小來確定疇變量的大小。②進行了PZT 鐵電陶瓷四點彎曲試樣在交變力、交變電場及機電耦合疲勞作用前后的微裂紋和電疇的觀察，獲得裂紋擴展與極化方向，加載類型之間關系。③發(fā)展了一種原位XRD觀測電疇系統(tǒng)，對電疲勞過程中PLZT鐵電陶瓷試樣表面X射線衍射峰隨疲勞次數(shù)的變化進行了原位觀測。同時，利用SEM觀察了疲勞前后試樣的斷口形貌，并系統(tǒng)地進行了電場特征和溫度對PLZT試樣電疲勞性能影響的實驗觀測。④基于Raman散射原理，建立原位觀測電疇翻轉的Raman測試系統(tǒng)，對三種不同預極化處理的PLZT試樣在靜電場作用、電循環(huán)作用下的裂紋尖端的疇變行為進行了系統(tǒng)研究；通過原位Raman觀測PLZT材料在準同型相界附近的相變過程。⑤系統(tǒng)進行牛皮質骨在拉伸、剪切、撕裂三種載荷類型下的裂紋起裂韌性研究。研究了皮質骨中礦物成分對皮質骨動態(tài)粘彈性性能的影響，發(fā)現(xiàn)皮質骨中的礦物質成分存在將降低膠原纖維的可動性，增強材料的粘彈性特性。⑥對牙齒等生物復合材料的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)牙齒具有很明顯的壓電效應，壓電性能與濕度和細管的分布密切相關。⑦研究在不同保護氣氛中，不同退火溫度對碳化硅纖維的材料斷裂強度的影響，揭示了微結構的演變和宏觀性能之間的相互關系。2004年3月29～31日，張穎教授于廈門組織召開了全國細觀力學會議，清華大學，中科院力學所，浙江大學，同濟大學，復旦大學等國內知名高校和研究所的眾多教授、專家參加了本次會議。

細觀力學和微納米力學在全球、全國范圍內正在迅速擴展和深入，具有多學科交叉的強烈特征，國際競爭非常激烈。我省學者在細觀力學方面和微納米力學方面的投入較少，今后應該在非線性，動態(tài)，多物理場，跨尺度、尺度效應，微納米力學和器件等方面加大研究投入。

6實驗力學

1991年，福建省力學學會成立了實驗力學專業(yè)委員會。福建省力學學會實驗力學專業(yè)委員掛靠福州大學土木工程學院。

為更好開展實驗力學工作，經過多年多方面努力，我省實驗力學條件不斷改善。2006年6月福州大學“工程結構福建省高校重點實驗室”被批準成立，2008年與臺灣大學聯(lián)合成立了“福建省海峽兩岸地震工程研究中心”，2008年“土木工程本科實驗教學中心”獲批“福建省本科實驗教學示范中心”。2008年福州大學土木工程學院實驗中心擁有土木綜合實驗館、工程結構實驗館、巖土及地下工程實驗館、水利工程實驗館等場館，總面積超過1.7萬多平米，現(xiàn)有儀器設備總價值超過6000萬元。其中裝備的美國MTS大型結構加載系統(tǒng)價值超過1280萬元，共有7個作動器，具備靜載全過程、疲勞、多維擬靜力和多維擬動力試驗功能。此外，正在建設的“福州大學地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)”（價值2500余萬元）包括三個振動臺，其中中間為固定的4m×4m水平三自由度振動臺，兩邊為2.5m×2.5m可移動的水平三自由度振動臺各一個，三個臺在12m32m的基坑內呈一直線布置，其中邊臺最大可移動距離10m，可實現(xiàn)多臺同步或異步地震輸入，拓展了地震模擬實驗的空間，該臺陣系統(tǒng)將于2009年12月全面建成投入使用。該臺陣系統(tǒng)的建成將使福州大學成為目前世界上少數(shù)幾個擁有地震模擬振動臺臺陣的單位之一。

7結構力學

結構力學是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，涉及建筑工程、結構工程、道路工程、橋隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等數(shù)學、理論力學、材料力學等課程為基礎，另一方面，它又成為鋼結構、鋼筋混凝土結構、土力學與地基基礎、結構抗震等專業(yè)課程的基礎，在基礎課和專業(yè)課的學習中起著承前啟后的關鍵作用。

為增強基礎教育并提高結構力學在工程中的應用，自上世紀90年代初，我省高校興起結構力學教學法研究熱潮，把結構力學教學改革推向新的高度，對教學內容進行了模塊結構改革，將結構力學教學內容歸納為基礎型、擴展型和研究型模塊。使用高等教育出版社出版的由龍馭球、李廉錕等教授主編的統(tǒng)編教材的同時，在結構動力學部分，融入結構抗風、抗震、車激振動等學科前沿知識，增加了隔震結構動力反應的內容，補充和修正了傳統(tǒng)教學內容中關于“伴生自由振動”的相關結論，實現(xiàn)了與學生原有知識的有機融合；有兩項重要教研成果：階梯形變截面梁“圖乘貼補簡化”計算方法和剛架拱“考慮二階效應影響線”問題引入課堂討論，更新了教學內容。

上世紀90年代末，我省結構力學平面教材和多媒體立體化教材建設取得突破，先后出版了《結構力學解題與思考》（陳，中國礦業(yè)大學出版社，1999。2007年該書由煤炭工業(yè)出版社修訂再版）、《廣義結構力學及其工程應用》（陳，中國鐵道出版社，2003）、《結構力學》（祁皚參編，清華大學出版社，2006）等。

正如王光遠院士所指出，結構力學學科呈現(xiàn)出“從狹義到廣義，從被動到主動，從確定到不確定，并與結構工程滲透融合”的發(fā)展趨勢。我國在力學領域的理論研究已位居世界先進行列，但在應用軟件的研制方面落后了一大步，具有自主知識產權的應用軟件寥若晨星。結構力學作為專業(yè)基礎教育與國際先進水平接軌，體現(xiàn)現(xiàn)代結構力學教育思想；完善教學資源庫建設，加強國際教學交流是當務之急。根據(jù)工科專業(yè)特點，面向能力培養(yǎng)、面向工程實踐、面向信息時代、面向一流水準，應是我省結構力學研究與教學所追求的目標。

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課題組成員：

1、嚴世榕，福州大學車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

2、周瑞忠，福州大學土木工程學院教授（本文顧問）。

3、周克民，華僑大學土木工程學院教授。

4、許傳矩，廈門大學數(shù)學科學學院教授。

5、王東東，廈門大學建筑與土木學院教授。

6、陳力，福州大學機械工程學院教授。

7、周志東，廈門大學材料學院副教授。