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流體力學(xué)工程案例范文第1篇

【關(guān)鍵詞】專(zhuān)業(yè)認(rèn)證流體力學(xué)教學(xué)改革考核方式

1.教學(xué)現(xiàn)狀及分析

流體力學(xué)是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其主要的先修課程有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)等。由于流體力學(xué)對(duì)知識(shí)儲(chǔ)備要求高，研究對(duì)象又是不具固定形狀的流體，其理論教學(xué)比較抽象，因此教學(xué)現(xiàn)狀有以下幾個(gè)特點(diǎn)。課堂教學(xué)盡管采用多媒體方式，但流體力學(xué)的理論性太強(qiáng)，使得現(xiàn)有的多媒體教學(xué)課件形式單一，內(nèi)容不夠豐富，導(dǎo)致教學(xué)仍以口授與板書(shū)為主，課堂互動(dòng)性明顯不足，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性、積極性；缺乏實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)；缺少有效的師生溝通平臺(tái)。由于師生交流少，容易造成“教”、“學(xué)”分離，給課程的教學(xué)效果大打折扣。

2.考核現(xiàn)狀及分析

現(xiàn)階段流體力學(xué)的考核方式，大部分仍然采取30%的平時(shí)成績(jī)和70%期末考試成績(jī)。本課程包含大量的經(jīng)驗(yàn)公式及公式推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)比近兩年的學(xué)生成績(jī)，目前該課程的考核方式并不理想。

3.改革措施

3.1教學(xué)改革措施

流體力學(xué)課程需要掌握的概念多、公式多，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，需要教師對(duì)課程不斷開(kāi)展改革探索。為解決目前流體力學(xué)課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題，針對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)提出以下幾個(gè)改革方案。

3.1.1完善教學(xué)大綱

根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步修訂和完善教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化學(xué)時(shí)分配。在保證《流體力學(xué)》基本概念、基本原理以及基本理論授課時(shí)間的基礎(chǔ)上對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革。比如，適當(dāng)增加數(shù)學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)；導(dǎo)入課程最好用動(dòng)畫(huà)或者試驗(yàn)吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；適當(dāng)增加學(xué)生課后的作業(yè)，以討論性的分析和推導(dǎo)公式為主。

3.1.2增設(shè)案例及課堂討論環(huán)節(jié)

增加相關(guān)內(nèi)容的案例，設(shè)置科學(xué)問(wèn)題，然后分組討論，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題。以流體靜力學(xué)的基本公式為例，通過(guò)電視節(jié)目中模擬的桶裂實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)，提出問(wèn)題，留有懸念。然后通過(guò)公式推導(dǎo)理論驗(yàn)證，最后給同學(xué)們討論的時(shí)間。另外，有條件的還可以專(zhuān)門(mén)設(shè)置一堂實(shí)驗(yàn)課，課上分組展示并講解學(xué)生在課下自行設(shè)計(jì)的桶裂實(shí)驗(yàn)。

3.2考核評(píng)價(jià)改革措施

增加平時(shí)考核的占比是課程改革的趨勢(shì)。根據(jù)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，增加平時(shí)的教學(xué)工作量，為學(xué)生準(zhǔn)備與重點(diǎn)知識(shí)相關(guān)的小課題，增加課堂討論環(huán)節(jié)是一個(gè)新思路。根據(jù)課堂表現(xiàn)進(jìn)行部分考核，提高學(xué)生平時(shí)考核成績(jī)。從而去除純記憶類(lèi)題目，只考核綜合理解類(lèi)和綜合應(yīng)用類(lèi)試題，適當(dāng)增加期末考核難度，以督促學(xué)生平時(shí)注意積累。

3.3自編應(yīng)用型教材

教材是學(xué)習(xí)的依據(jù)，作為機(jī)械類(lèi)流體力學(xué)教材要體現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，突出應(yīng)用性。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的教師，可以在總結(jié)多年知識(shí)積累和教學(xué)、科研成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)流體力學(xué)書(shū)籍，撰寫(xiě)屬于自己的機(jī)械類(lèi)教材《流體力學(xué)》。自編教材對(duì)學(xué)生而言更實(shí)用，體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。一是自編教材主要以教學(xué)大綱為依據(jù)，整體上與課堂教學(xué)具備較高的統(tǒng)一性。內(nèi)容編排按課堂教學(xué)節(jié)次循序漸進(jìn)，學(xué)生自學(xué)時(shí)，邏輯和思路清晰，課上課下的自然銜接，更具有啟發(fā)性；二是可以根據(jù)課上學(xué)生的反應(yīng)精簡(jiǎn)方程式數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容和過(guò)程，盡量將抽象概念形象化、簡(jiǎn)單化和透徹化，使之通俗易懂?；蛘咴谡n堂上減少推導(dǎo)過(guò)程，而在書(shū)中將推導(dǎo)過(guò)程編寫(xiě)的更加詳細(xì)，甚至添加多種推導(dǎo)方法，便于自學(xué)；三是理論聯(lián)系實(shí)際，集教學(xué)與科研成果于一體，使得課堂內(nèi)容具有較高的客觀性、有效性和科學(xué)性，如此更有利于解決實(shí)際問(wèn)題，指導(dǎo)工程實(shí)踐和生產(chǎn)活動(dòng)；四是豐富例題和習(xí)題，除計(jì)算題外還設(shè)有簡(jiǎn)答題、選擇題等多種題型，并給出參考答案。

流體力學(xué)工程案例范文第2篇

關(guān)鍵詞：生化工程；生物技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；過(guò)程控制；反應(yīng)器

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）51-0136-02

自上世紀(jì)50年代初在國(guó)內(nèi)高校首開(kāi)發(fā)酵工程專(zhuān)業(yè)以來(lái)，《生化工程》課程一直作為江南大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)建設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。圍繞培養(yǎng)實(shí)踐型、應(yīng)用型發(fā)酵工程人才，我們?cè)诮虒W(xué)中，堅(jiān)持理論與實(shí)踐結(jié)合，在教學(xué)方法上進(jìn)行了有益的嘗試。在生化工程的教學(xué)過(guò)程中，除了圍繞《生化工程》的相關(guān)教材講述生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器方面的基礎(chǔ)理論外，重點(diǎn)還介紹了最新技術(shù)在發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與控制以及生化反應(yīng)器放大中的應(yīng)用。

一、基于代謝工程和智能工程的集約型發(fā)酵過(guò)程控制

發(fā)酵過(guò)程控制技術(shù)是利用過(guò)程自動(dòng)控制和系統(tǒng)工程的手段，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控諸如底物流加速度、通風(fēng)量、攪拌速度、溫度、pH、操作時(shí)間和方式等外部環(huán)境因子對(duì)發(fā)酵過(guò)程的性能指標(biāo)實(shí)施優(yōu)化。發(fā)酵過(guò)程控制技術(shù)可以稱(chēng)得上是發(fā)酵工程的核心關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能工程技術(shù)和以代謝工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)逐步、大量地滲入到發(fā)酵過(guò)程的建模、過(guò)程故障診斷和早期預(yù)警乃至過(guò)程控制與優(yōu)化等諸多領(lǐng)域。先進(jìn)的過(guò)程控制技術(shù)、智能工程技術(shù)、代謝工程技術(shù)與發(fā)酵工程的融合才是現(xiàn)酵過(guò)程控制的發(fā)展方向和大趨勢(shì)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）作為人工智能技術(shù)的核心，其固有的學(xué)習(xí)特性和模擬非線性的能力非常適合發(fā)酵過(guò)程，目前在發(fā)酵工程中的應(yīng)用相當(dāng)普遍，在系統(tǒng)辨識(shí)、建模、優(yōu)化、控制等各方面都有廣泛的應(yīng)用和顯著的效果[1]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能由已知的過(guò)程輸入得到過(guò)程的輸出，從而建立過(guò)程模型。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用主要是由于它具有以下特點(diǎn)：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有典型黑箱模型的特性。（2）對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各接點(diǎn)間的連接權(quán)值包含著對(duì)過(guò)程輸入、輸出關(guān)系的描述，通過(guò)選擇一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較為方便的學(xué)習(xí)過(guò)程，多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近任意非線性映射，帶來(lái)了一種有效的、智能的表達(dá)工具。（3）模型一般為多輸入和多輸出的并行信息存儲(chǔ)與處理結(jié)構(gòu)，從而具有獨(dú)特的容錯(cuò)性和并行計(jì)算特點(diǎn)，大量復(fù)雜的控制算法能夠得以快速實(shí)現(xiàn)，因此可方便地用于多變量控制系統(tǒng)。（4）固有的學(xué)習(xí)能力降低了系統(tǒng)的不確定性，適應(yīng)環(huán)境變化的泛化能力得到了增加。在估計(jì)預(yù)測(cè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接權(quán)值的綜合作用即是模型的具體表達(dá)，使模型充當(dāng)了一個(gè)逼近真實(shí)過(guò)程模型的角色。用于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本能否達(dá)到令人滿意的精度或可信度是衡量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模效果好壞的主要依據(jù)。ANNPR控制策略在控制和優(yōu)化畢赤酵母生產(chǎn)外源蛋白的控制中起到了很好的效果。例如該控制策略在甘油流加培養(yǎng)階段維持較高的重組畢赤酵母比生長(zhǎng)速率，同時(shí)避免誘導(dǎo)前甘油的積累，最終提高pIFN-α的產(chǎn)率。除了pIFN-α發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程，這一新的控制方法還能用于其他畢赤酵母表達(dá)外源蛋白的過(guò)程。

二、發(fā)酵過(guò)程在線故障診斷和早期預(yù)警技術(shù)

在實(shí)際的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，僅僅依靠發(fā)酵過(guò)程的控制和優(yōu)化并不能確保生產(chǎn)過(guò)程中每一批次的高效和穩(wěn)定。而且一些在線參數(shù)測(cè)量電極在工業(yè)上的應(yīng)用還不夠成熟。一旦過(guò)程參數(shù)偏離最優(yōu)的控制水平，發(fā)酵產(chǎn)量就會(huì)大大下降，甚至導(dǎo)致發(fā)酵徹底失敗。甲醇營(yíng)養(yǎng)型畢赤酵母是目前應(yīng)用效果好且用途最廣泛的一種外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)。它具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，蛋白分泌表達(dá)的啟動(dòng)子受到誘導(dǎo)劑甲醇的嚴(yán)格調(diào)控，誘導(dǎo)表達(dá)的大部分目標(biāo)蛋白可以分泌到胞外，有利于降低下游的分離和純化的成本等。在發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，基于OUR變化模式的故障診斷方法是一種常用的方法，但運(yùn)用單一過(guò)程參數(shù)進(jìn)行過(guò)程控制和分析不具有代表性。通過(guò)選取多個(gè)在線參數(shù)，針對(duì)不同的畢赤酵母發(fā)酵過(guò)程，建立通用的診斷模型具有廣泛的意義。在畢赤酵母表達(dá)重組融合蛋白過(guò)程中，在誘導(dǎo)期如何準(zhǔn)確有效地控制甲醇的濃度并保持pH值的穩(wěn)定是發(fā)酵過(guò)程控制的關(guān)鍵。以前的各種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法大都基于復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和各種網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，沒(méi)有具體結(jié)合發(fā)酵過(guò)程的特性，菌體的代謝以及生理狀態(tài)分析，參數(shù)的選擇也沒(méi)有針對(duì)不同階段的發(fā)酵特性，識(shí)別的效果相對(duì)較差。但是通過(guò)對(duì)所有的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選，基于對(duì)誘導(dǎo)期菌體生理狀態(tài)和發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的深入研究，提出的基于自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷系統(tǒng)能起到很好的效果[2]。

建立具有故障診斷和早期預(yù)警功能的自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AANN大致包括五個(gè)主要步驟。首先在正常發(fā)酵條件下，對(duì)一些關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行在線的監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，建立具有系統(tǒng)生成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成等功能的軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。然后建立上述狀態(tài)變量的數(shù)值以及相應(yīng)的誤測(cè)數(shù)據(jù)與“正?！焙汀胺钦！卑l(fā)酵的性能指標(biāo)（以產(chǎn)物濃度、生產(chǎn)強(qiáng)度、糖酸轉(zhuǎn)化率等為基準(zhǔn)）間的簡(jiǎn)單、定性關(guān)系表，從而為實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警后、反推故障原因、及時(shí)采取補(bǔ)救措施提供依據(jù)和可能的信息。接著建立具有故障診斷和早期預(yù)警功能的自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AANN。通過(guò)對(duì)已知正常發(fā)酵樣本數(shù)據(jù)中未參與訓(xùn)練、學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，確認(rèn)所建立的AANN模型的通用性和精確度可以達(dá)到和滿足規(guī)定要求。然后建立基于AANN模型的在線故障診斷和早期預(yù)警。最后一旦AANN模型檢測(cè)到發(fā)酵處于“異常”狀態(tài)，則可以反推可能造成發(fā)酵處于“異?！睜顟B(tài)的原因。比如說(shuō)，檢查一下溫度、pH、溶氧電極和尾氣分析儀是否出現(xiàn)故障，氣路和水路（冷卻水）有無(wú)堵塞，等等。如果能夠找到原因，則采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，促使發(fā)酵盡快恢復(fù)正常；如果確實(shí)找不到原因，則可繼續(xù)等待一段時(shí)間、觀察發(fā)酵能否自動(dòng)恢復(fù)正常。如果仍然不行，則應(yīng)當(dāng)機(jī)立斷、及時(shí)放罐?？傊?，應(yīng)用自我聯(lián)想型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的在于建立以人工智能工程為基礎(chǔ)的、簡(jiǎn)易、通用和集約型發(fā)酵過(guò)程控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中的故障診斷和早期預(yù)警。

三、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大中的應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）模擬是21世紀(jì)流體力學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，該模擬技術(shù)的基本原理是利用離散化的數(shù)值算法求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出連續(xù)流場(chǎng)在一定區(qū)域上的離散分布規(guī)律，從而“模擬”流體流動(dòng)情況。FLUENT是目前世界應(yīng)用范圍最廣的商業(yè)CFD軟件包之一，該軟件在對(duì)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算方面有著廣泛應(yīng)用。帶攪拌的生物反應(yīng)器在發(fā)酵工業(yè)有著廣泛應(yīng)用，攪拌和混合是化學(xué)工業(yè)中重要的單元操作，體系混合過(guò)程和效果往往成為影響反應(yīng)產(chǎn)率等的重要因素。為評(píng)估和研究攪拌系統(tǒng)的傳氧效率和功率消耗，優(yōu)化反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的新型反應(yīng)器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，采用FLUENT？作為計(jì)算平臺(tái)，采用基于Euler-Euler方法的Mixture模型處理氣液兩相流問(wèn)題，氣泡聚并和破裂過(guò)程通過(guò)群落平衡方程計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[3]。計(jì)算表明CFD計(jì)算的各參數(shù)預(yù)測(cè)值與測(cè)量值偏差均在±10%以內(nèi)，能夠較準(zhǔn)確地再現(xiàn)設(shè)備內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這為利用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和生物反應(yīng)器工程放大奠定了基礎(chǔ)。在前期工作中，通過(guò)中試生產(chǎn)和80立方生產(chǎn)規(guī)模下的結(jié)冷膠發(fā)酵過(guò)程試驗(yàn)，新型通風(fēng)發(fā)酵罐表現(xiàn)出優(yōu)良的傳質(zhì)性能和節(jié)能效果，不僅是結(jié)冷膠的發(fā)酵產(chǎn)率從18g/L提高到22g/L，而且單批發(fā)酵過(guò)程的電耗節(jié)省20%，顯示出技術(shù)良好的應(yīng)用前景。由于這種新型的通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備在發(fā)酵領(lǐng)域具有普遍意義和寬廣應(yīng)用范圍，對(duì)于通風(fēng)發(fā)酵領(lǐng)域的產(chǎn)品都有參考意義，所建立的設(shè)計(jì)和制造方法對(duì)于大型發(fā)酵罐的放大方法具有重要的現(xiàn)實(shí)參考意義。

采用以CFD數(shù)值模擬為主結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證的方法研究了三層組合槳對(duì)黃原膠溶液的氣液分散及混合的效果。根據(jù)發(fā)酵罐下部通氣的特點(diǎn)，底層攪拌槳選擇徑向流攪拌槳，中層和上層槳設(shè)置了軸向流攪拌槳。具體槳型選擇為徑向流槳為SPT槳，軸向流槳為四葉旋槳式攪拌器（KSX）。

四、結(jié)束語(yǔ)

生化工程課程具有知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)科交叉性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。課程項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該結(jié)合最新科研轉(zhuǎn)化成果，提煉生化工程的典型案例，將生化工程的理論學(xué)習(xí)與工程學(xué)習(xí)緊密結(jié)合起來(lái)。新增案例庫(kù)、例題庫(kù)等，以典型發(fā)酵工程案例為引子，結(jié)合生化工程的理論知識(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和科學(xué)的思維方法。注重在課堂上引入最新科研成果，對(duì)開(kāi)拓學(xué)生視野、了解生化工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]史仲平，潘豐.發(fā)酵過(guò)程解析、控制與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

流體力學(xué)工程案例范文第3篇

對(duì)高爐鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)除霧器的除霧機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上參考實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)除霧器擋板結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡以及液滴質(zhì)量濃度、壓力、速度和旋渦分布情況，并對(duì)除霧器擋板結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)上嗔鲌?chǎng)進(jìn)行了深入分析.結(jié)果表明：鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)除霧器能夠?qū)y霧氣流中的液滴進(jìn)行有效的分離，從而保證鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)連續(xù)可靠地運(yùn)行.研究對(duì)除霧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：

除霧器； 鼓風(fēng)脫濕； 兩相流； 壓降； 流場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ 051.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

Based on the analysis of the demisting mechanism of the demister in the blower dehumidification system of a blast furnace，the computational fluid dynamics（CFD） method was used to simulate numerically the twophase flow of the gas and liquid in the baffle structure of a demister with the actual operation conditions as a reference.The detailed distributions of the pressure，velocity，vortex，and droplet concentration were provided.The simulation also showed the tracks of the droplets.In addition，an indepth analysis and research on the twophase flow were conducted.The results showed that the demister could separate the droplets from the airflow effectively，so as to ensure that the blower dehumidification system could run continuously and reliably.This study is helpful to the optimization and operation of the demister.

Keywords：

demister； blast dehumidification； two phase flow； pressure drop； flow field

鋼鐵企業(yè)高爐鼓風(fēng)站的電能消耗十分巨大，其中，鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)中除霧器阻損對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的電能消耗影響較大[1].高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的除霧器主要用于清除由鼓風(fēng)冷凝時(shí)產(chǎn)生的游離霧滴，提高鼓風(fēng)質(zhì)量.

本文擬對(duì)鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)中絲網(wǎng)與擋板組合式除霧器的分離機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)除霧器擋板結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到流道內(nèi)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡及壓力、速度、旋渦分布，為除霧器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1除霧器的結(jié)構(gòu)及工作原理

在脫濕除霧器中，擋板主要起導(dǎo)流作用，究其原因在于多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的除霧效率很高（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于粒徑大于1 μm的粒子，分離效率高達(dá)99%；對(duì)于粒徑大于2 μm的粒子，分離效率高達(dá)99.6%）.攜霧氣流流過(guò)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)后，其中所夾帶的液滴幾乎全部被捕集除去.液滴在重力作用下沿絲網(wǎng)的絲徑向向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繼續(xù)吸附氣體中夾帶的霧滴，凝聚變大的霧滴滴落在擋板上，沿?fù)醢辶魅胨壑?，進(jìn)而排出除霧器外，實(shí)現(xiàn)除霧.

本文所研究的鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)中除霧器布置在脫濕器內(nèi)二級(jí)冷卻器之后，為壓板固定的框架式8層×8塊鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)（7塊斜擋板）.除霧器除霧構(gòu)件如圖1所示.在除霧器中，攜霧氣流流過(guò)鋼絲網(wǎng)層實(shí)現(xiàn)氣液分離，而被絲網(wǎng)捕集分離和與擋板撞擊分離的液滴則經(jīng)擋板導(dǎo)流引入水槽中，進(jìn)而被排出除霧器外.

攜霧氣流在除霧構(gòu)件內(nèi)流動(dòng)，由于流線偏折，在慣性作用下，液滴不能隨氣流偏轉(zhuǎn)而撞擊到擋板上，其中：動(dòng)量較小的液滴粘附在擋板表面被捕獲；動(dòng)量較大的大液滴撞擊擋板表面發(fā)生濺射，產(chǎn)生多個(gè)小液滴.聚集在擋板表面的水滴受三種力的作用，即拉力、重力和表面張力.當(dāng)重力占主導(dǎo)地位時(shí)，液滴在重力作用下沿?fù)醢灞砻媪魅爰翰叟懦?氣流沖刷擋板表面的液膜，將其卷起、帶走.撞擊在擋板表面的液滴由于自身的動(dòng)量過(guò)大而破裂、飛濺，均可能導(dǎo)致霧沫的二次夾帶.

2模型建立及網(wǎng)格劃分

攜霧氣流在除霧器內(nèi)的流動(dòng)實(shí)際上是一種可壓縮的黏性流體的三維、非定常的復(fù)雜流動(dòng).對(duì)這一實(shí)際流動(dòng)情況無(wú)法采用數(shù)學(xué)形式精確描述.本文從既能較好反映實(shí)際情況又力求模型構(gòu)造簡(jiǎn)單角度出發(fā)，在合理誤差范圍內(nèi)對(duì)流場(chǎng)作簡(jiǎn)化：

（1） 由于氣流速度較小，馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.1，故可把氣體視為不可壓縮氣體處理[2]；

（2） 考慮在實(shí)際的穩(wěn)定工作條件下，流動(dòng)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系及氣流的振蕩對(duì)流場(chǎng)的影響可忽略，故將流動(dòng)視為定常流動(dòng)；

（3） 采用冷態(tài)條件，過(guò)程中不考慮溫度的影響，不考慮氣液傳熱和液體蒸發(fā)等現(xiàn)象；

（4） 由于液滴粒徑很小，故可作球形處理，考慮流動(dòng)中其重力和氣相對(duì)液滴的曳力；同時(shí)假定其在運(yùn)動(dòng)中直徑不變，不考慮液滴之間的碰撞、聚合等現(xiàn)象，且忽略蒸發(fā)、摩擦、撕裂及熱效應(yīng)的影響，不考慮氣液兩相之間的任何能量交換；

（5） 液滴無(wú)濺射，不考慮壁面反彈、液膜形成與撕裂，忽略二次帶水的影響；

（6） 液滴接觸擋板，即認(rèn)為被捕集；液滴到達(dá)除霧器出口時(shí)，即認(rèn)為液滴逃逸.

本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）應(yīng)用軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，應(yīng)用其前處理軟件Gambit生成網(wǎng)格，并參考以往的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)[3]，整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用非均勻的網(wǎng)格布置方式.為了提高整體網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分時(shí)先對(duì)除霧器部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，采用內(nèi)部面將除霧器所在體與其他體分離.

將模型分割為四個(gè)計(jì)算區(qū)域：方管段、除霧器、漸縮段和圓管段.先劃分除霧器的相關(guān)網(wǎng)格，在擋板結(jié)構(gòu)上生成線網(wǎng)格，采用相似邊界軟連接，再采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格從已有邊界網(wǎng)格生成擋板結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，最后生成除霧器的體網(wǎng)格.除霧器簡(jiǎn)化三維模型如圖2所示.其四個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分均采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共生成75 965個(gè)節(jié)點(diǎn)，353 251個(gè)混合形式網(wǎng)格.除霧器網(wǎng)格劃分如圖3所示.

3數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

在除霧器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，通道內(nèi)包括互相之間交換質(zhì)與能的三相――氣相、氣流夾帶的液滴相和擋板表面的液膜相.本文采用兩相流模型，只考慮氣相和液滴相.

對(duì)于連續(xù)相（氣相），由雷諾數(shù)可知流動(dòng)為湍流.本文采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力-速度耦合，采用有限體積法對(duì)算例進(jìn)行離散處理.壓力采用Standard離散格式，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)離散格式，以獲得較準(zhǔn)確的解.

對(duì)于離散相（液滴相），由于除霧器中氣流內(nèi)液滴的體積分?jǐn)?shù)小于10%，故可忽略顆粒之間的相互作用、顆粒對(duì)氣相的影響、顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡[3-5].本文選用基于LagraianEulerian法的DPM（discrete phase model）模型，按拉格朗日方法對(duì)各個(gè)顆粒方程進(jìn)行積分求解.

交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到兩者均收斂從而實(shí)現(xiàn)離散相與連續(xù)相雙向耦合.

攜霧氣流中液滴流動(dòng)軌跡計(jì)算時(shí)只需考慮阻力和重力的影響[6].

氣相作為連續(xù)相在歐拉坐標(biāo)系中描述；液滴相作為離散相在拉格朗日坐標(biāo)系中描述[7].初始條件及邊界條件分別為：

（1） 連續(xù)相（氣相）

介質(zhì)：空氣，密度為1.205 kg?m-3，動(dòng)力黏度（20℃）為18.1 μPa?s.

進(jìn)口條件：給定氣流速度uy=1.2 m?s-1，ux=0，假設(shè)其在進(jìn)口截面為均勻分布，湍流度為0.05[8].

出口條件：自由出流.

壁面條件：無(wú)滑移，絕熱.

（2） 離散相（液滴相）：

介質(zhì)：水，呈細(xì)小液滴狀，密度為1.0×103 kg?m-3，平均液滴直徑為5 μm，鼓風(fēng)含濕量為10 g?Nm-3.

進(jìn)口條件：設(shè)定液滴速度與氣流速度相同[9]，噴射類(lèi)型選為表面，使液滴在進(jìn)口截面均勻分布.

壁面條件：選擇捕集類(lèi)型，即不考慮反彈，液滴觸及壁面即認(rèn)為被捕集，不考慮二次夾帶效應(yīng).

當(dāng)計(jì)算連續(xù)性殘差、速度殘差、湍流動(dòng)能殘差、湍流耗散率殘差均降至10-3，且入口與出口氣相流量相差小于3%時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂[10].

4流場(chǎng)分布及分析

4.1液滴質(zhì)量濃度分布

圖4為計(jì)算得到的液滴質(zhì)量濃度c的分布.由圖可知：在捕集液滴的除霧構(gòu)件區(qū)域及起導(dǎo)流作用的擋板附近液滴質(zhì)量濃度明顯較高，而在整個(gè)除霧構(gòu)件中第四至第六塊斜擋板之間區(qū)域的液滴質(zhì)量離效果已足以保證系統(tǒng)連續(xù)、可靠地運(yùn)行.

4.2液滴顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

采用Fluent軟件對(duì)除霧器進(jìn)行模擬，得到的連續(xù)相和離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，其中圖5（b）為計(jì)算得到的除霧器內(nèi)液滴的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡.由圖5（b）可知，液滴運(yùn)動(dòng)軌道主要集中在除霧器除霧構(gòu)件中的中間五塊擋板部分區(qū)域，這對(duì)于除霧器的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義.此外，液滴主要在除霧器中被捕集，小部分進(jìn)入漸縮段與壁面發(fā)生碰撞而被分離.被捕集的液滴主要源自攜霧氣流的主流兩側(cè)，由于受到氣流速度梯度影響，其在流線偏折時(shí)所受離心慣性作用較大，容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，撞擊在壁面上而被捕集.故除霧器入口處液滴參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)除霧效率的提高具有較大影響.

由圖5（b）亦可知，鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)中的絲網(wǎng)與擋板組合式除霧器可有效地實(shí)現(xiàn)氣液分離.

4.3壓力及速度場(chǎng)分析

除霧器中壓力和速度分布云圖如圖6所示.由圖可知，方管段和圓管段壓力、速度分布較為均勻.攜霧氣流流過(guò)除霧器擋板結(jié)構(gòu)的過(guò)程中未出現(xiàn)顯著的壓降，而流過(guò)除霧器出口處的漸縮段時(shí)發(fā)生了明顯的壓降，降幅達(dá)142 Pa左右.其產(chǎn)生的主要原因是流體的流通面積減小，并且截面形狀突然改變，流體流線被迫發(fā)生改變[11].由于旋流作用較強(qiáng)，在漸縮段方圓突變截面后出現(xiàn)了明顯的低壓區(qū)，在漸縮段后方圓突變截面處及其后一段距離內(nèi)亦出現(xiàn)了顯著的壓降.

4.4旋渦分布

脫濕除霧器內(nèi)的湍流動(dòng)能和湍流耗散率分布如圖7所示.在整個(gè)脫濕除霧器中，湍流耗散最強(qiáng)烈的區(qū)域?yàn)闈u縮段后一段距離.在除霧器除霧構(gòu)件中，中間五塊擋板部分區(qū)域的湍流動(dòng)能最大，湍流耗散強(qiáng)烈，是除霧器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離的關(guān)鍵區(qū)域，攜霧氣流流過(guò)除霧器通道時(shí)，氣流主要流道在該區(qū)域.由于慣性力的作用，氣流中液滴的跟隨性變差，速度遲豫時(shí)間延長(zhǎng)，所以易于碰到壁面而被捕集[12].在第三、四塊擋板下部區(qū)域的高壓低速區(qū)是除霧器擋板結(jié)構(gòu)中湍流動(dòng)能最大、湍流耗散最強(qiáng)烈的區(qū)域.該區(qū)域除霧效率較高.氣體流過(guò)除霧器后在最上及最下處豎直擋板后易形成回流區(qū)，此處亦可能產(chǎn)生角渦，加劇了流場(chǎng)的擾動(dòng)，增大了系統(tǒng)壓力損失.上部豎直擋板附近流域局部放大圖如圖8所示.

5結(jié)論

本文運(yùn)用兩相流模型對(duì)鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)除霧器擋板結(jié)構(gòu)的主要性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了液滴質(zhì)量濃度、壓力、速度及旋渦分布情況，展示了其三維內(nèi)部流場(chǎng)，揭示了實(shí)驗(yàn)手段難以獲得的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象.計(jì)算結(jié)果表明：鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)除霧器能夠有效實(shí)現(xiàn)攜霧氣流中液滴的分離.模擬結(jié)果對(duì)除霧器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低除霧器內(nèi)流動(dòng)阻力具有一定的參考性意義.

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流體力學(xué)工程案例范文第4篇

1.專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置概況

目前全國(guó)高校設(shè)置的安全工程專(zhuān)業(yè)方向覆蓋了礦業(yè)、化工、核工業(yè)、交通、能源、土木、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方向一般都與高校的行業(yè)背景緊密相關(guān)。經(jīng)過(guò)多年的摸索和發(fā)展，當(dāng)前一個(gè)相對(duì)成熟的安全工程專(zhuān)業(yè)課程體系在各高校之間被廣泛采用，即把專(zhuān)業(yè)課程分為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和特色專(zhuān)業(yè)課。前者通常包括“工程力學(xué)”“流體力學(xué)”“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”“電子電工學(xué)”“可靠性工程”“燃燒爆炸學(xué)”“安全學(xué)原理”“安全系統(tǒng)工程”“安全管理學(xué)”“安全檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)”“安全人機(jī)工程學(xué)”“安全法規(guī)”等課程；后者一般以該校所依托的行業(yè)背景、學(xué)科優(yōu)勢(shì)和就業(yè)方向?yàn)橐罁?jù)，設(shè)置以應(yīng)用為主的特色課程。如南華大學(xué)以核安全為特色開(kāi)設(shè)了“核電安全工程”“核與輻射防護(hù)”“原子核物理”等課程；以建筑安全為特色開(kāi)設(shè)了“建筑安全”“建筑消防技術(shù)”“基坑與土力學(xué)”“建筑材料”等課程；同時(shí)考慮學(xué)生就業(yè)，還開(kāi)設(shè)了“起重機(jī)械安全”“壓力容器安全”“電氣安全”“職業(yè)衛(wèi)生與安全”等課程。

2.實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置概況

通過(guò)調(diào)研、文獻(xiàn)查閱以及結(jié)合筆者所在學(xué)校的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)目前安全工程本科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程主要由四種類(lèi)型構(gòu)成，即公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課（大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)）、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課（工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)、電子電工實(shí)驗(yàn)）、專(zhuān)業(yè)通用實(shí)驗(yàn)課（安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控實(shí)驗(yàn)、安全人機(jī)實(shí)驗(yàn)、防火防爆實(shí)驗(yàn)、電氣安全實(shí)驗(yàn)、機(jī)械安全實(shí)驗(yàn)）以及專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)課（礦井通風(fēng)實(shí)驗(yàn)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工原理實(shí)驗(yàn)、化工工藝實(shí)驗(yàn)、人因失誤實(shí)驗(yàn)、建筑消防實(shí)驗(yàn)、輻射劑量測(cè)量實(shí)驗(yàn)、交通事故調(diào)查與案例分析實(shí)驗(yàn)）。

二、專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)部分高校的調(diào)查以及結(jié)合本校實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)安全工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)都已形成規(guī)范化的體系，有系統(tǒng)性的教學(xué)方案、教材、考核體系等，但是專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.實(shí)驗(yàn)教材不規(guī)范

目前由于各個(gè)高校所依托的行業(yè)背景以及優(yōu)勢(shì)學(xué)科不同，還沒(méi)有一本真正意義上的公開(kāi)出版的且系統(tǒng)性較強(qiáng)的安全工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教材，各高校安全工程專(zhuān)業(yè)使用的實(shí)驗(yàn)教材大部分是由理論課教師自行編寫(xiě)，主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受限

安全工程專(zhuān)業(yè)一般牽涉到燃燒爆炸、有毒有害等方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè)往往受制于實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地條件，同時(shí)也具有較大的破壞性和危險(xiǎn)性，從學(xué)生安全方面考慮，很多高校也都刻意避免開(kāi)設(shè)以上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為滿足必要的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，多以模型參觀和演示性實(shí)驗(yàn)代替。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，缺乏探索性

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是采用相關(guān)儀器直接進(jìn)行系統(tǒng)中物理化學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，如可燃液體閃點(diǎn)燃點(diǎn)的測(cè)定、粉塵含量的測(cè)定等，綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)偏少，導(dǎo)致學(xué)生用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉。除此之外，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)步驟的編寫(xiě)過(guò)于詳細(xì)，類(lèi)似于儀器設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)，學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)教材上的步驟機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)不能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和探索性，抑制了其對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，導(dǎo)致學(xué)生心理上抵觸實(shí)驗(yàn)課。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展效果不佳

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃不科學(xué)

理論課教師根據(jù)自己的教學(xué)計(jì)劃來(lái)安排本門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒(méi)有同其他專(zhuān)業(yè)教師從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的層面上去共同商討實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置問(wèn)題，使得各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核標(biāo)準(zhǔn)不合理

在安全工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分高校都沒(méi)有設(shè)置獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課都是與理論課共同組成一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)。例如：一門(mén)2個(gè)學(xué)分的專(zhuān)業(yè)課程總計(jì)32個(gè)課時(shí)，一般理論課占28個(gè)課時(shí)，而實(shí)驗(yàn)課只占4個(gè)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有獨(dú)立的考核機(jī)制，其成績(jī)以作業(yè)的形式作為專(zhuān)業(yè)課程的平時(shí)成績(jī)折算計(jì)入總分，導(dǎo)致學(xué)生主觀上不重視。教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目己?，完全依?jù)學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。而實(shí)驗(yàn)報(bào)告的參考性比考試顯然要低很多，學(xué)生相互之間存在抄報(bào)告的現(xiàn)象。

3.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理不當(dāng)

（1）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)定位不清晰

很多高校對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)沒(méi)有合理的規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不是一朝一夕的事情，特別是對(duì)于經(jīng)費(fèi)一般的非重點(diǎn)高校，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置是一個(gè)“添磚加瓦”的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)若沒(méi)有長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，沒(méi)有統(tǒng)一的思路，勢(shì)必造成采購(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)沒(méi)有針對(duì)性，所購(gòu)置的儀器設(shè)備不成體系。導(dǎo)致很多綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)沒(méi)有辦法開(kāi)展，而只能做一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)室管理體制不合理，管理機(jī)制不健全

同時(shí)，很多實(shí)驗(yàn)室課程由理論課教師和實(shí)驗(yàn)室教師共同完成，兩者之間的職責(zé)劃分不明確，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)管理存在盲區(qū)。

（3）儀器設(shè)備管理不當(dāng)

隨著國(guó)家對(duì)高校資金投入的不斷增加，高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)也在逐年增加，很多高校只管購(gòu)買(mǎi)儀器，而不管儀器的維護(hù)，對(duì)儀器設(shè)備也沒(méi)有實(shí)行檔案化管理，導(dǎo)致設(shè)備重復(fù)購(gòu)置，保修期內(nèi)的設(shè)備得不到及時(shí)有效的維修。同時(shí)大部分高校對(duì)大型儀器設(shè)備沒(méi)有設(shè)置共享平臺(tái)，導(dǎo)致其利用率較低，造成設(shè)備閑置浪費(fèi)。

4.實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍結(jié)構(gòu)配置不合理

很多高校對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員存在偏見(jiàn)，主觀上認(rèn)為專(zhuān)業(yè)教師比實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員重要，造成實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在高校中的地位低，在實(shí)驗(yàn)室工作缺少榮譽(yù)感，這主要體現(xiàn)在晉升職稱(chēng)以及人才配置方面。在很多高校，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員允許晉升的最高職稱(chēng)是高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，類(lèi)似于副教授，同時(shí)在人員配置方面，往往將年齡較大、學(xué)歷較低或者職稱(chēng)較低的人員安排在實(shí)驗(yàn)室，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y隊(duì)伍不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的工作積極性降低，同時(shí)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍整體素質(zhì)偏低。

5.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不能滿足教學(xué)要求

安全工程專(zhuān)業(yè)作為一門(mén)“年輕”學(xué)科，在很多高校得不到應(yīng)有的重視，學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)少，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的資金購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。一方面，安全工程作為一門(mén)工程應(yīng)用性強(qiáng)的交叉學(xué)科，很多實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展需要比較先進(jìn)的進(jìn)口儀器，比如便攜式α、β氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，測(cè)氡儀等，這類(lèi)儀器一般價(jià)格較高，若沒(méi)有資金購(gòu)買(mǎi)儀器則相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有辦法開(kāi)展；另一方面，由于資金不足，很多實(shí)驗(yàn)儀器的臺(tái)套數(shù)不夠，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)，分組數(shù)少，每一組學(xué)生的人數(shù)過(guò)多，而學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)能力因個(gè)體而異，有些學(xué)生根本不動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，等到同組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)做完以后，直接照抄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰](méi)有得到任何提高，大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

三、專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的思考及建議

1.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課題體系建設(shè)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的載體，所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、演示性實(shí)驗(yàn)以及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有機(jī)構(gòu)成，其中以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，以演示性實(shí)驗(yàn)為輔。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生自己動(dòng)手完成的一種開(kāi)放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、科學(xué)的創(chuàng)造性思維能力?？紤]到目前國(guó)內(nèi)高校安全工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系的現(xiàn)狀，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)數(shù)的比重應(yīng)適當(dāng)提高。在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，可以由教研室牽頭，集合各門(mén)理論課的師資力量，充分考慮相關(guān)專(zhuān)業(yè)課之間的聯(lián)系，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)的層面上進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)，盡量讓實(shí)驗(yàn)題目能夠涉及幾門(mén)課程的知識(shí)，增強(qiáng)其綜合性。

2.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

無(wú)論是理論課程還是實(shí)驗(yàn)課程，要想提高教學(xué)質(zhì)量，就必須制訂科學(xué)合理的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系。目前很多高校都把實(shí)驗(yàn)當(dāng)做理論課的一部分，實(shí)驗(yàn)成績(jī)類(lèi)似于課堂作業(yè)成績(jī)，直接作為理論課平時(shí)成績(jī)的一部分計(jì)入理論課總分，且所占比例很少。這不僅降低了教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度，也在很大程度上制約了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的積極性。鑒于此，針對(duì)專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)，各高校應(yīng)該設(shè)置獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)分，結(jié)合自身的實(shí)際情況制定一套包括考勤、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等全方面考核的成績(jī)考核體系。

3.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍的建設(shè)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的配置，應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的層次、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量、實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，科學(xué)定編，采用公開(kāi)招聘、平等競(jìng)爭(zhēng)等措施，建設(shè)一支人員性別、年齡、學(xué)歷、職稱(chēng)以及知識(shí)結(jié)構(gòu)合理的實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍。此外，學(xué)校人事部門(mén)還必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展制定實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的培訓(xùn)規(guī)劃，建立健全內(nèi)部自我提升與外出培訓(xùn)相結(jié)合的能力提高機(jī)制，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的科研獎(jiǎng)勵(lì)制度和年度績(jī)效考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)以及職稱(chēng)晉升制度等隊(duì)伍建設(shè)管理制度，最大程度地激發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和管理人員的工作積極性。

4.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要是硬件和軟件兩方面的建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)就是資金投入問(wèn)題，只有保證了足夠的資金投入，才能保障實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的儀器設(shè)備。近年來(lái)，教育部通過(guò)“特色專(zhuān)業(yè)”“卓越計(jì)劃”“綜合試點(diǎn)改革”等項(xiàng)目向高校投入了大量的經(jīng)費(fèi)，各高校應(yīng)根據(jù)本校實(shí)際情況，將國(guó)家下?lián)艿膶?zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)科學(xué)合理地用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；另外，高校應(yīng)該采取“走出去，引進(jìn)來(lái)”的措施，加強(qiáng)同企業(yè)的合作，利用企業(yè)資金充足、理論水平相對(duì)缺乏的特點(diǎn)，采取“企業(yè)出錢(qián)，高校出力”的方式，與企業(yè)共建實(shí)驗(yàn)室，以此提高實(shí)驗(yàn)室的硬件水平。部分高校已在這方面進(jìn)行了實(shí)踐，如重慶大學(xué)與美國(guó)利寶集團(tuán)共建重慶大學(xué)利寶互助職業(yè)安全研究生中心，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與神華集團(tuán)、中煤科工集團(tuán)等單位共同建設(shè)實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐基地。

四、結(jié)論

流體力學(xué)工程案例范文第5篇

關(guān)鍵詞：CFD教學(xué)；本科教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）38-0037-02

一、開(kāi)展CFD教學(xué)的必要性

CFD技術(shù)，是解決工程中復(fù)雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的一種有效手段，同時(shí)也是一門(mén)新型的獨(dú)立學(xué)科。它以經(jīng)典理論和數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，從空間和時(shí)間上定量描述各種場(chǎng)變量，從而達(dá)到對(duì)流動(dòng)和傳熱問(wèn)題進(jìn)行研究的目的。CFD技術(shù)集中應(yīng)用了20世紀(jì)直至本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)方面的最新成就，并具有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)。CFD技術(shù)不僅可以作為研究工具，而且還可以作為設(shè)計(jì)工具廣泛應(yīng)用于能源動(dòng)力工程、機(jī)械工程、材料工程、交通工程、建筑工程、環(huán)境工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域。另外，CFD與CAD、CAE聯(lián)合，還可以進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。CFD教學(xué)主要程針對(duì)高年級(jí)本科生開(kāi)展，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的應(yīng)用能力和學(xué)術(shù)能力的培養(yǎng)，教學(xué)的宗旨是讓學(xué)生在了解數(shù)值計(jì)算基本概念和原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)一些經(jīng)典商用CFD軟件使用和掌握，增強(qiáng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。在國(guó)內(nèi)，目前在能源動(dòng)力類(lèi)本科生中開(kāi)展CFD教學(xué)的學(xué)校有近20所，大部分為重點(diǎn)本科院校，除我校外，還有如西安交大、清華大學(xué)、上海交大等高校。但隨著CFD技術(shù)在工業(yè)界的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，個(gè)人電腦的性價(jià)比提升，可以預(yù)計(jì)未來(lái)5年，將會(huì)有更多的工科院校為能源動(dòng)力類(lèi)本科生開(kāi)展CFD教學(xué)。在國(guó)外，早在上世紀(jì)80年代，就已有針對(duì)能源動(dòng)力類(lèi)本科生開(kāi)展的CFD教學(xué)，比如英國(guó)的帝國(guó)理工學(xué)院，美國(guó)的加州理工學(xué)院，日本的九州大學(xué)等。尤其以美國(guó)的加州理工學(xué)院做得最為突出，它非常重視學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新。由于國(guó)外學(xué)生人數(shù)比國(guó)內(nèi)少，實(shí)驗(yàn)設(shè)施完備，CFD技術(shù)課程被安排在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行，學(xué)生在進(jìn)行CFD技術(shù)學(xué)習(xí)應(yīng)用的同時(shí)，還可以采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)CFD的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力。實(shí)際上，開(kāi)展CFD教學(xué)還有利于拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。由于CFD技術(shù)具有成本低、速度快、可視化等特點(diǎn)，因此在能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用CFD技術(shù)加強(qiáng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建，將以往學(xué)生的被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生為主教師為輔的一種主動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。由此可見(jiàn)，開(kāi)展CFD教學(xué)符合能源動(dòng)力類(lèi)的專(zhuān)業(yè)發(fā)展和人才需求，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還有利于拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

二、開(kāi)展CFD教學(xué)的可行性

對(duì)于在能源動(dòng)力類(lèi)本科生中開(kāi)展CFD教學(xué)的可行性，下面將從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。

1.教學(xué)內(nèi)容的選擇。對(duì)于能源動(dòng)力類(lèi)的大四本科生，CFD教學(xué)的重點(diǎn)將放在CFD技術(shù)的基本理論和軟件應(yīng)用上。具體內(nèi)容包括：控制方程的離散化方法，流場(chǎng)的求解計(jì)算方法，湍流模型，以及商用CFD軟件的基本用法。同時(shí)，授課內(nèi)容中還將包含復(fù)雜流動(dòng)模型以及數(shù)值模擬的最新研究進(jìn)展等，以便開(kāi)拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于課時(shí)有限，在商用CFD軟件基本用法的講授中，將選擇能源動(dòng)力領(lǐng)域常見(jiàn)案例的CFD過(guò)程，比如建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、設(shè)置求解器參數(shù)、后處理等內(nèi)容，進(jìn)行有針對(duì)性地講解和實(shí)踐，以獲得舉一反三的效果。

2.基本理念的貫徹。在開(kāi)展CFD教學(xué)中，需要貫徹正確的CFD技術(shù)理念。雖然目前商用CFD軟件快速普及，似乎許多問(wèn)題都可以通過(guò)CFD技術(shù)來(lái)解決。但必須強(qiáng)調(diào)，CFD技術(shù)不是萬(wàn)能的，在很多方面還有局限性。試驗(yàn)研究、理論分析和CFD技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才是解決實(shí)際問(wèn)題的有效手段。另外，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性的認(rèn)識(shí)和判斷，也需要一個(gè)正確的理念。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性首先取決于數(shù)學(xué)模型是否正確，如果數(shù)學(xué)模型不正確，即使數(shù)值計(jì)算方法先進(jìn)，仍然不能保證數(shù)值解的準(zhǔn)確性。其次，模擬計(jì)算過(guò)程中流動(dòng)介質(zhì)物性參數(shù)是否正確，也是影響模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的一個(gè)重要因素。最后，教學(xué)過(guò)程中還要注意培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，在講授CFD實(shí)際應(yīng)用時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生把握工程問(wèn)題的整體觀念，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基本理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

3.經(jīng)典軟件的應(yīng)用。從我校能源動(dòng)力本科專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有的課程設(shè)置來(lái)看，大四本科生已經(jīng)具備流體力學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值分析方法等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于CFD技術(shù)中所涉及的方程離散，網(wǎng)格劃分、流場(chǎng)求解等方面知識(shí)的理解不會(huì)有太大難度，而且目前商用CFD軟件智能化程度較高，基本使用方法和技巧易于掌握。因此，選用經(jīng)典CFD軟件開(kāi)展教學(xué)，在老師的指導(dǎo)下完全可以使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)初步掌握CFD軟件的使用方法。在此基礎(chǔ)上，隨著學(xué)生知識(shí)面以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和CFD軟件使用技巧的增加，對(duì)CFD技術(shù)的理解會(huì)進(jìn)一步加深。另外，目前計(jì)算機(jī)硬件水平迅猛發(fā)展，學(xué)生擁有個(gè)人電腦的比例逐年增加。從我們能源與動(dòng)力工程學(xué)院學(xué)生工作組統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看，目前學(xué)生擁有個(gè)人電腦的比例已達(dá)80%以上，學(xué)生可以在自己的電腦上方便地進(jìn)行CFD軟件的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，這為開(kāi)展CFD教學(xué)提供了良好的條件。

從2007年開(kāi)始，華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院就已經(jīng)在本科生中開(kāi)展了CFD教學(xué)。課程的名稱(chēng)為CFD技術(shù)，以選修課的形式開(kāi)設(shè)，學(xué)院每年都有近300名學(xué)生選修這門(mén)課程，這門(mén)課程實(shí)際上已經(jīng)成為一門(mén)受眾面極廣的公共選修課程。由此可見(jiàn)，在能源動(dòng)力本科生中開(kāi)展CFD教學(xué)具有較好的必要性和可行性，值得深入推廣應(yīng)用。

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