流体力学工程案例

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流体力学工程案例范文第1篇

【关键词】专业认证流体力学教学改革考核方式

1.教学现状及分析

流体力学是一门专业基础课，其主要的先修课程有高等数学、大学物理、理论力学、材料力学等。由于流体力学对知识储备要求高，研究对象又是不具固定形状的流体，其理论教学比较抽象，因此教学现状有以下几个特点。课堂教学尽管采用多媒体方式，但流体力学的理论性太强，使得现有的多媒体教学课件形式单一，内容不够丰富，导致教学仍以口授与板书为主，课堂互动性明显不足，学生学习缺乏主动性、积极性；缺乏实践性教学环节；缺少有效的师生沟通平台。由于师生交流少，容易造成“教”、“学”分离，给课程的教学效果大打折扣。

2.考核现状及分析

现阶段流体力学的考核方式，大部分仍然采取30%的平时成绩和70%期末考试成绩。本课程包含大量的经验公式及公式推导过程，对比近两年的学生成绩，目前该课程的考核方式并不理想。

3.改革措施

3.1教学改革措施

流体力学课程需要掌握的概念多、公式多，学生学习积极性不高，需要教师对课程不断开展改革探索。为解决目前流体力学课堂教学中存在的问题，针对教学环节提出以下几个改革方案。

3.1.1完善教学大纲

根据工程教育认证标准，应进一步修订和完善教学大纲和教学计划，优化学时分配。在保证《流体力学》基本概念、基本原理以及基本理论授课时间的基础上对课程设计进行改革。比如，适当增加数学知识基础；导入课程最好用动画或者试验吸引学生的注意力，提高学生学习的兴趣；适当增加学生课后的作业，以讨论性的分析和推导公式为主。

3.1.2增设案例及课堂讨论环节

增加相关内容的案例，设置科学问题，然后分组讨论，引导学生分析问题。以流体静力学的基本公式为例，通过电视节目中模拟的桶裂实验为引导，提出问题，留有悬念。然后通过公式推导理论验证，最后给同学们讨论的时间。另外，有条件的还可以专门设置一堂实验课，课上分组展示并讲解学生在课下自行设计的桶裂实验。

3.2考核评价改革措施

增加平时考核的占比是课程改革的趋势。根据专业认证的要求，增加平时的教学工作量，为学生准备与重点知识相关的小课题，增加课堂讨论环节是一个新思路。根据课堂表现进行部分考核，提高学生平时考核成绩。从而去除纯记忆类题目，只考核综合理解类和综合应用类试题，适当增加期末考核难度，以督促学生平时注意积累。

3.3自编应用型教材

教材是学习的依据，作为机械类流体力学教材要体现理论与实际相结合，突出应用性。对于有经验的教师，可以在总结多年知识积累和教学、科研成果的基础上，结合相关流体力学书籍，撰写属于自己的机械类教材《流体力学》。自编教材对学生而言更实用，体现在以下几点。一是自编教材主要以教学大纲为依据，整体上与课堂教学具备较高的统一性。内容编排按课堂教学节次循序渐进，学生自学时，逻辑和思路清晰，课上课下的自然衔接，更具有启发性；二是可以根据课上学生的反应精简方程式数学推导内容和过程，尽量将抽象概念形象化、简单化和透彻化，使之通俗易懂。或者在课堂上减少推导过程，而在书中将推导过程编写的更加详细，甚至添加多种推导方法，便于自学；三是理论联系实际，集教学与科研成果于一体，使得课堂内容具有较高的客观性、有效性和科学性，如此更有利于解决实际问题，指导工程实践和生产活动；四是丰富例题和习题，除计算题外还设有简答题、选择题等多种题型，并给出参考答案。

流体力学工程案例范文第2篇

关键词：生化工程；生物技术；计算机技术；过程控制；反应器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）51-0136-02

自上世纪50年代初在国内高校首开发酵工程专业以来，《生化工程》课程一直作为江南大学生物工程专业重点建设的专业基础课程。围绕培养实践型、应用型发酵工程人才，我们在教学中，坚持理论与实践结合，在教学方法上进行了有益的尝试。在生化工程的教学过程中，除了围绕《生化工程》的相关教材讲述生化反应动力学与反应器方面的基础理论外，重点还介绍了最新技术在发酵过程优化与控制以及生化反应器放大中的应用。

一、基于代谢工程和智能工程的集约型发酵过程控制

发酵过程控制技术是利用过程自动控制和系统工程的手段，通过动态调控诸如底物流加速度、通风量、搅拌速度、温度、pH、操作时间和方式等外部环境因子对发酵过程的性能指标实施优化。发酵过程控制技术可以称得上是发酵工程的核心关键技术。近年来，以人工神经网络为代表的智能工程技术和以代谢工程为代表的现代生物技术已经逐步、大量地渗入到发酵过程的建模、过程故障诊断和早期预警乃至过程控制与优化等诸多领域。先进的过程控制技术、智能工程技术、代谢工程技术与发酵工程的融合才是现酵过程控制的发展方向和大趋势。人工神经网络（artificial neural network，ANN）作为人工智能技术的核心，其固有的学习特性和模拟非线性的能力非常适合发酵过程，目前在发酵工程中的应用相当普遍，在系统辨识、建模、优化、控制等各方面都有广泛的应用和显著的效果[1]。神经网络能由已知的过程输入得到过程的输出，从而建立过程模型。

人工神经网络的广泛应用主要是由于它具有以下特点：（1）神经网络具有典型黑箱模型的特性。（2）对于复杂系统，网络内部各接点间的连接权值包含着对过程输入、输出关系的描述，通过选择一定的网络拓扑结构和较为方便的学习过程，多层前馈神经网络能以任意精度逼近任意非线性映射，带来了一种有效的、智能的表达工具。（3）模型一般为多输入和多输出的并行信息存储与处理结构，从而具有独特的容错性和并行计算特点，大量复杂的控制算法能够得以快速实现，因此可方便地用于多变量控制系统。（4）固有的学习能力降低了系统的不确定性，适应环境变化的泛化能力得到了增加。在估计预测过程中，网络内部的连接权值的综合作用即是模型的具体表达，使模型充当了一个逼近真实过程模型的角色。用于网络的训练样本和检验样本能否达到令人满意的精度或可信度是衡量神经网络建模效果好坏的主要依据。ANNPR控制策略在控制和优化毕赤酵母生产外源蛋白的控制中起到了很好的效果。例如该控制策略在甘油流加培养阶段维持较高的重组毕赤酵母比生长速率，同时避免诱导前甘油的积累，最终提高pIFN-α的产率。除了pIFN-α发酵生产过程，这一新的控制方法还能用于其他毕赤酵母表达外源蛋白的过程。

二、发酵过程在线故障诊断和早期预警技术

在实际的发酵生产过程中，仅仅依靠发酵过程的控制和优化并不能确保生产过程中每一批次的高效和稳定。而且一些在线参数测量电极在工业上的应用还不够成熟。一旦过程参数偏离最优的控制水平，发酵产量就会大大下降，甚至导致发酵彻底失败。甲醇营养型毕赤酵母是目前应用效果好且用途最广泛的一种外源蛋白表达系统。它具有许多明显的优势，蛋白分泌表达的启动子受到诱导剂甲醇的严格调控，诱导表达的大部分目标蛋白可以分泌到胞外，有利于降低下游的分离和纯化的成本等。在发酵生产过程中，基于OUR变化模式的故障诊断方法是一种常用的方法，但运用单一过程参数进行过程控制和分析不具有代表性。通过选取多个在线参数，针对不同的毕赤酵母发酵过程，建立通用的诊断模型具有广泛的意义。在毕赤酵母表达重组融合蛋白过程中，在诱导期如何准确有效地控制甲醇的浓度并保持pH值的稳定是发酵过程控制的关键。以前的各种基于神经网络的故障诊断方法大都基于复杂的数据分析和各种网络的构建，没有具体结合发酵过程的特性，菌体的代谢以及生理状态分析，参数的选择也没有针对不同阶段的发酵特性，识别的效果相对较差。但是通过对所有的在线数据进行评价筛选，基于对诱导期菌体生理状态和发酵过程参数的深入研究，提出的基于自联想神经网络的故障诊断系统能起到很好的效果[2]。

建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN大致包括五个主要步骤。首先在正常发酵条件下，对一些关键过程参数进行在线的监测和存储，建立具有系统生成、实时数据库生成等功能的软件和数据库。然后建立上述状态变量的数值以及相应的误测数据与“正常”和“非正常”发酵的性能指标（以产物浓度、生产强度、糖酸转化率等为基准）间的简单、定性关系表，从而为实现早期预警后、反推故障原因、及时采取补救措施提供依据和可能的信息。接着建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN。通过对已知正常发酵样本数据中未参与训练、学习的数据进行验证计算，确认所建立的AANN模型的通用性和精确度可以达到和满足规定要求。然后建立基于AANN模型的在线故障诊断和早期预警。最后一旦AANN模型检测到发酵处于“异常”状态，则可以反推可能造成发酵处于“异常”状态的原因。比如说，检查一下温度、pH、溶氧电极和尾气分析仪是否出现故障，气路和水路（冷却水）有无堵塞，等等。如果能够找到原因，则采取相应的补救措施，促使发酵尽快恢复正常；如果确实找不到原因，则可继续等待一段时间、观察发酵能否自动恢复正常。如果仍然不行，则应当机立断、及时放罐。总之，应用自我联想型神经网络的目的在于建立以人工智能工程为基础的、简易、通用和集约型发酵过程控制系统，并实现发酵过程中的故障诊断和早期预警。

三、计算流体动力学在生化反应器设计和放大中的应用

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟是21世纪流体力学领域的重要技术之一，该模拟技术的基本原理是利用离散化的数值算法求解控制流体流动的微分方程，得出连续流场在一定区域上的离散分布规律，从而“模拟”流体流动情况。FLUENT是目前世界应用范围最广的商业CFD软件包之一，该软件在对流态进行数值仿真模拟计算方面有着广泛应用。带搅拌的生物反应器在发酵工业有着广泛应用，搅拌和混合是化学工业中重要的单元操作，体系混合过程和效果往往成为影响反应产率等的重要因素。为评估和研究搅拌系统的传氧效率和功率消耗，优化反应器的整体结构，采用计算流体力学技术对所设计的新型反应器进行了计算机模拟，采用FLUENT？作为计算平台，采用基于Euler-Euler方法的Mixture模型处理气液两相流问题，气泡聚并和破裂过程通过群落平衡方程计算，最后将计算结果与实验测量数据进行比较[3]。计算表明CFD计算的各参数预测值与测量值偏差均在±10%以内，能够较准确地再现设备内流体的运动状态。这为利用数值模拟技术优化反应器设计和生物反应器工程放大奠定了基础。在前期工作中，通过中试生产和80立方生产规模下的结冷胶发酵过程试验，新型通风发酵罐表现出优良的传质性能和节能效果，不仅是结冷胶的发酵产率从18g/L提高到22g/L，而且单批发酵过程的电耗节省20%，显示出技术良好的应用前景。由于这种新型的通风发酵设备在发酵领域具有普遍意义和宽广应用范围，对于通风发酵领域的产品都有参考意义，所建立的设计和制造方法对于大型发酵罐的放大方法具有重要的现实参考意义。

采用以CFD数值模拟为主结合实验测量验证的方法研究了三层组合桨对黄原胶溶液的气液分散及混合的效果。根据发酵罐下部通气的特点，底层搅拌桨选择径向流搅拌桨，中层和上层桨设置了轴向流搅拌桨。具体桨型选择为径向流桨为SPT桨，轴向流桨为四叶旋桨式搅拌器（KSX）。

四、结束语

生化工程课程具有知识点多，学科交叉性和应用性强的特点。课程项目在实施过程中，教学团队应该结合最新科研转化成果，提炼生化工程的典型案例，将生化工程的理论学习与工程学习紧密结合起来。新增案例库、例题库等，以典型发酵工程案例为引子，结合生化工程的理论知识，注重培养学生的自学能力和科学的思维方法。注重在课堂上引入最新科研成果，对开拓学生视野、了解生化工程领域最新科学前沿技术的发展具有重要作用。

参考文献：

[1]史仲平，潘丰.发酵过程解析、控制与检测技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

流体力学工程案例范文第3篇

对高炉鼓风脱湿系统除雾器的除雾机理进行了详细分析，在此基础上参考实际运行参数，采用计算流体力学（CFD）方法对除雾器挡板结构内的气液两相流动进行了数值模拟，得到了液滴的运动轨迹以及液滴质量浓度、压力、速度和旋涡分布情况，并对除雾器挡板结构内部两相流场进行了深入分析.结果表明：鼓风脱湿系统除雾器能够对携雾气流中的液滴进行有效的分离，从而保证鼓风脱湿系统连续可靠地运行.研究对除雾器的优化设计和运行具有指导意义.

关键词：

除雾器； 鼓风脱湿； 两相流； 压降； 流场

中图分类号： TQ 051.8文献标志码： 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

钢铁企业高炉鼓风站的电能消耗十分巨大，其中，鼓风脱湿系统中除雾器阻损对鼓风机的电能消耗影响较大[1].高炉鼓风系统设置的除雾器主要用于清除由鼓风冷凝时产生的游离雾滴，提高鼓风质量.

本文拟对鼓风脱湿系统中丝网与挡板组合式除雾器的分离机理进行详细分析，在此基础上对除雾器挡板结构内部气液两相流动进行数值模拟，得到流道内液滴的运动轨迹及压力、速度、旋涡分布，为除雾器的进一步优化设计提供指导.

1除雾器的结构及工作原理

在脱湿除雾器中，挡板主要起导流作用，究其原因在于多层丝网结构的除雾效率很高（根据现场测试数据，对于粒径大于1 μm的粒子，分离效率高达99%；对于粒径大于2 μm的粒子，分离效率高达99.6%）.携雾气流流过丝网结构后，其中所夹带的液滴几乎全部被捕集除去.液滴在重力作用下沿丝网的丝径向向下运动，同时继续吸附气体中夹带的雾滴，凝聚变大的雾滴滴落在挡板上，沿挡板流入水槽中，进而排出除雾器外，实现除雾.

本文所研究的鼓风脱湿系统中除雾器布置在脱湿器内二级冷却器之后，为压板固定的框架式8层×8块钢丝网结构（7块斜挡板）.除雾器除雾构件如图1所示.在除雾器中，携雾气流流过钢丝网层实现气液分离，而被丝网捕集分离和与挡板撞击分离的液滴则经挡板导流引入水槽中，进而被排出除雾器外.

携雾气流在除雾构件内流动，由于流线偏折，在惯性作用下，液滴不能随气流偏转而撞击到挡板上，其中：动量较小的液滴粘附在挡板表面被捕获；动量较大的大液滴撞击挡板表面发生溅射，产生多个小液滴.聚集在挡板表面的水滴受三种力的作用，即拉力、重力和表面张力.当重力占主导地位时，液滴在重力作用下沿挡板表面流入集液槽排出.气流冲刷挡板表面的液膜，将其卷起、带走.撞击在挡板表面的液滴由于自身的动量过大而破裂、飞溅，均可能导致雾沫的二次夹带.

2模型建立及网格划分

携雾气流在除雾器内的流动实际上是一种可压缩的黏性流体的三维、非定常的复杂流动.对这一实际流动情况无法采用数学形式精确描述.本文从既能较好反映实际情况又力求模型构造简单角度出发，在合理误差范围内对流场作简化：

（1） 由于气流速度较小，马赫数远小于0.1，故可把气体视为不可压缩气体处理[2]；

（2） 考虑在实际的稳定工作条件下，流动参数与时间的关系及气流的振荡对流场的影响可忽略，故将流动视为定常流动；

（3） 采用冷态条件，过程中不考虑温度的影响，不考虑气液传热和液体蒸发等现象；

（4） 由于液滴粒径很小，故可作球形处理，考虑流动中其重力和气相对液滴的曳力；同时假定其在运动中直径不变，不考虑液滴之间的碰撞、聚合等现象，且忽略蒸发、摩擦、撕裂及热效应的影响，不考虑气液两相之间的任何能量交换；

（5） 液滴无溅射，不考虑壁面反弹、液膜形成与撕裂，忽略二次带水的影响；

（6） 液滴接触挡板，即认为被捕集；液滴到达除雾器出口时，即认为液滴逃逸.

本文采用计算流体力学（CFD）应用软件Fluent进行数值计算，应用其前处理软件Gambit生成网格，并参考以往的数值计算结果和经验[3]，整个计算区域采用非均匀的网格布置方式.为了提高整体网格质量，网格划分时先对除雾器部分进行网格加密，采用内部面将除雾器所在体与其他体分离.

将模型分割为四个计算区域：方管段、除雾器、渐缩段和圆管段.先划分除雾器的相关网格，在挡板结构上生成线网格，采用相似边界软连接，再采用混合结构网格从已有边界网格生成挡板结构体网格，最后生成除雾器的体网格.除雾器简化三维模型如图2所示.其四个计算区域的网格划分均采用混合结构网格，共生成75 965个节点，353 251个混合形式网格.除雾器网格划分如图3所示.

3数值计算方法及边界条件

在除雾器内流场的数值模拟中，通道内包括互相之间交换质与能的三相――气相、气流夹带的液滴相和挡板表面的液膜相.本文采用两相流模型，只考虑气相和液滴相.

对于连续相（气相），由雷诺数可知流动为湍流.本文采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合，采用有限体积法对算例进行离散处理.压力采用Standard离散格式，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用二阶迎风离散格式，以获得较准确的解.

对于离散相（液滴相），由于除雾器中气流内液滴的体积分数小于10%，故可忽略颗粒之间的相互作用、颗粒对气相的影响、颗粒的运动轨迹[3-5].本文选用基于LagraianEulerian法的DPM（discrete phase model）模型，按拉格朗日方法对各个颗粒方程进行积分求解.

交替求解离散相与连续相的控制方程，直到两者均收敛从而实现离散相与连续相双向耦合.

携雾气流中液滴流动轨迹计算时只需考虑阻力和重力的影响[6].

气相作为连续相在欧拉坐标系中描述；液滴相作为离散相在拉格朗日坐标系中描述[7].初始条件及边界条件分别为：

（1） 连续相（气相）

介质：空气，密度为1.205 kg・m-3，动力黏度（20℃）为18.1 μPa・s.

进口条件：给定气流速度uy=1.2 m・s-1，ux=0，假设其在进口截面为均匀分布，湍流度为0.05[8].

出口条件：自由出流.

壁面条件：无滑移，绝热.

（2） 离散相（液滴相）：

介质：水，呈细小液滴状，密度为1.0×103 kg・m-3，平均液滴直径为5 μm，鼓风含湿量为10 g・Nm-3.

进口条件：设定液滴速度与气流速度相同[9]，喷射类型选为表面，使液滴在进口截面均匀分布.

壁面条件：选择捕集类型，即不考虑反弹，液滴触及壁面即认为被捕集，不考虑二次夹带效应.

当计算连续性残差、速度残差、湍流动能残差、湍流耗散率残差均降至10-3，且入口与出口气相流量相差小于3%时认为计算收敛[10].

4流场分布及分析

4.1液滴质量浓度分布

图4为计算得到的液滴质量浓度c的分布.由图可知：在捕集液滴的除雾构件区域及起导流作用的挡板附近液滴质量浓度明显较高，而在整个除雾构件中第四至第六块斜挡板之间区域的液滴质量离效果已足以保证系统连续、可靠地运行.

4.2液滴颗粒的运动轨迹

采用Fluent软件对除雾器进行模拟，得到的连续相和离散相的运动轨迹如图5所示，其中图5（b）为计算得到的除雾器内液滴的随机运动轨迹.由图5（b）可知，液滴运动轨道主要集中在除雾器除雾构件中的中间五块挡板部分区域，这对于除雾器的工程优化设计有着重要的指导意义.此外，液滴主要在除雾器中被捕集，小部分进入渐缩段与壁面发生碰撞而被分离.被捕集的液滴主要源自携雾气流的主流两侧，由于受到气流速度梯度影响，其在流线偏折时所受离心惯性作用较大，容易发生偏转，撞击在壁面上而被捕集.故除雾器入口处液滴参数的设计对除雾效率的提高具有较大影响.

由图5（b）亦可知，鼓风脱湿系统中的丝网与挡板组合式除雾器可有效地实现气液分离.

4.3压力及速度场分析

除雾器中压力和速度分布云图如图6所示.由图可知，方管段和圆管段压力、速度分布较为均匀.携雾气流流过除雾器挡板结构的过程中未出现显著的压降，而流过除雾器出口处的渐缩段时发生了明显的压降，降幅达142 Pa左右.其产生的主要原因是流体的流通面积减小，并且截面形状突然改变，流体流线被迫发生改变[11].由于旋流作用较强，在渐缩段方圆突变截面后出现了明显的低压区，在渐缩段后方圆突变截面处及其后一段距离内亦出现了显著的压降.

4.4旋涡分布

脱湿除雾器内的湍流动能和湍流耗散率分布如图7所示.在整个脱湿除雾器中，湍流耗散最强烈的区域为渐缩段后一段距离.在除雾器除雾构件中，中间五块挡板部分区域的湍流动能最大，湍流耗散强烈，是除雾器内实现气液分离的关键区域，携雾气流流过除雾器通道时，气流主要流道在该区域.由于惯性力的作用，气流中液滴的跟随性变差，速度迟豫时间延长，所以易于碰到壁面而被捕集[12].在第三、四块挡板下部区域的高压低速区是除雾器挡板结构中湍流动能最大、湍流耗散最强烈的区域.该区域除雾效率较高.气体流过除雾器后在最上及最下处竖直挡板后易形成回流区，此处亦可能产生角涡，加剧了流场的扰动，增大了系统压力损失.上部竖直挡板附近流域局部放大图如图8所示.

5结论

本文运用两相流模型对鼓风脱湿系统除雾器挡板结构的主要性能进行了数值模拟，得到了液滴质量浓度、压力、速度及旋涡分布情况，展示了其三维内部流场，揭示了实验手段难以获得的数据和现象.计算结果表明：鼓风脱湿系统除雾器能够有效实现携雾气流中液滴的分离.模拟结果对除雾器结构设计、降低除雾器内流动阻力具有一定的参考性意义.

参考文献：

[1]张永红，袁熙志，罗冬梅，等.我国钢铁行业节能降耗现状与发展[J].工业炉，2013，35（3）：12-17.

[2]周光炯，严宗毅，许世雄，等.流体力学[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[4]孙秀君，孙海鸥，姜任秋.油气分离器内油滴轨迹的数值模拟[J].应用科技，2006，33（10）：69-72.

[5]李文艳，徐妍，申林艳.数值模拟技术在湿法脱硫除雾器优化设计上的应用[J].热力发电，2007，29（5）：10-15.

[6]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT――流体工程仿真计算实例与应用[M].2版.北京：北京理工大学出版社，2010.

[7]郭鹏宇，杨震.除雾器通道内二维两相流场的数值模拟[J].电力科学与工程，2005（2）：31-33.

[8]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9]赵毅，华伟，王亚君，等.湿式烟气脱硫塔中折线型挡板除雾器分离效率的数值模拟[J].动力工程学报，2005，25（2）：293-297.

[10]陈凯华，宋存义，李强，等.湿法烟气脱硫系统中折板式除雾器性能的数值模拟[J].环境工程学报，2007，1（7）：91-96.

流体力学工程案例范文第4篇

1.专业课程设置概况

目前全国高校设置的安全工程专业方向覆盖了矿业、化工、核工业、交通、能源、土木、经济等各个领域，专业培养方向一般都与高校的行业背景紧密相关。经过多年的摸索和发展，当前一个相对成熟的安全工程专业课程体系在各高校之间被广泛采用，即把专业课程分为专业基础课和特色专业课。前者通常包括“工程力学”“流体力学”“工程热力学与传热学”“电子电工学”“可靠性工程”“燃烧爆炸学”“安全学原理”“安全系统工程”“安全管理学”“安全检测与监控技术”“安全人机工程学”“安全法规”等课程；后者一般以该校所依托的行业背景、学科优势和就业方向为依据，设置以应用为主的特色课程。如南华大学以核安全为特色开设了“核电安全工程”“核与辐射防护”“原子核物理”等课程；以建筑安全为特色开设了“建筑安全”“建筑消防技术”“基坑与土力学”“建筑材料”等课程；同时考虑学生就业，还开设了“起重机械安全”“压力容器安全”“电气安全”“职业卫生与安全”等课程。

2.实验课程设置概况

通过调研、文献查阅以及结合笔者所在学校的实际情况，发现目前安全工程本科专业实验课程主要由四种类型构成，即公共基础实验课（大学物理实验、大学化学实验）、专业基础实验课（工程力学实验、流体力学实验、工程热力学与传热学实验、电子电工实验）、专业通用实验课（安全监测与监控实验、安全人机实验、防火防爆实验、电气安全实验、机械安全实验）以及专业特色实验课（矿井通风实验、岩石力学实验、土力学实验、化工原理实验、化工工艺实验、人因失误实验、建筑消防实验、辐射剂量测量实验、交通事故调查与案例分析实验）。

二、专业特色实验课程教学中存在的问题

通过对国内部分高校的调查以及结合本校实际情况，发现安全工程专业实验教学中的公共基础实验课和专业基础实验课的教学都已形成规范化的体系，有系统性的教学方案、教材、考核体系等，但是专业特色实验教学普遍存在不足，主要体现在以下几个方面：

1.实验教材不规范

目前由于各个高校所依托的行业背景以及优势学科不同，还没有一本真正意义上的公开出版的且系统性较强的安全工程专业实验教材，各高校安全工程专业使用的实验教材大部分是由理论课教师自行编写，主要存在以下两个问题：

（1）实验项目受限

安全工程专业一般牵涉到燃烧爆炸、有毒有害等方面的实验项目，这些实验项目的开设往往受制于实验室的场地条件，同时也具有较大的破坏性和危险性，从学生安全方面考虑，很多高校也都刻意避免开设以上实验项目。为满足必要的实验课时，多以模型参观和演示性实验代替。

（2）实验内容过于简单，缺乏探索性

实验项目大多是采用相关仪器直接进行系统中物理化学参数的检测，如可燃液体闪点燃点的测定、粉尘含量的测定等，综合性、探索性实验偏少，导致学生用理论知识解决实际问题的能力以及创新能力得不到有效锻炼。除此之外，验证性实验步骤的编写过于详细，类似于仪器设备使用说明书，学生可以按照实验教材上的步骤机械地完成实验。这种实验不能激发学生的创造性和探索性，抑制了其对实验课的兴趣，导致学生心理上抵触实验课。

2.实验教学开展效果不佳

（1）实验教学计划不科学

理论课教师根据自己的教学计划来安排本门课程的实验教学计划和实验内容，没有同其他专业教师从专业培养计划的层面上去共同商讨实验项目的设置问题，使得各个实验项目在实验内容上缺乏连续性和系统性。

（2）实验教学考核标准不合理

在安全工程专业的实验教学中，大部分高校都没有设置独立的实验课程，实验课都是与理论课共同组成一门专业课程的教学。例如：一门2个学分的专业课程总计32个课时，一般理论课占28个课时，而实验课只占4个课时，实验课没有独立的考核机制，其成绩以作业的形式作为专业课程的平时成绩折算计入总分，导致学生主观上不重视。教师对学生实验能力的考核，完全依据学生上交的实验报告。而实验报告的参考性比考试显然要低很多，学生相互之间存在抄报告的现象。

3.实验室建设管理不当

（1）实验室建设定位不清晰

很多高校对于实验室的建设没有合理的规划，实验室的建设不是一朝一夕的事情，特别是对于经费一般的非重点高校，实验设备的配置是一个“添砖加瓦”的过程。实验室建设若没有长远规划，没有统一的思路，势必造成采购实验设备时没有针对性，所购置的仪器设备不成体系。导致很多综合设计性实验没有办法开展，而只能做一些简单的验证性实验。

（2）实验室管理体制不合理，管理机制不健全

同时，很多实验室课程由理论课教师和实验室教师共同完成，两者之间的职责划分不明确，导致实验管理存在盲区。

（3）仪器设备管理不当

随着国家对高校资金投入的不断增加，高校的实验室建设经费也在逐年增加，很多高校只管购买仪器，而不管仪器的维护，对仪器设备也没有实行档案化管理，导致设备重复购置，保修期内的设备得不到及时有效的维修。同时大部分高校对大型仪器设备没有设置共享平台，导致其利用率较低，造成设备闲置浪费。

4.实验队伍结构配置不合理

很多高校对实验技术人员存在偏见，主观上认为专业教师比实验技术人员重要，造成实验技术人员在高校中的地位低，在实验室工作缺少荣誉感，这主要体现在晋升职称以及人才配置方面。在很多高校，实验技术人员允许晋升的最高职称是高级实验师，类似于副教授，同时在人员配置方面，往往将年龄较大、学历较低或者职称较低的人员安排在实验室，从而导致实验室师资队伍不稳定，实验技术人员的工作积极性降低，同时导致实验队伍整体素质偏低。

5.实验仪器设备不能满足教学要求

安全工程专业作为一门“年轻”学科，在很多高校得不到应有的重视，学科建设经费少，导致没有足够的资金购买实验仪器设备。一方面，安全工程作为一门工程应用性强的交叉学科，很多实验的开展需要比较先进的进口仪器，比如便携式α、β气溶胶监测仪，测氡仪等，这类仪器一般价格较高，若没有资金购买仪器则相应的实验课没有办法开展；另一方面，由于资金不足，很多实验仪器的台套数不够，因此实验时，分组数少，每一组学生的人数过多，而学生的实践能力和学习能力因个体而异，有些学生根本不动手实验，等到同组同学的实验做完以后，直接照抄实验结果，其实验能力没有得到任何提高，大大降低了实验教学效果。

三、专业特色实验课程教学的思考及建议

1.加强实验课题体系建设

实验项目是实验教学的载体，所开设的实验项目应由验证性实验、演示性实验以及综合设计性实验有机构成，其中以验证性实验和综合设计性实验为主，以演示性实验为辅。综合设计性实验是由学生自己动手完成的一种开放式教学实验，有利于培养学生的自学能力、创新能力、科学的创造性思维能力。考虑到目前国内高校安全工程专业实验课程体系的现状，综合设计性实验数的比重应适当提高。在开发设计实验项目时，可以由教研室牵头，集合各门理论课的师资力量，充分考虑相关专业课之间的联系，在整个专业的层面上进行宏观设计，尽量让实验题目能够涉及几门课程的知识，增强其综合性。

2.加强实验教学管理

无论是理论课程还是实验课程，要想提高教学质量，就必须制订科学合理的成绩评价体系。目前很多高校都把实验当做理论课的一部分，实验成绩类似于课堂作业成绩，直接作为理论课平时成绩的一部分计入理论课总分，且所占比例很少。这不仅降低了教师对实验教学的重视程度，也在很大程度上制约了学生对实验课的积极性。鉴于此，针对专业特色实验，各高校应该设置独立的实验课时和实验学分，结合自身的实际情况制定一套包括考勤、实验操作、实验报告、实验态度、实验创新等全方面考核的成绩考核体系。

3.加强实验队伍的建设

实验技术人员的配置，应该根据实验室的层次、实验教学工作量、实验室的规划发展进行统筹考虑，科学定编，采用公开招聘、平等竞争等措施，建设一支人员性别、年龄、学历、职称以及知识结构合理的实验队伍。此外，学校人事部门还必须根据实验室的发展制定实验技术人员的培训规划，建立健全内部自我提升与外出培训相结合的能力提高机制，实验技术人员的科研奖励制度和年度绩效考评标准以及职称晋升制度等队伍建设管理制度，最大程度地激发实验技术和管理人员的工作积极性。

4.加强实验室的硬件建设

实验室建设主要是硬件和软件两方面的建设。实验室的硬件建设就是资金投入问题，只有保证了足够的资金投入，才能保障实验项目所需的仪器设备。近年来，教育部通过“特色专业”“卓越计划”“综合试点改革”等项目向高校投入了大量的经费，各高校应根据本校实际情况，将国家下拨的专项经费科学合理地用于实验室建设；另外，高校应该采取“走出去，引进来”的措施，加强同企业的合作，利用企业资金充足、理论水平相对缺乏的特点，采取“企业出钱，高校出力”的方式，与企业共建实验室，以此提高实验室的硬件水平。部分高校已在这方面进行了实践，如重庆大学与美国利宝集团共建重庆大学利宝互助职业安全研究生中心，中国矿业大学与神华集团、中煤科工集团等单位共同建设实验室、研发及现场实践基地。

四、结论

流体力学工程案例范文第5篇

关键词：CFD教学；本科教学；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0037-02

一、开展CFD教学的必要性

CFD技术，是解决工程中复杂流动和传热问题的一种有效手段，同时也是一门新型的独立学科。它以经典理论和数值计算为基础，通过计算机的数值计算和图像显示，从空间和时间上定量描述各种场变量，从而达到对流动和传热问题进行研究的目的。CFD技术集中应用了20世纪直至本世纪科学技术方面的最新成就，并具有理论性和实践性的双重特点。CFD技术不仅可以作为研究工具，而且还可以作为设计工具广泛应用于能源动力工程、机械工程、材料工程、交通工程、建筑工程、环境工程、化学工程等领域。另外，CFD与CAD、CAE联合，还可以进行各种结构优化设计。CFD教学主要程针对高年级本科生开展，强调学生的应用能力和学术能力的培养，教学的宗旨是让学生在了解数值计算基本概念和原理的基础上，通过对一些经典商用CFD软件使用和掌握，增强学生分析和解决问题的能力。在国内，目前在能源动力类本科生中开展CFD教学的学校有近20所，大部分为重点本科院校，除我校外，还有如西安交大、清华大学、上海交大等高校。但随着CFD技术在工业界的进一步推广应用，个人电脑的性价比提升，可以预计未来5年，将会有更多的工科院校为能源动力类本科生开展CFD教学。在国外，早在上世纪80年代，就已有针对能源动力类本科生开展的CFD教学，比如英国的帝国理工学院，美国的加州理工学院，日本的九州大学等。尤其以美国的加州理工学院做得最为突出，它非常重视学生的实践与创新。由于国外学生人数比国内少，实验设施完备，CFD技术课程被安排在实验教学中心进行，学生在进行CFD技术学习应用的同时，还可以采用实验方法对CFD的结果进行验证，非常有利于培养学生的主动实践与创新能力。实际上，开展CFD教学还有利于拓宽实验教学内容。由于CFD技术具有成本低、速度快、可视化等特点，因此在能源动力类专业的实验教学中，可以利用CFD技术加强设计性实验和探索性实验的构建，将以往学生的被动性实验转变为学生为主教师为辅的一种主动性实验，有利于培养学生的独立思考和解决问题的能力。由此可见，开展CFD教学符合能源动力类的专业发展和人才需求，有利于激发学生的学习兴趣，同时还有利于拓宽实验教学内容，培养学生的实践与创新能力。

二、开展CFD教学的可行性

对于在能源动力类本科生中开展CFD教学的可行性，下面将从三个方面来进行分析。

1.教学内容的选择。对于能源动力类的大四本科生，CFD教学的重点将放在CFD技术的基本理论和软件应用上。具体内容包括：控制方程的离散化方法，流场的求解计算方法，湍流模型，以及商用CFD软件的基本用法。同时，授课内容中还将包含复杂流动模型以及数值模拟的最新研究进展等，以便开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣。由于课时有限，在商用CFD软件基本用法的讲授中，将选择能源动力领域常见案例的CFD过程，比如建模、划分网格、设置边界条件、设置求解器参数、后处理等内容，进行有针对性地讲解和实践，以获得举一反三的效果。

2.基本理念的贯彻。在开展CFD教学中，需要贯彻正确的CFD技术理念。虽然目前商用CFD软件快速普及，似乎许多问题都可以通过CFD技术来解决。但必须强调，CFD技术不是万能的，在很多方面还有局限性。试验研究、理论分析和CFD技术的有机结合，才是解决实际问题的有效手段。另外，对模拟计算结果的准确性的认识和判断，也需要一个正确的理念。数值模拟计算结果的准确性首先取决于数学模型是否正确，如果数学模型不正确，即使数值计算方法先进，仍然不能保证数值解的准确性。其次，模拟计算过程中流动介质物性参数是否正确，也是影响模拟计算结果准确性的一个重要因素。最后，教学过程中还要注意培养学生的工程意识，在讲授CFD实际应用时要引导学生把握工程问题的整体观念，增强学生的工程意识，培养学生基本理论与工程实践相结合的能力。

3.经典软件的应用。从我校能源动力本科专业现有的课程设置来看，大四本科生已经具备流体力学、传热学、数值分析方法等方面的基础知识，对于CFD技术中所涉及的方程离散，网格划分、流场求解等方面知识的理解不会有太大难度，而且目前商用CFD软件智能化程度较高，基本使用方法和技巧易于掌握。因此，选用经典CFD软件开展教学，在老师的指导下完全可以使学生在短时间内初步掌握CFD软件的使用方法。在此基础上，随着学生知识面以及工程实践经验和CFD软件使用技巧的增加，对CFD技术的理解会进一步加深。另外，目前计算机硬件水平迅猛发展，学生拥有个人电脑的比例逐年增加。从我们能源与动力工程学院学生工作组统计的数据来看，目前学生拥有个人电脑的比例已达80%以上，学生可以在自己的电脑上方便地进行CFD软件的学习和实践，这为开展CFD教学提供了良好的条件。

从2007年开始，华中科技大学能源与动力工程学院就已经在本科生中开展了CFD教学。课程的名称为CFD技术，以选修课的形式开设，学院每年都有近300名学生选修这门课程，这门课程实际上已经成为一门受众面极广的公共选修课程。由此可见，在能源动力本科生中开展CFD教学具有较好的必要性和可行性，值得深入推广应用。

参考文献：

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