流体动力学基础

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流体动力学基础范文第1篇

关键词光电子学,质子照相,综述,质子加速器,磁透镜

AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed.

Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens

1引言

高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattanproject）,并持续到现在,它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先,照相客体是厚度很大的高密度物质,要求能量足够高;其次,客体内的流体动力学行为瞬时变化,要求曝光时间足够短.

目前,世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯•阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统,一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像,并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是,DARHT也仅有两个轴,这是获得三维数据的最小视轴数目,最多只能连续拍摄4幅图像,不能进行多角度多时刻的辐射照相,获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥,电子束不能无限压缩,束流打到转换靶上,产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径,从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm,制约了空间分辨率的提高.

研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照

相,从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年,美国LANL的科学家ChrisMorris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像,其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆,20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程,使其成为闪光照相的理想束源.SteveSterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子,中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯•阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人GerryGarvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？”Morris将这些思想统一起来,利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］,以及NickKing在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.

高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短,则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长,则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.

2质子与物质相互作用机制

高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先,需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.

所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力,质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:

如果是弹性碰撞,以某种角度散射的质子保持其特性和动量,质子因受核力的强大作用,会偏转很大角度,这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器,这部分贡献可以忽略）；

如果是非弹性碰撞,质子被吸收,也就是说,损失大部分能量分裂核,产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级,质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为

NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)

其中N0,N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量;λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级,核反应截面几乎不变,单就穿透能力而言,质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建,因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.

由于质子带电,它也通过长程电磁作用力与物质相互作用.当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:

质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射,穿过原子核的每个质子,即使和核并不接近,也能导致质子方向发生小的变化,每个小散射效应可以累积,这种现象叫做多重库仑散射.多重库仑散射的理论由EnricoFermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)

式中θ0为多次散射角的均方根值,可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)

式中p为束动量,β是以光速为单位的速度,Ri是材料的辐射长度,其值近似地表示为

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)

其中A是原子量,Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要,特别是对重物质,最终导致图像模糊.另一方面,因为Ri与材料的原子序数有关,也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.

质子和电子之间也会产生库仑力作用,通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小,库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变,而对质子的方向和能量只产生缓变.也就是说,质子通过电离原子(把电子击出轨道),损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变,但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量,能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

当质子能量达到GeV量级,dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位,则

E=T+1,E2=P2+1.(6)

因此,能量损失引起的动量分散为

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

质子通过物体后损失能量,发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同,也将导致模糊,这就是所谓的色差［8］.

3质子照相原理

质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.

由于多重库仑散射,穿过被照物体的质子束有不同的散射方向,形成一个相对于入射方向的锥形束,需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话,质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年,Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应,最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来,LANL的另一位物理学家JohnZumbro改进了磁透镜系统的设计方案,称为Zumbro透镜［4］.

Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流,实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散,不同能量的质子具有不同的焦距,导致图像模糊.基于这样的考虑,Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matchinglens),匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联,即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且,角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］.这样,可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.

剩余的色差项为

x=-x0+Cxθ0δ,(8)

式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此,为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响,质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价,根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求,LANL为先进流体动力学试验装置(AHF)建议的质子能量为50GeV.

质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先,质子束通过金属薄片扩散,再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外,还可以使质子束在击中物体前发散开来,以便覆盖整个物体,避免了使用很厚的金属作为扩束器),这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组,分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.

TomMottershead和JohnZumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面),可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面,散射角等于0的质子位于中心,散射角越大,半径越大.离开这个透镜后,质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器,可以将某些散射角度的质子束准直掉,对允许的角度范围进行积分,得到总质子通量为

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

第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］,则第一幅图像接收到的质子通量为

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

第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,则第二幅图像接收到的质子通量为

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

角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围,可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据,可以提供密度和材料组分的信息.

考虑到探测器记数服从泊松统计分布,面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104,每幅图像大约需要的质子数应为1011.如果一次流体动力学试验需要获得12个角度,每个角度20幅图像,则每次加速的质子总数达3×1013个.4质子照相装置

质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来,LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验,其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯•利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的,直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV）,小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术,验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力,以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言,质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节,需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是,质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.

LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统,图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器,一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器,经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后,磁透镜系统对质子束信号进行分类,由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.

图2LANL的质子加速器和分束方案

LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV,空间分辨率优于1mm,密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个,每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为200ns,质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲,视轴数12个,覆盖角度达165°.这样,一次流体动力学试验可获得12个角度,每个角度20幅图像.

2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元,其中质子加速器系统使用原有的部分设备,需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年,分几个阶段进行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年,8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看,原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此,这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.

5质子照相与X射线照相的比较

我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.

(1)三维动态照相.由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术,因此,质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像,这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像.而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外,质子照相不需要转换靶,保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶,需要考虑束斑的影响.

(2)精细结构分辨.高能质子穿透能力强,其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下,X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度,此时其穿透能力只有高能质子的1/10.质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制.散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.

(3)质子对密度和材料都比较敏感,可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上,质子散射的利大于弊,它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统,通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析,可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感,故分辨不出密度差别不大的两种物质.

(4)曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”,每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此,质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔,对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时,可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定,一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定,只能以固定的时间间隔照相,研究人员只能指定第一幅图像的时间.

(5)探测效率高.质子是带电粒子,直接与探测介质中的电子相互作用产生信号,因此,很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和γ光子.

(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像,没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法),图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊,但质子散射是可控的,可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子,而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同,也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统,消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相,空间分辨率可到100μm,最近的质子照相实验已达到15μm,并有达到1.2μm的潜力.

6结束语

质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节,多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型,多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来,科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前,X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天,质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.

参考文献

［1］BurnsMJ,CarlstenBE,KwanTJTetal.DARHTAcceleratorsUpdateandPlansforInitialOperation.In:Proceedingsofthe1999ParticleAcceleratorConference.NewYork,1999.617

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［3］MorrisCL.ProtonRadiographyforanAdvancedHydrotestFacility.LosAlamosNationalReport,LA-UR-00-5716,2000

［4］MottersheadCT,ZumbroJD.MagneticOpticsforProtonRadiography.In:Proceedingsofthe1997ParticleAcceleratorConference.VancouverBC,1997.1397

［5］KingNSP,AblesE,AlrickKRetal.Nucl.InstrumMethodsinphysicsresearchA,1999,424(1):84

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［9］BarbaraB,AndrewJJ.ChromaticallyCorrectedImagingSystemsforCharged-ParticleRadiography.In:Proceedingsofthe2005ParticleAcceleratorConference.Knoxville,2005.225

［10］AndrewJJ,DavidBB,BarbaraBetal.Beam-DistributionSystemforMulti-AxisImagingattheAdvancedHydrotestFacility.In:Proceedingsofthe2001ParticleAcceleratorConference.Chicago,2001.3374

［11］MorrisCL,HopsonJH,GoldstoneP.ProtonRadiography.LosAlamosNationalLaboratory,LA-UR-06-0331,2006

流体动力学基础范文第2篇

流体力学是萃取工艺极其重要的理论基础，而石油地质师和工程师在开始钻探之前为了寻找油气储层，设计最好的抽取方法，必须具备油气储层中流体动力学的知识。本书为工程师和地质师完成这些任务，提供基本的指导，给出关于流体流动、岩石性质以及其他许多日常亟需进行的计算和公式。

本书中描述的方法是独特的，直到目前为止还没有表述成书的体裁形式。读者现在有能力来对世界上的最有名的油田（从美国到俄罗斯和亚洲）进行评述。

本书对有经验的工程师、科学家和学生都很有用，将成为工作在石油工程上游领域的地质师、工程师和学生的必备书。

本书共分12章：1.活动带的含油区中的流体动力学；2.在阿尔卑斯活动带盆地的地质和油气显示；3.阿尔卑斯活动带盆地的水温地球化学场；4.阿尔卑斯活动带盆地的地压场；5.阿尔卑斯活动带盆地的地温场；6.阿尔卑斯活动带盆地今日的地球-流体-动力学；7.南里海盆地的碳氢生成、迁移和集聚；8.阿尔卑斯活动带盆地的油气显示的形成、地点和预报中的地球-流体-动力学机理和因素；9.阿尔卑斯活动带盆地的商业性油气显示的定性标准和定量特性；10.阿尔卑斯活动带盆地的油气显示的地质-数学模型；11.局部构造和油气显示主要区域中油气显示的地球-流体-动力学参数；12.进行区域情况分析的企图，在勘探和估价作业（以南里海盆地为例）的计划和行动中战略决策的概念性估价和步骤。

M. Z. Rachinsky是俄罗斯自然科学研究院的教授，曾获2006Kapitsa杰出科学成就奖；曾经是阿塞拜疆州石油研究院油气地质系的教授。

V. Y. Kerimov是The Gubkin Russian State University of Oil and Gas油气勘探技术方法系的教授和系主任。

流体动力学基础范文第3篇

本书主要讨论在科学研究及工程实践中遇到的流体问题中偏微分方程的变换与求解问题，书中所讨论的内容在航空航天、生物力学、化学、机械工程、流体力学及地球物理学流动等领域均得到了广泛应用。

本书一共分为8章。1，介绍了复数的基本知识、解析函数、积分与柯西定理、实积分的应用等内容；2，介绍了Gamma函数，一些用微分方程定义的函数如Legend-re函数、Bessel函数、超几何函数、cheby―shev函数和airy函数等特殊函数及部分函数的积分；3，特征值问题与特征函数展开。内容包括Rayleigh判据，Sturm―Li―ouville问题，特征函数展开及应用实例，非标准特征值问题，Fourier-Bessel级数；4，格林函数边值问题，介绍源项与基本解、有源项的球壳导热问题、格林函数一阶与高阶问题、伴随与自伴问题、一阶系统：格林矩阵、特征函数展开及实例；5，主要介绍Laplace变换及逆变换、双边Laplace变换；6，Fourier变换及逆变换、Mellin变换。7，主要介绍了背风波、远场动量尾迹、Kelvin-Helmholtz不稳定度、平板Couette流动稳定性等物理问题中的微风方程的应用；8，积分的渐进展开，主要介绍渐进展开基本知识、部分积分法、Laplace积分、Watson引理、最速下降法、稳相法及Kelvin结果等内容。

本书两位作者曾多年从事相关领域研究生课程教学工作，具有丰富的教学经验，书中很多内容就是在教学笔记的基础上整理编写出来的。I.H.赫伦教授曾在哈佛大学任教，美国西北大学、马里兰大学、麻省理工学院和美国Los Alamos国家实验室等单位进行访问研究，现在任职于伦斯勒理工学院，主要从事流体流动稳定性理论研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大学荣誉退休教授，曾在里海大学、伦敦大学学院、邓迪大学和曼彻斯特大学等进行访问研究，目前是伦斯勒理工学院兼职教授，获得过多个教学和科研奖项，是《流体动力学》、《流体物理学》、《力学学报季刊》和《应用数学》等国际杂志的审稿人，专业是理论流体动力学。

本书结构清晰，各种概念、定理解释透彻，书中结合实际物理问题安排了大量实例，十分便于读者理解理论知识，既可以作为非数学专业学生运用数学方法研究流体力学课程的教科书，也可以作为数学专业的辅助课程参考书，同时还可以作为相关领域研究人员的参考资料。

流体动力学基础范文第4篇

关键词：区域成矿 内容 意义 趋势 问题

一、区域成矿学研究的内容与意义

（一）区域成矿学的基本研究内容

近几十年来，地质专家、学者们提出来了一系列区域成矿理论和观点。随着区域成矿学理论的不断深入发展，它在地质矿产找矿过程中发挥的作用也越来越大。区域成矿学的研究内容主要包括以下几个方面：区域地层、构造、岩浆和变质作用及地质发展；含矿岩石建造的种类、形成与分布；区域地球化学特征；区域地质流体；已知矿种、矿床类型和成矿条件，成矿模式及成矿特征；区域地质异常；区内的成矿系统；矿产信息库的建立，区域成矿规律和成矿预测图的编制；总结区域成矿规律与特征，明确进一步研究的问题与方法；区域矿产资源潜力评价。通过以上研究工作获取对地质作用过程的基本认识，最后进行地质构造综合研究工作，分析有利于成矿的地质构造环境，编制综合地质构造图件，进一步说明地质构造特征，分析有利于成矿的地质构造。

（二）地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础

成矿作用是地质作用的组成部分，也是地质作用的产物。区域成矿学主要研究：成矿作用与地质作用的关系，最终把成矿作用的研究有效地融合到地质作用研究过程中去。现代成矿学研究表明，成矿作用在空间上经常产生于各类地质构造的边缘部位以及变异部位。重要的矿产主要分布在板块与板块不同组成部位的结合带或者边界地带。在时间上一般与地质构造转换阶段密切相关，矿产地一般成群、成带分布，成矿带的规模和地质构造边缘带和变异带相当。因此地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础，也是必需的途径。

二、区域成矿学研究发展趋势

随着对矿产资源需求规模和种类的扩大，成矿预测和找矿工作将继续受到重视。同时，由于地球科学整体进步、前沿领域研究取得突破性成就，成矿学研究也必将取得较快进展，我国区域成矿研究发展中，以下两方面最受关注。

（一） 成矿动力学研究

在地质科学的许多研究领域中动力学研究是一个大方向，而成矿学与动力学的结合使区域成矿研究达到一个新的水平。它主要从以下两方面展开：

1、开展单一矿床成矿过程的动力学机制研究。即对构造成矿流体运移及产生物质之间反应和交换的动力学研究。主要集中在对构造成矿流体运移中地球化学反应的热力学模型的建立，成矿物质形成和分布规律的反演和预测，把整个构造成矿流体动力学变量的变化特征进行研究。

2、开展区域成矿动力学的数值模拟研究

研究形成矿床集中区的地球动力学背景，目前仍以造山带和盆地为突破口。它以岩石圈变形研究为基础，要求深入研究岩浆作用发生及发展的动力机制，加强研究构造演化过程中流体的迁移和分布，探索大规模成矿作用的动力环境合成矿规律。随着计算机技术的广泛应用，区域成矿动力学机制的研究已由定性变为定量，静态变为动态，进行数值模拟成矿过程中的构造作用过程，完全数值模拟整个构造成矿的形成过程和动力学的过程成为可能。这久突破了构造地质作用过程中时空背景及环境条件复杂性的约束，对成矿的预测和矿产资源的勘查有十分重要的意义！成矿动力学机制的研究最终体现的是地球各圈层相互之间作用的过程，也是今后成矿流体动力学所要反映的核心问题。

（二）区域成矿构造研究

陈国达提出了“多因复成矿床”成矿学理论，而区域成矿的研究正是在此基础上开展。区域上成矿主要进行以下两方面的研究：

1、对矿床成矿类型的研究。在成矿构造研究中，以构造为主要线索，划分矿床的成矿类型，这些类型反映成矿物质来源的多样性和成矿过程的长期性及复杂性。2、对区域成矿作用过程研究。开展区域构造一热动力条件、主成矿期、矿床类型等研究，强调多成矿阶段、多控矿因素、多物质来源的研究，特别是构造岩浆作用的研究。3、对不同级别的大地构造单元控制着不同级别的成矿构造域、成矿构造区的划分、成矿专属性的研究。同时注重对不同构造系进行不同级别的划分，以利于正确划分成矿构造域、成矿区，顺利开展矿产资源预测和评估。

三、区域成矿不可忽视的问题

区域地质成矿是地质作用的一部分，其研究受到中外地质学家、矿床学家高度重视。伴随着科学技术的不断发展，地质找矿工作也逐渐向定量方面展开。但目前此项工作依旧还很薄弱。当前地质找矿工作中，针对不同矿种形成于不同的地质条件并受物理化学条件制约形成于不同深度，分门别类在同一地区不同深度上寻找不同矿种就成为一个不可忽视的问题。因为以往的地质找矿深度研究只注意从微量元素含量、元素共生组合进行研究，或使用矿物温度计、矿物压力计及氢、氧稳定同位素等研究成矿深度，却忽视了同一矿种或紧密伴生矿种在成矿深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地区乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和对比。这样就使得地质找矿缺少针对性和有效性，并造成人力、物力、财力的浪费，乃至对环境的严重破坏，盲目施工、盲目开采。

因为地质成矿在水平方向上和垂直方向上是有规律性的。举例来说河北涞源县王安镇杂岩体多金属，它的成矿规律：水平方向上，由岩体接触带向围岩，成矿由含铜磁铁矿矿化向铅锌矿化转变，矿床类型由接触交代型热液型；垂直方向上，成矿也表现为有序性：早期形成温压较高的含铜磁铁矿矿化，晚期形成温压较低的铅锌矿化。这说明铅锌矿化无论在水平方向还是垂直方向上均表现为一定的差异性，尤其是在垂直方向上的成矿深度表现为一定的深度范围。然而，在地质成矿过程中，其它金属成矿同样具有这种现象和规律。这就要求我们在当前地质成矿中，除注重研究有关矿种的成矿系列、成矿规律、成矿条件、成矿构造环境，更要注重研究有关矿种形成的区域成矿深度及相关地质体剥蚀深度。只有这样才能使地质找矿具有针对性、可比性，减少盲目性，提高找矿效率，并将取得较大的或重大的经济效益，同时保护了生态环境。

参考文献：

[1] P Laznlcka．成矿学的过去现在和将来．地学前缘1994

[2]张逸阳.区域成矿学及中国区域成矿特征研究[J].科技资讯.2008.3

[3]祁思敬.区域成矿学研究现状与发展趋势[J].西安工程学院学报.1999.1

流体动力学基础范文第5篇

关键词：流体力学；教学模式；改革

作者简介：杨卫波（1975-），男，湖北安陆人，扬州大学能源与动力工程学院，副教授；毛红亚（1976-），女，湖北天门人，扬州大学财务处，会计师。（江苏 扬州 225127）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0083-02

“流体力学”作为土木、机械、能源、动力、环境、化工等学科的一门主干技术基础课程，由于其理论性强、概念抽象、方程繁琐、难以理解与记忆，导致学生学习的难度较大，从而影响教学进程和专业人才培养的质量。因此，如何针对“流体力学”课程自身特点，结合专业建设目标，探索出一套新的适合各专业培养目标的流体力学教学模式具有非常重要的意义。本文结合工科院校学生的实际情况及笔者教学实践与体会，从教学内容、教学方法及考核方式三方面对流体力学教学模式改革进行了深入的探析。

一、教学内容

1.教学内容的选择

教学内容的选择对于提高教学质量、改善教学效果具有重要的意义。根据教育心理学理论，[1]在教学中应把课程中具有广泛迁移价值的科学成果作为教材的主要内容，从而可实现利用已有知识来同化现有知识的作用，提高学生的接受能力。“流体力学”作为大学工科专业的一门课程，虽然其内容相对比较陌生，但其所包含的基本知识却贯穿于中学相关课程之中。如流体力学中的速度、压力、压强、质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等，学生均在中学物理中均学过，因此在讲述相关内容时可以将其与中学内容相联系，从而提高学生的理解能力。又如在讲述管路的串联与并联特性时，其流量、阻力及阻抗特性正好与中学物理中电学的串联与并联电路的电流、电阻特性一致，如果在讲述之前引出中学的电路串并联原理，则可大大加强学生对管路串并联水力特性的理解能力。因此，根据学习迁移理论，将相关内容与学生已有知识进行对接，并阐述其相互之间的关系，不仅可以有效发挥学生利用所学知识来同化现有知识的作用，而且对于改善教学效果具有积极作用。

2.教学内容的编排

要合理编排教学内容就必须使教材结构化、一体化，以使构成教材内容的各要素具有科学、合理的逻辑关系。目前，国内“流体力学”课程的教学体系一般包括流体静力学、流体动力学（理想流体流动与实际流体流动）、流动阻力损失、孔口管嘴管路流动及特殊流动现象等。每部分内容既独立，同时各部分之间又有相互的联系。为了使学生容易学习，可以按照流体力学实际应用路线由简单到复杂的方式来编排教学内容。如可以从最简单的流体静力学部分开始，因为静力学部分中学物理中已讲授，生活中很常见，学生容易接受。由于静止是相对的，运动才是绝对的，自然界流体应用中更多的是运动着的流体，让学生明白这个道理后很自然将教学内容过渡到流体动力学部分，从而可提高学生继续往下学习的兴趣。在讲述流体动力学部分时，先从简单的一元理想流体运动部分着手，然后逐步过渡到多元理想流体流动及实际流体运动。在讲到实际流体运动时，由于能量方程中出现了阻力损失项，这样就很自然将内容过渡到流动阻力损失计算这一部分内容。由于生活中的复杂管路往往是由简单管路串联与并联而构成，因此，复杂管路的水力特性（流量、阻力等）需要确定，这样就可以根据流体力学实际应用需要将内容由阻力损失部分转移到孔口管嘴管路流动部分。最后，根据各专业培养需要，选择适合的特殊流动现象内容进行讲解，以加强流体力学的实际工程应用。这种以流体力学实际应用路线由简单到复杂作为主线的教学内容选择模式，内容组织层次感较强，讲起来更加引人入胜和重点突出，教学过程相对简化。

3.教学内容的弹性化

教学内容弹性化有两个方面的含义：一方面要根据每届学生不同的知识背景和不同的定位要求，采用不同的表达方式，以满足学生多样化的学习需要。另一方面是要根据时代的发展，不断更新教学内容，以适应最新科技发展的需要。[2]例如在“流体力学”教学过程中，为了让学生更容易接受，可以删去大量的数学公式推导，如流体连续性方程、动量方程、能量方程的推导等，这些内容对于学生是否掌握流体力学基本知识并无影响。又如，对于不同的学生群体，应根据学生今后的定位不同选择适当的教学内容，对于高职高专的学生，由于其毕业后大多数要走出校门从事实际工作，因此，在讲述时应侧重于流体力学实际应用方面的知识。而对于普通本科院校的学生而言，毕业后有相当一部分的学生要继续从事相关的研究工作（如考研等）。因此，应加强学生流体力学理论方面的教学与培养，以提高学生将来的研究能力。随着时代的发展和计算机的普及，将计算机用于求解流体力学问题的计算流体力学已越来越显示出其重要的作用。所以，流体力学教学中，适当介绍当今常用的计算流体力学商业软件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以扩充学生的知识视野，为今后有意继续深造的学生提供铺垫。

4.教学内容与工程实际相结合

兴趣是最好的教师。教育心理学[1]的研究表明：当学习内容与学生已有的知识和生活实际相联系时，才能激发学生学习和解决问题的兴趣。因此，在流体力学教学过程中，应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景，引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。如在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时，可以介绍1998年特大洪水灾害长江决堤事件等；在讲到流体静力学中平面总压力计算时，可以适当引入长江三峡水坝闸门的设计与计算；在讲到沿程与局部阻力损失[3]时，可以讲述如何选择水泵，并以每天生活用水管道供水为例来分析等；在讲到动量方程应用时，引入如何确定弯管及分叉管路中水流对管道的冲击力，从而可计算出管道支墩所受的推力；在讲述毕托管时，可讲述如何测量风管的风量与风压，在讲述倾斜式微压计时，可与毕托管一起讲述如何利用两者来测量正压与负压风管段的动压、静压及全压等。任课教师在平时授课过程中，结合专业培养目标适当穿插讲述一些发生在我们身边的与流体力学有关的实例，使学生认识到流体力学在生活及工程中的重要性，激发其学习兴趣，以提高教学效果。

二、教学方法

目前课堂授课中常用的教学方法主要有传统教学模式与以多媒体技术为代表的现代教学模式。传统教学模式是指教师通过口授、板书完成特定教学内容的一种课堂教学形式，该模式学生容易接受，可以达到预期教学目标。但缺乏创新与探索知识的功能，尤其是在当今知识快速更新的年代，更是面临严峻的挑战。现代教学模式是指在课堂教学中引入多媒体技术，通过形象逼真的动画的运用，生动形象地展示教学内容，从而可以充分发挥学生学习的积极性，使教学方式形象生动，有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力。

考虑到传统与现代教学模式各自的优缺点，在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来。如在讲述相关理论公式时，就以传统的板书教学为主，对公式的推导和例题的讲解，用板书的方式条理化，通过板书一边写、一边对学生提问，一边推导相关公式，让学生参与到教学中，从而可以加强学生与教师间的互动，激发与调动学生的学习积极性。而在流体力学理论的工程应用部分则较多地采用多媒体课件，例如在讲授层流与紊流[3]这部分内容时，单纯地板书讲解其概念很抽象，用多媒体课件展示雷洛实验讲解则直观生动，容易理解。在讲解孔口管嘴管路流动及虹吸现象时，用生动动画显示其流动全过程，可说明其流动过程中截面收缩及可能出现的真空现象，从而给学生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教师教与学生学的情况，及时发现问题以便改进。考核方式的合理性不仅能激发学生学习的兴趣，同时还可以提高教学效果。“流体力学”作为一门理论性极强的基础课程，传统的考核通常采用平时考核与期末闭卷考试相结合的方式，两者所占比例通常为30%与70%。平时考核主要是学生的出勤率与作业完成情况，而期末考试主要是卷面所取得的成绩。这种考核方式存在一定的问题，不仅不能激发学生的学习热情，在某种程度上还会使学生产生抵触心理。由于流体力学中有大量的经验公式和图表，如阻力系数计算公式与莫迪图、纳维-斯托克斯方程等，若采取闭卷考试，则势必要求学生背熟这么多的公式，容易陷入死记硬背的怪圈。

事实上，这部分内容的教学要求是让学生能熟练应用这些公式和图表解决工程实际问题，而不需要死记硬背。因此，在考核方式中可以尝试平时开卷考核与期末闭卷考核相结合的考核方式。即将不适合闭卷考试的一些无法记忆而又要求学生掌握与应用的内容，放在平时教学中进行开卷考核，而将一些基本原理、基本概念、基本计算方法的考核放在期末闭卷考试中。这样，一方面，通过平时不定期的考核能提高平时学生的出勤率，另一方面，通过平时考核也可以激发学生平时的学习兴趣，提高学习效率；此外还可以通过考核及时发现问题，改善教学方法。通过这样的考核方式，既能激发学生平时的学习兴趣，同时还可以提高教学效果，考试结果能较真实地反映学生对本课程知识的掌握和应用能力。

四、结语

教学不仅是一门科学，也是一门艺术。每一种教学模式都有其特定的适用范围和条件。流体力学作为工科院校相关专业的一门主干技术基础课，由于其理论性强、概念抽象、经验公式多，给其教与学带来难度。如何根据专业特点将其与各专业培养目标进行有机结合，通过教学模式的探索使其教学融入到各专业人才培养中，将是“流体力学”教学模式改革的进一步目标。

参考文献：

[1]谭顶良.高等教育心理学[M].南京：河海大学出版社，2006.

[2]刘立平，师少鹏.传热学课程教学的改革探索[J].高等农业教育，