计算流体力学的基本知识

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计算流体力学的基本知识范文第1篇

关键词：工程流体力学；教学改革；第一次课

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0218-02

工程流体力学课程在我校这一工科院校中，长期以来，本科生在未学习之前，已经从他人那里了解到，这门课很难，不好学，不好过关。学生认为流体力学难学的后果，直接反映在多年来很少有人、甚至无人报考我校工科流体力学方向的硕士和博士，致使我校工程流体力学方向后续人才短缺，学科建设出现重重困难。那么作者希望学生在学习这门课程的过程中，是轻松、主动而有兴趣地去学习。为了帮助学生克服畏难情绪，对工程流体力学课程学习产生兴趣，轻松学好这门课，作者在十几年的教学过程当中，积累了一些经验。开好头，为课程打好良好的第一印象非常关键，所以作者非常重视第一次课的讲授内容，以增强学生学习信心和培养学习兴趣为主要目的，为顺利完成该课程的学习奠定基础。

一、第一次课的教学内容

在第一次课，首先自我介绍，然后点名相互认识，留下联系方式，介绍教材和参考书，授课的章节和学时安排等常规内容外，讲授内容主要分为两大块：（1）上课要求；（2）绪论。

1.上课要求。上课要求主要包括课程学习目的和意义、出席和上课纪律要求、作业和实验报告要求、考核方法等内容。①学习目的和意义。学习目的和意义按照大纲要求，掌握流体力学的基本知识，及其解决问题的基本方法和基本实验技能。强调“基本”的含义，因为是首次接触本课程，系统介绍流体力学知识，对大家的要求是“基本”的，同时也强调仅这些即将学的基本知识也能够解决一些工程应用的问题，并简单举例。②出席和上课纪律要求。出席和上课纪律应该遵守学校规定，但是考虑到学生个体的不同。所以有必要让学生清楚什么样的行为是被接受的、允许的，不要出现行为困难的问题。③作业和实验报告要求。作业和实验报告会出现抄袭现象，回避是没有用的，所以上课时直接指出来，希望将抄袭现象弱化。指出要借鉴，而不是抄袭。这样大大降低了学生不经过理解地抄袭作业现象。④考核方法。将考核方式明确地告诉学生，是平时成绩和课程结束后的闭卷考试成绩各占一定比例，综合评出成绩。并计算出考核通过的最低考试成绩。同时强调不存在不通过比例。这样可以避免两种不良现象发生，一是学生会盲目认为很难学，不能过关而放弃学习，二是成绩差的学生会因为排名总在后面，而放弃学习。

2.绪论。绪论主要包括工程流体力学研究内容、课程特点、研究方法、解题步骤、学习方法和大学生认知阶段，等等方面。重点讲前三点涉及的内容。①流体力学研究内容。讲述工程流体力学研究内容首先展开讲解的是研究对象为流体，此时虽然没有讲流体的定义，但是还是提出请学生举例哪些物质是流体？让学生从最简单的问题开始流体力学知识的学习。学生说对了予以肯定。学生会将多相流和塑性物质列进来，也要说清楚与本课程所学流体的区别和联系，并将学生想不到的流体补充出来，还告诉学生目前最新研究方向在处理流固相互作用时有提出将固体处理为特殊流体，以简化流固交界面的处理；还有已有研究表明固体颗粒的高速运动遵循流体力学规律，以及当车流量和人流量很大时，被称为交通流，犹如流体流动一样，那么在后续课程讲解中可将高密度、大流量的人群流动现象用来形象化的阐述流体的运动规律，帮助学生理解抽象的流体运动规律，使问题直观。还需要指出，最常见的流体是空气和水，人类无时无刻不处于空气和水当中，提醒学生在学习的过程中，可以将所学知识放到自己熟悉的环境中去理解，比如池塘或小河中的水、教室里的空气，等等。将理论知识与生活结合起来，既能帮助理解所学知识，又能将知识应用起来，提高学习兴趣。②流体力学课程特点。流体力学课程的特点主要讲三点，一是一门技术（专业）基础性课程；二是用场的观点研究问题；三是概念多、公式多。它是一门专业基础课，从实践中抽象出来，再应用到实践中去；所以课程知识可用于解决工程实际问题。用场的观点研究问题。首先提问，说到“场”大家会想到什么？有的同学很高端大气上档次地回答重力场、电场、磁场，那我继续问还有呢？有的学生开玩笑说操场，好像在说操场不够档次、不够科学。而我肯定“操场”，因为是相同的“场”字嘛，而且还有工场、商场、广场等。然后引导学生思考，既然用相同的“场”字，其中必有共同点，它是什么？学生想出来了，是某某占据的空间。以此类推，流体占据的空间就是“流场”，概念很容易就被理解了。同时还让学生意识到科学不是高不可攀的，做科学时不要端起架子，它是很贴近生活的。流场的概念出来了，但是其空间的大小呢？这个问题也必须解释清楚。首先提出两个问题让学生思考：海洋是海水占据的空间，是一个流场吗？大气层是空气占据的空间，是一个流场吗？其实流场的大小与我们要研究的空间范围有关。比如，我们现在想知道教室内空气的温度分布，那么要分析的流场就是教室内空气占据的空间；如果要预报中国天气，那么中国上空的大气层或者更大范围就是要研究的流场；如果想了解南海海洋环流、潮汐流动等，南海海水占据的空间就是要求解的流场。将抽象概念与实际结合，在易于理解的同时，引起学习兴趣。在此基础上，进一步与物理量场联系起来，流场中的物理量，比如速度，是时间和空间函数，被称为速度场，还有压力场，等等。场是具有连续无穷维自由度的系统，那么流场的速度场、压力场，等等具有连续性，与第一章中连续介质假设内容一致，在这里提到，为后面学习埋下伏笔。概念多、公式多的原因是因为在以前的学习过程中鲜有接触与流体力学有关的知识，导致大量的专业术语集中出现。但是这些概念、公式并不是全新的。比如流体质点的概念与以前物理中所学的质点概念是很一致的；多的公式其实是质量守恒定律、牛顿定律、能量守恒定律、动量定理，等等在流体力学中的表达形式，比如连续性方程是质量守恒定律的表达形式，伯努利方程与能量守恒定律相吻合，欧拉方程、Navier-Stokes方程是牛顿运动定律的表现形式，动量方程是动量定理的表达，把要学到的主要方程名称在此叙述一遍，目的是让学生有个初步接触，为后续学习打下铺垫。③流体力学研究方法。流体力学研究方法主要有三种：解析方法、实验方法和数值计算方法。本课程主要介绍解析方法，有一章是专门介绍实验研究方法的，而数值计算方法本课程几乎不涉及，由计算流体力学讲解。并强调，求解的基本方程是连续性方程、欧拉方程或Navier-Stokes方程，那么为什么基本方程一样，可以求解出各种不同的流动？于是提出边界条件和初始条件的概念，使边界条件和初始条件的重要性一目了然；也为后续学习打下基础，并引起学生的兴趣和重视。

二、结论与展望

通过第一次课，使学生对整个课程的要求、特点、内容有一个整体了解，做到心中有数，克服不良情绪，从不同方面让学生做好学习的心理准备。第一次课，如果是一个良好开端，并为后续学习做了大量铺垫，使学生获得了自信，并激发了其学习的兴趣，学生后面的学习将会顺利很多。工程流体力学是大部分工程专业的重要基础课程，作者希望学生灵活掌握流体力学知识，并能够在工作中活学活用。

参考文献：

[1]许维德.流体力学[M].北京：国防工业出版社，1979.

[2]张也影.流体力学[M].北京：高等教育出版社，1999.

计算流体力学的基本知识范文第2篇

关键词：建构主义；认知灵活性理论；热工理论

作者简介：衣晓青（1956-），女，山东青岛人，长沙理工大学能源与动力工程学院，教授；石尔（1979-），女，湖南长沙人，长沙理工大学能源与动力工程学院，讲师。（湖南 长沙 410004）

基金项目：本文系2011年湖南省普通高等学校教学改革研究立项项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0069-02

“工程流体力学”、“工程热力学”、“传热学”既是热工理论的三大主干课程，又是能源动力类专业（方向）的主要技术基础课。传统的教学宗旨倾向于各门基础课程自成科学体系，分别独立教学，为后续专业课程打下牢固基础。但是这种传统的教学模式死板，致使学生缺乏学习兴致，不易明确学习目的。建构主义的认知灵活性理论发现了新的教学要素——“案例教学”。按照认知灵活性理论，对以上热工理论三大基础主干课程进行优化整合，以热能动力类专业为场景，建构诸多新的知识点教学，组织全新的热工理论基础课程体系，可以使热工理论基础课教学克服以上不足。

一、打破僵化教学：认知灵活性理论的应用

建构主义教学理论冲破了传统教学模式，克服了“填鸭式”教学把学生作为小绵羊驯服的弊端。[1]作为建构主义教学理论中的一个分支，斯皮罗提出的“认知灵活性”理论很好地解决了“死记硬背”传统与极端建构主义（忽视抽象养成）之间的矛盾。认知灵活性理论的主要思想就是：通过情景（境）展现基本概念和基础理论工具，学生既可以掌握基础理论知识，又可以按抽象思维方式，放开视野寻找新的分析问题的工具。

为了解决传统与极端的冲突，斯皮罗把知识抽象为两种不同性质的结构：良构的与非良构的两种领域。[2]良构的即是指：按照抽象思维，从概念到原理的演绎解析的知识体系，符合科学意义上的正统规范。非良构的即是指：在具体场景（案例）中，隐透出的各种良性结构的知识叠合；这种叠合的基础知识能够解释或解决具体场景问题；不同的场景有不同的良性结构知识叠合的诠释。由此得出结论，良性结构知识就存在于非良性结构知识之中，“认知灵活性”教学就可以让学生通过非良性知识教学获得更加深刻的良性结构的系统知识，而且是积极主动地、生动有趣地接受之。

热工理论是研究热（能）在释放、转换和传递中的流体流动及传热传质等问题的科学，涉及流体运动规律、热（能）转换与传递规律。按照认知灵活性理论的教学观，热工理论基础课教学也可分类为良构性和非良构性。热工理论的三大主干课程“工程流体力学”、“工程热力学”和“传热学”分别作为单独体系教学的基本概念、基本理论和基本知识的层次组织结构，应属于良构性领域，其传统的教学方式就是从概念到概念、从原理到原理、从公式到公式的演绎解析，逻辑性很强，范式文本较固定，程式较稳定，测验作业较死板。

“认知灵活性”教学理论认为，这种教学方式僵化、被动，既不能启动学生的兴趣，也不能启发学生的创造想象力，学生容易落入死记硬背、教条主义的套路，缺乏广泛的知识联系和举一反三的思维训练，更缺乏给学生以另辟蹊径的想象空间。如果以流体介质为对象将热工理论三大主干课程进行优化整合（杂交），并以热工理论应用为主线，将能源动力类相关专业作为场景，构成非良构性知识结构，其所涉及的具体问题具有复杂背景和综合影响因素，能够从问题入手引出综合知识的有机联系，开阔学生发展思路，引导学生融会贯通，指导学生熟知专业背景。这种按照认知灵活性教学理论建立起来的热工理论基础课程的非良构性知识体系会冲破传统的各自为主的单科系统性的课程教学模式，有利于克服“高分低能”的应试教育倾向，培养面对知识时代和信息社会的创新型人才。

二、创建问题教学：热工理论基础三大主干课程的优化整合

认知灵活性理论认为：学习者在建构知识意义的过程中，只有对知识进行多维表征，才能达到对知识的全面理解和灵活运用。这也是指导热工理论基础三大主干课程进行优化整合的基本思想。热工理论基础三大主干课程“工程热力学”、“传热学”和“工程流体力学”是主要以流体介质为研究对象而紧密联系在一起的动力类技术基础性课程，三门课程相互依存，共同构成了热工理论的主干课程体系。其中，工程流体力学是研究流体介质的位置势能、压力势能和动能之间的相互作用的关系；工程热力学是研究热能与机械能之间的相互转换的规律；传热学是研究热量从高温部分传递到低温部分的机理。由此可见，能（热）量转换与守恒定律是热工理论三大主干课程进行优化整合的内在动力。

基础课理论自身系统的完善性使任何改动需求都带有相当大的难度，只有进行优化整合，才能在不断调整和深化过程中发展新的学习要素。例如，“传热和流体流动的数值方法”课程就是将传热学、流体力学知识进行融合后加入到数值计算科学这一更为广泛的学科领域，为热工理论知识的进一步发展奠定了基础。同时，通过这一知识的优化整合，多维表征得以实现，使学生建构起在热科学和流体科学中可以直接迁移和引用的关于热物理方面的知识，超越了封闭、孤立课程所给的单一信息模式。

如果说热工理论的三大主干课程“工程流体力学”、“工程热力学”和“传热学”分别作为单独体系教学是良性结构知识的传授，那么，把“三课”拆分，再按照具体能量转换的场景问题有机组合，这种教学模式就属于非良性结构教学。乔纳生等人的研究把前者称作低阶学习阶段，把后者称作高级学习阶段。[3]高级学习阶段优于低级学习阶段的实质就是变公式学习为问题学习。问题学习对于热工基础理论教学来说，打破其三大主干课程的各自理论体系是必然的，是要针对具体的场景问题而进行知识交叉组合。值得注意的是：根据认知灵活性教学理论，这种知识体系重组，必须避免极端建构主义干扰，必须遵循“专业问题、溯本求源、知识联系”三原则，才是优化的、高级的教学模式。

三、重复多变教学：能源动力类专业问题逆向渗透于热工理论基础课程

非良构的知识体系与良构性知识体系的区别就在于：一是前者比后者建立的概念庞大、复杂，它往往是多个不同学科孤立概念的交集；二是前者比后者建立的概念有很大的多变性，这是由问题教学场景多变性所决定的。热工理论基础知识在航天、航空、热能动力、化工、核热工、低温工程、冶金热工、微电子技术、材料和建筑等各个领域都有具体的应用，从知识体系的角度来看，其展现的知识点都是非良性的。实际上，在能源动力类相关专业的不同场景下，其呈现的非良性知识结构也存在着很大的差异性。例如，工程热力学中的热经济性指标在热机循环中的应用是热效率，而在制冷循环中的应用是制冷系数。这说明热经济性概念在实际应用过程中具有复杂性。又如，流体力学在电厂中的应用以管内流动、物体绕流为主，而在建筑环境与设备工程专业中的应用以室内外环境通风、换气的流动为主。传热学中对于散热器来说需要强化传热效果，对于建筑物屏蔽掩体则要抵制传热。

在针对能源动力类专业的热工理论基础课程进行新的建构中，按照认知灵活性教学理论，必须将原有良性结构体系的知识与专业场景结合起来。这种有专业针对性的知识渗透，有学者称其为专家知识学习阶段，属于更高层次。[2]比如，把能源动力类专业（方向）的“流体力学”、“泵与风机”两门课程整合为热工理论基础课“泵与风机的流体流动”一章，以流体力学知识为基础，反映了流体力学基本原理在流体机械中的具体应用场景，通过多媒体教学课件可以使学生建构泵与风机工作原理和结构的多维图式，达到对流体力学基础理论知识全面理解和灵活运用的目的。

按照斯皮罗的认知灵活性理论规范，对应专家知识学习阶段的教学模式即“随机通达教学法”，它的主要特点就是针对专业的众多场景链，反复从不同问题视角，以不同的基本知识、基本公式、基本理论的多样组合，不断给予学习者良性知识的刺激，这会使学习者通过反复的从各种变式到抽象的过程，不断加深对良性结构知识的各种理解，而且有助于学习者历练分析问题和解决问题的能力，发挥创造性思维，为今后在专业上有所建树打下坚实的学习基础。贯穿于这一思想的新的“热工理论基础”课程体系，组织“锅炉工质流动与热交换”、“汽轮机流体流动与功能转换效率”、“热力发电厂工质循环与热效率”等章节，探讨基于专家知识学习理念的非良构知识领域的显性建构，加入热能动力类专业知识对热工理论基础课的反向渗透，有效增加课程教学的深度和广度这一结果就自然生成了。

除了书本专业知识的反向渗透以外，通过与科研、生产单位合作的科研课题的有机结合，也是专家知识学习阶段的案例来源。例如，教师通过某钢铁公司锅炉尾部烟道声学振动问题的科研活动，向学生们提出卡门涡街产生机理、影响因素以及卡门涡街产生后对设备及系统的危害和消除卡门涡街的措施等诸多学科问题，从而认知基本理论。

参考文献：

[1]朱新卓.中国高等教育管理学：从拔苗助长到建构主义[J].高等工程教育研究，2005，（2）.

计算流体力学的基本知识范文第3篇

力学是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质。力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础。土木工程是力学应用最早的工程领域之一[1]。对于土木工程专业的学生来说，力学课程是一类极为重要的专业基础课，它不但影响学生对今后其他专业课程的理解，还将影响学生以后解决工程实际问题的能力。所以，对力学课程在土木工程专业的重要性进行研究，可以帮助培养出适宜于社会发展的合格的工程技术人员。

2土木工程专业主要设置的力学课程

根据土木工程专业培养计划，四年本科期间，8学期内，共设置7门力学类课程。所以说，除了理论力学、材料力学和结构力学这“三大力学”之外，结合土木工程必须与流体接触的特点，也设置了流体力学这样的学科基础课。另外，考虑到大三之后，土木工程专业学生有“建筑工程方向”、“地下工程方向”、“古建筑修复与保护工程方向（特色方向）”三个不同的发展方向，也设置了土力学、弹性力学与有限元基础和岩石力学基础这样三门专业方向课程。

3各门力学课程的教学内容及特点

3.1理论力学

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学，是各门力学的基础。它忽略一般物体的微小变形，建立在力作用下物体形状、大小均不改变的刚体模型。主要讲授内容分三个部分：淤静力学部分。主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；同时也研究物体受力的分析方法，以及力系简化的方法等。于运动学部分。只从几何的角度来研究物体的运动，而不研究引起物体运动的物理原因。盂动力学部分。研究受力物体的运动与作用力之间的关系。

3.2材料力学

材料力学以单个杆件作为主要研究对象，并且将其看作均匀、连续、各向同性的可变性固体。它研究杆件的拉、压、弯、剪、扭变形特征，并对杆件进行强度、刚度及稳定性分析计算。

3.3流体力学

流体力学是研究流体的平衡和流动的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学研究的对象是流体，包括液体和气体。

3.4结构力学

结构力学以杆件结构（包括梁、拱、桁架、刚架和组合结构等）为主要研究对象；研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。

3.5土力学

土力学研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。土的本构关系，即土的应力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系。

3.6弹性力学与有限元基础

弹性力学研究弹性体由于受到外力作用或温度变化以及支座沉陷等原因而发生的应力、变形和位移。它一方面对杆状物件作进一步的、较精确的分析；另一方面，对板和壳，以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，加以研究。

3.7岩石力学基础

岩石力学基础主要研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探究岩石和岩体在其周围环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。其所研究的岩体，具有不连续性、各向异性和不均匀性的特征。

4力学课程在土木工程专业的重要性

力学是土木工程专业的技术基础课，若缺乏对力学课程基本概念、物理意义和求解方法的深入理解，想真正掌握好相关专业课程，做好有关工程设计、施工、监理乃至进一步的科研工作，是不可想象的。

4.1对本科后续专业课程学习的影响

混凝土结构基本原理、钢结构基本原理、基础工程、土木工程施工技术、房屋砌体与混凝土结构设计、钢结构设计、结构抗震设计、地基处理、深基坑工程、城市轨道交通工程、隧道工程、古建筑设计与保护技术等专业课程，都与力学课程有关，如不打好力学基础，将无法真正掌握及应用好专业知识。例如在学习“混凝土结构基本原理”课程中受弯构件斜截面承载力计算这部分内容时，需首先了解斜裂缝出现的原因，这时就需利用材料力学主应力迹线的分析方法，在构件上取出微元体，来做截面主应力分析等。再如“钢结构基本原理”课程，由于钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的，所以钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合；在课程的学习过程中，经常会用到材料力学中的各种计算公式和计算理论等。除了这些专业课程，对于土木工程专业毕业设计这个实践教学环节来说，力学知识也是非常重要的。就拿经常会出现的“混凝土框架结构设计”这种毕业设计题目来说，它分为结构布置、计算简图框架内力计算、框架内力组合、框架梁柱截面设计、现浇楼面板设计、基础设计、楼梯结构设计计算和软件计算这样几个部分。所以说，若不能利用力学基础知识先进行结构计算简图的简化和结构内力的计算，后面实际结构设计部分，均无法完成。

4.2对研究生阶段学习的影响

毕业后，若继续就读本专业研究生，除了在研究生入学考试中可能会考核到材料力学、结构力学这样的力学课程；在读研期间，也将涉及更多更深入的力学课程，如应用弹塑性力学、塑性力学、连续介质力学、有限单元法、高等结构动力学等。如在本科阶段没有打下良好的基础，将很难掌握这些课程。

4.3对就业后解决工程实践问题的影响

力学知识在工程设计工作中的作用是不言而喻的。同样，力学知识对于施工或监理等工作，也是不可或缺的。如预制桩在堆放时垫木位置和吊装时吊点位置的确定，施工脚手架的安装计算，施工模板拆除顺序的确定，施工缝留设位置的确定，施工中钢筋放置位置的确定等，都需要通过力学知识来确定。从事建筑施工或监理的工程技术人员，只有掌握了建筑力学的基本知识，才能懂得建筑物中各种构件的作用、受力情况、传力途径以及它们在各种力的作用下在什么条件下会产生什么样的破坏。这样，在施工中就能正确理解设计意图，制定出合理的安全措施和质量保证措施，从而保证建筑施工过程中的绝对安全，确保工程质量，避免事故发生。

5对本科阶段力学课程野教冶与野学冶两方面的建议

力学课程内容繁多，概论抽象，在“教”与“学”两方面都存在很多问题，容易使教师教起来用时多，任务紧；学生学起来难度大，负担重，且容易出现书能看懂而求解问题无从下手的情况。

5.1教学方法建议

依据土木工程专业培养目标，考虑力学课程与相关专业课程的衔接性，整合力学课程教学内容。注重工程实践教育，加强学科工程背景教学。培养学生创新意识，开展竞赛活动，强化学生动手能力。引导学生参与教师科研活动，培养学生的科研意识。教学中运用案例教学，趣味教学，启发式、探究式、研讨式等教学方法。理论教学之余，也可简要介绍结构力学求解器、ANSYS、ABAQUS、PKPM等计算软件，加强学生在力学计算方面的综合能力。

5.2学习方法建议

“教”与“学”相辅相成，无法分离。所以除了教师需运用不同的教学方法来提高学生的学习兴趣之外，学生也需掌握合理的学习方法，以加强对教师教授知识的理解与渗透。第一，课前做好预习，课后加强复习。有效的预习，可以使学生在上课之前，了解自己即将要学的知识，这样在课堂学习时，就可以对自己所学的东西做到心中有数；及时的复习，可以使学生及时消化课堂所学，以便深入了解所学知识，深入掌握。第二，善于积累，善于提问。本科教学不比高中教学，它讲授新知识的时间往往多余复习旧知识的时间，所以，在学习的过程中，不能存在“猴子掰玉米”的现象，学了新的忘了旧的，而是要不停积累，不停学习；对于不懂的知识点，要善于提出疑问，问同学，问教师，问网络，及时解答疑问，及时解决问题。第三，要加强练习。学习力学知识的过程中，不做一定数量的习题，将很难对基本概念和计算方法有深入的理解，也很难培养出好的计算能力，所以，要学以致用，加强练习。第四，善于创新，积极参与不同的实践活动。教师教授的知识是有限的，在学习教师教授的方法之后，举一反三，要自己善于发现问题，创新思维；积极参与各项社会实践活动，如省大学生力学竞赛、省大学生结构设计大赛等，将学到的力学知识应用到实际的大赛活动中，并且从实践的过程中又学习新的力学知识，循环往复，提高自身的学习积极性；积极参与教师的科研项目，提高自身的研究思路和水平，也是加强自身力学思维的较好方法。

6结语

计算流体力学的基本知识范文第4篇

一、心输出量：心脏每分钟泵血量，等于每搏输出量×心率。

心脏的舒缩力是血液流动的原动力。由于循环系统是一个密闭的压力环，根据流体连续性原理，左心每分钟泵血量应当等于右心的回心血量[1]。左心室的泵血是血液循环中最重要的决定因素。而决定左心室泵血能力的因素有以下几个方面：1.前负荷，2.后负荷，3.心肌收缩力。下面我们分别来分析上述三者对心脏泵血能力的影响。

1.前负荷

定义：肌肉收缩前遇到的负荷。对心脏而言，心室舒张末期容积就是它的前负荷。在心脏生理中有一条十分重要的规律，称为Frank-Starling定律（见图1）。许多因素可以引起心室顺应性变差，临床上最常见的原因包括心室肥厚、心肌缺血。心室顺应性变差也可引起心力衰竭，这与后负荷过大引起的收缩性心力衰竭不同，我们称之为舒张性心力衰竭。主要机理是由于心室顺应性变差，导致心室舒张期充盈不够，引起心输出量下降。

说明：图中纵坐标为心脏每搏输出量，横坐标为心室舒张末期容量，最高的那条曲线为正常人交感兴奋状态下的Starling曲线，中间那条曲线为正常人安静状态下Starling曲线，最下面那条曲线为心力衰竭患者的Starling曲线。

2.后负荷

后负荷是一个十分复杂的参数，生理学告诉我们，心室在收缩期所做的功分为两部分：1.大动脉的弹性势能，2.血液的动能[2]。弹性势能使动脉扩张而容纳更多血液，血液动能使血流克服血管阻力而向前流动。其中弹性势能是主要部分，约占心室做功的2/3，血液的动能约占心室做功的1/3。以上是从能量守恒的角度分析问题。

下面我们来看看胸内压对心脏功能的影响。在正常人，胸内压均为负值，根据Laplace公式可知，负的胸内压将增加P，导致心室后负荷增加，从而不利于心功能；正的胸腔内压将减少P，导致心室后负荷减少，从而改善心功能。目前临床上使用的机械通气均为正压通气，因此机械通气可以起到心脏辅助支持作用，心源性休克的患者应当使用正压通气。请注意，这里说的是机械通气对心室后负荷的影响，机械通气对心室前负荷的影响又是另外一个问题。一般来说，正压通气对胸腔静脉的回流会有阻碍作用，但是这种阻碍在血容量充足的患者基本可以忽略不计。

3.心肌收缩力

在剔除前负荷及后负荷对心肌收缩力的影响之后，决定心肌收缩力的因素就是心肌细胞本身的结构和功能状态了。一般来说，素有锻炼者心肌细胞比较发达，收缩力较强。当心肌细胞发生炎症、缺血缺氧、中毒等病变时会影响其收缩能力。另外，心肌收缩力受神经和体液调节，心交感神经，去甲肾上腺素，肾上腺素使之增强；迷走神经，乙酰胆碱使之减弱。在临床上，超声心动图是一个比较好的检测心肌收缩力的手段。

二、血管阻力

血管阻力即血液在血管系统中流动时所受到的总的阻力，大部分发生在小动脉。在物理学上有一个Hagen-Poisseuille方程可以描述管道的阻力：R=8μL/ πr4

公式中R代表血管阻力，μ代表血液的粘滞度，L代表血管的长度，r代表血管的半径。由上式可以看出，阻力的大小主要决定于血管的半径。

三、血压

血压指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，即压强。由于血管分动脉、毛细血管和静脉，所以，也就有动脉血压、毛细血管压和静脉血压[3]。通常所说的血压是指动脉血压。在人体，动脉血压是一个不断变化的变量，最大值出现在心动周期的收缩期，称为收缩压，最小值出现在心动周期的舒张期，称为舒张压[4]。通常以平均动脉压作为心动周期中的平均血压，平均动脉压=舒张压+1/3脉压差。

影响血压的因素有两个：心输出量和血管阻力。在电学中有一个著名的欧姆定律，描叙的是电压、电阻和电流的关系，即电压=电流×电阻。其实这条定律在流体力学中一样成立，即：管道两端压力差=管道内流量×管道阻力。

我们将人体全身的血管网络看成一个管道，主动脉为流入端，右心房为流出端，以一分钟为单位时间，那么根据欧姆定律，（流入端压力-流出端压力）=分钟血流量×全身血管阻力。

流入端压力即动脉压，流出端压力等于右心房压（一般情况下接近于0），1分钟内的血流量就是心输出量。

替换后可得出：血压（Bp）=心输出量（CO）×全身血管阻力（SVR）。

根据上式可知，一个正常的血压值可以存在三种情况：1.正常心输出量和正常血管阻力；2.高心输出量和低外周阻力；3.低心输出量和高外周阻力。因此，当我们看到一个正常的血压值时并不意味着病人处于循环稳定的状态。

公式中的全身血管阻力（SVR）是一个ICU常用的血流动力学参数，可以用来反映心脏后负荷的情况。但实际上这是有一定偏差的。原因如下：

1.小动脉的阻力是心室后负荷的一小部分，主要部分在大动脉的顺应性（弹性）上；

2.SVR反映的是全身动脉和静脉的平均阻力。由于血管阻力主要部分都集中在小动脉，静脉系统的阻力明显小于动脉系统阻力，因此SVR会低于小动脉系统的阻力。

研究血流动力学对于正确指导临床治疗有积极的意义。

参考文献：

[1]王晓曦， 刘宏斌， 胡小忠， 等. 以CT图像为基础的冠状动脉狭窄处血流动力学研究[J]. 现代生物医学进展， 2013， 13（09）： 1682-1686.

[2]李昂. 危重病医学临床教学经验交流[J]. 临床和实验医学杂志， 2012， 11（05）： 400-401.

计算流体力学的基本知识范文第5篇

上海交通大学

力学学科形成了各具特色、实力雄厚的四个二级学科：流体力学、固体力学、一般力学与力学基础和工程力学。此外，生物力学是力学与生物、医学相结合的交叉学科，其中研究与人类心血管疾病成因及诊治相关的血流动力学是发展较快的领域之一，该方向属于当前国际前沿。

材料科学与工程是上海交大的传统优势学科，前身是冶金系，下设3个二级学科，其中材料学、材料加工工程被评为国家重点学科。

机械工程学科培养了数以万计的专业技术人才，拥有机械制造及其自动化和机械设计及理论2个国家重点学科，整个学科的实力都非常强大。

控制科学与工程学科以其科研覆盖面宽、综合实力强、人才梯队结构合理、培养高层次人才数量多、质量高而列居国内同类学科前茅。控制理论与控制工程、模式识别与智能系统2个学科从1987年开始就一直是国家重点学科。

创立于1943年的船舶与海洋工程学科，已形成了一批在全国乃至世界领先的优势学科，造就了一批以院士为核心的著名学科带头人，成为了我国学科门类齐全、综合研究实力雄厚、独具特色的船舶与海洋工程科研和教学基地，享有很高的学术声誉。

西安交通大学

机械工程学院是西安交通大学历史最悠久、实力最雄厚的学院之一，优势专业主要有机械制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程等学科。

电气工程学院是我国高校同类学科中创建最早、学科设置最全的学院之一，历届毕业生中有近30人成为院士，应届毕业生一次性就业率非常高，学生知识能力强，颇受企业青睐。

能源与动力工程学院是西安交通大学的“品牌”学院，其能源动力学科实力强大，在全国都是数一数二的，拥有热能工程、流体机械及工程、动力机械及工程、制冷及低温工程4个优势专业，基本覆盖了所有能源类专业方向。该学院的学生毕业后一般都进入电力、能源等企事业单位工作，收入高。

管理学院在全国同领域非常知名，工业工程专业具备了工科的扎实基础和管理学的思维方式，颇受企业好评，出国率是同类高校中最高的。

电子与信息工程学院是涵盖电子信息领域几乎所有新兴工程学科在内的一个学院，通信工程、自动化、计算机科学等专业每年都备受Google等知名跨国企业的青睐。

北京交通大学

北京交通大学原本属于铁道部，现划归教育部，运输在全国排第一，源于和铁路的渊源，交大可以说是目前全国仅有的和铁路联系密切的学校，全校各专业几乎都和铁路相关，所以一些原铁道部企业最认可交大，交大每年有相当数量的毕业生会去这些企业。

交大的特色还在于和铁路的相关专业，比如电信学院的通信、信号，土建学院的桥梁、隧道，机电学院的车辆工程，运输学院的运输、交规、物流，经管学院的企管、会计等。

电信、经管很知名，每年报名人数很多。理学院也有很不错的学科。

西南交通大学

交通运输学院拥有交通运输工程国家重点学科，在地铁、物流配送、人机和环境工程、智能交通技术等方面拥有不可代替的地位。上海磁悬浮列车、长江三角洲之间的子弹头列车，这些先进的交通工具代表着未来铁路交通发展的方向，而西南交大正是在这方面有着优势。

电气工程学院主要从事电气工程学科和电子信息学科的科学研究和人才培养工作，电力系统及其自动化是国家级重点学科，地铁主要是依靠电力能源运行，因此许多电气学院的学生被聘请到各地铁运营大市。电气学院的磁悬浮列车与悬浮技术研究所等重点研究所和实验室可是几块金字招牌，磁悬浮列车的研究国内第一，世界领先。

西南交通大学的前身是我国高校最早成立土木工程系的，现在的西南交大土木工程学院有国家重点学科桥梁与隧道工程学，国家级特色学科土木工程等优势专业，结合西南地形复杂的特点正在发挥着不可替代的作用。

北京航空航天大学

航空科学与工程学院是北航最有名的学院，下设飞机系、人机与环境系、流体力学研究所、固体力学研究所4个系所，支撑起了北航的学术高峰。

材料科学与工程学院的学生主要是和飞机、航天材料打交道，拥有大量省部委材料学重点实验室，如民航安全技术重点实验室等。材料科学与工程专业还是国家一级重点学科。材料不仅应用在航空航天领域，还可以广泛应用于建筑等民用行业，就业范围非常广阔。

能源与动力工程学院原名动力系，拥有一批获得国内同行业公认的高级学术带头人作为学院的师资主体。

宇航学院堪称航天人才的摇篮，有飞行器设计与工程、飞行器动力工程和探测制导与控制技术三个本科专业，课程设置的特点都是以“平台课方向课”的模式构建，大大拓宽了学生的知识面，提高了学生的适应能力和专业能力。

计算机学院是一个特别鼓励学生发挥自己的创新能力，展现自己才华的地方，其计算机科学与技术专业也是国家一级重点学科。

南京航空航天大学

飞行器设计是南京航天大学最著名的专业，也是历年学校招聘会上最受瞩目的热门专业，建有我国直升机技术研究方向唯一的国家级(国防)重点实验室，建有国内唯一专门从事航空智能材料与结构研究的航空重点实验室以及CAD中心、结构振动两个部门开放实验室。

飞行员专业是这个学校最牛的专业，学校与多家航空公司联合，对学生实行订单式培养方式，共有“31”和“22”两种招生模式，采取国内国外两部教学，如“31”就是学员前三年在国内校本部进行飞行专业基础理论知识学习和基本技能训练，第四学年派送到国外飞行学校进行为期一年的飞行训练，并取得中国民航总局认可的符合多发仪表等级要求的国外商业飞行员驾驶执照。

电气工程及其自动化专业虽然起步较晚，但发展十分迅速，且前景很好，拥有航空电源航空科技重点实验室，建立了中航一集团和中航二集团技术工程中心，相关研究领域在国内也具有重要影响力。

中国海洋大学

海洋环境学院是中国海洋大学最具海洋特色的学院，包括国家级重点学科海洋科学和环境科学，其中海洋学本科专业是“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”首批15个基地之一。

生物科学专业属国家级特色专业。生物系是山东省重点学科和国家生物学一级学科的重要组成部分。联合国教科文组织中国海洋生物工程中心也设在本系。

军事海洋学是海洋学与军事学相结合的新兴学科。它以军事作战需求为牵引，以海洋学的基本知识和研究方法为基础，研究如何利用海洋要素的变化规律为军事作战服务。

此外，中国海洋大学的水产、水产品加工及贮藏工程专业也是非常具有优势的专业，是国家级重点学科；水产养殖学、海洋技术、港口航道与海岸工程、会计学等专业属国家级特色专业。

大连海事大学

大连海事大学的航海技术专业可谓久负盛名，实力非凡，1983年联合国开发计划署和国际海事组织在学校设立了亚太地区国际海事培训中心，1985年设立世界海事大学大连分校。

如果说航海学的是开船，那么轮机学习的就是如何修船了。轮机管理（轮机工程）专业现设有轮机管理和船机修造两个专业方向，属于国家级重点学科。由于这个专业自身的特点――工程部件精确度要求较高，所以对所招收学生的要求也是格外高。

法学院是辽宁省人大常委会立法顾问单位，其中海商法专业在国内同类法律高校中是首屈一指的，也是大连海事大学进校要求分数最高的专业。它培养的学生不仅要求具有扎实的英语和法学基础，而且还要求熟悉海运及相关业务，精通海商、海事法律，能够将所学的知识运用于实践中。

海事管理学科主要培养的是负责水上安全运输监督管理的专业人才，学生毕业后一般进入海事局、海上监察、港口监察等单位工作，是海上运输的第一道防线。

海上物流专业是解决港口运输、海洋运输的各种问题的学科，备受欢迎。

长安大学

公路学院是长安大学最好的学院，是我国公路交通建设行业学科最齐全、专业配套规模最大的公路交通学院。公路学院公路建设学科与技术学科均列入国家“211工程”重点建设行列，学院还是全国交通系统监理工程师、造价工程师、检测工程师和公路交通高新技术培训基地。

汽车学院也是长安大学很牛的学院，载运工具运用工程是国内为数不多的几个权威学科点之一，只有西南交通大学、北京交通大学可与之一争高下。学院有自己唯一的汽车高速实验环道和综合测试场，给学生们提供了很多实验机会，让学生在赏车、鉴车、试车的乐趣中发现和学习。

资源学院、建筑学院、工程机械学院等都是在公路交通这一大学科的基础上不断细化而建立起来的，从地质勘探到建筑开发，与公路交通相关的各个方面都可以在这里找到强势专业学科作支持。