流体力学研究方向
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流体力学研究方向范文第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.
流体力学研究方向范文第2篇
关键词：CFD方法；流体机械设计；运用分析
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.094
0 前言
近几年来，我国的工业化进程开展的如火如荼，工业制造业作为支撑国民经济发展的主力军受到了广泛的关注。在科技时代的影响下，各种多样化的科学技术被应用在流体机械设计中，并且发挥着重要的作用。CFD技术是现代化工业经常使用的一种手段，在汽车制造业、航空航天、造船业等领域中的应用相当广泛。除此之外，CFD技术还被使用在喷水泵、压缩机等流体机械设计当中。不管从哪一个角度看，CFD技术的应用都推动了工业领域的可持续发展。
1 CFD方法的基本概述
CFD也叫计算流体动力学，是流体力学领域中的重要组成部分，在工业机械设计中占据了关键地位。CFD是数学和计算机有机结合的产物，作为一门具有强大生命力的边缘学科，不管是在数学领域还是计算机领域，CFD方法的重要性都是无可替代的。在使用CFD技术的时候，需要依赖电子计算机作为工具，通过各种离散化的数学方法的合理利用，解决流体力学计算中的各种问题。利用先进的科学仪器模拟数值实验，根据实验数据构建虚拟模型，并且针对模型进行细致的分析与研究，从而实现利用数学知识解决流体力学实际问题的目标。常用的CFD技术软件为FLUENT。
任何流体的运动都不是随机，而是遵循一定的自然规律，所以在利用CFD方法研究流体力学的时候，也应该遵守一定的规律。常用的自然规律有质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。流体的运动非常容易受到外界因素的影响，并且在外界因素的影响下会发生一定的变化，而CFD方法的应用恰恰能够解决这些问题。CFD方法的应用是建立在数值数学和流体力学的基础上，通过先进的计算机软件进行数据分析，根据数据分析结果构建离散型数字模型，通过对模型的分析与研究来实现计算的目的[1]。
2 CFD方法在流体机械设计中的应用
2.1 CFD方法在喷水泵设计中的应用
喷水泵属于流体机械的一种，而CFD方法在流体机械设计中的应用比较广泛，所以CFD技术也能够使用在喷水泵的设计当中。喷水泵是一种输送液体水的工具，生活中常见的喷水泵有单极轴流叶轮机械，主要组成部分为静子与转子。常用的CFD技术软件为FLUENT，只要是跟流体机械设计有关的工业都可以使用FLUENT。不仅能够提升数值计算的准确性，建立更加完善的物理模型，还具备强大的处理功能，为喷水泵设计的可靠性提供了基本保障。
（1）建立模型。FLUENT软件的使用是建立在模型的基础上，所以要想充分发挥出FLUENT软件的重要作用，构建模型是非常必要的。在构建模型的时候，需要根据转子片数和静子片数进行分析，假设静子和转子都只有一个叶片，且转速为1200r/min，利用假设实验对水流流动问题进行分析，将预先设定好的数据输入到FLUENT软件当中，就可以开始建立模型了。模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置[2]。
（2）数值计算。喷水泵模型构建结束之后，需要根据模型进行数值计算。利用FLUENT软件中的三维单精度求解器进行分析，在三维单精度求解器中选择恰当的计算模型，然后根据所选择的标准进行函数分析，通过使用混合面来对喷水泵进行喷水实验，观察静子和转子的运动情况。另外，在模拟的过程中，还需要对外界环境进行设置，因为CFD技术在使用的时候非常容易受到外界环境因素的影响，如果不进行科学的控制，就会影响到最终的实验结果。除了外界环境以外，还要检查进口压力，当所有的条件都在相关标准的控制之下，就可以利用FLUENT软件中的3D技术对模型进行数值计算，从而描绘出比较真实的喷水泵运行模拟图[3]。
2.2 CFD方法在压缩机设计中的应用
压缩机也属于流体机械，主要用于输送压缩气体和提高气体压力。在使用CFD方法设计压缩机的时候，需要对压缩机的缸壁和活塞进行设置。缸壁用圆柱体来表示，活塞用运动壁面来表示。一般情况下，会将曲柄角度设置为180°，让活塞自下而上进行运动，一点一点对缸内气体进行压缩，当活塞压缩到一定程度的时候，或者是当曲柄角度为360°的时候，活塞又会重新回到原来的位置，但是这一次运动的曲柄角度不再是180°，而是540°。
利用CFD方法中的Gambit软件进行压缩机模型的构建，模型构建完毕后还要适当的进行简化，简化的时候要严格遵守相关的简化步骤进行，指导压缩机模型简化到一定程度之后就可以进行网络划分与网格设置。当压缩机模型建立结束之后，就要开始根据模型进行数值计算了。依然是采用FLUENT三维软件对压缩机模型进行数值计算，根据三维单精度求解器的设置进行分析，启动非稳态的求解器，确保压缩机模型数值分析的准确性与可靠性[4]。
3 结论
综上分析可知，CFD方法在流体机械设计中的应用非常普遍，是在数学领域和计算机领域的基础上进行的，本文针对喷水泵和压缩机这两种流体机械的设计进行分析，从建立模型和数值计算两个角度进行研究，充分发挥出CFD方法在流体机械设计中的重要作用，了解了CFD技术在流体机械设计中的优势。
参考文献：
[1]严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J/OL].电子制作，2013（20）12.22-23
[2]彭志威.基于计算流体力学的虹吸式流道形状优化设计[D].湖南大学，2009.
[3]刘伟.基于CFD的现代造纸机布浆技术与布浆器的研究[D].华南理工大学，2013.
流体力学研究方向范文第3篇
[关键词]流体动力学 教学内容 考核方式 改革 桥梁作用
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）06-0117-02
流体动力学的发展动力是生产的发展和需要，它的任务就是解决科学研究和工农业生产中遇到的有关流体流动的问题。因此，流体动力学涉及的技术部门较多，除了航空、水利之外，还涉及机械、动力、航海、冶金、建筑、环境等技术部门。[1]同样，流体动力学作为高等学校一门专业基础理论课程，所涉及的专业领域也较多，对各专业的多门后续课程的学习都有着重要的影响。流体动力学具有理论不易掌握、概念多而抽象、难以理解、易混淆、对高等数学知识要求高等特点。如果学生的高等数学知识薄弱，更容易造成“教师难教，学生难学”的现象。[2] [3]国内外学者在流体动力学课程教学方法改革方面做了较多的探讨和研究。[4] [5] [6] 而且，流体动力学理论性较强，但并非纯理论课程，它与工程实际是息息相关的。基于此，笔者根据流体动力学教学、设计及科研经验，就流体动力学教学内容及考核方法方面的改革进行了研究。
针对流体动力学课程的特点以及教学过程中普遍存在的问题，本文首先明确了流体动力学教学内容及考核方法改革的目标：各高校应该根据自身办学等条件，注意优化整合教学资源，注重理论教学融入实验教学的思想，在教学内容设计、教学方法手段、考核方式方面，应在一定程度上突出学生的主体作用，建立良好教学氛围，提高学生学习的主动性，培养学生热爱科学、积极创新的思想和素质，真正使流体动力学这门课程起到从基础理论到工程实际应用的桥梁作用，为学生后续的专业学习打下良好的基础。
一、教学内容
（一）理论教学内容
在理论教学内容设计方面，可以将理论教学内容分为基本理论模块、专业关联模块、理论拓展模块、创新素质培养模块四个模块。这四个模块分别具有以下的含义：
（1）基本理论模块：由流体动力学这门课程中最基本的理论、技能构成，具有通识性。
（2）专业关联模块：由流体动力学这门课程中与专业直接关联内容，或者与后续的专业学习相关联的，利用基础理论解决实际问题的理念和方法构成，是体现流体动力学这门课程，起到从基础理论到工程应用桥梁作用的主要模块。
（3）理论拓展模块：由流体动力学这门课程中与本专业关联度相对较小，但是概念更抽象、难度更大，有利于拓宽学生知识面、培养学生抽象思维能力的内容构成。
（4）创新素质培养模块：由流体动力学这门课程中有利于培养学生创新的思维、创新的技能、创新的理论研究方法，甚至有利于人文素质教育的内容构成。
模块的划分应细化到每一个章节，并且明确在每个章节的权重，这样可使教师明确地把握每一个章节的教学目标和培养目标。同时，学生也能够掌握每一个章节的学习目标。如果学生在某一章节学习上出现问题，教师和学生能够及时发现是在哪个模块上出现了问题，这有利于教师及时改进教学方法，学生及时改进学习方法，及时解决问题，不至于出现问题堆积，影响学生对课程的学习的情况。而且，我们也应注意到，针对教材而言，每一章节的内容与内容之间都有着承上启下、相互关联的特点，当然，各章节之间也有一定联系，在理论以及涉及的概念的深度方面也是逐步递增的。因此，在讲授过程中，还应注意同一内容多模块化，以及模块与模块之间的关联性，明确模块之间的关联点，而不能将模块孤立化，往往造成只见树木、不见森林的不良后果，使学生对每一部分的内容都了解得透彻，但由于不了解相互之间的关系，从而限制本课程学习过程中的理论拓展。例如：在讲授“描述流体运动的两种方法”的过程中，涉及两个内容：拉格朗日法和欧拉法。基于本文的教学内容模块化思想，其模块化形式如图1所示：
图1 模块构建示意图
从图中可以看到，“拉格朗日法”内容构成基本理论模块，而“欧拉法”内容具有两种模块形式：基本理论模块和创新素质培养模块。其构成的原因有：（1） “欧拉法”不研究个别质点的运动规律，而对流场进行分析和计算，它是流体动力学理论研究和工程应用的基础;（2） “欧拉法”的提出是创新思想的体现，因为它超越了常规的描述固体运动的思维方法，“欧拉法”是基于“拉格朗日法”的换位思考，而它的意义却远远超过了“拉格朗日法”。在这部分内容的讲授中，要注意模块与模块之间的关联性，明确“拉格朗日法”与 “欧拉法”的关系，使学生能深入地理解“欧拉法”的思想以及相关的概念，为课程后续的学习打下良好的基础。另一方面，可以针对学生的特点，借助“欧拉法”的换位思考法，起到培养学生人文素质的作用，引导学生采用换位思考方法，正确地面对人生的问题，使自己的人生观和道德观得到升华。
（二）实验教学内容
由于流体动力学的研究方法主要有理论分析、实验研究和数值模拟三种，其中实验是学生应用理论解决实际问题，进一步加深对概念理解的重要环节。因此，在流体动力学的理论教学中，应注意融入实验教学的思想。基于此，将实验教学内容分为必做实验模块、选做实验模块、自行设计实验模块三个模块。这三个模块分别具有以下的含义：
（1）必做实验模块：由传统验证实验构成。
（2）选做实验模块：由教师设计的实验，或者与流体动力学课程相关的科研实验构成。
（3）自行设计实验模块：由学生自行设计的实验构成。
其中，在选做实验模块的实施过程中，关键是注意了解学校与流体动力学课程相关的科研实验台架和主要的科研实验内容，优化整合实验教学资源。针对大部分高校现有的条件，在自行设计实验模块的实施过程中具有一定的难度，但是可考虑利用先进的计算机技术，实现“虚拟实验”，或者采用针对个别学生实施这部分实验，然后再增加学生人数，逐步实现这一实验模块的教学。
二、教学方法手段
理论教学过程中以多媒体教学手段为主，多媒体课件的制作应结合本课程的教学规律，符合实际需要，将理论问题形象化，并注意将理论教学融入实验教学和数值模拟的思想。
例如，“雷诺实验”这部分内容的理论教学中，多媒体的制作可采用动画的形式演示实验的基本过程和结果，将层流和紊流两种流态形象地表现出来。同时，可以借助实际工程中的数值模拟结果，更形象地反映这两种流态的特点和工程实际的应用。这样既说明了实验和数值模拟之间相辅相成，又将实验教学和数值模拟的思想融入理论教学中，由此起到培养学生科学研究能力的作用。
三、考核方式方法
由于考核的目的在于助学和改进教学方法。因此，本课程的考核应在一定程度能够发挥学生的主体作用，这样有利于良好教学氛围的营造，有利于师生双向的交流。具体的考核方式有多种，综合的考核方式应该更合理，但操作起来也更复杂，可以采用先试点后铺开的途径。目前，大多数高校主要采用平时成绩和期末成绩综合考核的方法。平时成绩通常包括考勤、作业、实验。平时成绩的考核应是考核中最重要的内容，它是教师及时了解学生对该课程学习状况、把握教学目标的关键。其中作业内容的设计和要求是不可忽视的，例如，可以采用必做题、选做题，不是盲目地采用题海战术，这有利于调动学生学习的主动性，同时使学生对每一章节的学习有的放矢。对作业中的解题步骤和图的绘制都应该有明确的要求，这样有利于工程师卓越素质的培养。总之，平时成绩的考核注重调动学生学习的主动性，培养工程师卓越素质，同时培养学生利用知识分析问题的能力和创新能力，在考核内容设计方面应该是考核目的的体现。
四、结语
流体动力学的学习对于学生后续专业基础和专业课程的学习是非常重要的，作为一名优秀的教师，应该在教学实践过程中，不断地总结、反思所授的课程，而且要注意针对学生的特点，不断改进和完善教学方法，帮助学生学好课程，同时还应起到育人的作用。
[ 注 释 ]
[1] 莫乃榕.工程流体力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[2] 闵春华.流体力学教学中学生学习兴趣的培养[J].消费导刊，2009（18）：199.
[3] 吴光林.《流体力学》课程教学改革的思考[J].科技信息（科技教研），2008（14）：172-173.
[4] 于靖博，张文孝，李广华.工程流体力学课程教学改革与实践[J].装备与制造技术，2011（11）：205-207.
[5] 王峰，王宏燕.建筑环境与设备工程专业《流体力学》课程的教学改革[J].中国建设教育，2008（10）：12-12.
[6] 周滔.热能动力专业《流体力学泵与风机》课程改革的基本思路[J].电力职业技术学刊，2009（4）：41-42.
[收稿时间]2014-12-28
流体力学研究方向范文第4篇
[关键词]湍流；模式；FLUENT软件
中图分类号：TB126 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0093-01
1 前言
为了分析湍流，科学家在湍流运动的随机性研究中采用统计力学或统计平均方法。研究湍流的手段也使用了理论分析、数值计算和实验等。湍流数值计算实质上是求湍流基本方程的数值解。60年代以前，积分方法和常微分方程方法成为工程技术部门的常规算法。60年代中期以后，由于高速电子计算机的应用，偏微分方程方法获得了迅速发展。70年代以来，由于第四代巨型高速计算机的使用，湍流数值计算向大规模的数值模拟的更高阶段发展。
2 湍流理论的发展
湍流是对空间不规则和对时间无秩序的一种非线性、多尺度的流体运动，这种运动与不规则的流动边界一起产生了非常复杂的流动状态。在宏观尺度上流体微团做不规则随机脉动的流体运动。也称紊流。更确切地说，高雷诺数下的流体运动通常都是湍流。湍流的基本特征是流体微团运动的随机性，各局部流动量如速度、压强、温度、浓度等的瞬时值均可表示为某平均值与一个在时间和空间上都做急剧随机变化的脉动值之和，其脉动部分的平均值等于零。湍流在某些情况下对人类有利。例如它可强化传热与化学反应过程，而在另一些情况下又对人类不利，例如它可使摩擦阻力和能量损耗剧增。
对于工程中出现的湍流问题，其求解方法可归纳为四种：理论分析、风洞实验、现场测试和数值模拟。四种方法相互补充，以风洞实验和现场测试为主，理论分析和数值模拟为辅。数值模拟又称数值风洞，是目前数值计算领域的热点之一，它是数值计算方法、计算机软硬件发展的结果。
3 湍流模式理论
流模式理论或简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。目前虽然许多湍流模型已经取得了某些预报能力，但至今还没有得到一个有效的统一的湍流模型。同样，在叶轮机械内流研究中，如何找到一种更合适更准确的湍流模型也有待于进一步研究。
4 Fluent软件中的湍流模型
大多数工程中的流体力学问题都应当用湍流理论进行处理。国内外都在研究如何用湍流理论解决工程中的湍流问题。工程上最常用的还是采用各种湍流模型。尤其是近代.随着计算机技术和流体力学的发展，各种应用软件应运而生.FLUENT作为其中一种已被成功地用来解决一些工程湍流问题。
Fluent的软件设计基于"CFD计算机软件群的概念"，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。FLUENT软件中提供以下湍流模型：
5 结语
工程上最常用的还是采用各种湍流模型。尽管如此，我们应该看到，由于湍流是一种晋遍的物理现象，同时又具有极端复杂的流动特征，也是至今未能解决的世界性难题，长期以来人们试图利用各种工具对其进行研究，作为研究湍流的一种新的有效的方法，湍流模式已经在湍流研究中取得了一些令人鼓舞的成果，并且蕴藏着的巨大潜力，我们有理由相信，随着人们在这一领域的不懈探索和实践，湍流理论及湍流模式将具有更加光明的应用前景。
参考文献
[1] Davici C Wilcox. Turhulenc：e Modeling for CFD. 1993
[2]符松.湍流模式一一研究现状和发展趋势应用基础与工程科学学报.1994，2
[3] Haworth D C，Ngo T.Incernational Journal of Engineering Sciences 1988，26
流体力学研究方向范文第5篇
关键词：冷凝器；管壳式；换热方式；工艺设计
中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）06-0021-03
1 冷凝器工艺设计基础
1.1 选择基础
冷凝器的作用即是以热交换方式使气体冷凝的设备，在进行冷凝器管径设计时，一般选择19毫米、25毫米和38毫米。19毫米管径的冷凝器一般用于无污垢且压力在大气压以上的流体；易污垢的可取25毫米；但若是在真空环境下或低压下虹吸汽化移热等情况下使用，其管径可放大取值38毫米。以上是针对设计时管径选取的讨论，接下来是针对管子材料的选择。若只是金属且两种换热介质至少有一个的给热系数较小的情况，在计算换热系数时可不考虑金属导热系数；若是针对项石墨这种非金属材料来说，在计算换热系数时也不考虑金属导热系数；但若像聚四氟乙烯、陶瓷等大多数非金属材料来说，其导热系数都很小，给热系数却很大，在进行计算时可只考虑导热系数和污垢系数；若是金属和非金属组成的复合材料，其计算方法与非金属材料一致。最后是污垢系数的选取，其决定了换热系数的估算程度，通常这种系数都是凭经验获
取的。
1.2 冷凝器换热方式
冷凝器换热方式有两种，即卧、立。一般情况下立式冷凝器与卧式相比其给热系数较小，无特殊要求一般选取卧式的换热方式。若遇到必须选用立式，在设计时要考虑到管径大小，一般立式比卧式要大些。
立式有两种循环式：一是强制循环式，需要采用像泵之类的动力设备进行驱动，这种循环式单程汽化率低但设计较为简单；二是自然循环式，与强制循环式相比其更加节能，通常与塔连用。卧式的循环模式只有自然循环，但其自然循环式可分为自然对流和强制对流两种形式。
1.3 冷凝器的流体力学问题
冷凝器能否适应现场工况条件，其运行是否具备可靠性、稳定性等诸如此类的问题都是冷凝器工艺所决定的，通过分析可知，冷凝器的工艺设计主要处理以下三个问题，即流体压降要求、流量分配以及流路情况，这三个问题可统称为冷凝器的流体力学问题。
在进行设计时，针对形式已经确立的冷凝器来说，提高流速是增大给热系数的最行之有效地方法，既可提高流速，又可增大压降，因此针对这种情况，在设计时要充分考虑到以下四点：提高流体给热系数问题；增加流体流速问题；工艺要求的满足程度问题；要确保其可稳定、可靠的运行。针对掺杂污垢或杂质的介质流体，流速的降低会使这些污垢和杂质轻易地堆积下沉在冷凝器中，既违反了设计的初衷，也影响冷凝器的运行效果，杂质在沉淀堆积的同时也大大缩短了冷凝器的清理周期。
此外，冷凝器设计中的壳程问题，若在设计时适当地增加挡板数以及呈三角形排列管子，这样在减小换热面积的同时既增强了换热效果，也节约了设备投资成本。在设计挡板时主要考虑的首先是流体能否顺利流过问题，其次再考虑阻力因素和导热效果，最后就是一些设计挡板时应极力避免出现的问题，主要包括死区、旁流、沟流和可能出现的振动现象。
2 冷凝器的工艺设计
2.1 冷凝器设计的几点说明
在进行冷凝器设计时，要具体情况具体设计。举个例子，假使利用单台冷凝器去冷凝大流量气体时，其冷凝效果肯定是不理想的，同样的在导热系数小或者相对挥发度相差很大的多组分且需全冷凝的情况下，选用单台冷凝器其效果也肯定是不理想，除这些之外，在安装维修方面也存在诸多不便，不利于整体设备可靠、稳定、经济地运行，此时就要选择多台冷凝器配合使用。多台冷凝器在配合上主要有三种方式：多台冷凝器串联使用、多台冷凝器并联使用以及多台冷凝器或串或并的使用。针对高压且流体具有腐蚀性的情况需单独考虑。在多台串联使用冷凝器时，一般前一台决定待冷凝流体管程走向，第二台决定待冷凝流体壳程走向。
2.2 冷凝器的材料及移热介质的选择
冷凝器的选材主要从壳程和管程两方面着手，其选择依据遵照流体的物性以及冷凝器所处的使用环境等确定，一般在进行材料选择时是从冷凝侧和移热侧两点进行：冷凝侧选材主要选择石墨材料、聚四氟乙烯材料或加钛的钢材，石墨材料或聚四氟乙烯材料主要针对低压含腐蚀介质流体的冷凝，而加钛的钢材主要是应付高压力或真空环境下的含腐蚀介质流体的冷凝；移热侧通常不会将腐蚀流体作为移热介质，若必须选用，则其选材方法同冷凝侧，工业水是目前化工工业中最常用的移热介质，其含氧高，如未做除氯处理则不采用碳钢而采用不锈钢材料。
2.3 冷凝器设计要素概述
设计冷凝器主要从三方面着手：能够在包括设计点在内的整个状态范围内长周期正常稳定运行，且不会影响系统前后设备工况、工艺参数控制等；生产制造成本相对较低，且内部配件国内能够提供；其体积、重量适应现场空间，安装维护方便，可适应化工现场的特殊工况。
2.4 冷凝器换热面积确定
冷凝器换热面积的确定首先需要确定三个参量：气体冷凝量、传热温度推动力和换热系数值，工艺条件决定其中的气体冷凝量和出入口温度。
首先确定出入口温度，此温度是在满负荷运转情况下得出，分三种情况：直接用于设计计算的温度值，此情况只限于前后工艺已经限定的情况；针对入口温度限定，出口温度变化在某一特定范围内的情况比较复杂，首先移热介质的出口温度即是冷凝器平均温度，而且要满足一定的工艺设计要求并能够根据实际情况留出裕量，其次要兼顾到所选设备的选型、制造、工艺控制等方面；由设计者按需自行设定，此情况限于出入口温度都未限定，属于不多见的情形。
然后计算给热系数，主要分为无相变的移热与气化移热，无相变的移热简单，而气化移热需要根据自身经验选择合适的计算公式进行求值，否则工艺设计会出错。对于壳程的给热系数计算，要根据不同挡板切口选择相应的计算公式。
对于沸腾移热的给热系数计算主要有三个步骤：求池内沸腾膜系数；求两相强制流的膜系数；应用陈氏关联式、费尔关联式计算，最后求得平均值。这三个步骤只适用于壳程，冷凝过程则还要乘以一个校正系数。
初步求得换热面积后，就要根据具体情况选择裕度，通常选15%～20%，然后通过换热面积进行冷凝器的选型。在裕度选择时，即使是有污垢流体也不要预留过大。值得注意的是冷凝器的换热面积在初步确定后要进行校验，校验不通过的要重新进行设计。
参考文献
[1] 朱洪涛，徐成义，安清泉.化工设计中常用冷凝器的选用[J].中国科技博览，2012，（1）.
