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第1篇：流體動力學基礎范文

摘 要 高能閃光照相是診斷致密物質內部幾何結構和物理特性的最有效技術.高能質子照相在穿透能力、材料識別、空間分辨率等方面都優于X射線照相，已經成為美國先進流體動力學試驗裝置的優先發展對象.文章詳細介紹了高能質子照相方案及其研究進展.

關鍵詞 光電子學，質子照相，綜述，質子加速器，磁透鏡 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattan project），并持續到現在， 它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發展的靜止“凍結”圖像.這一過程非常類似于醫學X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先，照相客體是厚度很大的高密度物質，要求能量足夠高;其次，客體內的流體動力學行為瞬時變化，要求曝光時間足夠短.

目前，世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應加速器組成的雙軸照相系統，一次實驗能從兩個垂直方向連續拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個軸，這是獲得三維數據的最小視軸數目，最多只能連續拍攝4幅圖像，不能進行多角度多時刻的輻射照相，獲得流體動力學試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥，電子束不能無限壓縮，束流打到轉換靶上，產生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm，制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實現對流體動力學試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動力學試驗的三維動態過程圖像.l995年，美國LANL的科學家Chris Morris提出用質子代替X射線進行流體動力學試驗透射成像［2］.首次質子照相得到的圖像，其非凡的質量出乎發明者的預料.后續的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據Morris回憶， 20世紀90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質子、中子和其他強子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個思路出發，研究了使用中子照相進行流體動力學試驗診斷的可能性.然而即使使用質子儲存環(PSR)的強脈沖產生中子，中子通量都不足以在流體動力學試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當時的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責人Gerry Garvey聽到這種意見的第一反應是“為什么不用質子？” Morris將這些思想統一起來，利用高能質子束實現流體動力學試驗診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質子照相的實施應歸功于現代加速器具有產生高能質子和高強度質子的能力.促使發展質子照相技術最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統［4］，以及Nick King 在武器應用中發展改進的快速成像探測系統［5］.

高能質子束為內爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學試驗模型的厚度相匹配.射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短，則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長，則沒有投影產生.質子照相為流體動力學試驗提供了一種先進的診斷方法.

2 質子與物質相互作用機制

高能質子與物質相互作用的機制是質子照相原理的基礎.首先，需要從質子與物質的相互作用出發，對質子在物質中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質子都在被測物質內部并與其發生相互作用.質子與物質的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力，質子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞，以某種角度散射的質子保持其特性和動量，質子因受核力的強大作用，會偏轉很大角度， 這種現象叫做核彈性散射（如果采用角度準直器，這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞，質子被吸收，也就是說，損失大部分能量分裂核，產生亞原子粒子——π介子.當質子能量達到GeV量級，質子與原子核的強相互作用占主導地位.質子與物質原子核中的質子和中子發生非彈性核相互作用，造成質子束指數衰減，其衰減規律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分別為入射到被測物體上的質子通量和穿過被測物體的質子通量; λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當質子能量達到GeV量級，核反應截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質子能量達到GeV量級就足夠了.核反應截面不變有利于質子照相的密度重建，因為質子在客體中的散射過程可能導致質子能量發生變化.

由于質子帶電，它也通過長程電磁作用力與物質相互作用. 當質子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產生很小的能量損失和方向變化:

質子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射，穿過原子核的每個質子，即使和核并不接近，也能導致質子方向發生小的變化，每個小散射效應可以累積，這種現象叫做多重庫侖散射. 多重庫侖散射的理論由Enrico Fermi在20世紀30年代建立.質子與原子核之間的庫侖力作用發生多重庫侖散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p為束動量，β是以光速為單位的速度，Ri是材料的輻射長度，其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序數.多重庫侖散射的結果很重要，特別是對重物質，最終導致圖像模糊.另一方面，因為Ri與材料的原子序數有關，也正是這個特性使質子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質子和電子之間也會產生庫侖力作用，通常是非彈性的.因為電子質量與質子相比很小，庫侖力的作用使電子方向和速度產生躍變，而對質子的方向和能量只產生緩變. 也就是說，質子通過電離原子(把電子擊出軌道)，損失小部分能量.這種作用不會導致質子運動方向大的改變，但會導致質子能量的減少.20世紀30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質子束能量，能量損失速率與它的動能成反比.質子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當質子能量達到GeV量級，dT/dl的值幾乎與動能無關.如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位，則

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質子通過物體后損失能量，發生能量分散.磁透鏡對不同能量的質子聚焦位置不同，也將導致模糊，這就是所謂的色差［8］.

3 質子照相原理

質子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質和幾何結構.

由于多重庫侖散射，穿過被照物體的質子束有不同的散射方向，形成一個相對于入射方向的錐形束，需要磁透鏡系統才能成像.如果質子照相的模糊效應持續存在的話，質子照相的潛力可能永遠不會被發掘出來.1995年，Morris發現磁透鏡能使質子聚焦進而消除模糊效應，最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來， LANL的另一位物理學家John Zumbro改進了磁透鏡系統的設計方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優點是它的消色差能力.加速器產生質子束并非是單一能量的束流，實驗客體對質子的散射增加了質子能量的分散，不同能量的質子具有不同的焦距，導致圖像模糊.基于這樣的考慮，Zumbro采用在入射質子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設計使得入射到被測物體上的質子束具有角度-位置關聯，即質子與透鏡光軸夾角與質子離軸的徑向距離成正比.而且，角度-位置的關聯系數與成像系統磁透鏡的設計有關［9］. 這樣，可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.

剩余的色差項為

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx為透鏡的色差系數，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質子的能量成反比.因此，為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響，質子束的能量越高越好.高能量意味著大規模和高造價，根據空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學試驗的精度要求，LANL為先進流體動力學試驗裝置 (AHF)建議的質子能量為50GeV.

質子照相技術的關鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統.圖1給出了LANL質子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先，質子束通過金屬薄片擴散，再經過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外，還可以使質子束在擊中物體前發散開來，以便覆蓋整個物體，避免了使用很厚的金屬作為擴束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負恒等透鏡組，分別是監控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro論證了可以根據庫侖散射角的不同，在透鏡系統的某個位置(傅里葉平面)，可以將不同的散射質子束區分開來.在傅里葉平面，散射角等于0的質子位于中心，散射角越大，半徑越大.離開這個透鏡后，質子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準直器，可以將某些散射角度的質子束準直掉，對允許的角度范圍進行積分，得到總質子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］，則第一幅圖像接收到的質子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準直器的使用增加了圖像的對比度.根據物體的光程調節角度范圍，可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數據，可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數服從泊松統計分布，面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質子數應為104，每幅圖像大約需要的質子數應為1011. 如果一次流體動力學試驗需要獲得12個角度，每個角度20幅圖像，則每次加速的質子總數達3×1013個.

4 質子照相裝置

質子照相技術自1995年首次在美國LANL被論證以來，LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗，其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構（AWE）合作完成的，直接針對流體動力學有關的關鍵科學問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態實驗（質子能量800MeV），小型動態實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復雜響應實驗（包括失效、不穩定性和微噴射等）以及驗證內爆過程后期的材料動力學和材料狀態的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學試驗的高能質子照相實驗（質子能量12GeV或24GeV）.進行高能質子照相的目的是:發展高能質子照相所需技術，驗證采用質子照相進行大尺度流體動力學試驗的能力，以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學試驗客體而言，質子照相的質量遠好于DARHT的照相結果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節，需將其劑量提高100倍.而且比照片質量更重要的是，質子照相具有定量的特性.質子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學試驗閃光照相設施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質子照相裝置包括質子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統，圖2給出了質子加速器和分束系統方案［12］.質子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器，一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調制器將質子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器，經過同步傳輸系統和使用分束器將質子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質子束穿過實驗靶后，磁透鏡系統對質子束信號進行分類，由探測系統記錄數據.實驗布局的復雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.

圖2 LANL的質子加速器和分束方案

LANL提出的質子照相裝置的主要指標:質子束能量達到50GeV，空間分辨率優于1mm，密度分辨率達到1%;每次加速的質子總數達3×1013個，每幅圖像的質子數達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為 200ns，質子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續提供20個脈沖，視軸數12個，覆蓋角度達165°.這樣，一次流體動力學試驗可獲得12個角度，每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發展質子照相的研究計劃.整個裝置預計投資20億美元，其中質子加速器系統使用原有的部分設備，需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年，分幾個階段進行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統和靶室2;2010—2011年，8—12個軸成像系統.從目前的調研情況來看，原計劃2007年前完成的任務沒能按期完成.因此，這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5 質子照相與X射線照相的比較

我們通過與現有最好的流體動力學試驗裝置——DARHT比較來說明質子照相的特點和優勢［13］.

(1) 三維動態照相. 由于質子加速器固有的多脈沖能力和質子束分離技術，因此，質子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態過程圖像.質子照相能夠提供超過20幅的圖像，這種多幅能力可得到內爆運動過程的動態圖像. 而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外，質子照相不需要轉換靶，保證了多次連續照相不受影響，而X射線照相由于需要轉換靶，需要考慮束斑的影響.

(2) 精細結構分辨.高能質子穿透能力強，其穿透深度和流體動力學試驗模型達到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度，此時其穿透能力只有高能質子的1/10. 質子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質子散射能得到控制. 散射質子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質子對密度和材料都比較敏感，可以分辨密度差別不大的兩種物質.實際上，質子散射的利大于弊，它能用于識別物質的化學組成.利用兩個相同的磁透鏡系統和不同孔徑準直器串聯組成的兩級成像系統，通過對兩種不同準直孔徑得到的數據進行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感，故分辨不出密度差別不大的兩種物質.

(4) 曝光時間可調.質子加速器能夠產生持續時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此，質子照相可任意選定曝光時間和間隔.內爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔，對較慢的運動進行連續式“凍結”照相.當內爆速度變快時，可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定，一旦脈沖的時間間隔和持續時間固定，只能以固定的時間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質子是帶電粒子，直接與探測介質中的電子相互作用產生信號，因此，很薄的探測器就能將質子探測出來.如此薄的探測介質接收不到被探測客體中產生的中子和 γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像，沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法)，圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質子散射雖然也會引起圖像模糊，但質子散射是可控的，可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質子，而且能減小次級粒子的模糊效應.但不同能量質子的聚焦不同，也將導致模糊.Zumbro改進了透鏡系統，消色差提高了圖像品質.對于小尺寸物體的靜態質子照相，空間分辨率可到100μm，最近的質子照相實驗已達到15μm，并有達到1.2μm的潛力.

6 結束語

質子照相是美國國防研究與基礎科學相結合而誕生的高度多用性的發明.質子照相若不是與國防基礎研究共同立項，也絕不會有如今的發展.雄厚的武器實驗基礎能持續提供人員和創新技術.質子照相極大地提高了流體動力學試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內爆壓縮的細節，多角度照相有利于建立完整的流體動力學模型，多幅連續照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來，科學家們加緊了對高能質子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動力學試驗的主要設備.總有一天，質子照相將代替X射線照相并對流體動力學試驗進行充分解釋.

參考文獻

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［11］ Morris C L， Hopson J H， Goldstone P. Proton Radiography. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-06-0331， 2006

第2篇：流體動力學基礎范文

關鍵詞：材料科學與工程專業；流體力學教學；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0039-02

流體力學是一門研究流體的受力與運動規律的嚴密科學，是一門材料科學與工程專業中理論性和實踐性都較強的專業基礎課程。在流體力學的教學過程中，涉及到的數學公式很多，過程較為復雜。歷年來，學生們普遍認為流體力學課程枯燥無味，難以學懂，興趣不大，導致教學效果較差。分析材料科學與工程專業現狀可知，目前，該課程體系教學中存在著較大弊端：一方面，太偏重于數學推導與公式的理解，忽視了課程理論的物理意義與工程應用的有效結合；另一方面，忽視了課程的基礎作用，片面強調課程的專業性。為此，本文結合材料科學與工程專業的課程設置，對課程的教學環節進行了改革探索。課堂教學是提升學生認知的重要手段。筆者認為可以從以下幾個方面來提高流體力學的教學質量。

一、優化教學內容

縱觀材料科學與工程專業的流體力學課程體系，可將之分為基本理論知識、基本應用、實驗部分、與其他學科的交叉內容、工程實際應用等方面。在教學過程中，筆者認為采用模塊化教學方式能夠達到較好的效果。所謂模塊化教學是指根據學科或專業的不同需求選擇學習內容，將每個內容或環節定義為模塊。每個模塊的目標明確，針對性強，而且學時數相對較少，容易提高學生的學習效率。當然，各個模塊之間并不是孤立的，在教學實施過程中，模塊是相對獨立的，但從課程的整體架構上來說又是有機關聯的，步步為營，內容豐富，難度螺旋式上升，使整個流體力學課程具有較強的系統性和完整性。目前，國內材料科學與工程專業的流體力學課程體系基本按照如下形式貫穿：流體靜力學理想流體運動動力學實際流體運動：一元流體相似理論泵與風機。每部分的研究方法較為統一，所形成的體系由簡到繁、由易到難，并且很容易實現模塊化處理。例如在講授流體運動學基礎、動力學基礎時，可以先從實際流體流動的基本方程入手，使學生在本門課程開始就接觸到流體動力學的總的輪廓和最基本的理論方程，后面的理想流體動力學及一元流體動力學問題作為其特殊情況處理，將理想流體、一元流動的條件代入有關方程，即可得到理想流體、一元流動的動力學方程。建立的這種模塊體系具有由一般到特殊的特點，條理清楚。這樣一來，教師在講完一般形式的方程組后再來講具體一元流體動力學及理想流體動力學問題，就可略去大量的公式推導過程，節省了大量的課時，內容組織層次感較強，講起來重點更突出，教學過程卻相對簡化。

二、更新教材結構

同時，考慮到材料科學與工程專業的特色與應用范疇，非常有必要對教材內容進行優化處理，根據材料科學與工程的課堂要求，淡化一些理論推導過程，以工程應用為根本。從學生的學習規律來看，一般學生剛學習課程的時候積極性和重視程度都比較高，在學習時花費時間較長，但隨著課堂內容的推進，學生們的興趣減弱，教學內容和教學方法的改革與優化勢在必行。材料科學與工程專業的流體力學課程內容并不包括本領域的全部專業知識，主要講授流體流動的基本原理與基本思路，并側重于工程應用。因此，教材的選取要更具科學性，要根據專業特點和需要，結合學生興趣與學習層次，有針對性地選取講義，教材要更側重于基本原理與基本公式的講述與應用，做到簡單易懂，實用性較強。

三、激發學習興趣

在流體力學教學的開始，教師就應該緊緊抓住學生們的學習興趣，在緊扣教學計劃的基礎上，以當前熱點問題為引導，充分調動學生們的學習積極性。因此，在流體力學教學的過程中，如何將教學內容與工程實踐相結合，與熱點問題相結合，激發學生的學習興趣是提升教學效果的重要措施之一。比如在給學生上緒論課的時候，可以通過一些生動的圖片、視頻、動畫給學生形象地展示大自然與人類生活密切相關的流體力學現象，增強學生對流體力學的感性認識與興趣，如汽車為什么要做成流線型的；高爾夫球為什么在表面有很多坑；火箭為什么能夠上天；海岸為什么是弧形；戰斗機為什么頭部是尖的等。這些問題是日常生活中經常見到的，通過這些問題的設計與引導，可以讓學生們知道本課程的主要學習目標是什么，能解決什么樣的實際問題，讓學生們帶著疑問和興趣去學習，效果將事半功倍。

四、改革教學手段

目前，流體力學教學過程中教學手段較為豐富，但仍以板書和多媒體教學兩種方法為主。更多采用“多媒體為主，板書為輔”的方法。多媒體教學較為直觀、形象，所傳輸的信息量巨大。同時，伴隨著信息網絡化大形勢的進一步深化，網絡電子資源更加豐富，這樣大大縮短了教師們的備課時間。但這種方式也有不足之處，最主要表現在多媒體授課速度偏快，學生尚未形成知識結構體系就一帶而過，課堂上考慮的時間不足，很難形成師生之間的互動。相對而言，板書備課時間較長，課堂上書寫時間也較長，對于一些較難理解的內容，可以給學生們足夠的思考空間，并在課堂上按照既定授課思路進行，這樣能夠涵蓋較為瑣碎的知識點，易于形成師生間的“一問一答”式的互動關系。因此，在流體力學授課過程中宜采用二者結合的方式，對于系統性較差的知識點來說采用多媒體方式，而對于重點、難點內容則主要采用板書的形式，真正做到對該知識點的側重講解，疏而不漏。只有這樣才能使學生對課程既有充足的知識量，又有重點突出，進而提高學生的學習效率。

五、重視實驗與工程教學

流體力學課是一門與工程實踐結合緊密的學科。因此，在課程開展的過程中應該對實驗課與工程教學進行重點關注。實驗教學目前可以分為演示型和驗證型，但教學方法單一，限制了學生分析問題、解決問題的能力；同時，由于長期以來實驗教學從屬于理論教學，實驗教學與工程教學的課程建設與發展受到了嚴重制約。因此非常有必要對實驗與工程教學進行改革來適應目前高校的培養模式。首先，實驗與工程教學要注重同專業知識相結合。傳統的實驗教學較多適用于試驗臺環境下，是國家根據課程規劃以及人才的知識結構需要設立的，這嚴重阻礙了學生們與工程實踐的有效溝通，因此，可以針對學生所學專業逐步設立既符合本專業又具有工程背景的可操作性較強的實驗項目，用以適應學生對專業領域知識的理解與創新需求。其次，有效利用高校科研優勢，促進實驗與工程教學的發展。以學科為依托，實現科研與教學互補，將科研成果引入實驗教學，這樣可以開闊學生視野，激發學生的創新思維。第三，實現基礎實驗與個性實驗的互補。在基礎實驗訓練的基礎上，開展一些更具有研究性和綜合性的實驗，這樣對理論知識的學習有一個較為有利的補充，同時也可以鍛煉學生們實驗設計、整體規劃的能力，積極調動學生們的學習積極性。

參考文獻：

[1]曾立云.流體力學課程教學方法研究[J].甘肅農業大學學報，2002，1（37）：123-125.

第3篇：流體動力學基礎范文

【關鍵詞】  冠狀動脈旁路移植術，非體外循環;血壓；心率

           characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass graftingqi xingyi， hu qiangfu, huang weiqingdepartment of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, chinaabstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

   

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術的廣泛開展,人們對其血流動力學及病理生理變化的認識更加深入。非體外循環冠狀動脈旁路移植術(opcabg)與常規體外循環冠狀動脈旁路移植術(cabg)比較有很多優點,如不激活補體和炎癥系統,不消耗凝血因子和血小板,血細胞破壞減少,可降低圍手術期用血量,降低住院費用等等[ 1～3]。但由于opcab術中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標冠狀血管，因此血流動力學波動難以避免，有時會導致嚴重的后果，術中減少其變化是手術成功的關鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學指標的變化,以期發現術中血流動力學變化特點, 探討維持術中血流動力學穩定的管理措施。

   

1  資料與方法

1.1  一般資料

    

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分數(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術前1個月內發生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2  麻醉方法

    

術前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術日晨，術前1 h口服地西泮10mg,術前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮靜，入手術室后常規面罩吸氧，監測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續監測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內靜脈穿刺置入swan-ganz導管及三腔靜脈導管，經口置入食道超聲（tee）探頭。術中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術中自體血回收,維持血細胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復至術前水平。胸部正中切口, 取左乳內動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學的穩定，防止心肌缺血和心梗的發生，加強心肺腦腎和血液五大保護，促使病人早期拔管。

1.3  監測指標

    

于麻醉誘導后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術畢(t5)各時間點記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(ci) 、體循環阻力(svr) 、肺循環阻力(pvr)和右室射血分數(rvef) 。

1.4  統計方法

   

計量資料以均數±標準差(±s)表示。統計分析采用spss11.5統計軟件包，各個時間點的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

   

2  結  果

   

本組60例病人均按術前計劃在非體外循環下順利完成了心臟的完全再血管化。手術時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學數據。每例患者移植血管支數平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術期心肌梗塞。

    行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值（誘導后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學指標都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, ci、map、rvef較基礎值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎值明顯升高(p<0.05)。術畢各血流動力學指標趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1  60例非體外循環冠狀動脈旁路移植手術術中血流動力學變化(略)注：與誘導后15 min相比#p<0.05。

   

3  討  論

    opcabg由于不用體外循環,簡化了手術操作,縮短了手術時間,避免了體外循環帶來的損害,可獲得與體外循環下cabg同樣的效果，現在應用越來越普遍,而且適應證拓寬,尤其對于高危患者更有其優越性[4，5]。opcabg術中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學的穩定, 尤其是對于心功能較差者,可導致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴重者可導致心律紊亂及心跳驟停。因此,術中維護血流動力學穩定對于opcabg手術的成功至關重要。

    運用opcabg一般首先完成前降支的吻合,這是由于前降支分布區域的重要性及前降支顯露良好,無需過多地搬動心臟, 各心腔幾何結構無大幅度改變,對血流動力學影響較小。本組病人行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，血流動力學變化不大。前降支吻合完后，左室血供增加，可視心臟狀況予多巴胺3～5μg/kg·min 持續泵入以增加心肌收縮力，改善血流動力學。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap 、pvr明顯升高，svr 輕度升高，但比吻合lcx 時的變化幅度要小。其原因主要是心臟左旋、心尖抬高, 造成三尖瓣的部分梗阻和固定器對右室后壁心肌的直接壓迫, 心臟垂直位所致的右心室舒張性充盈障礙, 順應性下降, 肺阻力增加，右心收縮功能較差, 肺血流量和心輸出量（co）減少，為了維持co, hr代償性增加。tredelenburg使血液重分布,增加回心血量,改善前負荷,同增加的hr一起,補償心肌收縮力下降引起的co降低。mathison等[6]報道血流動力學衰減的主要原因是右心室舒張功能受損，導致co下降。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, 血流動力學波動最明顯，同基礎值相比,rvef顯著降低, ci、map顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr明顯升高，可能由于在進行吻合時,左室受到壓迫,但左室較厚,此時右室也受壓,心室壁較薄,進而引起右室功能明顯下降。說明在進行回旋支吻合時,右心功能受到較大影響。經食道超聲(tee)監測顯示,此時室間隔移向左側,左室無擴張,右室小部分被擠壓,這些改變都符合右室舒張功能受損的診斷。對于大心臟者,在搬動時尤其是進行回旋支吻合時,應打開右側胸膜腔為右心提供足夠的空間。另外,的變化對于維持右心功能也是非常重要的,在進行回旋支吻合時, trendenburg對于維持血壓及暴露血管非常重要。我們同時觀察到,如果固定器應用后,血壓經反復藥物調整后仍舊較低,可先心臟回位,等血流動力學指標穩定后再行固定,如此反復幾次可使絕大多數病人得以耐受。對于嚴重的左心功能不全的患者,術前應提倡應用主動脈內氣囊泵（iabp）以保證防止因為左心功能不全引起右心的衰竭。另外shane等[7]應用三維超聲動圖重建技術觀察到opcabg術中,暴露各支冠脈時都發生了二尖瓣變形,引起功能性二尖瓣狹窄或加重原有二尖瓣返流,最終引起sv下降,所以,二尖瓣關閉不全也是可能原因之一。同心電圖相比, tee觀察心肌缺血更敏感,當冠狀動脈被暫時阻斷時, tee可以觀察到局部心室壁的運動異常。這種運動異常在恢復灌注后30min基本消失。持續存在的新出現的室壁運動異常通常提示搭橋的冠狀動脈的通暢度不佳[8]。

    影響術中血流動力學變化的因素主要有冠狀動脈病變部位及程度、心功能、心肌氧供耗平衡狀態、心臟的變化等。冠心病病人的心肌氧供、氧耗平衡處于邊緣狀態，冠脈儲備能力差，只有降低心肌氧耗，才能保持心肌氧供耗的平衡。控制心率、血壓極其重要。術中心率一般小于70次/min，控制適當水平的血壓，血壓過低不能保證心肌的氧供，過高增加心臟的后負荷，增加心臟的氧耗。故應盡可能維持和改善其平衡狀態。tee可隨時觀察心臟的形態學及血流動力學變化，配合持續心電圖s-t段分析，可及時發現心臟缺血。對重癥擇期手術患者，充分的術前心功能調整，代償性擴大的心臟常可明顯縮小，而且大部分患者的心功能狀態和射血分數都會有一定程度的改善。可見術中密切觀察心臟狀況，控制液體平衡，及時發現心肌缺血，正確應用藥物輔助，opcabg是安全可行的。

【參考文獻】

  characteristic of hemodynamic changes and management during offpump coronary artery bypass grafting

qi xingyi， hu qiangfu, huang weiqing

department of anesthesiology， wuhan asia heart hospital,wuhan, hubei,430022, china

abstract：objective:to analyze the characteristic of hemodynamic changes in different anastomosis sites during offpump coronary artery bypass grafting（opcabg）, and investigate the appropriate management for maintaining hemodynamic stability.methods:sixty patients were selected in the study from undergoing selective opcabg in hospital.hemodynamic measurements were recorded from the following five aspects : 15 min after induce(t1)，anastomosis of the left anterior descending artery (lad t2), the left circumflex coronary (lcx t3)， the right coronary artery(rca t4) and the last one before closing thoracic(t5).results:hemodynamics changed when lad were anastomosed with lower degree decrease of cardiac index (ci), lower degree increase of mpap and pvr(p<0.05 all).hemodynamics changed when rca were anastomosed with significantly decrease of ci, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr， lower degree increase of svr (p<0.05 all).hemodynamics changed when lcx were anastomosed with observably decrease of ci,right ventricular ejection fraction(rvef) and map, significantly increase of hr,cvp,mpap,pvr,pcwp,svr (p<0.05 all).hemodynamics tended to be stable and ci improved at the end of operation.conclusion:there are no or little hemodynamic changes during the lad be anastomosed in opcabg, while hemodynamic changed significantly during lcx, rca be anastomosed.hemodynamics become stable and ci improves after operation

key words：coronary artery bypass grafting,offpump;blood pressure;heart rate

近年來,隨著冠狀動脈旁路移植術的廣泛開展,人們對其血流動力學及病理生理變化的認識更加深入。非體外循環冠狀動脈旁路移植術(opcabg)與常規體外循環冠狀動脈旁路移植術(cabg)比較有很多優點,如不激活補體和炎癥系統,不消耗凝血因子和血小板,血細胞破壞減少,可降低圍手術期用血量,降低住院費用等等[ 1～3]。但由于opcab術中為了更好地吻合冠狀血管，需要有選擇地暴露和固定需要吻合的目標冠狀血管，因此血流動力學波動難以避免，有時會導致嚴重的后果，術中減少其變化是手術成功的關鍵。我們通過觀察60例opcab患者血流動力學指標的變化,以期發現術中血流動力學變化特點, 探討維持術中血流動力學穩定的管理措施。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇我院60例擇期接受opcab的冠心病患者,男43例,女17例，年齡(65±7)歲,術前心功能ⅱ～ⅲ級，超聲心動圖:左室射血分數(lvef)0.42～0.52,平均0.47。排除：合并室壁瘤、中度及重度瓣膜病變、術前1個月內發生心肌梗塞、lvef≤0.4、非首次cabg的患者。其中2支血管病變7例, 3支血管病變53例，合并高血壓病史52例, 心肌梗塞史32例, 糖尿病史35例, 腦梗塞2例。

1.2 麻醉方法

術前每日口服β-阻滯藥或/和鈣通道阻滯藥至手術日晨，術前1 h口服地西泮10mg,術前30min肌注嗎啡10mg、長托寧1mg充分鎮靜，入手術室后常規面罩吸氧，監測心電圖(ecg)和脈搏血氧飽和度(spo2),持續監測心率(hr)、心律和st段變化,外周靜脈和橈動脈穿刺置管。常規依托咪酯（0.3mg/kg）、咪唑安定（0.03～0.05mg/kg）、維庫溴銨（0.15mg/kg）和芬太尼（5～10μg/kg）麻醉誘導。氣管插管后麻醉維持采用靜吸復合,吸入濃度2%的七氟醚，以芬太尼和丙泊酚持續靜脈輸注維持麻醉。麻醉后行右頸內靜脈穿刺置入swan-ganz導管及三腔靜脈導管，經口置入食道超聲（tee）探頭。術中使用變溫毯,保持37℃恒溫。術中自體血回收,維持血細胞壓積（hct）>30%。在離斷乳內動脈之前,靜脈予肝素200u/kg,維持全血活化凝血時間(act)大于300秒。血管吻合結束后,用魚精蛋白中和肝素(1∶1),使act恢復至術前水平。胸部正中切口, 取左乳內動脈和大隱靜脈備用。吻合順序: 先吻合心臟前壁血管, 再吻合側壁血管, 最后吻合后壁血管。心臟固定器(octopus)為medtronic公司生產。輔以、液體治療、血管活性藥物、保持血流動力學的穩定，防止心肌缺血和心梗的發生，加強心肺腦腎和血液五大保護，促使病人早期拔管。

1.3 監測指標

于麻醉誘導后15min(t1)、前降支吻合時(t2)、左回旋支吻合時(t3)、右冠狀動脈吻合時(t4)、術畢(t5)各時間點記錄心率(hr)、平均動脈壓(map)、中心靜脈壓(cvp)、平均肺動脈壓(mpap) 、肺毛細血管楔壓(pcwp) 、心臟指數(ci) 、體循環阻力(svr) 、肺循環阻力(pvr)和右室射血分數(rvef) 。

1.4 統計方法

計量資料以均數±標準差(±s)表示。統計分析采用spss11.5統計軟件包，各個時間點的比較采用方差分析。p<0.05為差異有顯著性,

2 結 果

本組60例病人均按術前計劃在非體外循環下順利完成了心臟的完全再血管化。手術時間為(210±27)min,輸液量(1600±425)ml,尿量(680±260)ml,出血量(420±150)ml。所有病人術中體溫均保持36.0℃以上。病人均未輸異體血,整個術中所有病人的血紅蛋白含量都大于9.0g/l。每個吻合口的手術時間大約需要10～15min。共記錄了60個左前降支（lad）, 58個右冠狀動脈（rca）, 55個左回旋支（lcx）的血流動力學數據。每例患者移植血管支數平均為（3.1±0.7）支。3例患者心電圖記錄到有意義的st段改變，所有患者均無圍術期心肌梗塞。

行前降支冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值（誘導后15 min）輕度下降，mpap和pvr較基礎值輕度升高，差異有顯著性(p<0.05), 因無明顯心臟搬動，其他血流動力學指標都沒有明顯改變。行右冠狀動脈遠端吻合時, ci較基礎值明顯下降, hr、cvp、mpap、pvr、svr明顯升高(p均<0.05)。行左回旋支冠狀動脈遠端吻合時, ci、map、rvef較基礎值顯著下降，hr、cvp、mpap、pcwp、svr、pvr較基礎值明顯升高(p<0.05)。術畢各血流動力學指標趨于正常,hr明顯升高, mpap和pvr稍升高,ci較術前升高，差異有顯著性(p均<0.05)。表1 60例非體外循環冠狀動脈旁路移植手術術中血流動力學變化(略)注：與誘導后15 min相比#p<0.05。

3 討 論

opcabg由于不用體外循環,簡化了手術操作,縮短了手術時間,避免了體外循環帶來的損害,可獲得與體外循環下cabg同樣的效果，現在應用越來越普遍,而且適應證拓寬,尤其對于高危患者更有其優越性[4，5]。opcabg術中為充分顯露靶血管對心臟的提升和翻轉，固定器的放置，以及靶血管分流器的置入，都會影響心臟功能和血流動力學的穩定, 尤其是對于心功能較差者,可導致急劇的心排血量下降和血壓降低,嚴重者可導致心律紊亂及心跳驟停。因此,術中維護血流動力學穩定對于opcabg手術的成功至關重要。

第4篇：流體動力學基礎范文

雙J管在臨床上使用廣泛[1]，特別是在輸尿管結石的治療中。但是與之相關的并發癥仍舊相當頻繁地出現[2]，對患者產生各種各樣的副作用。在這個方面來說，放置有支架的輸尿管內的尿動力學，在結晶形成和生長、生物膜及細菌菌落形成等這些物理化學作用或者是生物作用中起到了至關重要的作用[3，4]。不論是從數學角度還是實驗角度，一些研究者也嘗試著去模擬置入支架后的輸尿管中的尿液流動，但是對于量化支架性能上的流體動力學參數卻的基礎研究卻幾乎沒有。因此，了解輸尿管支架的置入對上泌尿道尿動力學的影響，以及其與一些臨床相關因素的關系，變得十分有必要，這些因素包括因細菌感染引起的尿液濃度變化，或者是輸尿管內腔的不同程度阻塞。所以，本課題的主要目標，是通過一個模仿輸尿管結構制作的人工模型，研究置入輸尿管支架后并且有結石阻塞的輸尿管中的尿動力學。借助此模型，測得腎盂壓強在尿液粘度、液體流速和輸尿管阻塞率這些不同物理因素的變化下的定量數據。這項研究的結果會幫助我們理解這些參數是如何同時地或者獨立地影響輸尿管支架的性能，以及對整個上泌尿道起何作用。

2實驗方法

2.1設計制作輸尿管模型

使用ICEMCFD14.0制作家豬輸尿管的CAD模型（輸尿管尺寸數據取自當地屠宰場）。與此同時，使用一個直徑2cm、高3.6cm的圓柱形空腔作為腎盂。使用3D打印機根據設計好的CAD圖形打印出硬質陽模。然后準備好一個透明空心塑料圓筒（內直徑3.8cm，長33cm），將陽模沿圓筒中軸線置入其中，接著緩慢向圓筒內灌入去除氣體的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前體和固化劑的混合物（10：1w/w）并加熱固化，完成模型制作。由于PDMS材料高度透明，因此最終的輸尿管模型就是可以從外部一覽無余的一個中空圓柱體，內腔道尺寸和之前實驗測得的尺寸一致。

2.2檢測腎盂內液體壓強

正常情況下，腎盂內的壓強的生理值低于20cmH2O[5]。本實驗模型中腎盂部分的壓強是通過一只導管頂端壓力傳感器測得的，其中分別有三個獨立的變化量：體積流速、流體動力學粘度和輸尿管阻塞率。記錄壓強時使用一個在LabVIEW環境下編寫的簡易程序。嚴格按照臨床操作步奏向輸尿管模型中置入一根41cm長的雙J管，恰使其末端卷曲部分分別處于模型的腎盂部分和膀胱部分。此支架內直徑1.28mm，外直徑2.08mm。為了研究尿液粘度變化對腎盂內壓強的影響（例如尿液感染或者是腎功能障礙時），輸尿管模型中的尿液是由蒸餾水和甘油以不同濃度混合的甘油溶液所替代。實驗過程中，我們準備了六種濃度的甘油溶液，每種都具有不用的流體動力學粘度，其質量分數如下：0，10，20，30，40，50。粘度值見表1。將注射器泵連接至腎盂部分，來模擬尿液在腎臟的產生過程。在實驗中采用四種不同的流速（Q）（表1），范圍在豬體內尿液流速的生理范圍內（0-20ml/min）。我們利用八只塑料小球體來充當阻塞物，通過給每個小球沿中軸線方向鉆不同大小的圓孔，來控制阻塞率。

3實驗結果

圖2中列舉了在兩種阻塞率（圖2a中OB%=98.84%；圖2b中OB%=87.62%）之下，腎盂壓強與流速和尿液粘度的關系，其中不同濃度的甘油溶液，代表了不同的粘度，在圖中用符號區分開。通過圖2，可以看出，腎盂壓強與輸尿管內流體流速和流體粘度分別成線性關系，并隨著流速的增大、粘度的增加而增加。輸尿管模型中，腎盂壓力與液體流速Q和輸尿管阻塞率OB%的關系如圖2所示。圖2a中顯示，模型上段阻塞率100%，液體粘度μ=1cP（蒸餾水）時的情形。圖中回歸線的斜率表示了系統里的流體阻力（m=1.06cmH2O/（ml/min））。同時我們可以看到，此時腎盂內壓強只有在一種試驗情況下超過了臨界值20cmH2O，即流速Q=20ml/min。腎盂壓強和阻塞率的關系如圖2所示，在μ=1cP，Q=20ml/min時，可以看到有三組數據腎盂壓強超過了臨界值，分別為阻塞率OB%=96，99，100。結合μ和OB%的整個變化范圍，流體阻力（m）可以表示為P-Q插值函數的斜率，如圖2a。m的值見表2。隨著阻塞率OB%從0增至100（由下至上），或者隨著粘度μ從1cP增加至6cP（由左至右），m的值也隨之增長。大多數R2數值接近0.9，表示腎盂內壓強P和阻塞率OB%存在線性關系，P和粘度μ也是線性關系。小一些的m和R2數值是由于處在輸尿管無阻塞的情況（OB%=0，輸尿管模型中無支架，也無塑料小球），這種情況下粘度μ的增加對壓強P影響很小。圖2a為阻塞率OB=100%，粘度為1cP時，腎盂壓強隨流速變化的情況（流速變化范圍為0-20ml/min）；圖2b為流速為20ml/min，粘度為1cP時，腎盂壓強隨阻塞率變化的情況（阻塞率變化范圍為80%-100%）。圖中上部橫線表示生理上腎盂可承受的最大壓強的臨界值（20cmH2O）。表2m為流體阻力（cmH2O*60s/ml），即回歸線斜率（壓強與流速之比），R2為線性回歸分析中的一個參數，值越接近于1，說明數據的擬合度越高。此表展示了流體阻力與粘度和阻塞率之間的關系。圖3中的A、B、C、D、E區域表示在流體力學粘度作用下的輸尿管模型中的腎盂壓強，其中X軸表示粘度（cP），Y軸表示流速（ml/min），數據來自對實驗測得數據點的線性內插。圖中字母代表不同數值的壓強，依據對腎臟的不同影響，A部分表示生理上的“安全區域”（P<15cmH2O），B部分表示生理上的“警示區域”（15cmH2O<P<20cmH2O），C和D部分則表示“危險區域”（P>20cmH2O）。圖3a所示為未阻塞的輸尿管中的情況，即使當流體粘度和流速都最高時，腎盂內液體壓強也始終低于臨界值。這種情況下，最小壓強（當Q=5ml/min，μ=1cP時）為0.4±0.08cmH2O，最大壓強（當Q=20ml/min，μ=6cP時）為1.4±0.11cmH2O。圖3b所示情況為置入支架、但并沒有在模型內腔上段放置塑料小球的輸尿管，流體阻力因輸尿管支架的插入，而顯著增大，在略高一些的流速Q和粘度μ值下，圖片上出現了警示區域、甚至危險區域。在有塑料小球存在的情況下（意味著更高的阻塞率，圖3c中OB%=88，圖3d中OB%=100），當流速Q和度μ值都較低時，也會出現更大面積更嚴重的“警告區域”與“危險區域”。

4分析與討論

尿液通過置入有支架的輸尿管的排放，是一個受多種因素影響的復雜過程，它受控于腎盂內的壓強、膀胱內壓強、輸尿管阻塞的嚴重程度、輸尿管支架內徑、外徑的大小、支架長度支架上孔洞的多少以及尿液本身的物理性質（例如尿液粘度）。在有支架存在的輸尿管內，尿液的流動范圍既可以順著腔外區域（支架外壁與輸尿管內壁之間的間隙），也可以是支架的內部區域。一些研究嘗試過從性質上對置有支架的輸尿管內的流體動力學進行描述，然而，就我們所知，定量化的研究數據仍然是一片空白，定量的了解能夠引起腎臟損害、尿液感染或者是輸尿管支架結垢的種種因素才是學術研究更重要的主題。從這個角度來說，我們制作的仿生的透明模型可以作為非常接近地模擬阻塞并且有支架置入的輸尿管內的流體力學環境的一次嘗試。如圖2和表2里所示的，我們證實了在絕大多數例子里，腎盂內液體壓強與尿液濃度、流速以及輸尿管內腔的阻塞程度之間成線性相關。在無阻塞的情況下，測得模型內的最小流體阻力為0.007cmH2O/（ml/min），并且它并不會隨尿液濃度的改變而發生顯著變化。關于輸尿管支架能單方面造成有實質性意義的阻塞的其他證據，我們還可以對比表2中，比較完全無阻塞的輸尿管中的流體阻力和僅放有支架（“僅支架”）時的輸尿管中的阻力兩者的大小，后者明顯高于前者。另外，在圖3b中出現的“警告區域”和“危險區域”同樣印證輸尿管支架的阻塞效果。此輸尿管模型還能為臨床醫生提供一些幫助，使他們能夠定量的了解，在一些具有臨床意義的情況下，單個或者多個變化因素對腎盂內液體壓強的影響。例如，圖3中，我們可以很直觀的看出，在一定的阻塞率下，不同尿液流速和粘度的組合會產生多大腎盂內的壓強，其究竟是處于20cmH2O等高線以上還是以下。而20cmH2O等高線左下方的區域是安全區域，代表了腎臟功能正常，右上方區域為相對危險的區域，可能會對腎臟功能造成潛在損害。同時，表2清晰的表明了上尿路中尿液粘度的微小增長或者是阻塞程度的微增在對腎盂內壓強大幅影響的同時，是如何顯著影響系統中的流體阻力的。另外，比較圖3c和圖3d，圖3d較圖3c阻塞率有略微上升（從88%至100%），但是“安全區域”的范圍卻大大減小，若不想潛在地對腎臟造成損傷，尿液粘度和流速大小都需要加以限制。

5結束語

第5篇：流體動力學基礎范文

煤的氣化是煤炭清潔高效利用的關鍵技術，是發展煤基大宗化學品和液體燃料合成、先進的整體煤氣化聯合循環發電系統、多聯產系統、氫能、燃料電池等過程工業的基礎，是這些行業發展的核心和龍頭技術。煤的氣化的過程實質是將煤中的碳、氫轉化為清潔燃料氣或合成氣（CO+H2）的過程。

本書從全新的視角對工業煤的氣化科學和技術進行了全面的論述，涉及煤的氣化工藝過程的各項內容，既有工藝分析，又有理論研究。反映了煤的氣化技術領域的最新進展，還包含了作者自己的相關研究成果，許多重要內容為同類專著中首次報道。

全書共有10章：1.引言。提出了全球范圍內煤的氣化原料的劣質化趨勢；2.煤的氣化的總論。簡要介紹了煤氣化技術的背景和行業地位、最新的應用、煤的氣化的必要性、煤氣化技術的沿革、歷經三代的氣化爐型、原料和產物、技術市場、對環境的影響和污染排放，以及煤的氣化面臨的挑戰、潛在機會等；3.氣化用煤的分析表征。為使讀者意識到通過氣化技術實現煤轉化的復雜性，本章從實用觀點從發，討論了氣化用原料煤樣品的分析表征，并從這些信息來決定氣化過程的適用性。必要的有關知識包括煤的標準分析（元素分析、工業分析和熱值）以及更復雜的反應性和顯微組分的分析，特別強調關注煤中的礦物質，因為這是所有氣化過程的極限。最后對煤的物理和流體動力學性質做了總結；4.氣化過程的基礎。介紹了基本的煤的氣化反應和化學、評價不同氣化方法優劣的主要技術性能參數，并從多個技術層次探討了不同氣化工藝過程之間的差別：床型（移動床/流化床/氣流床），溫度范圍（灰熔融/渣粘度），壓力等級，進料方法（干粉/水煤漿），器壁類型（膜/耐火襯里/水夾套），合成氣冷卻（水/氣/化學激冷/熱回收），氧化劑（氧氣/空氣），排渣方式（灰渣/飛灰/團聚），催化劑添加與否；5.煤氣化模擬。在介紹了氣化系統衡算概念的基礎上，列舉氣化模擬的熱力學模型、動力學模型、計算流體動力學（CFD）模型方法，比較了各種方法的優缺點、主要應用領域和相關的實驗研究。為便于讀者理解這里僅涉及基本方程和科學背景；6.煤的氣化技術。煤的氣化技術是本書的中心內容，包括一些此前未公開報道的最新和最全面的煤的氣化過程資訊。按氣化爐型的不同，分別詳述了殼牌、Uhde （即高溫溫克勒爐HTW， Prenflow）、GE、西門子、CB&I （即E-Gas）爐， Lurgi （即固定床固態排渣（FBDB）爐， 和Envirotherm/Zemag （即BGL）爐的歷史沿革、詳細工藝描述，改進強化措施和現在的工業實施項目。針對典型技術，基于統一邊界條件，給出了通用計算模型和模擬結果，并與實際運行數據進行對照分析，著重對比高灰煤和常規煤原料對氣化性能的影響。作者還特別介紹了有關中國開發的氣化新爐型和新工藝；7.煤的氣化過程熱力學評價。本章主要論述本書作者研究出的創新方法：三元氣化圖。作者給出了該方法詳細的實施步驟和應用方法，指導讀者得出優化的用戶氣化圖和關聯式，以常規的匹茨堡8號煤和南非高灰煤為例進行了具體對比計算分析，其結果可用于解析灰份的影響規律和氣化技術潛力的分析。此方法還可擴展用于二氧化碳氣化和生物質氣化；8.煤的氣化過程的有效能分析。為了考慮氣體冷卻方法對整個過程的影響，對常規煤和高灰煤的氣化過程進行了有效能分析和對比；9.內循環氣化爐的概念研究。鑒于現在市場上還沒有適應高灰煤的氣化技術，作者針對高灰煤氣化提出了創新性的新氣化爐型：內循環氣化爐。本章內容全面闡述內循環氣化爐相關的氣化過程基本原理、詳細的工藝條件、反應室的布置、氣化劑的注入、氣體的冷卻、除灰、過程控制；10.氣化發展趨勢。這是對全書的簡要總結并展望了氣化技術的發展趨勢。

本書的讀者對象包括能源、煤炭、化學工程相關專業從事煤轉化和煤化工科研、設計生產的工程技術人員和高等院校相關專業的教師、高年級本科生和研究生。

第6篇：流體動力學基礎范文

力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分，靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關系；動力學討論物體運動和所受力的關系。

力學也可按所研究對象區分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支，流體包括液體和氣體；固體力學和流體力學可統稱為連續介質力學，它們通常都采用連續介質的模型。固體力學和流體力學從力學分出后，余下的部分組成一般力學。

一般力學通常是指以質點、質點系、剛體、剛體系為研究對象的力學，有時還把抽象的動力學系統也作為研究對象。一般力學除了研究離散系統的基本力學規律外，還研究某些與現代工程技術有關的新興學科的理論。

一般力學、固體力學和流體力學這三個主要分支在發展過程中，又因對象或模型的不同出現了一些分支學科和研究領域。屬于一般力學的有理論力學(狹義的)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩定性等；屬于固體力學的有材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等；流體力學是由早期的水力學和水動力學這兩個風格迥異的分支匯合而成，現在則有空氣動力學、氣體動力學、多相流體力學、滲流力學、非牛頓流體力學等分支。各分支學科間的交*結果又產生粘彈性理論、流變學、氣動彈性力學等。

力學也可按研究時所采用的主要手段區分為三個方面：理論分析、實驗研究和數值計算。實驗力學包括實驗應力分析、水動力學實驗和空氣動力實驗等。著重用數值計算手段的計算力學，是廣泛使用電子計算機后才出現的，其中有計算結構力學、計算流體力學等。對一個具體的力學課題或研究項目，往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。

力學在工程技術方面的應用結果形成工程力學或應用力學的各種分支，諸如土力學、巖石力學、爆炸力學復合材料力學、工業空氣動力學、環境空氣動力學等。

力學和其他基礎科學的結合也產生一些交又性的分支，最早的是和天文學結合產生的天體力學。在20世紀特別是60年代以來，出現更多的這類交*分支，其中有物理力學、化學流體動力學、等離子體動力學、電流體動力學、磁流體力學、熱彈性力學、理性力學、生物力學、生物流變學、地質力學、地球動力學、地球構造動力學、地球流體力學等。

運動學發展簡史

運動學是理論力學的一個分支學科，它是運用幾何學的方法來研究物體的運動，通常不考慮力和質量等因素的影響。至于物體的運動和力的關系，則是動力學的研究課題。

用幾何方法描述物體的運動必須確定一個參照系，因此，單純從運動學的觀點看，對任何運動的描述都是相對的。這里，運動的相對性是指經典力學范疇內的，即在不同的參照系中時間和空間的量度相同，和參照系的運動無關。不過當物體的速度接近光速時，時間和空間的量度就同參照系有關了。這里的“運動”指機械運動，即物置的改變；所謂“從幾何的角度”是指不涉及物體本身的物理性質(如質量等)和加在物體上的力。

運動學主要研究點和剛體的運動規律。點是指沒有大小和質量、在空間占據一定位置的幾何點。剛體是沒有質量、不變形、但有一定形狀、占據空間一定位置的形體。運動學包括點的運動學和剛體運動學兩部分。掌握了這兩類運動，才可能進一步研究變形體(彈性體、流體等)的運動。

在變形體研究中，須把物體中微團的剛性位移和應變分開。點的運動學研究點的運動方程、軌跡、位移、速度、加速度等運動特征，這些都隨所選的參考系不同而異；而剛體運動學還要研究剛體本身的轉動過程、角速度、角加速度等更復雜些的運動特征。剛體運動按運動的特性又可分為：剛體的平動、剛體定軸轉動、剛體平面運動、剛體定點轉動和剛體一般運動。

運動學為動力學、機械原理(機械學)提供理論基礎，也包含有自然科學和工程技術很多學科所必需的基本知識。

運動學的發展歷史

運動學在發展的初期，從屬于動力學，隨著動力學而發展。古代，人們通過對地面物體和天體運動的觀察，逐漸形成了物體在空間中位置的變化和時間的概念。中國戰國時期在《墨經》中已有關于運動和時間先后的描述。亞里士多德在《物理學》中討論了落體運動和圓運動，已有了速度的概念。

伽利略發現了等加速直線運動中，距離與時間二次方成正比的規律，建立了加速度的概念。在對彈射體運動的研究中，他得出拋物線軌跡，并建立了運動(或速度)合成的平行四邊形法則，伽利略為點的運動學奠定了基礎。在此基礎上，惠更斯在對擺的運動和牛頓在對天體運動的研究中，各自獨立地提出了離心力的概念，從而發現了向心加速度與速度的二次方成正比、同半徑成反比的規律。

18世紀后期，由于天文學、造船業和機械業的發展和需要，歐拉用幾何方法系統地研究了剛體的定軸轉動和剛體的定點運動問題，提出了后人用他的姓氏命名的歐拉角的概念，建立了歐拉運動學方程和剛體有限轉動位移定理，并由此得到剛體瞬時轉動軸和瞬時角速度矢量的概念，深刻地揭示了這種復雜運動形式的基本運動特征。所以歐拉可稱為剛體運動學的奠基人。

此后，拉格朗日和漢密爾頓分別引入了廣義坐標、廣義速度和廣義動量，為在多維位形空間和相空間中用幾何方法描述多自由度質點系統的運動開辟了新的途徑，促進了分析動力學的發展。

19世紀末以來，為了適應不同生產需要、完成不同動作的各種機器相繼出現并廣泛使用，于是，機構學應運而生。機構學的任務是分析機構的運動規律，根據需要實現的運動設計新的機構和進行機構的綜合。現代儀器和自動化技術的發展又促進機構學的進一步發展，提出了各種平面和空間機構運動分析和綜合的問題，作為機構學的理論基礎，運動學已逐漸脫離動力學而成為經典力學中一個獨立的分支。

固體力學發展簡史

固體力學是力學中形成較早、理論性較強、應用較廣的一個分支，它主要研究可變形固體在外界因素(如載荷、溫度、濕度等)作用下，其內部各個質點所產生的位移、運動、應力、應變以及破壞等的規律。

固體力學研究的內容既有彈性問題，又有塑性問題；既有線性問題，又有非線性問題。在固體力學的早期研究中，一般多假設物體是均勻連續介質，但近年來發展起來的復合材料力學和斷裂力學擴大了研究范圍，它們分別研究非均勻連續體和含有裂紋的非連續體.

自然界中存在著大至天體，小至粒子的固態物體和各種固體力學問題。人所共知的山崩地裂、滄海桑田都與固體力學有關。現代工程中，無論是飛行器、船舶、坦克，還是房屋、橋梁、水壩、原子反應堆以及日用家具，其結構設計和計算都應用了固體力學的原理和計算方法。

由于工程范圍的不斷擴大和科學技術的迅速發展，固體力學也在發展，一方面要繼承傳統的有用的經典理論，另一方面為適應各們現代工程的特點而建立新的理論和方法。

固體力學的研究對象按照物體形狀可分為桿件、板殼、空間體、薄壁桿件四類。薄壁桿件是指長寬厚尺寸都不是同量級的固體物件。在飛行器、船舶和建筑等工程結構中都廣泛采用了薄壁桿件。

固體力學的發展歷史

萌芽時期 遠在公元前二千多年前，中國和世界其他文明古國就開始建造有力學思想的建筑物、簡單的車船和狩獵工具等。中國在隋開皇中期(公元591～599年)建造的趙州石拱橋，已蘊含了近代桿、板、殼體設計的一些基本思想。

隨著實踐經驗的積累和工藝精度的提高，人類在房屋建筑、橋梁和船舶建造方面都不斷取得輝煌的成就，但早期的關于強度計算或經驗估算等方面的許多資料并沒有流傳下來。盡管如此，這些成就還是為較早發展起來的固體力學理論，特別是為后來劃歸材料力學和結構力學那些理論奠定了基礎。

發展時期 實踐經驗的積累和17世紀物理學的成就，為固體力學理論的發展準備了條件。在18世紀，制造大型機器、建造大型橋梁和大型廠房這些社會需要，成為固體力學發展的推動力。

這期間，固體力學理論的發展也經歷了四個階段：基本概念形成的階段；解決特殊問題的階段；建立一般理論、原理、方法、數學方程的階段；探討復雜問題的階段。在這一時期，固體力學基本上是沿著研究彈性規律和研究塑性規律，這樣兩條平行的道路發展的，而彈性規律的研究開始較早。

彈性固體的力學理論是在實踐的基礎上于17世紀發展起來的。英國的胡克于1678年提出：物體的變形與所受外載荷成正比，后稱為胡克定律；瑞士的雅各布第一·伯努利在17世紀末提出關于彈性桿的撓度曲線的概念；而丹尼爾第一·伯努利于18世紀中期，首先導出棱柱桿側向振動的微分方程；瑞士的歐拉于1744年建立了受壓柱體失穩臨界值的公式，又于1757年建立了柱體受壓的微分方程，從而成為第一個研究穩定性問題的學者；法國的庫侖在1773年提出了材料強度理論，他還在1784年研究了扭轉問題并提出剪切的概念。這些研究成果為深入研究彈性固體的力學理論奠定了基礎。

法國的納維于1820年研究了薄板彎曲問題，并于次年發表了彈性力學的基本方程；法國的柯西于1822年給出應力和應變的嚴格定義，并于次年導出矩形六面體微元的平衡微分方程。柯西提出的應力和應變概念，對后來數學彈性理論，乃至整個固體力學的發展產生了深遠的影響。

法國的泊阿松于1829年得出了受橫向載荷平板的撓度方程；1855年，法國的圣維南用半逆解法解出了柱體扭轉和彎曲問題，并提出了有名的圣維南原理；隨后，德國的諾伊曼建立了三維彈性理論，并建立了研究圓軸縱向振動的較完善的方法；德國的基爾霍夫提出粱的平截面假設和板殼的直法線假設，他還建立了板殼的準確邊界條件并導出了平板彎曲方程；英國的麥克斯韋在19世紀50年代，發展了光測彈性的應力分析技術后，又于1864年對只有兩個力的簡單情況提出了功的互等定理，隨后，意大利的貝蒂于1872年對該定理加以普遍證明；意大利的卡斯蒂利亞諾于1873年提出了卡氏第一和卡氏第二定理；德國的恩蓋塞于1884年提出了余能的概念。

德國的普朗特于1903年提出了解扭轉問題的薄膜比擬法；鐵木辛柯在20世紀初，用能量原理解決了許多桿板、殼的穩定性問題；匈牙利的卡門首先建立了彈性平板非線性的基本微分方程，為以后研究非線性問題開辟了道路。

蘇聯的穆斯赫利什維利于1933年發表了彈性力學復變函數方法；美國的唐奈于同一年研究了圓柱形殼在扭力作用下的穩定性問題，并在后來建立了唐奈方程；弗呂格于1932年和1934年發表了圓柱形薄殼的穩定性和彎曲的研究成果；蘇聯的符拉索夫在1940年前后建立了薄壁桿、折板系、扁殼等二維結構的一般理論。

在飛行器、艦艇、原子反應堆和大型建筑等結構的高精度要求下，有很多學者參加了力學研究工作，并解決了大量復雜問題。此外，彈性固體的力學理論還不斷滲透到其他領域，如用于紡織纖維、人體骨骼、心臟、血管等方面的研究。

1773年庫侖提出土的屈服條件，這是人類定量研究塑性問題的開端。1864年特雷斯卡在對金屬材料研究的基礎上，提出了最大剪應力屈服條件，它和后來德國的光澤斯于1913年提出的最大形變比能屈服條件，是塑性理論中兩個最重要的屈服條件。19世紀60年代末、70年代初，圣維南提出塑性理論的基本假設，并建立了它的基本方程，他還解決了一些簡單的塑性變形問題。

現代固體力學時期 指的是第二次世界大戰以后的時期，這個時期固體力學的發展有兩個特征：一是有限元法和電子計算機在固體力學中得到廣泛應用；二是出現了兩個新的分支——斷裂力學和復合材料力學。

特納等人于1956年提出有限元法的概念后，有限元法發展很快，在固體力學中大量應用，解決了很多復雜的問題。

第7篇：流體動力學基礎范文

關鍵詞：濕地水環境；演變機理；生態效應；新思路;研究

引言

濕地是地球上具有多種獨特功能的生態系統，在為人類提供食物、原料和水資源、穩定環境、維持生態平衡、保持生物多樣性等方面均起到重要作用,是人類賴以生存和持續發展的重要基礎,享有“地球之腎”的美譽[1]。近一個世紀以來，由于受盲目圍墾、過度開發和水質污染等人類活動及氣候變化、天然水循環變化的影響，使得濕地水環境和生態空間格局發生變化，進而造成濕地的功能下降、生物多樣性喪失、甚至濕地的消亡[2，3]。

我國自1992年加入《濕地公約》后，對保護濕地開展了一系列富有成效的工作，但濕地保護形勢依然嚴峻，由于對濕地形成演變機理、水環境效應及生態系統結構方面缺乏全面而深刻的了解，往往給保護區的工作造成一定困難，濕地保護研究相對滯后[4]。開展變化環境下濕地水環境演變機理及生態效應研究，對更好的利用和保護濕地有重要意義。

1國內外研究現狀及分析

1.1研究方法

濕地的定量模擬研究是當前生態學、水文學和濕地科學的一個熱點研究領域[5]。濕地建模、情勢重建是理解濕地形成演變機理、水環境效應、生態系統結構的重要途徑。目前，國內外對濕地的模型與研究方法已經取得了較大的進展，現綜述如下：

（1）圖表分析法與經驗統計法：傳統濕地生態水文學采用圖表分析法與經驗統計法研究濕地生態水文問題。從研究手段上看，在水文水質調查、濕地生物調查的基礎上，引入遙測信息。方法原理是通過宏觀尺度上濕地水文、生態調查，從植被生態的水文適應性角度，根據收集的信息，通過統計分析或采用制圖方式進行濕地水文景觀分類、生物結構、生物量和生物多樣性分析；在此基礎上，根據經驗方法估算生態環境需水總量[6]。由于這類方法未能充分表達濕地生態演替的階段性、濕地的基本特征、形成機理和動態過程，缺乏深入的物理機制剖析，研究水平較低，研究的角度相對狹窄。

（2）濕地水文模型：水文過程是濕地中最重要的過程,是決定產生和維持濕地典型類型和濕地過程的重要因素，是濕地研究的核心內容，在濕地形成、發育、演替直至消亡全過程中起重要作用。濕地水文模型可用以定量地評價濕地開發活動及保護管理活動帶來的環境影響和生態效應；可用作預測濕地水文及其它“動力”特征的變化規律；可用作檢驗濕地的概念、理論和濕地研究基本實測數據；也可用作輔助設計工具,在濕地的重新自然化和人工濕地的建造工程中用于輔助設計工程設施的結構、形式和參數等[7]。

近年來，濕地水文模擬技術得到了快速發展，特別是在水庫或洪泛濕地方面，如加拿大Waterloo大學提出一個蓄水～出流函數模型用于模擬濕地徑流響應[8]；英國Birmingham大學改進MODFLOW模型，在British 洪泛平原濕地成功地模擬了以年或季為水文周期的濕地水位變化[9]。國際上已成功開發了適合濕地的分布水文模型, Zacharias等認為濕地是一個水文、水環境系統，強調要加強濕地水資源綜合管理，結合GIS和RS發展了一個有物理基礎的水文模型來管理湖泊濕地水資源[10]；Da Paz等認為水循環對濕地生態系統起著重要作用，采用了二維平面水動力模型在Mangueira湖泊和Taim濕地中的應用[11]。我國濕地模擬研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型為主，濕地分布水文模型缺乏，有待加強。

（3）濕地監測和高新技術應用：美國從二十世紀70年代初就開始關注濕地監測和高新技術應用。Grapes, TR監測了chalk流域濕地的洪水和地下水，分析了濕地地下水流與河渠水位關系，以及壤中流和垂直水分通量變化規律[12]。國內王茜等人利用3S技術對洪湖濕地的結構類型進行監測，在分析研究洪湖濕地現狀(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、經濟發展、開發等內容)的基礎上,根據國際濕地分類的原則和實際情況,考慮遙感上的可操作性,設計出研究區域的濕地遙感分類系統[13]。

（4）濕地水環境流體模型研究：國內外有關科學工作者從70 年代后期開始從環境科學的角度對濕地進行研究, 取得了大量研究成果,為濕地保護和合理開發提供了重要的科學依據。如國外60年代開始研究河流水量水質、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,國內外研究者較多地研究應用了一維、二維水量水質模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代國外三維水量水質模型研究比較成熟(如Simons, et al，1977)。例如美國國家環境保護局提出的多參數綜合水質模型(WASP，1996)和環境流體動力學模型（EFDC，2001），丹麥水力學研究所Mike水質模型等。國外環境流體動力學模型在我國應用研究也取得了很大進展，目前已廣泛應用在河流、水庫、湖泊、河口、港灣以及濕地等水環境生態系統中[14]。我國的湖泊工作者和環境工作者從70 年代后期開始, 進行了大量湖泊環境保護方面的研究工作, 在湖泊、水庫水質預測、污染物遷移轉化規律、總量控制等方面取得了一批重要成果[15]。

（5）濕地生態環境需水研究：90年代后環境需水量和生態需水量開始成為人們關注的焦點[16]。到目前為止，國外有關生態環境需水量研究內容主要有：河道流量與魚類生息環境關系研究[17]；河流流量、水生生物與溶解氧三者關系研究[18～20]；水生生物指示物與流量之間的關系研究；濕地調度考慮生態需水量的優化配置研究；環境用水與經濟用水關系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量歷時曲線分析法、濕周法、棲息地排水法、BBM法、水利額定法等。對水庫、湖泊、濕地的生態環境需水還沒有成熟的理論、指標體系和計算方法[23]。從國內外對生態環境用水的研究來看，定性描述的多，理論推求的少，河流描述多，濕地研究少。總量估算多，過程計算少。另外，在確定生態環境需水時，時問尺度和空間尺度不明確，水量和水質耦合研究缺乏，各生態需水量重復計算，可操作性差，研究結果與實際應用還存在相當差距。所以，濕地生態環境需水估算仍然研究不足。

濕地水文生態模型與新興交叉學科和地學信息技術耦合是未來發展的必然趨勢。但至今我國濕地模型的研究才剛剛起步，研究進展緩慢原因是：有物理基礎的分布水文模型建模因涉及多學科有較高的難度，另外我國濕地監測與實驗資料缺乏，在今后的研究中，還有待進一步加強和完善。

我國目前濕地保護才剛剛起步，很多問題有待深入研究，如濕地的水文水環境效應研究不深入，有物理基礎的濕地模型缺乏；濕地健康評價指標體系和生態需水過程估算方法還不完善；濕地生態環境流體動力學研究不足；濕地建設與濕地管理缺乏系統成熟的技術方案等。

1.2評價方法

國內外已經發展了較成熟的濕地評價方法。在眾多濕地分類方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分類體系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌學分類方法[25]。美國農業部濕地研究所推薦一套濕地評價水文模型DRAINMOD和濕地水文識別準則[26]。國外Sutula, MA等應用一種濕地快速評估方法(RAMs)評價濕地系統，介紹了RAMs方法的發展[27]。國內賈忠華等人采用美國農業部推薦的濕地評價水文模型DRAINMOD,探討西安干旱與半干旱地區不同來水量對濕地地下水位變化的影響，分析了該區形成臨界濕地水文條件所需的臨界水量[28]。袁軍等運用多級模糊模式評價模型對黑龍江洪河國家級保護區不同年份的濕地水文功能進行評價[29]。

診斷濕地生態系統健康是水聚濕地保護的重要手段之一。開展濕地生態系統健康評價方法可分為：物種指示法和結構功能指標法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系統層次的生態健康指數(Health Index，HI)[32]。此外，也有學者提出了基于河流水文學、物理構造特征、河岸區狀況、水質及水生生物等5方面共計22項指標體系計分基礎上的溪流狀況指數(Index of Stream Condition，ISC) 。隨著對湖泊生態系統研究的深入，最近幾年物理指標、壓力指標等也被考慮在內，使健康診斷指標不斷完善。

2研究思路創新

分析理解濕地水文、水質與生態三者之間的相互作用關系，對變化環境下濕地水循環規律、水環境效應、污染物遷移轉化機理和生態格局演變規律進行單獨研究并做集成研究；構建一個變集水區尺度、基于RS和GIS、反映濕地特征的、有物理基礎的、多尺度集成、多要素耦合的“變網格”技術支持下濕地分布式生態水文模型范式，以便于增加對濕地水循環、污染物遷移轉化、濕地的消長與退化、濕地生態環境需水過程的理解和認識；對濕地消長過程、濕地生態需水變化過程、環境需水變化過程的模擬與預測，包括預測坡地、濕地、河流之界面水循環過程；開展濕地水流場、濃度場和生物量的情景預測等等，對于理解濕地水環境效應及生態修復功能有指導作用。

3結語及展望

我國濕地保護當前所面臨的主要問題，以生態水文學、環境生態學、水動力學等理論為指導，以洪泛濕地為典型研究對象，以自然與人類相互作用為核心，強調流域坡地、濕地、河流、湖泊、大氣、地表林冠層、包氣帶、地下飽和水帶等不同空間尺度上和界面上的水循環、N-P物質循環等自然過程的相互作用研究；揭示變動水文情勢下濕地水循環規律、水環境效應、水環境演變機理和生態格局演化規律；了解濕地水文、水質與生態三者之間的相互作用關系；基于對過程理解的模型研究，以生境濕度特征為核心，預測生態環境過程，診斷典型濕地生態環境健康，檢測典型濕地可持續發展中人為作用與自然作用的關系，探討實現濕地可持續發展的途徑，提出濕地生態系統保護規劃及水污染治理規劃的生態、水利雙重調控對策。豐富濕地生態水文學理論和方法，為濕地水資源、水環境生態保護提供參考借鑒。

參 考 文 獻：

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第8篇：流體動力學基礎范文

關鍵詞 VRF空調系統 數值模擬

中圖分類號：TB657 文獻標識碼： A

0 引言

近年來，隨著科技的進步和經濟的高速發展，超高層建筑在我國迅猛發展。超高層建筑高度高、規模大、功能多，使得空調系統的設計更為復雜。空調系統形式進行選擇時，需對設計方案的可行性、可靠性、安全性、投資、能耗、運行費用、調節性、操作管理的方便性、環境影響、舒適性和美觀性等技術經濟評價因素進行客觀準確的計算和綜合對比分析。

VRF空調系統具有良好的性能、自由的組合、簡單的系統、簡便的安裝等技術特點，被廣泛應用于中央空調系統的設計，并逐漸成為中央空調市場的重要組成部分。隨著自身的不斷完善和發展，VRF空調系統已廣泛應用于大型建筑設計中，并在超高層建筑設計中具有一席之地。

1 工程概況

該超高層建筑坐落于天津市河北區，地下四層，建筑高度20.5m，建筑面積約6.15萬O，主要功能為地下汽車庫及設備用房。地上由裙房將辦公、公寓兩座塔樓連為一體。裙房4層，建筑高度20.4m，建筑面積約4.95萬O，主要功能為店鋪、餐飲。辦公塔樓5至30層（其中5、21層為避難層），建筑高度129.0m，建筑面積約4.42萬O，主要功能為辦公。公寓塔樓5至46層（其中5、21、37層為避難層），建筑高度172.6m，建筑面積約5.22萬O，主要功能為酒店式公寓。本文針對酒店式公寓的空調系統進行了介紹及分析。

2 公寓空調系統設計

公寓標準層各層的房間分隔、功能等是一致的，每層共8套公寓。每套公寓均單獨設置一套VRF空調系統，室內機采用天花板內藏風管式，結合裝修吊頂樣式采用雙層百葉側送風，室外機設置在各戶對應的露臺上。

公寓共39層，各層室外機均設置在同樣位置。各層室外機受熱壓的相互作用，可能會造成室外機熱氣流短路，使得上層的室外機散熱效果很差。隨著室外機設置位置的增高，吸入環境空氣溫度不斷升高，冷凝壓力隨之增大，最終導致了整個系統性能系數（COP）的下降，甚至可能出現室外機因熱保護而停機的情況【1】。為確保公寓部分采用VRF空調系統的合理和可靠，運用Airpak 流體動力學數值模擬軟件進行空調外機與環境的溫度場模擬。

選取南側某套公寓進行模擬分析，室外機布置如圖1所示。

圖1 室外機布置平面圖

在模型中，設置流動為紊流，粘性模型采用雙方程模型，空氣比重滿足BOUSSINESQ 假設，開啟換熱和流動模型，考慮重力影響和自然對流【2】。在物理模型的邊界條件設置中，室外機幾何尺寸寬×高×深：1120×1558×400mm，制冷量：20KW，風量：10000m3/h 。外機設定為內熱源，其散熱量按照下述方法求取：制冷量20kW，制冷額定功率6.63kW，根據逆卡諾循環，室外機的冷凝熱為26.63kW。

模擬過程中選取環境風速為0m/s，室外氣溫為33.4℃。模擬分析結果如圖2、3所示。

圖2 6-46 層1-1 剖面溫度場分布圖

圖3 6-46 層2-2 剖面溫度場分布圖

根據模擬分析結果可以得出：由于建筑較高大，通風換熱條件較好，室外機隨層高的增加回風溫度變化不大，機組排出的熱氣流對上層的影響在可控范圍內，室外機的平均回風溫度未超過廠家給出的極限溫度（廠家限定室外機進風極限溫度為46℃），室外機能夠正常運行。

3 結論和建議

VRF空調使用靈活，易于安裝，管理維修簡便，空調系統運行成本核算精確，更能滿足用戶個性化的使用要求，且空調設備占用的建筑空間比較小，更能符合節能要求。

VRF空調系統應用于超高層建筑公寓部分是可行的，但考慮到上層的室外機可能受到下層上升熱氣流的影響，需進行數值模擬以確保系統設計的合理性及可靠性。

參考文獻：

第9篇：流體動力學基礎范文

關鍵詞：流體力學；教學方法；應用型本科院校

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）12-0033-02

流體力學是宿遷學院土木工程專業的一門重要的專業基礎課。流體力學具有基本概念多、公式復雜、內容抽象等特點，是一門既有較強理論性又有較強工程實際意義的課程，因此，該課程既可以培養學生良好的邏輯思維能力和分析推理能力，又可以培養學生分析問題和解決問題的能力。然而學生的實際情況是由于在大學前兩年接觸最多的是固體力學，已形成一定的思維定式，而且由于精簡學時的原因很多流體力學課程中需要的高等數學知識沒有講解，到了大三一旦遇上流體力學這個新鮮事物，可能接受起來會碰到許多困難[1]。學生普遍感覺該課程枯燥乏味、難學，存在畏難、厭學情緒，期末考試不及格率較高。在學校提倡培養應用型人才的大背景下，有必要根據課程性質從提高教師教學水平和提高學生學習效果進行探討。

一、引導學生重視，激發學生的學習興趣

（一）強調課程的地位和重要性

教師除了說明流體力學在整個專業教學中的地位和作用外，還可補充說明它是注冊結構工程師基礎考試中公共基礎考試科目。此外，還可說明往年期末考試通過率的情況，以給學生適當加壓。當然，更重要的是還要說明該課程的學習方法，以幫助學生樹立信心。

（二）通過人物、工程實例及專業應用調動學生的學習興趣

“興趣是最好的教師，而教師則是點燃學生學習興趣的火炬”。如何調動學生的學習興趣是教師考慮的首要問題。在教學過程中可以穿插舉出古今中外的科學家、工程師生平事跡和工程實例以調動學生的學習興趣。如大禹采取疏壅導滯的方法治水三過家門而不入；理想流體力學奠基人歐拉16歲就獲得碩士學位，雙目失明后仍然從事科學研究直至去世當天還在進行科學研究等[2]。如兩千多年前李冰利用“深淘灘，低作堰”建造的都江堰；大約在同時期，古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等。除此之外，還可以介紹流體力學在土木專業及其他專業的應用，如美國華盛頓州塔科馬大橋被大風摧毀、汽車“風阻”和飛機“音障”等事例。

（三）將CFD技術引入課堂調動學生興趣

計算流體動力學（簡稱CFD）技術日趨成熟，已經成為研究流體力學的一種重要方法。在流體力學教學過程中引入CFD技術，不但可以將理論性較強的內容形象化，加深學生對基礎理論的理解，而且可以開闊學生的眼界，激發學生的學習興趣和探索精神。如對歐拉法中流線的模擬、圓管中層流和湍流流速的分布、局部阻力損失的流場分析[3]。

二、教學內容的取舍和教學環節設計

（一）教學內容的取舍

流體力學知識面廣，內容繁多，在學時限制的條件下要結合專業教學要求合理取舍。對土木工程專業而言需要掌握的內容有：（1）流體物理性質；（2）流體靜力學；（3）流體運動學和流體動力學；（4）阻力損失；（5）管道流、明渠流及滲流。

1.重要問題的處理。首先，要從力學角度分析流體的流動性。流體與固體的主要區別在于流體的流動性，其根本原因是流體和固體對承受剪切力的表現。為了形象說明，可以引用“抽刀斷水水更流”的詩句[4]。當然，還需說明無論流體靜止還是運動均不能承受拉力。

其次，要理解連續介質假設的概念。微觀上，流體是由大量分子構成的，是離散的，不連續的，這給我們研究流體力學問題帶來了困難。連續介質假設認為流體是由內部無間隙的連續流體質點構成。這里要理解流體質點微觀上“充分大”、宏觀上“充分小”的含義。如此流體在空間上就變為連續的，可以借助高等數學的方法來研究。

2.公式推導的處理。流體力學學習過程中會遇到大量復雜的公式，特別是實際流體伯努力方程的推導讓人很難掌握。筆者在處理公式推導問題時強調公式推導的目的是讓學生學習一種思想，學習一種處理問題的方法，將精力集中在公式建立的基本原理和適用條件上，從思路上進行分析整理，淡化煩瑣的數學推導過程。這樣學生有了獨立思考的空間，教師也有了更多的時間來講解基本概念和基本方法。需要強調的是，流體力學中很多公式都是在一定條件下推導出的，因此其應用也是具有一定范圍的，公式的應用往往也有一定的技巧，如伯努力方程的“三選一列”。

（二）教學環節的設計

1.調整習題或考題構成，重視習題課。這里有兩個問題需要注意。一方面，流體力學習題歷來存在重計算、輕概念的現象，特別是考題如果全是計算題，就會形成無形的指揮棒。這就不利于學生從整體上掌握該課程的重點，習題或考題的題型應豐富，除了計算題之外，還應有填空、選擇、判斷、作圖、名詞解釋等考查基本概念的題目。另一方面，在精選題目時，要注意將理論教學和實際應用結合起來，如查找資料的技能培養。在流體力學的牛頓內摩擦定律、能量損失計算和管道流等部分很多數據都是要查有關工程手冊和圖表的[5]。

習題課是流體力學教學的重要環節，為了能夠在學時緊張的前提下開展習題課，教師必須重視習題選擇和習題評講兩個方面。一方面，教師應選擇具有代表性的題目，另一方面，習題講評應使學生從解題過程中獲得解決問題的思路、方法和技巧，達到觸類旁通的效果。

2.重視實驗教學，強化實踐環節。實驗教學是流體力學教學中的重要組成部分，通過實驗，不但可以加深學生對流體力學基本原理的理解，而且有助于培養學生的動手能力、獨立工作能力和創新能力。如通過水靜壓強試驗，學生明確了測壓管水頭的含義；通過雷諾實驗，學生加深了層流、湍流及臨界雷諾數的理解。當然，由于實驗室條件的限制，目前的實驗主要以驗證性居多，在條件許可的情況下應進行設計性實驗。

此外，每學期筆者都會布置一個任務，讓學生留意身邊感興趣的流體力學現象，然后根據課堂所學知識和個人理解撰寫論文，以此增強學生的實踐應用能力和培養其創新能力。

三、教學方法和手段的改進

（一）注重討論法與案例教學法的運用

1.討論式教學方法。教學活動應該是雙向的師生互動過程，不應是教師的一言堂。教師應創造和諧、輕松的課堂氣氛，鼓勵學生積極發言，表達自己的疑問、見解，激發學生的學習積極性和創造性。如在課堂上通過提問的方式回顧上次課的主要內容，通過“自學―提問―討論―總結”的方法學習新內容，在考慮學生接受能力的前提下，甚至可以讓學生來講一次課。如通過反證法證明流體靜壓強的方向，通過隔離體分析法證明流體靜壓強的大小。通過討論式的教學方法不但可以調動學生的學習積極性，樹立信心，而且還可以培養學生勤于思考、善于發現問題、分析問題、解決問題的能力。

2.案例式教學方法。通過將生活和工程案例引入課堂，不但可以增強學生的學習興趣，而且可以加深學生對理論知識的理解，提高學生運用所學理論知識解決實際問題的能力。生活案例有馬利奧特容器原理應用于點滴吊瓶和家用飲水機[6]、洗衣機為什么老翻衣服兜[7]、撈面條的學問等。工程案例如1993年青海省溝后水庫在低于設計水位0.75m的情況下突然垮壩的事故；三峽工程如何在最大流量10×104m3/s、水頭高達100m、最高流速高達45m/s的情況下不會產生巨大的破壞力等[8]。

（二）綜合運用各種教學手段

流體力學概念抽象、繁多，僅靠傳統的一塊黑板、一支粉筆不能激發學生的學習興趣。借助于多媒體技術，利用其形象、生動、直觀、易于理解并可加強記憶的優點，通過動畫、視頻資料、數值模擬等手段將復雜的流動現象展示給學生，可取得事半功倍的效果。但是，考慮到多媒體技術授課和傳統的授課方法各自的優缺點，結合流體力學課程特點，采用取其長而避其短、兩者兼顧而又兩者不棄的原則。

“教學有法，但無定法，貴在得法”。我們要不斷更新教學理念，努力提升自身的綜合素質，及時總結教學過程中出現的問題并加以改進，注重教學過程中的每一個環節，多管齊下，才能保證學生取得良好的教學效果。

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