流體的力學(xué)特征精選(九篇)

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第1篇：流體的力學(xué)特征范文

本書(shū)主要討論在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中遇到的流體問(wèn)題中偏微分方程的變換與求解問(wèn)題，書(shū)中所討論的內(nèi)容在航空航天、生物力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械工程、流體力學(xué)及地球物理學(xué)流動(dòng)等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。

本書(shū)一共分為8章。1，介紹了復(fù)數(shù)的基本知識(shí)、解析函數(shù)、積分與柯西定理、實(shí)積分的應(yīng)用等內(nèi)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(wèn)題與特征函數(shù)展開(kāi)。內(nèi)容包括Rayleigh判據(jù)，Sturm―Li―ouville問(wèn)題，特征函數(shù)展開(kāi)及應(yīng)用實(shí)例，非標(biāo)準(zhǔn)特征值問(wèn)題，F(xiàn)ourier-Bessel級(jí)數(shù)；4，格林函數(shù)邊值問(wèn)題，介紹源項(xiàng)與基本解、有源項(xiàng)的球殼導(dǎo)熱問(wèn)題、格林函數(shù)一階與高階問(wèn)題、伴隨與自伴問(wèn)題、一階系統(tǒng)：格林矩陣、特征函數(shù)展開(kāi)及實(shí)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(fēng)波、遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)量尾跡、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定度、平板Couette流動(dòng)穩(wěn)定性等物理問(wèn)題中的微風(fēng)方程的應(yīng)用；8，積分的漸進(jìn)展開(kāi)，主要介紹漸進(jìn)展開(kāi)基本知識(shí)、部分積分法、Laplace積分、Watson引理、最速下降法、穩(wěn)相法及Kelvin結(jié)果等內(nèi)容。

本書(shū)兩位作者曾多年從事相關(guān)領(lǐng)域研究生課程教學(xué)工作，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，書(shū)中很多內(nèi)容就是在教學(xué)筆記的基礎(chǔ)上整理編寫出來(lái)的。I.H.赫倫教授曾在哈佛大學(xué)任教，美國(guó)西北大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等單位進(jìn)行訪問(wèn)研究，現(xiàn)在任職于倫斯勒理工學(xué)院，主要從事流體流動(dòng)穩(wěn)定性理論研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大學(xué)榮譽(yù)退休教授，曾在里海大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、鄧迪大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)等進(jìn)行訪問(wèn)研究，目前是倫斯勒理工學(xué)院兼職教授，獲得過(guò)多個(gè)教學(xué)和科研獎(jiǎng)項(xiàng)，是《流體動(dòng)力學(xué)》、《流體物理學(xué)》、《力學(xué)學(xué)報(bào)季刊》和《應(yīng)用數(shù)學(xué)》等國(guó)際雜志的審稿人，專業(yè)是理論流體動(dòng)力學(xué)。

本書(shū)結(jié)構(gòu)清晰，各種概念、定理解釋透徹，書(shū)中結(jié)合實(shí)際物理問(wèn)題安排了大量實(shí)例，十分便于讀者理解理論知識(shí)，既可以作為非數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究流體力學(xué)課程的教科書(shū)，也可以作為數(shù)學(xué)專業(yè)的輔助課程參考書(shū)，同時(shí)還可以作為相關(guān)領(lǐng)域研究人員的參考資料。

第2篇：流體的力學(xué)特征范文

關(guān)鍵詞：石墨烯；量子輸運(yùn)；流體力學(xué)方程；剪切粘

石墨烯由于其準(zhǔn)粒子的無(wú)質(zhì)量相對(duì)分散特性和高遷移率吸引了各界關(guān)注，并且它還顯示出了一系列優(yōu)異的性質(zhì)，如：超高的導(dǎo)電率[1]；剪切粘度與熵之比超低[2]；不僅有特殊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且結(jié)合了力學(xué)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(duì)論粒子的等離子體輸運(yùn)特性[5]。如將純石墨烯設(shè)在一個(gè)特定的參數(shù)空間，則其費(fèi)米表面收縮至兩點(diǎn)，且在許多其他方面的表現(xiàn)，也與接近更復(fù)雜量子臨界點(diǎn)的系統(tǒng)非常相似[6]。由于石墨烯的無(wú)質(zhì)量狄拉克（Dirac）粒子，其相對(duì)極端夸克-膠子等離子體性質(zhì)也很特別。通過(guò)對(duì)這些性質(zhì)的分析和計(jì)算可以推導(dǎo)出其流體力學(xué)方程。

1 性能介紹

剪切粘度η用來(lái)測(cè)量流體阻值，從而建立橫向速度梯度，見(jiàn)圖1，粘度越小則其流體力學(xué)越趨于復(fù)雜。類似于導(dǎo)體的電阻率，粘度通過(guò)降低速度場(chǎng)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(gè)分源點(diǎn)和漏極點(diǎn)保持在±V/2的四點(diǎn)幾何形中，不均勻電流的預(yù)期分布。當(dāng)沒(méi)有粘性和其他非局域效應(yīng)時(shí)，電流將與外加電壓V成比例，與兩點(diǎn)之間的距離L無(wú)關(guān)，而粘性效應(yīng)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(lì)nth比較，nth可以通過(guò)熵密度計(jì)算，s～kBnth。受石墨烯在RHIC實(shí)驗(yàn)[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(wú)碰撞的光學(xué)區(qū)間？捩ω>>kBT[12]內(nèi)，電子間相互作用對(duì)導(dǎo)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(dāng)能量低于幾個(gè)電子伏，其電子特性則如Hamiltonian所示：

其中，費(fèi)米速度υF≈108cm/s， 為動(dòng)量算子，l=1，…，N為N=4自旋和谷自由度的下標(biāo)，σ（σx，σy）為Pauli矩陣在蜂巢晶格結(jié)構(gòu)兩個(gè)底晶格空間的表示。如果沒(méi)有庫(kù)倫相互作用，公式（2）則變成自由無(wú)質(zhì)量狄拉克粒子的N類Hamiltonian[14]。

2 流體力學(xué)方程推導(dǎo)

接下來(lái)討論在存在庫(kù)倫相互作用的相對(duì)論流體磁動(dòng)流體力學(xué)，在流體力學(xué)模型中的響應(yīng)函數(shù)適用于在狄拉克點(diǎn)附近的石墨烯[17]。特征速度υF≠c決定了相對(duì)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(kù)倫作用傳播速度約為光速c>>υF，所以可認(rèn)為它是瞬時(shí)的，則很顯然通過(guò)將實(shí)驗(yàn)框架設(shè)為一個(gè)特定的參照系，打破了流體的相對(duì)不變性。

上述表達(dá)式包含了耗散項(xiàng)νμ，？子μν用來(lái)計(jì)算熱電流和粘性力，P代表壓強(qiáng)，ρ代表電荷密度。若無(wú)粘性項(xiàng)，則在流體元在類空間入口的壓力以及在類時(shí)間入口的能量密度這樣的靜止參考系中，應(yīng)力能量張量為一個(gè)對(duì)角矩陣。坐標(biāo)系中各分量為：

T00=ε，（5）

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

電荷、能量及動(dòng)量守恒如下：

其中，電磁場(chǎng)張量，

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

其中，式（14）中已將統(tǒng)一的本底電荷密度減去。

在坐標(biāo)系中線性守恒定律則明確表示為：

此外，包含了一個(gè)由于微弱雜質(zhì)散射而產(chǎn)生的弛豫時(shí)間τ。電流的本構(gòu)方程如下：

基于上述推導(dǎo)出的流體力學(xué)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(dāng)電子-電子間相互作用主導(dǎo)無(wú)彈性散射率時(shí)，即低雜質(zhì)、高溫且穩(wěn)定場(chǎng)情況下，流體力學(xué)方法就能有效應(yīng)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(wú)磁場(chǎng)時(shí)，即B=0，準(zhǔn)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(xiàng)，

則式（17）、（18）、（19）、（20）可推導(dǎo)為：

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

3 性能分析

對(duì)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(dāng)石墨烯摻雜時(shí)，雜質(zhì)會(huì)使石墨烯樣品產(chǎn)生電位，此時(shí)，則必須要考慮由于化學(xué)勢(shì)產(chǎn)生的修正，

其中，Φρ為無(wú)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(gè)數(shù)值系數(shù)。熵密度可由Gibbs-Duhem關(guān)系ε+P=Ts計(jì)算，此等式是在|■|

基于式（25），性尺寸為L(zhǎng)0的石墨烯樣品其動(dòng)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(guò)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(yīng)用經(jīng)典電子流體力學(xué)描述，激勵(lì)能量必須遠(yuǎn)低于熱能，即qf

為了達(dá)到這個(gè)目的，鑒于式（25），定義雷諾數(shù)為：

其中，ν0=υFL0。通過(guò)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(dòng)態(tài)粘度極低，但石墨烯的動(dòng)力粘度依然大約比水的動(dòng)力粘度大四個(gè)數(shù)量級(jí)。這四個(gè)數(shù)量級(jí)的差距是由于電子的高速而產(chǎn)生的，也即電子的高速是雷諾數(shù)產(chǎn)生高值的最終決定因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

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第3篇：流體的力學(xué)特征范文

關(guān)鍵詞：能源與動(dòng)力工程；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)；混合式教育

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

基金項(xiàng)目：本文系天津城市建設(shè)學(xué)院2012年度教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JG-1207）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）05-0074-02

2012年9月，教育部頒布實(shí)施新的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》，熱能與動(dòng)力本科專業(yè)更名為能源與動(dòng)力工程專業(yè)。由專業(yè)名稱可見(jiàn)該專業(yè)的內(nèi)涵更加廣闊和深遠(yuǎn)，從而也說(shuō)明隨著能源動(dòng)力科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和新問(wèn)題地提出，社會(huì)對(duì)人才的培養(yǎng)提出了新的要求。目前，大約有170多所高校設(shè)置了熱能與動(dòng)力工程專業(yè)。[1]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境逐漸成為世界各國(guó)所面臨的重大科技和社會(huì)問(wèn)題。培養(yǎng)高素質(zhì)的具有創(chuàng)新意識(shí)的能源工程專業(yè)人才是本學(xué)科義不容辭的責(zé)任。而熱工系列課程作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)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(xué)理念的重要載體，是實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、構(gòu)建學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的中心環(huán)節(jié)，建立適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要、體現(xiàn)熱能動(dòng)力技術(shù)學(xué)科內(nèi)在規(guī)律、科學(xué)合理的課程體系極為重要。[2]為了使該課程適應(yīng)新的要求，非常有必要對(duì)其進(jìn)行一定的改革，以培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展需要的人才，同時(shí)對(duì)推動(dòng)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。

一、實(shí)施混合式教育方式

開(kāi)發(fā)混合式學(xué)習(xí)方案的關(guān)鍵因素在于確定適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，使用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞?，為適當(dāng)?shù)膶W(xué)生施行教學(xué)。而教師想要運(yùn)用適當(dāng)?shù)幕旌戏绞叫枰紤]學(xué)習(xí)地點(diǎn)的設(shè)置、信息傳輸技術(shù)及時(shí)間的安排、教學(xué)策略和績(jī)效援助策略等。[3]混合式教學(xué)模式一般可分為以下幾個(gè)階段：[4-6]

1.前期分析

學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體是有認(rèn)知、有情感的，學(xué)生本身的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力和社會(huì)特征都對(duì)學(xué)習(xí)的信息加工過(guò)程產(chǎn)生影響，教師進(jìn)行學(xué)生特征分析有助于了解學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備和學(xué)習(xí)風(fēng)格，從而為后面的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)和媒體的選擇提供依據(jù)。

2.混合式教學(xué)的組織與管理

教師應(yīng)按照教學(xué)進(jìn)度有針對(duì)性地選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)要參照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容及其呈現(xiàn)形式，將其與具體的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。教學(xué)活動(dòng)的作用在于為學(xué)生創(chuàng)造具體的學(xué)習(xí)情境，并加強(qiáng)師生、生生之間的交流互動(dòng)，因此恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略對(duì)于教學(xué)活動(dòng)的順利展開(kāi)尤為重要。

3.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及教學(xué)資源建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)的對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)不應(yīng)當(dāng)只是教學(xué)內(nèi)容，而更多的應(yīng)該是支持教學(xué)交互、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理，教學(xué)交互、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，這就需要有一個(gè)集教學(xué)內(nèi)容與管理、課堂教學(xué)、在線教學(xué)交互、在線教學(xué)評(píng)價(jià)、基于項(xiàng)目的協(xié)作學(xué)習(xí)、發(fā)展性教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)來(lái)支撐混合式教學(xué)。本校對(duì)“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”、“工程流體力學(xué)”原有的教學(xué)網(wǎng)站進(jìn)行了全面改版，并于2010年先后投入運(yùn)行。其中“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)網(wǎng)站主頁(yè)如圖1所示。網(wǎng)站按照省部級(jí)精品課程的要求制作，網(wǎng)上教學(xué)內(nèi)容詳實(shí)，包括課程的概況、教學(xué)文件、習(xí)題及答案、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等各種資源。學(xué)生可通過(guò)瀏覽網(wǎng)站學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，這對(duì)課堂教育來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有益的補(bǔ)充，并有助于實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)。

二、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

“工程流體力學(xué)”是理解能源動(dòng)力系統(tǒng)工質(zhì)流動(dòng)與流量、能量分配的基礎(chǔ)?！肮こ虩崃W(xué)”是研究如何充分和有效利用能量的學(xué)科，其基本內(nèi)容是熱力學(xué)基本定律和工質(zhì)熱物性、熱過(guò)程的研究，是理解能源動(dòng)力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換基本規(guī)律和提高系統(tǒng)能源利用效率的理論基礎(chǔ)。“傳熱學(xué)”研究熱量傳遞的基本規(guī)律，是理解和控制能源動(dòng)力系統(tǒng)熱量傳遞過(guò)程的理論基礎(chǔ)。“熱工學(xué)”集成了“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”的基本理論和核心內(nèi)容，為能源動(dòng)力類安全工程專業(yè)等提供必要和少量學(xué)時(shí)的熱工理論基礎(chǔ)教育，也是其他非能源動(dòng)力類專業(yè)節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用的理論基礎(chǔ)課程?！盁峁y(cè)量技術(shù)”和“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程則是關(guān)于“工程流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”的實(shí)驗(yàn)理論的技術(shù)基礎(chǔ)課程，旨在揭示相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)、原理、方法以及應(yīng)用。

1.熱工系列課程間內(nèi)容關(guān)聯(lián)性分析

（1）“工程流體力學(xué)”與“工程熱力學(xué)”在教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：“工程流體力學(xué)”中的一維無(wú)粘性重力流體流動(dòng)能量方程（伯努利方程）與“工程熱力學(xué)”中的熱力學(xué)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(chǔ)，后者是普遍適用的能量方程式，而后者是前者在一維無(wú)粘性重力流體條件下的特例和不同的表達(dá)方式；“工程流體力學(xué)”中的可壓縮流體流動(dòng)基礎(chǔ)與“工程熱力學(xué)”中的氣體和蒸汽的流動(dòng)研究對(duì)象及理論基礎(chǔ)完全相同，只不過(guò)研究的側(cè)重點(diǎn)不同，前者強(qiáng)調(diào)流動(dòng)特性，后者注重能量傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程。

（2）“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容方面具有緊密的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，主要體現(xiàn)在“工程流體力學(xué)”中粘性流動(dòng)方面與“傳熱學(xué)”中對(duì)流換熱方面的相關(guān)內(nèi)容，具體為：

1）研究對(duì)象均為傳遞現(xiàn)象，“工程流體力學(xué)”研究的是動(dòng)量的傳遞，而“傳熱學(xué)”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(qū)動(dòng)力分別為速度差和溫度差；其次，傳遞方式均為分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散，其中對(duì)于分子擴(kuò)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(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）和熱擴(kuò)散系數(shù)（m2/s），而且流動(dòng)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(jié)構(gòu)；最后，描述傳遞現(xiàn)象的控制方程，即動(dòng)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(xué)”中動(dòng)熱類比分析方法（類比律，即將阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接用于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算）的理論基礎(chǔ)。

2）如果粘性流體流經(jīng)壁面且具有與壁面不同的溫度時(shí)，就會(huì)同時(shí)發(fā)生動(dòng)量傳遞和熱量傳遞現(xiàn)象。此時(shí)“工程流體力學(xué)”與“傳熱學(xué)”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(chǔ)，某些特殊情況（流動(dòng)及對(duì)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(dòng)及對(duì)流換熱、圓管內(nèi)層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、外掠圓柱的層流與紊流流動(dòng)及對(duì)流換熱、各類自由流動(dòng)及對(duì)流換熱等等。顯然在此類教學(xué)內(nèi)容中，“工程流體力學(xué)”是“傳熱學(xué)”的基礎(chǔ)。

3）具有相同的分析、計(jì)算方法。正是由于動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法（相似原理）、數(shù)值計(jì)算方法均可應(yīng)用于阻力特性和傳熱特性的研究，甚至同一數(shù)值計(jì)算商業(yè)軟件（如FLUENT、ANSYS、PHINICS等）可同時(shí)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(xué)”與“傳熱學(xué)”是并行的或者說(shuō)是相同的。

（3）“工程熱力學(xué)”與“傳熱學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容具有關(guān)聯(lián)性之處主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面：“工程熱力學(xué)”中有關(guān)熱量傳遞只是討論熱力過(guò)程中熱量傳遞的量，而“傳熱學(xué)”研究的是熱量傳遞的機(jī)理、方式、影響因素、計(jì)算方法。在“熱力學(xué)”中熱量的單位是q（J/kg），而“傳熱學(xué)”中熱量（熱流密度）單位是q（W/m2），可見(jiàn)后者強(qiáng)調(diào)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(xué)第一定律—能量守恒規(guī)律）為基礎(chǔ)；“工程熱力學(xué)”中有關(guān)濕空氣焓及含濕量變化規(guī)律與“傳熱學(xué)”中的熱質(zhì)交換有著內(nèi)在聯(lián)系。如電廠冷卻塔中，“工程熱力學(xué)”討論了其工作原理及狀態(tài)參數(shù)的變化，而“傳熱學(xué)”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(xué)內(nèi)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(shí)間安排順序是“工程流體力學(xué)”—“工程熱力學(xué)”—“傳熱學(xué)”（或“熱工學(xué)”）—“熱工測(cè)量技術(shù)”，“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程與上述課程并行安排。因此，熱工系列課程教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化按照以下原則進(jìn)行：

（1）安排在前的課程。教師除完成本課程教學(xué)內(nèi)容外，須根據(jù)上述各課程之間知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，有意識(shí)地為后續(xù)課程涉及的內(nèi)容打下牢固的理論基礎(chǔ)。“工程流體力學(xué)”課程的教師需要向“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”課程任課教師了解相關(guān)的內(nèi)容，如一元絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律、相似原理等等，在“工程流體力學(xué)”的教學(xué)中兼顧這些內(nèi)容的教學(xué)需求。

（2）安排在后的課程。教師依據(jù)上述各課程之間知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性分析，在相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過(guò)程中，須了解前面課程任課教師的授課內(nèi)容和方法，精選授課內(nèi)容，避免不必要的重復(fù)，使該課程與前面課程有機(jī)銜接，且注意采取比較教學(xué)法，讓學(xué)生更容易掌握課堂知識(shí)。

（3）“熱工測(cè)量技術(shù)”和“流體熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程。課程任課教師應(yīng)了解和引用其他理論課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。如溫度測(cè)量，教師除加強(qiáng)溫度測(cè)量原理、儀表、標(biāo)定及使用方法教學(xué)外，對(duì)于高速氣流溫度測(cè)量，需引用“工程熱力學(xué)”中氣流一維絕熱流動(dòng)能量方程以及滯止溫度和氣流溫度的關(guān)系等相關(guān)理論知識(shí)，說(shuō)明氣流速度對(duì)溫度測(cè)量誤差的影響；而對(duì)于高溫氣流溫度測(cè)量，需引用“傳熱學(xué)”的輻射換熱相關(guān)理論，說(shuō)明輻射對(duì)測(cè)溫誤差的影響以及消除誤差的措施；而對(duì)于鎧裝熱電偶或在加溫度計(jì)套管情況下，還需引用“傳熱學(xué)”的通過(guò)肋壁導(dǎo)熱的相關(guān)理論，說(shuō)明套管的存在對(duì)溫度測(cè)量誤差的影響以及消除誤差的措施。

三、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的教學(xué)體驗(yàn)和學(xué)生的反饋表明，該教學(xué)模式使教學(xué)效果得到很大提高。筆者認(rèn)為在以后的教學(xué)當(dāng)中，要把這種模式繼續(xù)深化并推廣到其他課程的教學(xué)當(dāng)中，熱工系列課程的教學(xué)改革也必然會(huì)取得成功。

參考文獻(xiàn)：

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第4篇：流體的力學(xué)特征范文

層流和湍流兩種流態(tài)是英國(guó)著名科學(xué)家雷諾（Reynolds）1883年在管道流體（水）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，并在實(shí)驗(yàn)原理中揭示出兩種流態(tài)的變化規(guī)律。其中的觀點(diǎn)為：在管徑、流體密度和粘度（動(dòng)力粘滯系數(shù)）等條件不變的情況下，流速與流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)。當(dāng)流速小于某一數(shù)值時(shí)，流態(tài)為層流；當(dāng)流速大于某一數(shù)值時(shí)，流態(tài)為湍流。流速增大，使層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?；流速減小，使湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。這一觀點(diǎn)被后人沿用至今。德國(guó)流體力學(xué)教授歐特爾在《普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ)》一書(shū)中也曾借助香煙冒出的煙氣來(lái)描述層流到湍流的變化過(guò)程，并以圖示。但筆者在煙氣實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：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(diǎn)是否合理，我們可通過(guò)分析以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。

1 對(duì)“煙氣上升”現(xiàn)象的分析

在空氣相對(duì)靜止（無(wú)風(fēng)力干擾）的環(huán)境下，我們觀察香煙點(diǎn)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(guò)程。剛冒出的煙氣是細(xì)而集中的煙柱，上升時(shí)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(huì)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(xì)而堅(jiān)實(shí)的“直線”開(kāi)始有些松散、變粗。在煙氣繼續(xù)升高時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，先是幅度不明顯、頻率不快的波動(dòng)，逐漸發(fā)展成幅度較大、頻率較快的波動(dòng)。然后煙氣開(kāi)始慢慢散開(kāi)，逐漸消失在空氣中。消散時(shí)的煙氣運(yùn)動(dòng)速度是全流程中最慢的（見(jiàn)圖1）。

通過(guò)對(duì)煙氣實(shí)驗(yàn)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(jié)果。但隨著煙氣升高，與熱源距離的拉大，溫度下降。這時(shí)煙氣本應(yīng)在慣性作用下繼續(xù)保持原速直線運(yùn)動(dòng)，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(xì)變粗。這說(shuō)明煙氣雖處層流狀態(tài)，但內(nèi)部的分子橫向運(yùn)動(dòng)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(jìn)一步下降，空氣阻力進(jìn)一步顯現(xiàn)，煙氣開(kāi)始波動(dòng)，并進(jìn)入明顯的整體橫向移動(dòng)，湍流就這樣逐漸形成，隨后向周邊擴(kuò)散，直至溶于空氣之中。在這過(guò)程中，煙氣和空氣是通過(guò)流體特有的動(dòng)力與阻力之間的變化關(guān)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(zhì)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(guān)系仍然是1∶1，只是需要一個(gè)漸變的過(guò)程。當(dāng)煙氣因溫差作用而上升推動(dòng)相對(duì)靜止的空氣時(shí)，空氣為受力者；但煙氣推動(dòng)空氣的同時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)是建立在相互接觸的流體層內(nèi)部，所以這種阻礙作用力屬于摩擦力中的粘滯阻力。物理學(xué)認(rèn)為：分子間有距離、分子間有相互作用力及運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)則等特征是物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)論的基本概念，由于液體分子間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體，所以在液體分子動(dòng)量較小時(shí)，分子間距變化僅局限在分子力控制范圍內(nèi)，粘滯阻力主要體現(xiàn)在分子間的引力上，流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)規(guī)則性，所以稱為層流；當(dāng)液體分子動(dòng)量較大時(shí)，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(wú)規(guī)則動(dòng)量交換的加大，流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)則性，所以稱為湍流。由于氣體分子間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體，分子間雖然也有引力，但作用很小，所以無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)是氣體分子運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生粘滯阻力的主要因素。氣體只有在空氣相對(duì)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(qiáng)調(diào)煙氣上升的粘滯阻力效果，使其更接近雷諾實(shí)驗(yàn)，我們?cè)跓煔馍仙哪骋桓叨确胖靡粋€(gè)頂端有孔的圓筒透明玻璃罩。觀察發(fā)現(xiàn)：罩內(nèi)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(chǎn)生的湍流還有向下延伸的趨勢(shì)（見(jiàn)圖3）。這證實(shí)了粘滯阻力是湍流形成的重要原因。

2 重新分析雷諾實(shí)驗(yàn)

從煙氣上升的觀察和分析中得出結(jié)論：在其它條件不變的情況下，流態(tài)的改變?nèi)Q于粘滯阻力，而不是流速。如果這一結(jié)論合理，那么在雷諾實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)得到證實(shí)。從雷諾實(shí)驗(yàn)中看到：湍流的最初形成是從管道閥門處開(kāi)始的，這說(shuō)明閥門與湍流產(chǎn)生密切相關(guān)。流體力學(xué)告訴我們：閥門處是管道中“局部阻力”的產(chǎn)生地。所以說(shuō)“局部阻力”對(duì)流態(tài)改變所產(chǎn)生的功效與筆者的觀點(diǎn)不謀而合（在現(xiàn)實(shí)中體現(xiàn)更多的是“沿程阻力”對(duì)流態(tài)改變的作用）。流體力學(xué)認(rèn)為：閥門是管道突然收縮而引起流體在流動(dòng)中產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生的“旋渦”是局部阻力的主要特征。筆者在同意這一觀點(diǎn)的同時(shí)，還要強(qiáng)調(diào)的是“頸縮”現(xiàn)象與閥門打開(kāi)程度的關(guān)系。為了剖析雷諾實(shí)驗(yàn)中湍流產(chǎn)生的原因，首先從層流產(chǎn)生時(shí)所需的必備條件談起。

雷諾實(shí)驗(yàn)中為了使染色流束保持一條直線—— 層流，必備條件兩個(gè)：（1）管道閥門開(kāi)口很??；（2）染色水針管出口要對(duì)準(zhǔn)管道的軸心。這兩項(xiàng)要求使我們有了新的設(shè)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(dòng)范圍內(nèi)。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(dòng)的流體在管道軸心處，這里是最先產(chǎn)生流量和流速的區(qū)域；又由于閥門打開(kāi)得很小，管軸中心雖然有流動(dòng)，但速度很慢，流動(dòng)的流體層對(duì)周邊流體層的影響范圍也會(huì)很?。〒?jù)上述得知：分子動(dòng)量較小時(shí)，分子力起主要作用），所以流動(dòng)范圍會(huì)很窄。筆者的這一觀點(diǎn)在“皮托管”測(cè)試流量的實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)：當(dāng)閥門開(kāi)量較小時(shí)，“皮托管”只能測(cè)到管道軸心處的流量，而距離管軸中心線稍遠(yuǎn)的地方則無(wú)法測(cè)到。這說(shuō)明：只有軸心處的流體在流動(dòng)，而周邊的流體則處于靜止?fàn)顟B(tài)。另外，流體力學(xué)在描述管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響時(shí)認(rèn)為：層流狀態(tài)下管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)沒(méi)有影響，而在湍流狀態(tài)下 有影響。這也在進(jìn)一步證實(shí)：流量與軸心徑向擴(kuò)展的正比關(guān)系。即使在牛頓內(nèi)摩擦定律中也只有“在一定的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，液體層中的速度呈線性分布” 的說(shuō)法，但沒(méi)有證實(shí)過(guò)在流速很慢、液層厚度不限的情況下，速度的“線性分布”可無(wú)限延續(xù)。筆者所要證實(shí)的是：染色水針管出口之所以要對(duì)準(zhǔn)管軸中心，是因?yàn)橹挥泄艿垒S心處的水在流動(dòng)，而且流動(dòng)的范圍很窄，染色水針管只有對(duì)準(zhǔn)軸心，染色水在流動(dòng)中才能形成一條“直線”。當(dāng)閥門逐漸開(kāi)大時(shí)，情況改變了。在管道軸心的流體流速加快的同時(shí)，流動(dòng)范圍也開(kāi)始從軸心向周邊（徑向）擴(kuò)展，流動(dòng)范圍的擴(kuò)展進(jìn)度遠(yuǎn)大于閥門截面擴(kuò)大程度（這是由固體的穩(wěn)定性與流體的易流動(dòng)性的不同特性決定的），這樣，除閥門管道存在軸向流動(dòng)外，閥門管道口周邊又增加了更多的流體往里流動(dòng)，與軸向流動(dòng)的流體所不同的是：周圍的流體在進(jìn)入閥門管道時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中的慣性，只能平滑過(guò)渡，而不能完全隨著管道邊壁的形狀突然變化而變化其運(yùn)動(dòng)方向，這樣一來(lái)閥門周邊的流體流動(dòng)方向就要與閥門的軸向產(chǎn)生一個(gè)角度，使流體在閥門入口的不遠(yuǎn)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(dòng)端速度放緩，但此時(shí)上游流束的流動(dòng)仍保持原速，這樣一來(lái)在上游染色流束的推動(dòng)下，使靠近閥門處的染色流束最先開(kāi)始彎曲、波動(dòng)。隨著閥門進(jìn)一步開(kāi)大，使閥門口周邊流量增大的同時(shí)，閥門處的阻力越加明顯。在這種情況下，閥門的排出量無(wú)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(duì)前行流體產(chǎn)生反作用力，正是這種反作用力增加了液體分子間無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使彎曲、波動(dòng)的染色流束開(kāi)始紊亂形成湍流，隨著閥門的繼續(xù)開(kāi)大，這種紊亂現(xiàn)象逐漸從下游向上游延伸，最終擴(kuò)展到整個(gè)管道。這就是在粘滯阻力作用下，雷諾實(shí)驗(yàn)中的染色水從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯娜^(guò)程（見(jiàn)圖4）。

通過(guò)對(duì)雷諾實(shí)驗(yàn)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(lái)自運(yùn)動(dòng)流體中的粘滯阻力，而流速不是確定因素。

以上結(jié)論是在雷諾實(shí)驗(yàn)設(shè)備完善、無(wú)外界干擾、調(diào)試得當(dāng)?shù)那闆r下完成流體流態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中得到的，其實(shí)，在雷諾實(shí)驗(yàn)的調(diào)試過(guò)程中我們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)粘滯阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)流體的作用。如：當(dāng)管道閥門被突然關(guān)閉時(shí)，管道水停止流動(dòng)了，但有色水仍并沒(méi)停止，在管道中靜止水的阻礙下，有色水的流速開(kāi)始減緩并向周邊擴(kuò)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(kuò)散、紊亂的流動(dòng)現(xiàn)象與布朗運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，從而否定其湍流的本質(zhì)，這種理解是不合理的。布朗運(yùn)動(dòng)在說(shuō)明分子是以不規(guī)則運(yùn)動(dòng)為存在方式，而煙氣或有色水在流動(dòng)中流速放緩、擴(kuò)散現(xiàn)象則是在揭示流態(tài)改變的原因。其實(shí)，雷諾實(shí)驗(yàn)中的湍流現(xiàn)象與煙氣和有色水的流動(dòng)圖景本應(yīng)該是完全一樣的，只是由于在管壁的制約下其原貌沒(méi)有得到顯現(xiàn)而已，如果將管壁取消，我們就會(huì)看到與以上兩種流動(dòng)完全相同的圖景，就會(huì)更清楚地觀察到粘滯阻力對(duì)流態(tài)改變的重要作用。

3 結(jié)語(yǔ)

盡管實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要手段之一，但事實(shí)證明，在實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象最終是由人的主觀來(lái)判斷和選擇。在判斷和選擇的過(guò)程中，由于人認(rèn)識(shí)能力的局限，很容易被實(shí)驗(yàn)的外表現(xiàn)象所迷惑，忽略了現(xiàn)象背后的本質(zhì)特征，從而得出錯(cuò)誤結(jié)論。液體和氣體的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們：由于流速在改變流態(tài)的過(guò)程中因?qū)嶒?yàn)條件的不同而變化，所以它不是改變運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)的主要原因，粘滯阻力才是改變運(yùn)動(dòng)流體流態(tài)的重要條件。

參考文獻(xiàn)

 林建忠，阮曉東，陳邦國(guó).流體力學(xué).2版.清華大學(xué)出版社，2013.

 〖德〗H.歐特爾.普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ).科學(xué)出版社，2011.

第5篇：流體的力學(xué)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(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；創(chuàng)新教育；創(chuàng)新思維；教學(xué)法

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

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2011）12-0208-02

0 引言

鉆井、采油工藝、煉油設(shè)備、油品儲(chǔ)存和運(yùn)輸，都離不開(kāi)管、罐、泵的設(shè)計(jì)與使用，這就涉及到流體力學(xué)的許多方面，諸如分析流體在管道內(nèi)的流體規(guī)律，壓力、阻力、流速和輸量的關(guān)系，據(jù)以設(shè)計(jì)管徑，校核管材強(qiáng)度，布置管線以及選擇泵的大小和類型，設(shè)計(jì)泵的安裝位置等；我們也需要用流體力學(xué)原理分析校核油罐或其他儲(chǔ)液容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；估計(jì)容器、油罐車、油罐的裝卸時(shí)間；解釋有關(guān)氣蝕、水擊等現(xiàn)象；以及了解計(jì)量用的水力儀表的原理等。有時(shí)還會(huì)遇到輸送“三高”原油、增粘或降粘劑以及某些化工產(chǎn)品，這就涉及到非牛頓流體的力學(xué)原理。所有這些，都要求從事石油工藝技術(shù)的科學(xué)工作者必須具備工程流體力學(xué)的知識(shí)，以便在工程的建設(shè)和管理中，更好地發(fā)揮作用。因此，如何能使“工程流體力學(xué)”的基礎(chǔ)理論知識(shí)及實(shí)際工程應(yīng)用被學(xué)生更好地掌握，是授課教師面臨的問(wèn)題。

1 在“工程流體力學(xué)”課程中推行創(chuàng)新思維教學(xué)法的必要性

“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不歇?jiǎng)恿??！睍r(shí)代呼喚創(chuàng)新性人才，而創(chuàng)新型人才的關(guān)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(shí)施手段，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為主要特點(diǎn)的素質(zhì)教育。

思維是人類區(qū)別于其他動(dòng)物的本質(zhì)特征，但若是僅有普通的感性認(rèn)識(shí)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(shuō)，人類社會(huì)方方面面的發(fā)展進(jìn)步，無(wú)不是人類創(chuàng)新思維的結(jié)果，無(wú)不是人類智慧的結(jié)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(cè)面地思考事物的特性，并通過(guò)各種實(shí)踐活動(dòng)積極發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在發(fā)現(xiàn)中科學(xué)思考問(wèn)題，使感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，然后又在理性認(rèn)識(shí)指導(dǎo)下開(kāi)展活動(dòng)、發(fā)現(xiàn)和思考。這種形式循環(huán)往復(fù)，使認(rèn)識(shí)不斷深化，創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維在活動(dòng)、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(xué)”課程屬于力學(xué)的一個(gè)分支。它研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，以及流體與固體的互相作用的力學(xué)特點(diǎn)，用以分析解決工程設(shè)計(jì)和使用的實(shí)際問(wèn)題，是一門既有豐富理論知識(shí)，又包含大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的課程，所以在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中推行“創(chuàng)新思維教學(xué)法”是本課程自身特點(diǎn)決定的，是本課程教學(xué)要求的需要，是新時(shí)期我國(guó)培養(yǎng)高素質(zhì)石油工程人才的需要。

2 在“工程流體力學(xué)”課程中推行創(chuàng)新思維教學(xué)法的主要做法

在課程教學(xué)中，我們靈活采用了探究發(fā)現(xiàn)式、自學(xué)研討式、問(wèn)題情景式、綜合實(shí)踐式等各種教學(xué)法，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維意識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

2.1 探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué) 現(xiàn)代教育理論認(rèn)為，教師的職責(zé)主要不是在于“教”，而在于指導(dǎo)學(xué)生“學(xué)”；不能滿足于學(xué)生“學(xué)會(huì)”，更要引導(dǎo)學(xué)生“會(huì)學(xué)”；對(duì)學(xué)生不只是傳授知識(shí)，而更重要的是激活思維，變“教”為“導(dǎo)”，要啟發(fā)學(xué)生善于學(xué)習(xí)，勤于思考，勇于創(chuàng)新。由于學(xué)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(jìn)學(xué)生發(fā)展的責(zé)任，特別是促進(jìn)學(xué)生積極進(jìn)取、勇于探索、有所創(chuàng)新的發(fā)展。創(chuàng)新教育強(qiáng)調(diào)的是“發(fā)現(xiàn)”知識(shí)的過(guò)程，而不是簡(jiǎn)單地獲取結(jié)果，強(qiáng)調(diào)的是創(chuàng)造性解決問(wèn)題的方法和形成探究的精神。如對(duì)于應(yīng)用型的內(nèi)容，包括孔口出流及管嘴出流、有壓管道流動(dòng)、明渠流動(dòng)問(wèn)題。為了幫助學(xué)生既加深對(duì)基本概念、基本理論的理解，又能掌握解決實(shí)際問(wèn)題的能力，教師應(yīng)選取具有工程實(shí)際背景的典型例題作為研究?jī)?nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料、課堂集體討論等形式解決問(wèn)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(chǔ)，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(lái)討論。對(duì)這兩種方法來(lái)說(shuō)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(lái)，實(shí)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(xué)生自己分析比較各種不同方法特征，讓學(xué)生自己去探究發(fā)現(xiàn)不同方法的特點(diǎn)、規(guī)律，進(jìn)而才能有全面正確深刻的理解。

2.2 自學(xué)研討式教學(xué)法 為發(fā)揮學(xué)生的主體作用和培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)精神，我們根據(jù)課程不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和要求，在適當(dāng)時(shí)機(jī)安排學(xué)生自主學(xué)習(xí)，開(kāi)展研討，并在自學(xué)研討中，注重引導(dǎo)學(xué)生把抽象思維訓(xùn)練與形象思維訓(xùn)練、發(fā)散思維訓(xùn)練與收斂思維訓(xùn)練、逆向思維訓(xùn)練與正確思維訓(xùn)練與正向思維等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到創(chuàng)新思維訓(xùn)練的目的。同時(shí)，我們?cè)谡n程教授的各個(gè)環(huán)節(jié)，還注重構(gòu)建多維互動(dòng)的創(chuàng)新性課程教學(xué)模式，把接受性、主動(dòng)性、活動(dòng)性、問(wèn)題探究性等自主創(chuàng)新性教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合，改變過(guò)去教師獨(dú)占課堂、學(xué)生被動(dòng)接受的單一教學(xué)信息傳遞方式，促使師生間、學(xué)生間的多向和諧互動(dòng)，達(dá)到互相學(xué)習(xí)、教學(xué)相長(zhǎng)、共同進(jìn)步的目的。

在安排自學(xué)過(guò)程中，教師要注意避免學(xué)員出現(xiàn)“自學(xué)不學(xué)，學(xué)而不思，思而不動(dòng)”等現(xiàn)象，有效的措施之一就是采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)法”，即在安排自學(xué)內(nèi)容時(shí)，同時(shí)給學(xué)生布置任務(wù)，用完成這個(gè)任務(wù)作為動(dòng)力，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中達(dá)到自主學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)的目的。比如，在講授堰流時(shí)，寬頂堰溢流、薄壁堰溢流和實(shí)用堰溢流它們的流量計(jì)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(yùn)動(dòng)微分方程、紊流速度分布公式等內(nèi)容時(shí)，只需要從物理概念上作簡(jiǎn)要說(shuō)明即可，這樣處理讓學(xué)生有了更多的獨(dú)立思考和自學(xué)的機(jī)會(huì)。

2.3 問(wèn)題情景式教學(xué)法 創(chuàng)新教學(xué)方法，就是要改變過(guò)去的傳統(tǒng)教法，努力創(chuàng)造設(shè)問(wèn)題的情景與和諧寬松的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造思維，使學(xué)生通過(guò)生疑、質(zhì)疑、解疑等活動(dòng)提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能?！皩W(xué)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(xué)活動(dòng)策略的選擇和運(yùn)用，充分借助各種教學(xué)手段，巧設(shè)問(wèn)題情景，把情景創(chuàng)設(shè)策略、多向互動(dòng)策略與問(wèn)題策略結(jié)合運(yùn)用，綜合發(fā)揮教學(xué)策略的整體效應(yīng)，促使學(xué)生主動(dòng)思考探究、質(zhì)疑問(wèn)難、自我歸納辨析習(xí)慣的養(yǎng)成，達(dá)到學(xué)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(shí)，向?qū)W生提問(wèn)“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(shí)學(xué)生都會(huì)非常積極的思考，隨后向大家舉例,比如說(shuō)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(dòng)等現(xiàn)象。通過(guò)這樣的提問(wèn)與回答，可以把學(xué)生的注意力完全集中在你所講述的內(nèi)容上，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在說(shuō)明課程所要掌握和了解的內(nèi)容時(shí)，先提出許多與實(shí)際密切相關(guān)的問(wèn)題，諸如：在講解水壩的閘門會(huì)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(yīng)如何設(shè)計(jì)，等等。通過(guò)這些問(wèn)題的提出,學(xué)生可以知道學(xué)習(xí)這門課以后，能夠運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)知識(shí)解決哪些實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)，就不會(huì)盲目地學(xué)，并且在學(xué)過(guò)相關(guān)章節(jié)后，教師再次提出問(wèn)題并給予答案或讓學(xué)生自己解答，從而不僅增強(qiáng)了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也大力激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣。在這門課程的一開(kāi)始，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性就被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)了。

2.4 課題研究式教學(xué)法 現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)把知識(shí)分為陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)。陳述性知識(shí)如食物的名稱、概念、事實(shí)等，通過(guò)教師講解可以掌握或記憶；程序性知識(shí)主要涉及原理、規(guī)則、定律等的理解與應(yīng)用以及解決問(wèn)題的技能、方法與策略的形成、情感體驗(yàn)等，這類知識(shí)不能單憑傳授，還要求學(xué)生通過(guò)自主研究探索、親身體驗(yàn)等具體活動(dòng)才能內(nèi)化和占有?！肮こ塘黧w力學(xué)”中既有經(jīng)典成熟的理論知識(shí)、技術(shù)方法，又有許多需要進(jìn)一步完善發(fā)展、深入探尋研究的地方，尤其適宜于在教學(xué)中針對(duì)性開(kāi)展專題研究，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。比如，在講授“水力摩阻”時(shí)，針對(duì)鋼質(zhì)管線水力摩阻較大的特點(diǎn)，開(kāi)展“水力減阻技術(shù)”研究；在講授“壓力管路水力計(jì)算及工藝設(shè)計(jì)”有關(guān)內(nèi)容時(shí)，針對(duì)其涉及大量公式、過(guò)程復(fù)雜、手工計(jì)算效率低、誤差大等情況，讓學(xué)生編制“工藝計(jì)算軟件”，等等。此外，我們?cè)谡n程綜合設(shè)計(jì)中，改變了過(guò)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(xué)生的特點(diǎn)、特長(zhǎng)，并結(jié)合專業(yè)發(fā)展前沿，設(shè)置多個(gè)題目，讓學(xué)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(xué)生自己動(dòng)手、自主創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)合作精神的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

2.5 綜合實(shí)踐式教學(xué)法 如何讓學(xué)生牢固并靈活、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，我們認(rèn)為僅憑課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室演示等傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。例如：在講授描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法――拉格朗日法和歐拉法時(shí)，可以帶學(xué)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(dòng)量方程的應(yīng)用時(shí)可以到有關(guān)的水文站或水泵站現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)測(cè)鎮(zhèn)墩的受力，與理論計(jì)算作比較。在計(jì)算曲面的靜水壓力的豎向分力時(shí)，需要建立壓力體概念，而在有些復(fù)雜情況下，如何畫(huà)出壓力體，以及如何判斷壓力體的虛實(shí)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(dòng)態(tài)的演示。

3 結(jié)語(yǔ)

《工程流體力學(xué)》課程是面向工程應(yīng)用人才的課程，所以教學(xué)核心始終是學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的養(yǎng)成。為此，在課程教學(xué)中，我們始終堅(jiān)持推行創(chuàng)新思維教學(xué)法，注重開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論、公式等進(jìn)行質(zhì)疑研究、探索研究，把學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融于課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)；應(yīng)用創(chuàng)新教育先進(jìn)的理念和思想，轉(zhuǎn)變教育觀、學(xué)習(xí)觀、人才觀，始終把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新情感、創(chuàng)新心理、創(chuàng)新個(gè)性，訓(xùn)練學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技法放在首位。

參考文獻(xiàn)：

[1]李著信.創(chuàng)造力開(kāi)發(fā)與培養(yǎng)[M].第二版.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.

第6篇：流體的力學(xué)特征范文

關(guān)鍵詞：Aspen；化工熱力學(xué)教學(xué)；均相性質(zhì)推算；PR狀態(tài)方程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0179-03

一、引言

學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)課程的目的是為了解決實(shí)際問(wèn)題，物性數(shù)據(jù)的計(jì)算是本課程的重要內(nèi)容，因?yàn)檫^(guò)程工程的研究、設(shè)計(jì)、操作與優(yōu)化中都離不開(kāi)物性數(shù)據(jù)。從容易測(cè)量的性質(zhì)推算如U、H、S等難測(cè)量的性質(zhì)；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(shí)際意義。

由經(jīng)典熱力學(xué)原理能方便地建立起不同性質(zhì)之間的聯(lián)系（即普遍化關(guān)系式），為實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)之間的推算提供依據(jù)。但要推算出具體系統(tǒng)的性質(zhì)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(xué)的研究對(duì)象更接近實(shí)際過(guò)程，實(shí)際過(guò)程所涉及的系統(tǒng)如此復(fù)雜，溫度、壓力范圍如此寬廣，化學(xué)工程師們不能再依靠簡(jiǎn)單的理想氣體或理想溶液模型來(lái)計(jì)算物性了，而是需要適用范圍更廣、準(zhǔn)確性更好、復(fù)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(lái)促進(jìn)化工熱力學(xué)教學(xué)是一個(gè)很好的選擇，對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握概念、強(qiáng)化基礎(chǔ)、提高應(yīng)用能力具有重要作用，同時(shí)對(duì)后續(xù)的化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等課程的教學(xué)十分有益?；崃W(xué)教學(xué)中引入Aspen具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）Aspen軟件中物性計(jì)算原理與本課程熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算原理是一致的，用該軟件輔助熱力學(xué)教學(xué)能提高教學(xué)效率，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面，也能使學(xué)生掌握Aspen軟件物性計(jì)算原理的內(nèi)核，了解更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，提高應(yīng)用能力，不至于再像從前那樣，只知計(jì)算結(jié)果，不知計(jì)算原理，不明所用的模型，不能分析結(jié)果，真正掌握物性推算的“核心技術(shù)”。（2）國(guó)內(nèi)許多高校的后續(xù)課程，如化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等教學(xué)中也開(kāi)始采用Aspen輔助教學(xué)，化工熱力學(xué)作為這些課程的基礎(chǔ)，采用Aspen進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算，無(wú)疑會(huì)使后續(xù)課程的基礎(chǔ)更加扎實(shí)。

第7篇：流體的力學(xué)特征范文

一、引言

斑巖型礦床具有品位低、規(guī)模大、便于機(jī)械化開(kāi)采特點(diǎn)，由于其經(jīng)濟(jì)意義巨大，其找礦勘查與理論研究工作一直是礦床學(xué)界的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在斑巖型銅礦已是世界銅礦最重要的工業(yè)類型，儲(chǔ)量占世界銅儲(chǔ)量的 55.3%，且多集中在超大型斑巖礦床中。目前世界 99個(gè)200萬(wàn)噸以上的超大型銅礦中.斑巖型有63個(gè)。在中國(guó)，已查明30個(gè)礦床為斑巖銅礦，累計(jì)銅儲(chǔ)量3274萬(wàn)噸，約占總儲(chǔ)量的 44.01%。以下對(duì)當(dāng)前斑巖型礦床領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行逐一總結(jié)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(gè)階段：①20 世紀(jì)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(jì) 90年代，聚焦于成礦環(huán)境和構(gòu)造控制研究；③本世紀(jì)初，更加關(guān)注于成礦地球動(dòng)力學(xué)背景研究。最近十多年來(lái)，在斑巖型礦床的斑巖起源、熱液系統(tǒng)、成礦系統(tǒng)、構(gòu)造控制和動(dòng)力學(xué)背景等研究方面，均取得了諸多新認(rèn)識(shí)和新進(jìn)展。

斑巖型礦床的名稱是從斑巖銅礦床演變而來(lái)的，近20年來(lái)，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(zhì)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(kuò)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(chǎn)在斑巖類巖體及附近大范圍分布的浸染狀和細(xì)網(wǎng)脈狀礦床。

斑巖型礦床的一般特點(diǎn)為：(1)金屬礦化在斑狀侵入巖及圍巖中呈浸染狀或細(xì)網(wǎng)脈狀產(chǎn)出；(2)無(wú)論在空間分布上，還是在形成時(shí)間上，金屬礦化與淺成侵入巖具密切關(guān)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(zhǎng)巖、花崗巖或閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖；(5)與鉬礦床有關(guān)的侵入巖大都為鈣堿性長(zhǎng)英質(zhì)火成巖；(6)含礦侵入巖體大都為復(fù)式侵入雜巖，金屬礦化僅與其中某一期侵入巖有關(guān)；(7)金屬礦化與巖脈群和角礫巖管伴生，角礫組份復(fù)雜，磨圓度高；(8)含礦侵入巖體及圍巖均遭受到普遍的和強(qiáng)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(qiáng)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(fēng)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(gòu)造背景

隨著板塊構(gòu)造理論的迅速發(fā)展，人們對(duì)斑巖銅礦的認(rèn)識(shí)也越來(lái)深入。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，世界級(jí)規(guī)模的斑巖銅礦不僅產(chǎn)出于島弧或陸緣弧環(huán)境，而且還產(chǎn)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(lái)看，會(huì)聚板塊邊緣無(wú)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(gòu)造環(huán)境并不是單純的俯沖和擠壓。有研究者通過(guò)對(duì)智利北部地區(qū)的詳細(xì)研究，認(rèn)為有利于斑巖銅礦形成的構(gòu)造背景因素包括：①上地殼處于較長(zhǎng)時(shí)期擠壓狀態(tài)后的應(yīng)力松馳期；②成礦域存在早期深大斷裂，而且這些斷裂在應(yīng)力松馳期活化張開(kāi)。

斑巖型礦床含礦斑巖主要與俯沖背景下產(chǎn)出的鈣堿性中酸性火成巖有關(guān)。巖性多為斜長(zhǎng)花崗斑巖、二長(zhǎng)花崗斑巖及正長(zhǎng)花崗斑巖，巖體直徑一般小于2千米，具有多期次侵位特點(diǎn)，常發(fā)育隱爆角礫巖筒。出于找礦工作的需要，人們?cè)噲D找出含斑巖與無(wú)礦斑巖之間的差別，但目前還沒(méi)有取得一致的結(jié)果。中國(guó)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(zhì)巖石。隨 SiO2和分異指數(shù)的增大，礦化類型依次更替的順序?yàn)椋恒~金型-多金屬型-銅或銅鉬型-鉬型。

四、斑巖型礦床成礦物質(zhì)來(lái)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(shí)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(dá)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(nèi)部與圍巖中分比例亦大有差別。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者都贊同斑巖型礦床礦質(zhì)和成礦熱液是由中酸性巖漿在上侵過(guò)程及侵位后的結(jié)晶過(guò)程中， 由于溫度、壓力等物理化學(xué)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(jīng)歷了早期巖漿階段和晚期大氣水階段，然而在搬運(yùn)和沉淀礦石的是早期巖漿熱液還是晚期來(lái)自圍巖的流體的認(rèn)識(shí)上還存在爭(zhēng)論，這一分歧也擴(kuò)大到金屬、S以及其它組分的來(lái)源方面，特別集中在成礦元素是源自結(jié)晶巖漿還是通過(guò)對(duì)流流體從圍巖中萃取的。一種觀點(diǎn)認(rèn)為成礦元素Cu源于圍巖，證據(jù)出自穩(wěn)定同位素、熱質(zhì)輸運(yùn)數(shù)值模擬、流體包裹體以及圍巖成礦元素降低場(chǎng)等方面的研究。

五、總結(jié)

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(qiáng)。如含礦斑巖巖漿的成因機(jī)制，含礦巖漿中成礦物質(zhì)的析離過(guò)程，礦化分帶機(jī)制，脈體特征及成因機(jī)制，斑巖礦床中物質(zhì)演化、應(yīng)力演化、蝕變礦化作用之間的成因關(guān)系等等。此外，斑巖礦床還要加強(qiáng)系統(tǒng)的成礦作用動(dòng)力學(xué)研究，它包括巖漿形成的動(dòng)力學(xué)、巖漿侵位的動(dòng)力學(xué)、巖漿結(jié)晶演化的動(dòng)力學(xué)、蝕變與礦化作用動(dòng)力學(xué)、應(yīng)力演化的動(dòng)力學(xué)、脈體形成的動(dòng)力學(xué)和應(yīng)力與化學(xué)反應(yīng)藕合作用的動(dòng)力學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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[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(guó)地質(zhì),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(xué)報(bào),2007,23(5)：935-952.

第8篇：流體的力學(xué)特征范文

[關(guān)鍵詞]流體力學(xué)；船舶線型優(yōu)化；應(yīng)用；

中圖分類號(hào)：U661.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0332-01

1 引言

在我國(guó)船舶計(jì)算流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的情況，通過(guò)數(shù)值理論方式對(duì)船舶性能進(jìn)行分析已經(jīng)成為了重要、且較為新型的研究手段。對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)來(lái)說(shuō)，其是一門集計(jì)算數(shù)學(xué)、船舶流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)于一體的學(xué)科，在現(xiàn)今船舶操縱性能、阻力性能以及推進(jìn)性能積極研究的環(huán)境下，成為了對(duì)船舶性能進(jìn)行研究、預(yù)報(bào)的重要工具。作為一種對(duì)船型優(yōu)化的新手段，其目前在我國(guó)內(nèi)外得到了較多的應(yīng)用，已經(jīng)具有了較為成熟的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，且已經(jīng)形成了較多的軟件類型，應(yīng)用在船舶升沉、流場(chǎng)以及船舶阻力計(jì)算當(dāng)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?yàn)槲覀儙?lái)重要的提示，為我們線型阻力性能的評(píng)價(jià)以及比較具有重要的幫助。

2 計(jì)算軟件簡(jiǎn)介

對(duì)于RAPID軟件來(lái)說(shuō)，其是上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所從荷蘭引進(jìn)的CFD軟件，對(duì)于該軟件來(lái)說(shuō)，其對(duì)非線性勢(shì)流問(wèn)題進(jìn)行了較好的解決，即通過(guò)一系列線性問(wèn)題的應(yīng)用對(duì)非線性、完全穩(wěn)定的問(wèn)題解決方案進(jìn)行得出。在每一次迭代當(dāng)中，問(wèn)題都能夠在同距自由液面一定距離位置通過(guò)等源網(wǎng)格方式的應(yīng)用進(jìn)行解決，并以同DAWSON較為類似的方式對(duì)自由液面條件進(jìn)行處理，能夠?qū)Υw周圍穩(wěn)定的波系、興波阻力以及非粘性流進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，其也通過(guò)基于raised-panel方式的迭代應(yīng)用對(duì)非線性的勢(shì)流問(wèn)題進(jìn)行解決。通過(guò)該軟件的應(yīng)用，能夠有效對(duì)興波阻力以及波浪的形成情況進(jìn)行減小。在計(jì)算結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其以可視化的方式對(duì)船體表面壓力場(chǎng)分布、流線方向、船波系特性以及速度場(chǎng)分布等進(jìn)行了顯示，且在壓力分布當(dāng)中也對(duì)粘性流改善方向進(jìn)行了指出。通過(guò)計(jì)算獲得的升沉、興波阻力、波系等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員則能夠更好的對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估以及改進(jìn)，對(duì)減少船舶阻力線型的改進(jìn)方向進(jìn)行判斷?？梢哉f(shuō)，通過(guò)改進(jìn)方案RAPID結(jié)果的研究與分析，則能夠?qū)Ω男头桨傅臏p阻效果進(jìn)行驗(yàn)證，在能夠?qū)Χ鄠€(gè)線性方案設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上同傳統(tǒng)模型方式相比能夠有效實(shí)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(jìn)行研究。在上圖中，實(shí)線標(biāo)識(shí)的是圓型橫剖曲線，聯(lián)系RAPID計(jì)算結(jié)果可以了解到，對(duì)于該船來(lái)說(shuō)，其在17站附近位置存在一個(gè)較為明顯的波谷，對(duì)此，即對(duì)19站之前的橫剖面積進(jìn)行增加，并同時(shí)減小16、17、18站的橫剖面積，在使整個(gè)肩部水線具有較為緩和特征的基礎(chǔ)上對(duì)興波阻力起到了積極的改善作用。同時(shí)，由于RAPID對(duì)勢(shì)流理論進(jìn)行了應(yīng)用，即不能夠?qū)δ繕?biāo)的尾性以及粘性進(jìn)行計(jì)算，而在對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)系的基礎(chǔ)上，也對(duì)船體的尾部進(jìn)行了一定的改動(dòng)，即在將原有船尾削瘦之后對(duì)更為V型的線型進(jìn)行運(yùn)用。

4 原型同改型計(jì)算結(jié)果比較

4.1 CFD計(jì)算結(jié)果

在該環(huán)節(jié)中，我們對(duì)兩個(gè)不同的船型進(jìn)行了RAPID計(jì)算，并對(duì)壓力場(chǎng)以及波形方面進(jìn)行了比較。在經(jīng)過(guò)波形以及壓力場(chǎng)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(cè)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(guò)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(duì)波浪幅值進(jìn)行描述，我們也在船側(cè)位置對(duì)縱切波圖進(jìn)行了形成，沿船側(cè)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(jì)算結(jié)果

為了能夠?qū)FD的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，我們分別對(duì)船體的原型以及改型方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以了解到，在完成改型之后，其結(jié)果同原型相比具有了一定的提升，模型試驗(yàn)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(jì)算獲得結(jié)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(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)FD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，即能夠?qū)?yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行形成。

5 結(jié)束語(yǔ)

在上文中，我們通過(guò)CFD計(jì)算方式的應(yīng)用對(duì)原型以及改型兩個(gè)不同的方案進(jìn)行了分析以及計(jì)算，通過(guò)對(duì)船波系特性、速度場(chǎng)分布以及表面壓力場(chǎng)分布情況的計(jì)算，則能夠在對(duì)線性優(yōu)化改善方向進(jìn)行定性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出具有較好阻力性能的線型優(yōu)化方案。同時(shí)，也對(duì)線型優(yōu)化前后的模型試驗(yàn)進(jìn)行了比較，經(jīng)過(guò)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(jì)算結(jié)果一致，并因此對(duì)CFD在定性上的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，在目前模型試驗(yàn)當(dāng)中，如果直接對(duì)模型的興波阻力進(jìn)行測(cè)量，則將具有較為困難的情況，對(duì)此，其還不能夠?qū)FD方式計(jì)算獲得的數(shù)值給出具體評(píng)價(jià)，需要在未來(lái)研究當(dāng)中不斷優(yōu)化提升。

參考文獻(xiàn)

第9篇：流體的力學(xué)特征范文

[關(guān)鍵詞] 力學(xué) 學(xué)科 發(fā)展報(bào)告

福建省力學(xué)學(xué)科在廣大的省內(nèi)力學(xué)工作者長(zhǎng)期不懈努力下，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外同行廣泛交流、相互學(xué)習(xí)，以及不斷從國(guó)內(nèi)外引進(jìn)優(yōu)秀力學(xué)人才，近十年來(lái)取得不少成果。目前，雖然總體上在國(guó)內(nèi)還無(wú)法處于先進(jìn)行列，但在某些領(lǐng)域的一些研究成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)影響也日益增加。但是，福建畢竟是力學(xué)小省，從事力學(xué)研究的隊(duì)伍很小，真正從事力學(xué)理論、基礎(chǔ)研究的人才更少。迄今，我省高校還沒(méi)有設(shè)置力學(xué)專業(yè)，更沒(méi)有力學(xué)或航空航天學(xué)院。正因?yàn)槲覀儧](méi)有強(qiáng)大的力學(xué)研究隊(duì)伍，我們的研究成果不夠系統(tǒng)，也無(wú)法形成國(guó)內(nèi)外影響力大的研究團(tuán)隊(duì)。力學(xué)是目前世界上發(fā)展非?？斓囊粋€(gè)學(xué)科，是眾多工程技術(shù)的基礎(chǔ)，其研究成果被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的航天航空技術(shù)、艦船技術(shù)、兵器技術(shù)、尖端的建筑領(lǐng)域、車輛技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、高速精密機(jī)床、電子技術(shù)、防震救災(zāi)等等。力學(xué)學(xué)科強(qiáng)的省份，其工程技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域普遍也強(qiáng)。由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力有限，福建省同其他一些省市一樣，對(duì)力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科重視不夠，導(dǎo)致工程技術(shù)人才隊(duì)伍總體素質(zhì)不是很高，研究后勁不足。除了高層建筑、大型橋梁、水庫(kù)等事關(guān)國(guó)計(jì)民生的大項(xiàng)目外，很少見(jiàn)到生產(chǎn)企業(yè)借助力學(xué)尋找疑難問(wèn)題的答案，或開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。為此，總結(jié)力學(xué)學(xué)科發(fā)展，不僅僅是有助于本學(xué)科更快更好的發(fā)展，更重要的是促進(jìn)力學(xué)對(duì)工業(yè)進(jìn)步的推動(dòng)作用。此外，還可以幫助年輕的力學(xué)工作者、力學(xué)愛(ài)好者，以及政府有關(guān)部門，更快更好了解我省乃至全世界力學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)、應(yīng)用與存在的問(wèn)題，促進(jìn)力學(xué)人才隊(duì)伍的發(fā)展壯大。雖然我省力學(xué)人才數(shù)量與培養(yǎng)機(jī)制在國(guó)內(nèi)處于劣勢(shì)，然而，力學(xué)學(xué)科也同其他學(xué)科一樣， 有能力、也期待在海西建設(shè)中發(fā)揮更大的作用、得到更快的發(fā)展。

目前，我省力學(xué)學(xué)科研究領(lǐng)域主要集中固體力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)與控制、細(xì)觀力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面。研究?jī)?nèi)容既有理論方面的，也有許多工程實(shí)際應(yīng)用的，還有關(guān)于力學(xué)教育的。本學(xué)科報(bào)告將根據(jù)上述7個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)。

1固體力學(xué)

固體力學(xué)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(dòng)、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(guān)系；細(xì)長(zhǎng)桿穩(wěn)定性理論；桿系結(jié)構(gòu)、薄板殼以及它們的組合體；裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能、變形規(guī)律和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。固體力學(xué)不但促進(jìn)了近代土木建筑、機(jī)械制造和航空航天等工業(yè)的進(jìn)步和繁榮，而且為廣泛的自然科學(xué)提供了范例或理論基礎(chǔ)[1-2]。大到橋梁、航天航空器、核動(dòng)力結(jié)構(gòu)，小到計(jì)算機(jī)芯片、生物組織以及近年來(lái)高速發(fā)展的微/納米機(jī)械等都需要借助固體力學(xué)理論和方法。

1.1 我省固體力學(xué)研究現(xiàn)狀

1.1.1 斷裂與疲勞方向

通過(guò)三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，分別跟蹤監(jiān)測(cè)了40Cr鋼及它的兩種表面處理試樣疲勞損傷過(guò)程，得出了40Cr鋼經(jīng)過(guò)兩種表面處理對(duì)其疲勞裂紋萌生壽命有顯著影響的結(jié)果，提出了對(duì)疲勞裂紋萌生壽命測(cè)量的一種新方法[3]。根據(jù)材料對(duì)稱循環(huán)持久極限和靜載強(qiáng)度極限，導(dǎo)出任意循環(huán)特征下材料持久極限的估算公式。通過(guò)非線性有限元方法對(duì)橡膠―鋼球支座的橡膠層與鋼球粘結(jié)界面上及橡膠中間層在扭轉(zhuǎn)載荷作用下存在中心裂紋和環(huán)形邊緣裂紋的情況進(jìn)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(guān)系曲線[4]。針對(duì)抽油機(jī)井常用油管在循環(huán)載荷作用下的疲勞斷裂問(wèn)題進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)測(cè)油管載荷譜與應(yīng)變譜的基礎(chǔ)上應(yīng)用彈塑性有限元法計(jì)算油管螺紋內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，并進(jìn)行了有關(guān)的疲勞實(shí)驗(yàn)，以得到油管的疲勞強(qiáng)度。

* 第一執(zhí)筆人：嚴(yán)世榕，福州大學(xué)車輛振動(dòng)與電子控制研究所所長(zhǎng)、教授。

1.1.2 板殼、薄壁桿件及復(fù)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(xiàng)式連續(xù)函數(shù)，在周期區(qū)域內(nèi)利用正交分片多項(xiàng)式逼近位移函數(shù)可以大大地降低計(jì)算量[5]。推導(dǎo)了一般各向異性板彎曲的積分方程，運(yùn)用加權(quán)殘數(shù)配點(diǎn)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(quán)雙三角級(jí)數(shù)廣義各向同性板解析形式的基本解和加權(quán)雙三角級(jí)數(shù)的疊加。根據(jù)Timoshenko幾何變形假設(shè)和Boltzmann疊加原理，推導(dǎo)出控制損傷粘彈性Timoshenko中厚板的非線性動(dòng)力方程以及簡(jiǎn)化的Galerkin截?cái)喾匠探M;然后利用非線性動(dòng)力系統(tǒng)中的數(shù)值方法求解了簡(jiǎn)化方程組[6]。假設(shè)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(shì)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(duì)該畸變角微分方程進(jìn)行求解，并推導(dǎo)求解的初參數(shù)法。采用加權(quán)余量法提出一個(gè)簡(jiǎn)支工字型梁在橫向荷載作用下臨界荷載的計(jì)算公式；利用這個(gè)式子算出的值與試驗(yàn)結(jié)果以及其它數(shù)值方法等得到的結(jié)果吻合得很好，說(shuō)明文獻(xiàn)[7]提出的公式能迅速、有效地計(jì)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(duì)象，在考慮雙重非線性的有限元分析基礎(chǔ)上，提出純壓鋼管拱穩(wěn)定臨界荷載計(jì)算的等效柱法[8]。提出了基于桿件連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，優(yōu)化結(jié)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?fù)鋬?yōu)化普遍具有的數(shù)值不穩(wěn)定問(wèn)題[9]。

1.1.3 彈性動(dòng)力學(xué)方向

分析了一般粘彈結(jié)構(gòu)特征值問(wèn)題的特點(diǎn)，建立了一般粘彈結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析方法。與粘彈結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在形式上不涉及粘彈本構(gòu)關(guān)系項(xiàng)，并只涉及一種模態(tài)向量[10]。導(dǎo)出了時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算擾動(dòng)的確定方法，并進(jìn)一步采用同步計(jì)算消除計(jì)算擾動(dòng)效應(yīng)和后續(xù)步計(jì)算消除計(jì)算擾動(dòng)效應(yīng)，兩種途徑抵消其不利影響?；贒istorted-Born Iterative方法，提出了一種求解彈性波強(qiáng)非線性逆散射問(wèn)題的迭代方法。在數(shù)值模擬運(yùn)算時(shí)利用矩陣法進(jìn)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(yīng)用多重尺度法推得從平方非線性振動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)能井逃逸的時(shí)間。近似勢(shì)能法用于克服非線性帶來(lái)的困難。推導(dǎo)了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程。分析表明，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)量及動(dòng)量矩守恒關(guān)系得到的系統(tǒng)廣義Jacobi關(guān)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(dāng)選擇的慣性參數(shù)的線性函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)參數(shù)未知時(shí)由空間機(jī)械臂末端慣性空間期望軌跡產(chǎn)生機(jī)械臂關(guān)節(jié)鉸期望角速度、角加速度的增廣自適應(yīng)控制算法。在高速公路剛架拱實(shí)橋動(dòng)測(cè)及單車荷載作用研究基礎(chǔ)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(duì)豎向瞬態(tài)振動(dòng)峰值的影響，編制運(yùn)行多車荷載下振動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)理的力學(xué)模型。利用該模型能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)與報(bào)警，可為汽車安全系統(tǒng)提供可靠的重心計(jì)算力學(xué)模型，為研制汽車重心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了必要參數(shù)與依據(jù)。論述數(shù)值計(jì)算中新的小波基無(wú)單元方法，即用小波基函數(shù)取代傳統(tǒng)無(wú)單元方法中的冪級(jí)數(shù)基之后，使無(wú)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(yīng)力不連續(xù)現(xiàn)象，從而不但拓展和豐富了無(wú)單元法的理論內(nèi)容，也為其工程應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑[11]。

1.1.4 工程應(yīng)用

推導(dǎo)了T型截面梁的彎矩-軸力-曲率關(guān)系，提出了分析大偏心體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量和梁彎曲性能的通用方法。比較荷載作用前后，轉(zhuǎn)向座和錨具的變形差，計(jì)算出體外筋的應(yīng)變和應(yīng)力。因此這一方法考慮了體外筋的變形協(xié)調(diào)條件，同時(shí)自動(dòng)地考慮了體外筋偏心距的損失。以B樣條函數(shù)結(jié)合配點(diǎn)法直接求解框剪間有限個(gè)作用力與力矩，導(dǎo)出的遞推公式對(duì)任意水平荷載可直接應(yīng)用。采用動(dòng)力特解邊界元法在時(shí)域內(nèi)求解壩-水-地基動(dòng)力相互作用問(wèn)題特性，研究了壩體、地基和系統(tǒng)阻尼對(duì)壩體的動(dòng)力特性、動(dòng)水壓力、動(dòng)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(shí)間步，利用Newmark-β直接積分法計(jì)算迭代初值，基于控制方程及約束方程的泰勒展開(kāi)，推導(dǎo)出Newton-Raphson迭代公式，對(duì)位移及拉格朗日乘子進(jìn)行修正。引用Blajer提出的違約修正方法對(duì)數(shù)值積分過(guò)程中約束方程的違約進(jìn)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(xué)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(shí)現(xiàn)安裝較少的耗能裝置而能達(dá)到相同的抗震要求[16]。

1.2 與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的對(duì)比與不足

整體上，我省還沒(méi)有建立起幾個(gè)系統(tǒng)、穩(wěn)定的固體力學(xué)研究方向。與國(guó)內(nèi)外比較尚處于相對(duì)落后的研究水平。許多研究領(lǐng)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(guó)內(nèi)外固體力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

固體力學(xué)的研究對(duì)象向跨尺度和復(fù)雜性方向發(fā)展；研究手段以跨學(xué)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(xué)及生命領(lǐng)域的相互作用，實(shí)現(xiàn)從原子、分子的微觀結(jié)構(gòu)到納米結(jié)構(gòu)、細(xì)觀顯微結(jié)構(gòu)，直至宏觀結(jié)構(gòu)的多尺度關(guān)聯(lián)理論框架的建立。固體力學(xué)可以將地震、邊坡失穩(wěn)、泥石流、礦井崩塌等自然災(zāi)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(zhì)的力學(xué)演化過(guò)程，預(yù)測(cè)和防范突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生。固體力學(xué)在陸地和海洋石油勘探采集和輸運(yùn)、核電技術(shù)、風(fēng)能技術(shù)、高壩技術(shù)和高功率水力發(fā)電技術(shù)、大型工程結(jié)構(gòu)的選址等重大工程中也將發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用。集傳感功能和驅(qū)動(dòng)功能為一體的智能材料和結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含著許多與傳統(tǒng)領(lǐng)域不同的力學(xué)問(wèn)題。新型材料與結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)耦合力學(xué)，包括力－電－磁－熱耦合場(chǎng)基礎(chǔ)理論與體系、破壞理論、智能結(jié)構(gòu)性能等是固體力學(xué)領(lǐng)域充滿生機(jī)的研究方向。 利用生物學(xué)和生物技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)材料與器件將極大地沖擊整個(gè)工程界、生物界和醫(yī)學(xué)界。

1.4 我省固體力學(xué)發(fā)展對(duì)策

目前普遍強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用的大社會(huì)背景對(duì)力學(xué)這門基礎(chǔ)性學(xué)科的發(fā)展是極為不利的。鼓勵(lì)自由探索，促進(jìn)系統(tǒng)性、原創(chuàng)性、基礎(chǔ)性的研究工作是促進(jìn)力學(xué)學(xué)科發(fā)展的最重要基礎(chǔ)工作。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）固體力學(xué)作為影響廣泛的重要基礎(chǔ)學(xué)科，需要長(zhǎng)期、穩(wěn)定地投入。自由探索和基礎(chǔ)研究是科學(xué)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(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地處理好基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程需求的關(guān)系，營(yíng)造在各方面都鼓勵(lì)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(xué)學(xué)科發(fā)展的重要源泉。建立有利于人才培養(yǎng)的長(zhǎng)期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才評(píng)價(jià)體系，力學(xué)學(xué)科的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)尤其要避免急功近利。各高校在力學(xué)學(xué)科的建設(shè)上不能以其能否直接解決工程實(shí)際問(wèn)題為取舍的依據(jù)，而要以現(xiàn)有人才和研究基礎(chǔ)為依據(jù)。穩(wěn)定、扎實(shí)的力學(xué)學(xué)科人才培養(yǎng)可以直接惠及眾多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

（3）從固體力學(xué)學(xué)科的性質(zhì)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以及國(guó)家需求來(lái)看，目前的重要科學(xué)問(wèn)題和前沿領(lǐng)域主要有：微納米力學(xué)、多尺度力學(xué)與跨尺度關(guān)聯(lián)和計(jì)算、新材料與結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)耦合力學(xué)、生物材料與仿生材料力學(xué)、科學(xué)與工程計(jì)算與軟件、儀器設(shè)備研制及實(shí)驗(yàn)力學(xué)新技術(shù)與新表征方法。國(guó)家建設(shè)需求的重要支撐點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展方向主要有：固體強(qiáng)度與破壞力學(xué)、計(jì)算力學(xué)軟件、固體力學(xué)在國(guó)家安全以及航空航天工程中的應(yīng)用、大型工程結(jié)構(gòu)與工業(yè)裝備的力學(xué)問(wèn)題、爆炸與沖擊力學(xué)、環(huán)境與災(zāi)害關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題等。

2流體力學(xué)

2.1 計(jì)算流體力學(xué)

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究流體的運(yùn)動(dòng)以及流體和其它介質(zhì)間相互作用和流動(dòng)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(zhì)。流體力學(xué)在氣象、水文、石油勘探、船舶、飛行器和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。流體力學(xué)數(shù)學(xué)上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各種變化。

空氣動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)針對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的一個(gè)分支，也是流體力學(xué)研究的一個(gè)主要內(nèi)容。20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)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(wèn)題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)中后期，流體力學(xué)開(kāi)始和其他學(xué)科互相交叉和滲透，形成了新的交學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)等。

流體力學(xué)研究的手段主要有三：實(shí)驗(yàn)，理論分析，數(shù)值計(jì)算。理論分析是根據(jù)流體力學(xué)基本方程，通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，得出各種定量和定性結(jié)果。由于流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)方法在流體力學(xué)中占有重要的地位?，F(xiàn)代流體力學(xué)就是在純理論的古典流體力學(xué)與偏重實(shí)驗(yàn)的古典水力學(xué)結(jié)合后才蓬勃發(fā)展起來(lái)的。實(shí)驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，測(cè)定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，解釋物理現(xiàn)象均有重要意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種高效計(jì)算方法的發(fā)展，使許多原來(lái)無(wú)法用理論分析或?qū)嶒?yàn)研究的復(fù)雜流體問(wèn)題有了求得數(shù)值解的可能性，形成了“計(jì)算流體力學(xué)”學(xué)科。從20世紀(jì)60年代起，在飛行器和其它相關(guān)工程的設(shè)計(jì)中，開(kāi)始大量采用數(shù)值模擬，使得數(shù)值模擬成為與實(shí)驗(yàn)和理論分析相輔相成的一個(gè)重要研究手段，并正在成為流體力學(xué)的主要發(fā)展方向。數(shù)值模擬方法特點(diǎn)如下：

①給出流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的離散解，而不是一般理論分析方法所關(guān)注的解析解；

②它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展直接相關(guān)，因?yàn)閺?fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題要求大計(jì)算量的運(yùn)算；

③若物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型是正確的，則可在較廣泛的流動(dòng)參數(shù)（如馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、氣體性質(zhì)、模型尺度等）范圍內(nèi)研究流體力學(xué)問(wèn)題，且能給出流場(chǎng)參數(shù)的定量結(jié)果。

廈門大學(xué)在計(jì)算流體力學(xué)學(xué)科開(kāi)展了多方面的研究，其主要研究力量分布在數(shù)學(xué)、海洋、化學(xué)、材料、物理機(jī)電等院系，并建立了多套高水平的大型計(jì)算服務(wù)器。特別值得一提的工作是：數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院在可壓和不可壓粘性流體數(shù)學(xué)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(guó)際水平的成果，豐富和發(fā)展了下面幾個(gè)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(xiàng)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(qiáng)形式出發(fā)的配點(diǎn)法，它們都可以認(rèn)為是加權(quán)殘差法的特殊形式。其中配點(diǎn)方法更像差分法，它要求在配置點(diǎn)上滿足原方程，與差分法不同的是：它用高階多項(xiàng)式的準(zhǔn)確求導(dǎo)代替了導(dǎo)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(wèn)題轉(zhuǎn)化成與之等價(jià)的變分形式，然后通過(guò)試探函數(shù)和檢驗(yàn)函數(shù)的選取來(lái)逼近解，它們的主要不同在于試探函數(shù)和檢驗(yàn)函數(shù)的選取以及高維情況下基函數(shù)的構(gòu)造。譜方法的收斂速度取決于解的正則度，當(dāng)解無(wú)限光滑時(shí)可以達(dá)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 擬譜法和譜元法[20-21]。擬譜方法（Pseudo-spectral method）是一類準(zhǔn)譜方法，可以通過(guò)從弱形式出發(fā)的廣義Galerkin譜方法構(gòu)造，也可以由強(qiáng)形式出發(fā)的配點(diǎn)法得到。兩者在某些特殊情形下是等價(jià)的，但對(duì)絕大多數(shù)問(wèn)題，配點(diǎn)法無(wú)法導(dǎo)出簡(jiǎn)潔的弱形式，導(dǎo)致理論分析十分困難?，F(xiàn)在配點(diǎn)法正漸漸淡出研究人員的視線?；趶V義Galerkin方法的擬譜方法的構(gòu)造分兩步：首先構(gòu)造問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)譜方法中使用的正交多項(xiàng)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(xiàng)式基，這給計(jì)算，尤其是非線性問(wèn)題的計(jì)算帶來(lái)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(duì)于復(fù)雜區(qū)域的處理能力極其有限，這限制了它的應(yīng)用范圍。20世紀(jì)80年展起來(lái)的譜元法（spectral element method）很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。譜元法結(jié)合了譜方法和有限元法各自的優(yōu)點(diǎn)，既能處理復(fù)雜的計(jì)算區(qū)域，又有譜方法的高精度，它在不可壓流體的計(jì)算中取得了很大的成功，如今已是計(jì)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(diǎn)，hp-有限元使用的多項(xiàng)式階數(shù)不高，所使用的基函數(shù)也與譜元法不一樣。不過(guò)隨著兩類方法的發(fā)展，它們呈現(xiàn)出越來(lái)越多的共同點(diǎn)，有些學(xué)者已把兩類方法歸結(jié)為同一種方法。由于譜方法還具有低耗散，低色散的優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)主要有兩種形式，即層流（laminar） 和湍流（turbulence），層流是指流動(dòng)時(shí)流線相互平行的流動(dòng)，而湍流則是無(wú)規(guī)則脈動(dòng)的，有強(qiáng)的渦旋和摻混性。目前一般的看法是：無(wú)論是層流還是湍流，它們都服從Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流運(yùn)動(dòng)特征尺度的多樣性，一般來(lái)說(shuō)，直接數(shù)值模擬(DNS)僅局限于湍流機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究和一些較簡(jiǎn)單的問(wèn)題。湍流大渦模擬（LES）是介于DNS和雷諾平均NS(RANS) 之間的一個(gè)折衷方法。LES需要的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)比DNS大大減少，這使得它能夠應(yīng)用于許多實(shí)際工程計(jì)算中。LES僅計(jì)算大尺度部分，而亞格子尺度運(yùn)動(dòng)（SGS）通過(guò)附加模型實(shí)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(dòng)力學(xué)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(dāng)?shù)募僭O(shè)下適用， 且跟所選擇的數(shù)值方法相關(guān)。較新的LES模型包括速度估計(jì)模型以及無(wú)(顯式)模型的單調(diào)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(lái)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(nèi)提出的，其基本思想是通過(guò)引入線性高頻粘性項(xiàng)來(lái)抑制可解尺度量在截?cái)囝l率附件的震蕩。與其它LES方法相比，SVV-LES簡(jiǎn)單且無(wú)附加計(jì)算量。

3計(jì)算力學(xué)

20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算力學(xué)這個(gè)力學(xué)和科學(xué)計(jì)算的交叉學(xué)科得到了快速發(fā)展，特別是60年代后有限元法及其相應(yīng)軟件產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使得計(jì)算力學(xué)這個(gè)新興學(xué)科迅速滲透到土木、水利、機(jī)械、航空、電子及生命科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）的重要核心內(nèi)容，也使得力學(xué)這個(gè)傳統(tǒng)的學(xué)科煥發(fā)了新的強(qiáng)盛的生命力。在當(dāng)今科學(xué)研究和工程實(shí)踐中， 科學(xué)計(jì)算已經(jīng)成為與科學(xué)理論、科學(xué)實(shí)驗(yàn)并行的重要科學(xué)方法。2006年美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)了《基于數(shù)值模擬的工程科學(xué)》的研究報(bào)告，明確指出計(jì)算力學(xué)和數(shù)值模擬在工程科學(xué)發(fā)展中的重要地位。

近年來(lái)我省科技工作者在計(jì)算力學(xué)及其工程應(yīng)用方面開(kāi)展了積極的研究工作，取得了一定的科技成果。在計(jì)算力學(xué)方法方面，我省學(xué)者系統(tǒng)地發(fā)展了土木水利、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域常見(jiàn)的梁板殼結(jié)構(gòu)的高效無(wú)網(wǎng)格分析方法，該方法采用整體坐標(biāo)建立板殼無(wú)網(wǎng)格近似，不僅簡(jiǎn)便直接，適用于任意復(fù)雜形狀的殼體，并且可以避免參數(shù)變換，大大提高了計(jì)算效率。同時(shí)該方法利用穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)積分構(gòu)造離散方程，兼顧了穩(wěn)定、效率和精度，為快速準(zhǔn)確地分析和設(shè)計(jì)這種類型結(jié)構(gòu)提供了一種有效的數(shù)值工具。同時(shí)，針對(duì)福建省暴雨天氣常見(jiàn)的土質(zhì)邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生的滑坡問(wèn)題，建立了暴雨條件下土質(zhì)邊坡突發(fā)失穩(wěn)的大變形高效無(wú)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的高效無(wú)網(wǎng)格法全過(guò)程仿真分析，可為暴雨條件下邊坡工程的設(shè)計(jì)施工、滑坡災(zāi)害的預(yù)報(bào)、預(yù)防和加固處理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，有重要的理論和實(shí)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(gòu)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(jì)算效率。并且，在拓?fù)鋬?yōu)化方面提出了類桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化方法，有效地避免了棋盤格問(wèn)題。這些計(jì)算力學(xué)方法所取得的研究成果得到了國(guó)內(nèi)外同行的引用和認(rèn)可。

在工程應(yīng)用方面，我省學(xué)者對(duì)汽車減震及管道密封橡膠構(gòu)件的受力斷裂行為進(jìn)行了非線性有限元和無(wú)網(wǎng)格分析和模擬，提出了合理的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)例如大跨橋梁、大壩與深水進(jìn)水塔以及深埋特長(zhǎng)隧洞等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元法進(jìn)行了動(dòng)力抗震抗風(fēng)分析，取得了滿意的結(jié)果，提供了有效的工程服務(wù)。另外，應(yīng)用從微觀第一原理到宏觀有限元無(wú)網(wǎng)格計(jì)算的多尺度高性能計(jì)算方法，成功地進(jìn)行了材料微觀設(shè)計(jì)。

雖然我省計(jì)算力學(xué)研究與應(yīng)用已經(jīng)得到快速發(fā)展，但在國(guó)內(nèi)仍然處于相對(duì)落后的地位，表現(xiàn)在原創(chuàng)性研究偏少，參與解決工程實(shí)際問(wèn)題不夠。當(dāng)前我省相關(guān)科研工作者應(yīng)抓住海西發(fā)展的大好時(shí)機(jī)加大科研力度，爭(zhēng)取在高性能計(jì)算方法、大規(guī)模工程問(wèn)題數(shù)值仿真分析、災(zāi)害條件下工程機(jī)構(gòu)性能的計(jì)算模擬及評(píng)估預(yù)防、先進(jìn)的汽車仿真方法與應(yīng)用以及高性能材料計(jì)算設(shè)計(jì)等方面取得新的突破，同時(shí)密切聯(lián)系實(shí)際，切實(shí)提高解決海西建設(shè)中的工程技術(shù)問(wèn)題的能力。

4機(jī)械動(dòng)力學(xué)與控制

近年來(lái)，福州大學(xué)、廈門大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、華僑大學(xué)等在機(jī)械動(dòng)力學(xué)與控制方面做了不少工作。我省的機(jī)械動(dòng)力學(xué)與控制在以下幾個(gè)方面的研究在國(guó)內(nèi)具有較鮮明的特色和一定的影響力。

4.1 機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題的研究

福州大學(xué)在單臂、多臂、柔性臂空間機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作。他們研究了載體姿態(tài)無(wú)擾、末端爪手障礙規(guī)避、機(jī)械臂關(guān)節(jié)受限等不同目標(biāo)要求下的多種運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃方法。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，分別給出了單、雙臂空間機(jī)器人關(guān)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(jié)構(gòu)滑模控制、Terminal滑?？刂?、模糊變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、復(fù)合自適應(yīng)控制、終端滑模自適應(yīng)控制、魯棒自適應(yīng)混合控制、自適應(yīng)Backstepping滑模控制、自適應(yīng)模糊滑模控制、基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)控制、基于速度濾波器的魯棒控制、模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊基函數(shù)自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)補(bǔ)償控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制及閉鏈雙臂空間機(jī)器人基于內(nèi)力優(yōu)化配置原則的滑模變結(jié)構(gòu)控制、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模補(bǔ)償控制等一系列相關(guān)的控制方案[23-35]。在柔性臂空間機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，給出了各類期望運(yùn)動(dòng)的Terminal滑?？刂?、Backstepping反演控制、于奇異攝動(dòng)法的Backstepping反演控制、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)控制及柔性振動(dòng)的快速實(shí)時(shí)抑制、運(yùn)動(dòng)模糊控制及柔性振動(dòng)主動(dòng)抑制、運(yùn)動(dòng)魯棒跟蹤控制及柔性振動(dòng)主動(dòng)抑制等多種控制方案。其成果以150余篇論文形式，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊及會(huì)議上發(fā)表與交流。此外，福州大學(xué)還開(kāi)展了爬墻機(jī)器人安全系統(tǒng)的控制研究，對(duì)其提出了變結(jié)構(gòu)控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

福州大學(xué)針對(duì)立井提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制、攤鋪機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)動(dòng)力學(xué)分析、以及汽車底盤動(dòng)力學(xué)控制[38-42]等方面進(jìn)行了系列研究，分析了影響提升設(shè)備動(dòng)力學(xué)特性的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提出了減少其工作過(guò)程振動(dòng)的變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制方法；針對(duì)高等級(jí)道路建設(shè)中重要設(shè)備――攤鋪機(jī)的國(guó)產(chǎn)化改造與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)研究了其工作原理、動(dòng)力學(xué)特性等，建立了相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型，確定了影響整機(jī)正常工作的動(dòng)力學(xué)特性及其影響因素；為消化吸收并趕超國(guó)外先進(jìn)的汽車電子控制技術(shù)，開(kāi)展了系統(tǒng)的汽車底盤總成的動(dòng)力學(xué)與電子控制技術(shù)的系列研究，其研究成果有助于相關(guān)新產(chǎn)品的問(wèn)世或改進(jìn)。福州大學(xué)還對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)弦線橫向振動(dòng)控制進(jìn)行了多種控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指導(dǎo)相應(yīng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

4.3 研究不足與展望

迄今，還沒(méi)有系統(tǒng)地將機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其控制的研究成果應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代中。目前，國(guó)內(nèi)急需高精尖機(jī)床的開(kāi)發(fā)技術(shù)與動(dòng)態(tài)分析優(yōu)化技術(shù)等。我省目前是工程機(jī)械大省，但還不是強(qiáng)省，進(jìn)一步提高相關(guān)產(chǎn)品性能與可靠性，仍然需要開(kāi)展大量的工作。我省的工程機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代（如集成優(yōu)化、計(jì)算機(jī)智能控制等）、工程機(jī)械新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與分析、汽車整車集成優(yōu)化與設(shè)計(jì)分析、新型汽車電子控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、高速設(shè)備性能分析與改進(jìn)、機(jī)械設(shè)備計(jì)算機(jī)智能故障診斷、微型機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)等等，均以力學(xué)的分析研究為其成功的關(guān)鍵。

為改變這個(gè)落后局面，尤其是海西經(jīng)濟(jì)建設(shè)中更好發(fā)揮力學(xué)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(dòng)地對(duì)重要機(jī)械產(chǎn)品、大批量生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品與汽車等開(kāi)展機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析研究，對(duì)相關(guān)進(jìn)口軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或早日開(kāi)發(fā)出自己的專用機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件，以提高企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力與開(kāi)發(fā)速度。同時(shí)增強(qiáng)完善實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)展動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，以確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定與可靠性。積極利用國(guó)內(nèi)外的動(dòng)力學(xué)研究成果，開(kāi)展重要設(shè)備、大型設(shè)備、危險(xiǎn)設(shè)施或設(shè)備的動(dòng)態(tài)故障診斷研究，確保這些設(shè)備、設(shè)施安全可靠高效地運(yùn)行。

5細(xì)觀力學(xué)

細(xì)觀力學(xué)是固體力學(xué)的一大分支，即采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法分析具有細(xì)觀結(jié)構(gòu)的材料的力學(xué)問(wèn)題，是固體力學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科，其發(fā)展對(duì)固體力學(xué)研究層次的深入以及對(duì)材料科學(xué)規(guī)律的定量化表達(dá)都有重要意義。

前幾年我省在細(xì)觀力學(xué)方面的研究進(jìn)展不多，近幾年來(lái)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(jī)理，微觀電疇原位觀測(cè)，應(yīng)力、高溫、腐蝕性環(huán)境介質(zhì)等耦合作用下固體材料的微結(jié)構(gòu)和變形斷裂行為的演變規(guī)律等幾個(gè)方向：

①根據(jù)鐵電材料自發(fā)應(yīng)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(guò)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(dǎo)出鐵電鐵彈材料的自極化穩(wěn)定構(gòu)形所應(yīng)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(lái)確定疇變量的大小。②進(jìn)行了PZT 鐵電陶瓷四點(diǎn)彎曲試樣在交變力、交變電場(chǎng)及機(jī)電耦合疲勞作用前后的微裂紋和電疇的觀察，獲得裂紋擴(kuò)展與極化方向，加載類型之間關(guān)系。③發(fā)展了一種原位XRD觀測(cè)電疇系統(tǒng)，對(duì)電疲勞過(guò)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(jìn)行了原位觀測(cè)。同時(shí)，利用SEM觀察了疲勞前后試樣的斷口形貌，并系統(tǒng)地進(jìn)行了電場(chǎng)特征和溫度對(duì)PLZT試樣電疲勞性能影響的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。④基于Raman散射原理，建立原位觀測(cè)電疇翻轉(zhuǎn)的Raman測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)三種不同預(yù)極化處理的PLZT試樣在靜電場(chǎng)作用、電循環(huán)作用下的裂紋尖端的疇變行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究；通過(guò)原位Raman觀測(cè)PLZT材料在準(zhǔn)同型相界附近的相變過(guò)程。⑤系統(tǒng)進(jìn)行牛皮質(zhì)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(zhì)骨中礦物成分對(duì)皮質(zhì)骨動(dòng)態(tài)粘彈性性能的影響，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨中的礦物質(zhì)成分存在將降低膠原纖維的可動(dòng)性，增強(qiáng)材料的粘彈性特性。⑥對(duì)牙齒等生物復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)牙齒具有很明顯的壓電效應(yīng)，壓電性能與濕度和細(xì)管的分布密切相關(guān)。⑦研究在不同保護(hù)氣氛中，不同退火溫度對(duì)碳化硅纖維的材料斷裂強(qiáng)度的影響，揭示了微結(jié)構(gòu)的演變和宏觀性能之間的相互關(guān)系。2004年3月29～31日，張穎教授于廈門組織召開(kāi)了全國(guó)細(xì)觀力學(xué)會(huì)議，清華大學(xué)，中科院力學(xué)所，浙江大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名高校和研究所的眾多教授、專家參加了本次會(huì)議。

細(xì)觀力學(xué)和微納米力學(xué)在全球、全國(guó)范圍內(nèi)正在迅速擴(kuò)展和深入，具有多學(xué)科交叉的強(qiáng)烈特征，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。我省學(xué)者在細(xì)觀力學(xué)方面和微納米力學(xué)方面的投入較少，今后應(yīng)該在非線性，動(dòng)態(tài)，多物理場(chǎng)，跨尺度、尺度效應(yīng)，微納米力學(xué)和器件等方面加大研究投入。

6實(shí)驗(yàn)力學(xué)

1991年，福建省力學(xué)學(xué)會(huì)成立了實(shí)驗(yàn)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)。福建省力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)專業(yè)委員掛靠福州大學(xué)土木工程學(xué)院。

為更好開(kāi)展實(shí)驗(yàn)力學(xué)工作，經(jīng)過(guò)多年多方面努力，我省實(shí)驗(yàn)力學(xué)條件不斷改善。2006年6月福州大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”被批準(zhǔn)成立，2008年與臺(tái)灣大學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”獲批“福建省本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”。2008年福州大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心擁有土木綜合實(shí)驗(yàn)館、工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)館、巖土及地下工程實(shí)驗(yàn)館、水利工程實(shí)驗(yàn)館等場(chǎng)館，總面積超過(guò)1.7萬(wàn)多平米，現(xiàn)有儀器設(shè)備總價(jià)值超過(guò)6000萬(wàn)元。其中裝備的美國(guó)MTS大型結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)價(jià)值超過(guò)1280萬(wàn)元，共有7個(gè)作動(dòng)器，具備靜載全過(guò)程、疲勞、多維擬靜力和多維擬動(dòng)力試驗(yàn)功能。此外，正在建設(shè)的“福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)”（價(jià)值2500余萬(wàn)元）包括三個(gè)振動(dòng)臺(tái)，其中中間為固定的4m×4m水平三自由度振動(dòng)臺(tái)，兩邊為2.5m×2.5m可移動(dòng)的水平三自由度振動(dòng)臺(tái)各一個(gè)，三個(gè)臺(tái)在12m32m的基坑內(nèi)呈一直線布置，其中邊臺(tái)最大可移動(dòng)距離10m，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)同步或異步地震輸入，拓展了地震模擬實(shí)驗(yàn)的空間，該臺(tái)陣系統(tǒng)將于2009年12月全面建成投入使用。該臺(tái)陣系統(tǒng)的建成將使福州大學(xué)成為目前世界上少數(shù)幾個(gè)擁有地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣的單位之一。

7結(jié)構(gòu)力學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及建筑工程、結(jié)構(gòu)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(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，另一方面，它又成為鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)抗震等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)中起著承前啟后的關(guān)鍵作用。

為增強(qiáng)基礎(chǔ)教育并提高結(jié)構(gòu)力學(xué)在工程中的應(yīng)用，自上世紀(jì)90年代初，我省高校興起結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)法研究熱潮，把結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革推向新的高度，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了模塊結(jié)構(gòu)改革，將結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容歸納為基礎(chǔ)型、擴(kuò)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(shí)，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)部分，融入結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震、車激振動(dòng)等學(xué)科前沿知識(shí)，增加了隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的內(nèi)容，補(bǔ)充和修正了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于“伴生自由振動(dòng)”的相關(guān)結(jié)論，實(shí)現(xiàn)了與學(xué)生原有知識(shí)的有機(jī)融合；有兩項(xiàng)重要教研成果：階梯形變截面梁“圖乘貼補(bǔ)簡(jiǎn)化”計(jì)算方法和剛架拱“考慮二階效應(yīng)影響線”問(wèn)題引入課堂討論，更新了教學(xué)內(nèi)容。

上世紀(jì)90年代末，我省結(jié)構(gòu)力學(xué)平面教材和多媒體立體化教材建設(shè)取得突破，先后出版了《結(jié)構(gòu)力學(xué)解題與思考》（陳，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999。2007年該書(shū)由煤炭工業(yè)出版社修訂再版）、《廣義結(jié)構(gòu)力學(xué)及其工程應(yīng)用》（陳，中國(guó)鐵道出版社，2003）、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（祁皚參編，清華大學(xué)出版社，2006）等。

正如王光遠(yuǎn)院士所指出，結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科呈現(xiàn)出“從狹義到廣義，從被動(dòng)到主動(dòng)，從確定到不確定，并與結(jié)構(gòu)工程滲透融合”的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)在力學(xué)領(lǐng)域的理論研究已位居世界先進(jìn)行列，但在應(yīng)用軟件的研制方面落后了一大步，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用軟件寥若晨星。結(jié)構(gòu)力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)教育與國(guó)際先進(jìn)水平接軌，體現(xiàn)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)教育思想；完善教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)，加強(qiáng)國(guó)際教學(xué)交流是當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)工科專業(yè)特點(diǎn)，面向能力培養(yǎng)、面向工程實(shí)踐、面向信息時(shí)代、面向一流水準(zhǔn)，應(yīng)是我省結(jié)構(gòu)力學(xué)研究與教學(xué)所追求的目標(biāo)。

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課題組成員：

1、嚴(yán)世榕，福州大學(xué)車輛振動(dòng)與電子控制研究所所長(zhǎng)、教授。

2、周瑞忠，福州大學(xué)土木工程學(xué)院教授（本文顧問(wèn)）。

3、周克民，華僑大學(xué)土木工程學(xué)院教授。

4、許傳矩，廈門大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授。

5、王東東，廈門大學(xué)建筑與土木學(xué)院教授。

6、陳力，福州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。

7、周志東，廈門大學(xué)材料學(xué)院副教授。