流体力学研究报告

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流体力学研究报告范文第1篇

关键词：研究型教学模式；流体力学；数值模拟

【中图分类号】G64.25 【文献标识码】A 【文章编号】

所谓研究型教学模式是指在教学中引导学生逐步深入研究某一个问题的教学模式，是以具体的实例为研究对象，利用所学的基础理论知识，并结合现代的研究手段进行逐步的深入研究，并对结果进行分析，目的是培养学生从事科学研究的思维模式和严谨的科研态度。这是将现代科研研究方法和研究内容引入课堂的重要途径，也是达到培养研究型人才的重要过程。本文在流体力学的教学实践中进行了相关的尝试，并获得了较好的教学效果。

一、 研究题目的选取

由于是课堂教学，受时间的限制，研究题目要求适当，即简单易懂、清晰明了，又有实用价值和深入研究的前景，在具体教学中选取了如下的问题。

结构如图1所示，阀门A固定，阀门B可上下移动，水在阀门A、B所开启的通道内流动。若阀门A入口处的来流速度为已知，试分析流域内的压力分布、速度分布，并计算阀门B所受到的合力。

对于这个问题，在引导学生对流动进行分析的同时，提出了如下的问题：

（1） 水流对阀门B的作用力是促使阀门B关闭还是开启？

（2） 水流在a、b处的流动方向如何？

（3） 水流对阀门B的作用力与阀门开启之间的关系如何？

这个题目是来自于工程实践中的阀门控制问题，在进行阀门开启的自动控制设计中，要求确认阀门B的受力大小及方向。问题提出后，可要求学生根据自己对问题的理解，先猜想一下结果，然后再进行深入的计算研究加以验证，并利用流体力学基本原理进行理论的分析和解释。

二、 研究手段应具有先进性

介绍先进的研究方法，把现代研究工具融入到日常教学中，是教学改革的重要内容和任务。就本问题而言，这个问题看似简单，实际是一个比较复杂的紊流流动问题。鉴于理论求解的复杂性和实验研究的局限性，采用数值模拟的方法即体现了先进的研究手段，又适合于课堂研究讨论和对问题的深入研究和引导。

目前流体力学的研究方法有三种，一是理论的方法，二是实验的方法，三是数值的方法。传统的流体力学教学内容与方法，基本上是基于理论的教学，并辅之以部分简单的实验。利用理论解析的方法求解流体流动问题，由于受到求解非线性方程没有成熟的数学方法的制约，研究进展缓慢，到目前为止，也只有极少数的特例得以进行理论求解。对于利用实验方法进行研究，由于受到实验的局限性，以及大量人力物力的消耗，不适于本问题的课堂教学研究和教学目的。近年来，随着计算技术的飞速发展，社会生活和科学研究方法也产生了巨大的变化，利用数值模拟计算的方法已经是当前各个研究单位的首选研究手段。

鉴于以上论述，在对问题进行分析的基础上，同时介绍现代的研究方法和数值模拟计算平台（例如Fluent，CFX等），即给学生深入研究提供了研究手段，又达到了将教学内容与现代研究方法相结合的目的，对培养研究型人才具有重要意义。

三、 计算结果应有合理的解释和分析

本文利用数值模拟的方法，通过对流域的建模、计算和后处理，对本问题进行了流动过程的研究。对这一部分教学内容，应该对流场的边界条件、边界类型、紊流模型和计算方法等进行较详细的介绍和讲解。鉴于大学本科教学内容和流体专业知识的限制，可对流场的边界条件和边界类型多做一些讲解，例如速度边界、压力出流边界等；对紊流模型的来源及其应用做简单介绍，而对诸如SIMPLE、PISO算法等仅仅介绍一下怎样选取和使用即可。

经过数值模拟计算，有如下发现：

（1） 水流的流动对阀门B产生一个向下的力，促使阀门B趋向于关闭

对此结果，必须要有合理的解释。通过计算，发现通道内的压强分布如图2所示。对于阀门B来说，其上部为低压区，而下部为高压区，在这个压力差作用下，迫使阀门B有向下运动的趋势。

这一部分的流动，由于通道的变形，迫使水流改变原有的流动方向，在冲击阀门B下端壁面的同时，也使阀门B上端壁面产生了低压区，从而产生一个向下的合力。

（2）下部a处，水向通道内流动

数值模拟计算结果表明，经过口b的流动方向是向上的，这很好理解，但经过口a处的流动方向也是向上的，而不是向下的出流，流动情况如图3所示，这就可能与最初的猜想相悖。

对此情况，可利用伯努利方程进行解释。当水流流经阀门A、B相接处时，由于通道的变窄，使得流动速度加快，并产生一定的真空度。由于设定a处为大气压，则在此真空度的作用下，迫使水流向通道内流动。

四、 指出进一步的研究内容

通过前面的教学，使学生对数值模拟这一现代研究手段及研究过程有了初步的了解，达到了将现代研究方法引入课堂的目的。为了更加有效的掌握教学内容，在介绍完数值模拟平台的使用，并对问题进行了初步研究之后，还必须引导学生进一步思考和研究。

具体到本次教学，提出了阀门B的受力大小与阀门开启之间有什么样的关系，要求进一步深入研究。这里首先要定义阀门的开启度，应该是一个无量纲的量。然后利用数值模拟平台，进行逐步的研究，并把计算结果绘制成曲线。这一部分工作，可留给同学课后完成，并要求以科研论文的格式写出研究报告。实践证明，这样的要求激发了学生的研究热情，也使学生对科学研究的方法和内容有了更深的体会。

本科生写出科研论文是卓越工程师计划的一部分，因此，这一部分的教学内容对参与卓越工程师计划的专业尤为重要。

五、 教学实践中应该注意的一些问题

采用这种研究型教学模式，有如下的体会。

1、 教学时机的把握

采用这种教学方法，应该是在讲授完流体力学基本内容之后进行。这里的流体力学基本内容包括流体流动的连续性方程、伯努利方程和动量定理，并对粘性流动的层流和紊流等进行介绍之后进行。

2、 教学方式即可以采用演示的方法，也可以采用师生互动的方法

对于有条件的，应该尽量采用师生互动的方法进行教学，从方案的设定，到计算结果的处理和分析，要求师生一起进行，并进行充分的讨论，这样的教学效果是最好的。

3、 题目的选取

采用研究型教学模式进行教学，应以讲解研究方法和研究过程为宗旨。其中题目的选取至关重要，一般来说，题目不易选得过于复杂，最好是来自于工程实际，并具有一定的代表性和后续研究内容。

4、 教学后期的把握

这种教学过程的重要一环是学生的课后练习和对题目的进一步深入研究。另外，在要求完成本课题的后续研究并形成报告的同时，还应鼓励学生独自去发现问题，并利用学到的工具去解决问题。对于所完成的研究报告，应影响到本门课程的最终成绩。

本文所阐述的研究型教学方法，通过几年来的教学实践，对培养学生的研究能力起到了积极的作用，取得了较好的教学效果。教学效果在本科毕业设计阶段得到较充分的体现，受到师生的好评。

参考文献：

流体力学研究报告范文第2篇

关键词：船舶动力装置；能源动力；教材改革

一、课程情况简介

“船舶动力装置”是热能与动力工程专业本科生的一门专业主干课，国内知名的理工院校如上海交通大学、大连理工大学、大连海事大学等均将其列为专业必修课。该课程在学生已学习工程热力学、工程流体力学等课程的基A上，着重教授柴油机、燃气轮机、蒸汽动力、核动力和联合动力装置等典型动力形式的工作原理和结构特点，以及船舶发动机的总体布置需满足的各种条件；培养学生在船舶总体设计中各方面的初步协调能力，为今后从事热力发动机的工程设计和技术实践打下较为扎实的理论和专业技术基础。

二、教材使用情况

“船舶动力装置”课目前正在使用的教材为哈尔滨工程大学出版社出版，由张志华教授编著的《船舶动力装置概论》一书，这本书主要介绍船舶（军、民用）动力装置系统的组成、结构、工作原理、性能及发展。其中包括船舶内燃机、燃气轮机、蒸汽锅炉及汽轮机、核动力、联合动力装置、轴系传动、特种动力装置等核心知识。该教材与我校的三海一核办学理念一致，能够起到很好的教学作用。但此书编著于1999年，至今已有15年的时间，书中对于动力装置的各种性能指标介绍较目前最先进的动力装置形式相差较大，在教学过程中需要执教教师补充相关最新指标知识。此外，书中对于不同动力装置形式如何在船舶中布置，以及布置时需要面临和解决的问题讲述较少。因此，为达到更好的教学效果，需要更新该教材的部分知识点。

三、更新教材的意义

“船舶动力装置”这门课程是一门专业导论课，该课程旨在为后续专业课的深入学习奠定基础。此外，内燃机、燃气轮机、热能工程专业的学生可以通过该门课程的学习，对船舶柴油机、燃气轮机、蒸汽动力装置、核动力装置、联合动力装置、特种动力装置有所了解，掌握各种船用发动机的特点、结构组成、工作原理、适用方向、主要相关附属设备的构成与作用及船舶发动机的总体布置需满足的各种条件等。

通过更新教材，可以培养学生在船舶总体设计中各方面的初步协调能力，使他们在日后工作中能够解决发动机的工程设计和技术实践中的相关问题，具备较为扎实的理论和专业技术基础。

通过更新教材，可以缩短课堂与工程实际的距离，激发学生创新能力，建立完善的知识体系以满足工程应用需要，为工程实际培养可用、顶用的创新型人才。

四、如何更新教材

为满足现有教学需要，计划从以下几个方面对现有教材进行更新。

一是收集国内外相关文献中对于船舶柴油机、船舶燃气轮机、船舶蒸汽动力和船舶核动力的相最新研究报告，从中获取相应的指标参数。

二是整理相关专业的研究成果，总结不同船舶动力装置未来发展的趋势，以便在后续的教学环节中，有针对性地引导学生向该方向发展。

三是设置不同吨位与用途的船舶形式、指标参数、动力装置形式、布置方式等资料，在教材中引入设计环节，以实际船舶的动力布置使学生了解从动力装置至推进装置间的各种设备连接、使用情况，达到学以致用的目的。

四是请相关专业课的授课教师帮助引入后续深入学习时的重点内容，在教材内以重点、难点的形式加以强调。

船舶动力装置这门课程旨在引导学生了解各种典型动力装置在实际中的应用，注重各类船舶动力装置的结构、特点、工作原理的介绍。通过对比现有教材和人才培养目标，提出《船舶动力装置》教材改革的若干建议，期望有助有优质教材的出版，进而为我国船舶动力行业培养更多的优秀人才。

参考文献：

[1]孙自力，李忆辛，许宝森.船舶动力装置技术专业教学改革研究与实践[J].辽宁高职学报，2001（4）：76-78.

[2]任莉，李华彦，张文孝.船舶动力装置课程设计的教学改革探讨[J].装备制造技术，2013（8）：207-208.

流体力学研究报告范文第3篇

关键词：气动；设计；教学

在传统的培养模式和计划中没有气动设计类课程中，过去学生都是通过分别学习空气动力学和飞机设计两门课程，然后在工程实践中摸索气动设计方法，由行器性能要求的越来越高和气动设计的复杂性，国内外已普遍认识到这门课程的必要性和重要性。该课程的主要教学目的是建立起空气动力学和飞机设计两者之间的桥梁，将空气动力学的基础理论和飞机设计相结合，使学生对飞行器的气动设计有一个全面的了解和掌握，培养学生飞行器气动设计能力以及全面综合分析能力，建立飞行器空气动力学设计的基本设计方法、设计理论，和其他相关学科的综合考虑，为学生进行飞行器的气动设计提供空气动力学理论的基础、分析问题解决问题的能力。教学团队在前期良好的教学建设基础上，不断扩充完善教学内容，强调基础性、前瞻性和实用性，改进教学方法，培养创新意识。

一、教学内容的组织完善

与该课程相关的国内外参考资料非常有限，教学团队充分收集整理国内外相关著作、文献，利用网络资源，综合研讨教学内容。教学中注意将国内外前沿最新的飞行器气动设计理论方法引入教学，不断扩充完善教学内容。由行器气动设计与总体设计、飞行控制、隐身等学科密切相关，涉及面广，因而，教材内容的组织取舍，如何在有限的教学时间内选取组织授课内容，保证课程的基础性、前瞻性和实用性，是非常重要而艰难的任务。教学团队广泛进行了国内外相关课程教学调研，收集资料，研讨并完善教学内容，形成了较为合理的课程体系。教学内容从运输机到战斗机再到高超声速飞行器，循序渐进。运输机作为最基本的飞行器类型，特别是民机，主要要求的是安全性、经济性、舒适性和环保性，设计目标相对集中，都是飞机设计中的基本问题。具体来说，主要包括先进翼型的不断发展，亚音速干线飞机三维机翼的设计，机翼翼梢减阻装置的应用、如何减少摩擦阻力、减少部件间的干扰阻力等减阻措施，低速起飞着陆阶段的增升装置外形的空气动力设计，多学科优化设计，最后简要介绍高速民航机的气动设计。现代战斗机性能要求不断提高，并且涵盖多个方面，如机动性、超声速巡航特性、隐身特性、超视距作战能力等，因而课程重点包括了现代战斗机的气动布局，边条翼、鸭式布局、前掠翼等，隐身要求和空气动力的综合设计，发动机进排气系统及其与飞机的一体化设计，推力矢量化，机敏性和超机敏性等，并且重点介绍了数值模拟方法在未来飞机设计中的重要性。由于高超声速飞行器的迅速发展，课程也对其进行了简要介绍，高超声速飞行是洲际弹道导弹、回收卫星、飞船、航天飞机在上升段和再入大气层时，以及穿越行星大气层的宇宙探测器进入行星大气时将经历的飞行阶段，也是当前正在发展的跨大气层飞机和新型武器系统所必须具备的能力。由于学生高超声速空气动力学基础偏弱，故首先概述了高超声速技术的需求背景、高超声速空气动力学、高超声速流动的基本特性，然后重点介绍了气动力、气动热工程计算模型和高超声速飞行器热防护等内容。

二、教学方法的综合应用

1.板书、电子课件、多媒体资料的有机结合。在课程教学中，根据讲授的具体内容，结合板书、电子课件、多媒体资料等多种手段综合应用。由于上课的研究生专业不同，基础差异较大，故在讲授中，教师需要根据学生的具体情况，以空气动力学设计思想、设计理论为核心，辅以补充必要的专业基础知识和理论，这些内容比较适合以板书的形式，而多媒体资料可以加深学生的印象，提高学生感性认识，增加学习兴趣，加深对基本理论的理解，故板书、电子课件、多媒体资料等相互补充，相辅相成。

2.案例教学和理论教学相结合。教师在课程讲授过程中，注意理论学习和案例教学相结合，由于气动设计的基本理论和飞行器的设计发展更新换代直接相关，因而在基本理论的讲授中紧密结合具体案例，以提高学生的学习兴趣，加强学生的感性认识，加深对气动设计基本理论的综合理解。如在民机的气动设计中，重点介绍了空客380、波音787等飞机的典型设计特点，了解翼梢装置设计中与结构重量等多学科优化的设计思想，机翼载荷的展向分布设计特点等。结合F15、F16讨论发动机进气道的设计特点等。结合F22讨论现代战斗机的设计特点，机动性和隐身性的综合权衡，对空气动力学的挑战等问题。

3.课外研究报告的撰写与课堂讨论相结合。为增强学生的科研实践能力，在课堂教学的同时，要求学生课外针对教学内容相关专题查阅文献、综合分析、研究讨论、撰写论文，并组织学生课堂展示研讨，变学生被动听讲为主动学习研讨，以提高学生学习的主动性和自觉性，锻炼学生自主研究、综合分析问题解决问题的能力。在教学实践中，对论文选题给以合理指导，相对集中，以增加讨论的参与性，收到较好的教学效果。

4.考核体系的完善。在教学方法研究方面，进行了考核体系改革，结合考试、报告撰写、课堂研讨、考勤等多种形式，全面衡量学生的学习态度、知识掌握、灵活运用、收集整理资料、研究解决问题、撰写报告、表达能力等多方面的考察。并积极听取学生的反馈意见，为进一步改进教学质量，提高教学效果提供参考。

三、课程的特点

由于现代飞行器发展迅速，不断更新的飞机都集成了新取得的科研成果和先进技术，教学内容不断变化是课程的一个显著特点，取得高性能的变化多样的气动布局是空气动力学的理论知识应用于实际飞行器设计的杰出成果。将经典理论和飞行器前沿设计技术紧密结合，直接面向工程部门飞行器设计应用，故课程不仅要涵盖气动设计的基本理论基本方法，而且要和当前国际航空航天前沿最新水平接轨，反映国际最高水平，只有这样，才能使学生掌握最新的气动设计思想方法理论，更好地服务于工程实践。本课程不仅在空气动力学专业，而且对相关专业如飞机设计、固体力学等专业的研究生培养中都占有重要地位，是学生全面掌握飞行器气动设计的主要理论和主要方法重要的专业课，和飞行器设计工程实践密切相关，为学生毕业后从事飞行器设计提供空气动力学设计理论和方法支撑。课程综合性较强，覆盖面广，涉及多学科相关领域，选课同学有硕士、博士研究生、单位代培等不同类别。通过该课程的学习，学生对空气动力学在飞机设计中的作用与意义可以有更深的认识，同时也切实认识到设计问题的复杂性、多学科综合应用的重要性，有利于在今后的学习工作中更全面更综合的考虑问题，为以后科研工程实践奠定坚实的基础。

四、总结

本课程是一门重要的研究生专业课，在国内外相关课程中有其鲜明的特色，在教学安排上，注意教学内容改进完善，不断将最新的科技成果增加到教学内容中，将气动设计基本理论和飞行器设计前沿技术相结合；课程体系设计合理，教学方法多样，对飞行器气动设计的能力培养有重要意义。

作者:吴宗成 邹辉 高振勋 单位:北京航空航天大学

参考文献：

[1]潘翀,孙振佳,高琪.《近代流动测试技术》双语教学的理念与实[J].教育教学论坛,2014,(23):214-216.

[2]刘沛清,屈秋林,郭昊.关于加强我国现代高等工程教育的几点看法[J].教育教学论坛,2011,(20):36-37.

[3]刘沛清.空气动力学研讨课建设的探索与实践[J].力学与实践,2016,38(1):87-89.

[4]王晓军,邱志平.航空专业研究生课《飞机结构强度》教学改革探析[J].力学与实践,2013,35(4):60-62.

[5]杨华保,王和平.“飞行器总体设计”精品课程教学改革探索[J].高等工程教育研究,2007,(1):131-132.

[6]宋磊,黄俊.面向创新人才培养的飞行器设计专业教学改革研究与实践[J].学位与研究生教育,2011,(3):47-51.

流体力学研究报告范文第4篇

摘要：在研究性学习的开展中，学校的总体安排和宏观指导是开展好研究性学习课程的重要一环，而对“选题”、“研究方法”、“结果评价”等研究性学习的重要环节上的指导是搞好研究性学习的关键，要认真对待。

我校的办学思路、办学模式、教育观念、教学方法都具有鲜明的时代特征，培养具有自主教育能力、独立思考能力、终身学习能力的学生已成为二十四中人的共识。所以教师们在抓好教学的同时，都很注重科学研究，自觉地用理论指导自己的教育教学实践，这种良好的作风也深深影响着学生。学生自己创办了许多社团，如《蓝帆》文学社、《星空》杂志社，在大连市中学生中颇具影响力，学生自己撰写的科技小论文在省市比赛中多人次获奖。近年来，学校又在学生社会实践方面设计了很多活动，如寒暑假组织学生进行社会实践调查，《博物馆萧条之谜》、《大连市IT产业调查》等多篇调查报告被《大连日报》选用。

正在学校探索如何使学生能更加深入社会，把自己学到的知识应用于实践、在实践中丰富自己的知识的时候，教育部新一轮课程改革实施计划传达到了学校，师生们无不为之振奋。研究性课程的提出，为我们的探索指明了方向，也使我们认识到要求学生进行社会实践调查顺应了时代的要求，但以前的做法层次较浅，认识较模糊，学生实践的内容较盲目，成果还不是很显著。所以，学校领导对新一轮课程计划尤其是研究性学习课程十分重视，并采取了积极措施落实教育部的要求。首先，组织教师学习与研究性学习有关的资料，聘请华东师范大学王健研究员来校讲座，澄清了我们许多的模糊认识，使我们意识到研究性学习课程作为教育要求的必修课，它的意义和作用是深远的。其次，让几个骨干教师带头引路，梁立冬、于向东两位老师在高一年级中率先开始了研究性学习方面的探索。他们共同组织学生对“水的世界”开展研究，同学们热情高涨，分组就水的家族、水的污染与净化、海水淡化、海洋开发与利用、节约用水的方法、二十一世纪海洋城市构想、流体力学与造船等问题进行专题研究。学生们通过各种渠道查找资料，结合已有知识进行研究，撰写了精彩的研究报告，并把自己的研究成果做成软件展示出来，得到专家领导、教师及同学们一致好评。在此基础上，学校又在寒假作业中针对高一年级布置了研究性学习任务。这次研究的范围更广，涉及的领域更多，有天文地理、物理化学、历史政治、数学文学等与课本密切相关的内容，也有戏曲文艺、环境保护、航空航天、宇宙探索、中国入世等与课堂学习关系不大的方面，同学们的热情仍然不减。学生还利用假期撰写了大量有价值的研究报告。

前一段的探索有了成果，我们搞好研究性学习的信心更足了。结合已取得的经验，学校又做了以下工作：

一、开足课时，在高一开了三门研究性学习课程。

二、编写了具有我校特色的教材。

三、组织教师认真落实研究性学习计划，并制定相应的奖惩措施。涉及到的教师年终要撰写一份相关论文。

四、把高一年级学生分成116个研究小组，自己在校内外聘请指导教师，期末每个学生都要交一份研究报告，由指导教师评定等级记入档案。

五、在高二年级校内单科结业的科目中实行研究性学习，并且与学分制结合起来。

六、建立评价机制，以保证研究性学习持续健康地发展下去。对学生进行探究性学习的训练，既有利于提高学生的创造能力和实践能力，也为学生进一步适应研究性学习打好了基础。因此，我校提倡将研究性学习渗透到各个学科的学习中去。

三年来我校不断总结经验，更新方法，在各门学科中大胆尝试研究性学习的策略：“选问题″“引方法”“弱评价”。

一、选问题

选问题是开展研究性学习的前提。课前教师布置学生自主学习教材，一方面初步了解所学知识，另一方面在学习的过程中能对其中某个或某些知识点质疑并提出问题。对于这些问题，学生可以通过阅读书籍、上网搜询或与他人讨论来解决，也可以由学生将这些问题制作成课件，在课堂上研究解决。但更多的是学生们在课堂上提出需要研究

的问题。对于学生提出的问题，教师不是没有选择地都让学生去研究，而是有所取舍，其标准一是是否紧扣或符合学科的教学内容。研究性学习，有别于一般的常识讲座或知识竞赛，它必须有助于学生对教学内容的理解，否则就不能完成教学大纲的要求。二是是否具有“趣味性”，有趣味才能激起学生研究的欲望，调动学生研究的积极性。因此，教师应以教材为载体，根据教学内容的特性及时把握学生心理，将趣味性挖掘出来以点燃学生研究的热情，使学生尽快进入好奇、渴盼的情境和急不可耐探究新知的状态。如果学生对研究的问题兴趣不大，那么就不可能收到研究的预期效果。另外，所选择的问题一般以学生现有的知识结构为基础，比学生己有的知识适当深一点、难一点，以促使他们“跳起来才能摘到果子”。

二、引方法

引方法是开展研究性学习的关键。在“引方法”的过程中，教师要进行必要的、指导性的讲解，还要在发挥学生主体作用的同时提供方法、引导研究。教师应把握好三个重点环节：

第一、教会学生运用正确的分析方法。学生在讨论中往往会各抒己见，从不同角度，运用各种方法对问题进行论证。教师应指导学生对问题进行分析、比较较和归纳，使学生逐步认识到问题的本质。提醒学生不要用孤立、静止的眼光看问题，要用联系、发展的观点全面地认识事物，等等。学生只有初步掌握了这些基本的辩证法，才能够正确地、科学地分析问题。

第二、突出学生研究过程的参与性。全员参与是研究性学习的重要特征。在学生分组研究的过程中，教师要有意识地把不同类型的学生搭配在一起，便于互相影响、互相学习。这样，性格内向、胆怯的学生在交流中也能逐步获得自信、体验成功。

第三、教学生在讨论中学会交流、合作、吸纳和宽容。学生在讨论中发表不同意见时必然会产生碰撞、冲突，甚至激烈的争吵。教师要引导学生平等发表意见。学会对不同观点的尊重和宽容，学会吸纳别人的不同意见，来补充、完善自己的看法，学会与他人达成一致，共同分享成果等等。三、弱评价

具体来说，这种评价标准是弹性的：学生在探究过程中对已有知识的理解、掌握、拓展和运用程度；学生探究方法的科学性和合理性；全体学生在探究过程中的参与程度；学生对社会和科技发展的关注程度等等，都可以作为评价的标准。

最后是解决问题，即着力培养学生对未知探索的兴趣、习惯和科学的思维方法。课堂教学结束，不代表研究性学习的结束，为了把课堂学习内容延伸，教师还要布置有弹性、能引发思考的作业。归纳起来体现为“四性”：一是层次性，即思考题不是简单地重复学生在课堂上已经讨论过的问题，而是比其深一步的问题，或是课堂讨论中尚未解决的带有典型意义的问题。二是开放性，即学生对布置的思考题，可以通过各种途径（如查书籍、网上阅览、请教他人等）、各种形式（如写成文字、制作多媒体课件、讲演、个别交流等）完成。三是实践性，布置的问题尽可能通过学生动手或参加社会实践来解决。四是创新性，鼓励学生提其他同学没有想到的问题，或老师所留问题以外的问题。

研究性学习在我们国家还是一个新生事物，他的良性发展要靠广大教师群策群力，我们学校有决心在这个领域中做出成绩，为中国基础教育改革做出应有的贡献。

参考文献：

流体力学研究报告范文第5篇

进。

关键词受限射流堵头圆管热膜测速

AbstractMeasuresthetimemeanvelocityandvelocityfluctuationusingahotfilmanemometerwithdifferentconfinementratiofortheaxisymmetricturbulentjitIadead-endtunnel.Byanalysingthedatafromthemeasurement,proposesthedivisionoffourflowregions-thefreespread,confinedspread,contractionandzero-time-averaged-flowregions,andthecriterionandflowcharacteristicsforeachofthem,withafewnewempiricalformulasderived.

Keywordsconfinedaxisymmetricjetdead-endtunnelHWAHFAvelocitymeasurement

1前言

紊动射流是流体运动的一种重要类型，在航天航空、动力机械、化工设备、自动控制、水力采掘、民用消防、农业喷灌、环境工程、通风空调等许多工程技术部门中都有大量的射流问题。按照射流周围环境条件，射流可分为受纳空间无限大或远比射流特征尺寸大的自由射流与受纳空间有限的非自由射流或称受限射流。

在通风空调工程中，广泛采用射流送风。进入室内的射流大部分属于受限射流，如图1所示。射流由喷口喷入房间，只要喷口尺寸断面尺寸相比不是很小，其扩展就会受到房间围护结构（顶棚、墙壁或地板等）的限制和影响，形成回流。回流的存在是受限射流与自由射流的主要区别，对自由射流的实验和理论研究均已比较成熟，国内外系统介绍这方面研究的文献很多[1～6]，但对实际工程中更常见的受限射流流动特性研究却不多见，所以，从工程实际出发，研究受限射流具有重要意义。

图1房间通风射流示意图

从理论上说，受限射流是紊动射流的一种，而紊动射流作为典型的剪切紊流，尽管对它的研究已有几十年的历史，但至今仍然是一个非常活跃的领域，因为这些研究有助于加深人们对率流特性的认识，如对自由射流中拟序结构的研究就使人们对紊流结构有了新的认识和理解[7，8]，所以对受限射流的研究也可以增进人们对紊流现象的认识。

本课题采用热膜流速仪研究堵头圆管中不同受限度等温轴对称射流流场的时均和脉动特性，探求分析计算方法进行校核、补充或修改，并对射流内部紊动特性和运动机理进行探讨。

2实验装置

2．1实验设备

实验设备如图2所示，由风机、送风管道、稳流箱和实验段--堵头圆管等几部分组成。选用圆形截面堵头管来研究受限射流，是考虑到与矩形断面模型相比，圆管的轴对称性可大大减少测点数目，而且文献[9]中比较了矩形断面堵头管和圆形断面堵头管中受限射流的实验成果，指出以断面面积为特征尺度选择无量纲数，模型的断面形状对流速、流量的大小影响不大，只是对射流和回流的位置有影响。

图2实验装置示意图

1.吸风口2.送风机3.软接头4.铁皮送风管道5.风量调节闸板

6.稳流方箱7.格栅与纱网8.连接段9.射流喷嘴10.堵头圆管

2．2量测断面及测点布置

模型实验段如图3所示，堵头圆管内径D=240mm，全长L=170mm，等于模型直径的7倍多。根据罗津别尔格[9]的实验，射流作用的最大长度不超过堵头管直径的4倍数，故该模型长度充分有余。圆管制一端被封死，开口的一端装有送风喷嘴和连接

段，送风喷嘴用螺栓固定在喷嘴支板上。

图3模型实验段

1.连接段2.喷嘴支板3.喷嘴4.堵头圆管

由于模型的轴对称性，每个断面只须在一条直径上量测，在堵头管的上部和下部各开有一排圆孔，上部圆孔直径为8.5mm，其中标有"c"的圆孔在位置为最测断面，直探针（热膜探针和边界探针）从这些圆孔引入模型内部矛盾测量；标有"f"的圆孔是辅助量测孔，供弯头长50mm的皮托管引入模型对量测断面进行测量。

3量测仪器

3．1热膜流速仪

实验采用美国TSI-1050A恒温型热膜/热线流速仪量测流速，探针选用长1mm，直径51μmr1210-20型圆柱热膜探针。热膜流速仪以热平衡原理为基础，利用置于流场中由电流加热的敏感元件来量测测点速度。TSI-1050A热膜流速仪框图如图4所示，液体速度的变化使探针产生的电讯号经1050A放大处理后，输入IFA-200进行A-D转换，然后输入计算机主机（HP-100）。智能型终端（2623A型）由键盘控制，并通过它来选择各种采样参数，进行数据存储与计算分析处理，结果可用表格和图形在屏幕上显示，也可由热敏打印机输出。

图4TSI-1050A热膜流速仪框图

3．2正反流分界线探针

喷入堵头管中的受限射流，其流场特点是内部存在零流速点，且上下流动方向相反，而采用标准的热膜探针不论流速方向如何，输出的电压值总是正值，所以必须采用其它方法判定流速方向。根据文献[11][12]设计了正反流分界线探针（图5），探针头部是两根相对的直径为1mm的细管，两细管彼此错开约1mm，可感受两个方向的压力。将此探针由各测断面的圆孔伸入堵头管内，只有当轴向流速为零时，两细管感受的压力才相等，将探针在各断面上下移动，即可测得正反流分界位置，即射流边界。文献[12]用这种探针测量了通道内稳定器后带回流区流场正反流分界线，通过分析认量测结果是可靠的。

5正反流分界线探针

4实验成果与分析

4．1实验条件与量测结果

4．1．1实验基本参数

为了比较全面地研究受限射流，实验采用了6种不同的喷嘴出口直径，对应着较大的受限度范围（=4.25～53.17，Fn为堵头圆管横截面面积，do为喷嘴出口直径）。喷嘴出口流速的选择，保证了出口雷诺数处于自模区（Re0>104）。各组实验的基本参数见表1。

表1受限射流实验基本参数

实验组次123456

喷口直径d0/mm4510204050

堵头圆管直径/mm240240240240240240

受限度53.1742.521.310.65.324.25

喷嘴出口温度/℃22.3±0.222．5±0.223.4±0.327.0±0.424.5±0.323.6±0.2

喷嘴出口流速/u0/m/s57.4747.057.8629.3629.337.84

喷嘴出口雷诺数Re0/1041.441.473.623.677.335.03

表中

4．1．2各组实验量测结果

实验量测的时均流速及脉动流速相对值的典型结果见图6。图中的轴向流速脉动相对值是指，um为射流轴线时均流速。射流边界位置由正反流边界探针确定。边界附近的时均流速参考皮托管量测进行了修正（图6a给出修正后的时均流速分布）。距喷嘴出口距离增大后，由于流速减小，正反流边界探针分辨不出边界，所以后面的断面没有给出时均流速分布，但给出了脉动流速分布。

图6时均流速与轴向流速脉动相对值沿程分布图

4．2堵头管中受限射流的一般特性及分区

根据对实验成果的整理分析，受限射流流场可分为四个区：I自由扩展区，Ⅱ受限扩展区，Ⅲ收缩区，Ⅳ零均流区，如图7所示。

图7堵头管中受限射流流场示意图

I自由扩展区，Ⅱ受限扩展区，Ⅲ收缩区，Ⅳ零均流区

在第一临界断面C1之前为自由扩展区，C1断面之后，射流的扩展受到边界和回流的限制，其卷吸周围流体作用减弱，射流半径流量的增加速率逐渐减慢，但总的趋势仍是半径增大，流量增加，故称为受限扩展区，直到第二临界断面C2。此后，射流运动发生根本转折，射流流线开始越出边界产生回流，射流区流量沿程减少，在第二临界断面上射流区流量达到最大值，而射流半径在C2断面稍后达到最大值，然后逐渐缩小，称为收缩区，收缩区末端位置（第三临界断面）由射流最远作用长度决定。可根据实际工程中对轴线流速的限值给出（详见4.3.1）。第三临界断面和圆管堵头之间是第Ⅳ区--零均流区，或称尾部旋涡区，该区气流的特点是处理"阻滞"和"堆积"状态，形成一个或多个不稳定的大尺度旋涡，旋涡诱导的瞬时流甚，时间平均流速为零，压力均匀。

堵头管中的射流，在第I和第Ⅱ区所卷吸的流体来自本身的回流，管内空气产生多次循环，排除的只是从喷口喷入的那部分空气量。

4．3受限射流的时均流动特性

4．3．1受限射流轴线流速变化规律

射流进入堵头管后，由于动量的衰减和横向传递，流速不断降低。图8是射流轴线上时均流速随无量纲距离x/d0的沿程变化。

从图中可见，轴线流速的变化取决于射流的受限度。当受限度很大时，轴线流速急剧下降，射流相对射程x/d0随着受限度减小而增大。而且随着受限程度减小，轴线流速的变化曲线互相趋于接近，当受限度很时，趋近于图8中用虚线表示的自由射流轴线流速变化曲线，射流受了程度越大，其轴线流速变化曲线um/u0=f(x/d0)离自由射流的曲线越远。

图8轴线流速随x/d0的变化

图9是用无量纲距离表示的轴线流速沿程变化。图9a中曲线表示巴哈列夫经验公式计算值。从图中可见，实测值与经验公式计算值在趋势上是一致的，但在数值上，前者大于后者。巴哈列夫的受限射流轴线流速经验公式是把受限度引入自由射流轴线流速公式之后拟合实验数据得到的。他采用的自由射流轴线流速公式为

（1）

式中<1时，≥1时，A=6.5a（2）

图9轴线流速随的变化

巴哈列夫把自由射流看作受限射流的极限情况，将受限度以e的指数形式引入式（1），得以受限射流轴线流速表示式：

（3）

式中的指数m即反映射流受限程度的影响，根据实验数据，巴氏得到

（4）

由此可见1自由射流的轴线流速公式在巴氏受限射流轴线流速经验公式中起着重要作用。图10比较了式（1）和Tollmien的理论解[1]，即，发现巴氏所采用的自由射流轴线流速公式（1）的计算值低于其它学者的研究成果。本文采用Tollmien理论解的数据拟合式（1）中的因数A，得到当<1时（5a）A=6.85a当≥1时（5b）于是经过修正的受限射流轴线流速经验公式变为

（6）

式中A按式（5）选取。

图10自由射流线流速沿程变化

图8、图9b中的曲线均是根据式（6）计算得到的。从图中可见，实测值与之基本相符。

考虑到射流作用的末端，断面上流速分布趋于均匀，轴线流速与断面平均流速相差不大，在实际工程中可把轴线流速达到给定值ud时的长度定义为射流最远作用长度。ud根据需要选定，在通风空调中ud一般为0.07～0.04m/s[9][13]，代入式（6）可以得到受限射流的最远作用长度，也就是第三临界断面的位置。

4．3．2受限射流流量的变化规律

根据实测断面流速分布，可得受限射流的流量Qj。图10是受限射流流量随时无量纲距离的沿程变化。由于管壁边界限制了射流的发展，受限射流的流量不像自由射流那样沿程增加，而是先逐渐增大，到达第二临界断面之后，由于气流的回转，射流流量逐渐减小。在图10中，从射流喷口到第一临界断面的自由扩展区，流量增加很快；随后的受限扩展区，流量增加速度逐渐减慢并在第二临界断面处达到最大值；第二临界断面以后，射流流量逐渐减小。

射流流量的沿程变化在一定程度上反映了射流的卷吸性质，从图11a可见，射流受限越大，相对流量Qj/Q0最大值越小，卷吸量越小。图11b是各个受限度射流无量流量的综合结果。从图中可见，不同受限度的实验点比较接近，可用一条曲线表示。图中曲线1是根据巴哈列夫经验公式计算得到的。从图中可见实验点与之偏差较大，归因于巴哈列夫量测流速的仪器--电风速仪在紊动强度较高时精度较差。

仍选用巴氏经验公式的形式，拟合实验数据，得到

（7）

如图11b中曲线2所示。图11a中的曲线也是根据式（7）给出的。两图中小受限度的一些断面与其它实验点偏离的原因可能是小受限度时，喷口直径很小，相应的喷口流量Q0也小，这样流速量测时较小的误差可能导致Qj/Q0较大的误差，故在拟合式（7）时没有包括明显有误差之点。

图11射流流量随的沿程变化

根据实验结果，射流在各种受限度下，第二临界断面均在同一无量纲距离c2=0.21处,在此断面上，射流量达到最大

值：（8）

4．3．3受限射流射流区平均流速变化规律

根据受限射流流量及射流半径的变化规律，可得到受限射流射流区平均流速的沿程变化规律，如图12所示。从图12b可

见，各受限度下射流平均流速无量纲综合值的分布很有规律。由上述实验成果，可得到射流区平均流速变化的经验公式

（9）

根据式（9）所作的曲线与实验数据基本相符。

图12射流区平均流速沿程变化

4．3．4受限射流回流区平均流速变化规律

如前所述，堵头管中受限射流，由于边界的限制，射流的外部存在回流。在通风空调工程中，工作区通常位于回流区，这是因为回流区流动的流速和温差已充分衰减，具有比较均匀稳定流速场和温度场，所以回流区平均流速是通风空调设计的重要指标，在实际工程中，往往要限制回流区平均流速最大值不得超过工作区风速的允许值。

目前，在通风空调工程设计中，巴哈列夫实验得到的回流区平均流速经验公式

（10）被广泛采用[13，14]，但在文献[9]中这个经验公式里的回流区平均流速定义不明确。断面平均流速是相应流量和相应面积的比值，但文献[9]却先给出回流区平均流速在堵头管长度上的变化。拟合得到式（10），然后由连续原理得到回流流量Qr（等于同一断面的射流流量Qj）和式（10），给出了回流面积，未免令人费解。

本文定义每个断面上的回流区面积Fr等于圆管面积Fn与射流区面积Fj之差，即

Fr=Fn-Fj（11）

再由（12）得到各断面的回流区平均流速。

图13表示回流区平均流速随的沿程变化。从图中可见，喷口直径越大，越小，回流区平均流速无量纲vr/u0越大。并且受限度不同的射流，在第二临界为面c2=0.21处回流区平均流速均达到最大值。

图13回流区平均流速随的沿程变化

图13b中曲线是不同受限度实验数据的拟合曲线，所得的拟合公式为

（13）回流区平均流速从喷口开始逐渐增加，至第二临界断面c2=0.21达到最大值，然后又逐渐减小。在第二临界断面上，回流区平均流速最大值等于（14）

4．4受限射流的紊动特性

根据图6中给出的堵头管中受限射流轴向流速及相对值的沿程分布，可以对受限射流的紊动特性进行初步探讨。

图14是不同受限度下射流轴线上随x/d0的变化（在射流轴线上，ε1与相对紊动强度相同）。图中虚线取自参考文献[15][16]中自由射流数据。

图14射流轴线上相对紊动强度沿程变化

从图中可知，在自由扩展区，不同受限度射线轴线上相对紊动强度变化与自由射流基本一致；而自由扩展区之后，受限射流细线上紊动强度沿程持续增加，并不是趋于常数。分析其原因，无论是自由射流还是堵头管中的受限射流，在射流轴线上ui/xj=0，因而轴线上不产生紊动，轴线上的紊动是由上游的输运和附近的扩散引起的。在受限条件下，由于回流的存在，射流断面上流速分布更不均匀，轴线附近紊动加大，因而扩散到轴线上的紊动也相应地增加；同时，主流的波动也是导致相对紊动强度增加的原因。

从图6可见，不同受限度射流轴向流速脉动ε1在断面上的径向分布情况，气流从喷口喷入堵头管中，在势流核心区没有完全消失的断面，核心区内ε1很小；随着径向坐标r的增加，ε1先是逐渐增大，增大到一定程度后开始减小，直至射流边界附近；此后r再增大，ε1基本保持为常数。结合断面上时均流速的分布，可以得到，从射流轴线开始，随着r的增加，相对紊动强度先是和ε1一样逐渐增大，但当ε1达到最大值并开始减小时，由于时均流速u的减小，ε将趋近于∞。而在射流边界以外的回流区，虽然ε1保持在一个较低水平，但由于时均流速同样较低，相对紊动强度ε值仍然较大。从图6中还可以看出，随着轴向距离的增加，整个断面的轴向流速脉动均增大，并逐渐趋于均匀。

图15给出的是d0=20mm，=10.6的射流各断面上回流区轴向流速脉动相对于回流区平均速度vr的沿程变

化，从图中可以看出，随着回流越接近出口，ε2值越大，这主要是vr迅速减小的结果。

图15回流区ε2沿程变化

5结语

5．1以往对堵头管中射流时均特性的研究成果定性上是正确的。但是，由于实验多在早期完成，受到量测手段的局限，定量存在一定的误差。本文采用了热膜流速仪以及专门设计的正反流边界探针，使得研究成果具有较高的可靠性。

5．2堵头管中射流的发展可分为四个区：自由扩散区、受限扩展区、收缩区和零均流区。分区的第一临界断面和第二临界断面分别在c1=0.09和c2=0.21处，第三临界断面则由射流最大作用长度决定。

5．3对巴哈列夫关于受限射流轴线流速沿程变化的经验公式进行了修正，见式（6）受限射流、流量射流区平均速度沿程变化可分别按经验公式（7）和（9）计算。

5．4通过定义回流区面积等于堵头管面积与射流区面积之差，给出了通风空调设计的重要指标--回流区平均速度的经验公式（13），澄清了巴哈列夫对回流区平均速度定义的不明确之处。

5．5在实验所包括的协诺数范围内(Re0>104),受限射流的流动与雷诺数无关，这主要是由于在高雷诺数情况下，旋涡结构的变化主要在于最小旋涡尺度的减小，而大旋涡尺度基本不变，由于卷吸强度受尺度旋涡的影响，故受限射流的卷吸强度亦不随Re0而变化。但是，受限度影响流动的发生发展以及卷吸强度的大小，受限度越大，射流所卷吸的流量越小。

5．6在受限条件下，由于回流的存在，射流的紊动在整个堵头管中都很剧烈，尤其是在收缩区和零均流区。预示依据研究堵头管中的射流，无论是理论分析还是数值计算，必须对运动方程中流速脉动项给予充分的重视。

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