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篇1

關(guān)鍵詞光電子學(xué),質(zhì)子照相,綜述,質(zhì)子加速器,磁透鏡

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

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

1引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃（Manhattanproject）,并持續(xù)到現(xiàn)在,它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先,照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì),要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時變化,要求曝光時間足夠短.

目前,世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯•阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實驗?zāi)軓膬蓚€垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像,不能進行多角度多時刻的輻射照相,獲得流體動力學(xué)試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無限壓縮,束流打到轉(zhuǎn)換靶上,產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑,從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm,制約了空間分辨率的提高.

研究人員希望實現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗進行多角度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照

相,從而獲得流體動力學(xué)試驗的三維動態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學(xué)家ChrisMorris提出用質(zhì)子代替X射線進行流體動力學(xué)試驗透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實驗也確認(rèn)了這項技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強子的長平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個思路出發(fā)，研究了使用中子照相進行流體動力學(xué)試驗診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體動力學(xué)試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時的洛斯•阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來,利用高能質(zhì)子束實現(xiàn)流體動力學(xué)試驗診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進的快速成像探測系統(tǒng)［5］.

高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短,則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長,則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體動力學(xué)試驗提供了一種先進的診斷方法.

2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機制

高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質(zhì)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力,質(zhì)子與核的強作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:

如果是彈性碰撞,以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動量,質(zhì)子因受核力的強大作用,會偏轉(zhuǎn)很大角度,這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器,這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說,損失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,質(zhì)子與原子核的強相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)

其中N0,N分別為入射到被測物體上的質(zhì)子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)子能量達到GeV量級就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因為質(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.

由于質(zhì)子帶電,它也通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用.當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:

質(zhì)子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射,穿過原子核的每個質(zhì)子,即使和核并不接近,也能導(dǎo)致質(zhì)子方向發(fā)生小的變化,每個小散射效應(yīng)可以累積,這種現(xiàn)象叫做多重庫侖散射.多重庫侖散射的理論由EnricoFermi在20世紀(jì)30年代建立.質(zhì)子與原子核之間的庫侖力作用發(fā)生多重庫侖散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值,可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)

式中p為束動量,β是以光速為單位的速度,Ri是材料的輻射長度,其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)

其中A是原子量,Z是原子序數(shù).多重庫侖散射的結(jié)果很重要,特別是對重物質(zhì),最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面,因為Ri與材料的原子序數(shù)有關(guān),也正是這個特性使質(zhì)子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質(zhì)子和電子之間也會產(chǎn)生庫侖力作用,通常是非彈性的.因為電子質(zhì)量與質(zhì)子相比很小,庫侖力的作用使電子方向和速度產(chǎn)生躍變,而對質(zhì)子的方向和能量只產(chǎn)生緩變.也就是說,質(zhì)子通過電離原子(把電子擊出軌道),損失小部分能量.這種作用不會導(dǎo)致質(zhì)子運動方向大的改變,但會導(dǎo)致質(zhì)子能量的減少.20世紀(jì)30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量,能量損失速率與它的動能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當(dāng)質(zhì)子能量達到GeV量級,dT/dl的值幾乎與動能無關(guān).如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位,則

E=T+1,E2=P2+1.(6)

因此,能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質(zhì)子通過物體后損失能量,發(fā)生能量分散.磁透鏡對不同能量的質(zhì)子聚焦位置不同,也將導(dǎo)致模糊,這就是所謂的色差［8］.

3質(zhì)子照相原理

質(zhì)子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu).

由于多重庫侖散射,穿過被照物體的質(zhì)子束有不同的散射方向,形成一個相對于入射方向的錐形束,需要磁透鏡系統(tǒng)才能成像.如果質(zhì)子照相的模糊效應(yīng)持續(xù)存在的話,質(zhì)子照相的潛力可能永遠(yuǎn)不會被發(fā)掘出來.1995年,Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進而消除模糊效應(yīng),最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來,LANL的另一位物理學(xué)家JohnZumbro改進了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計方案,稱為Zumbro透鏡［4］.

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點是它的消色差能力.加速器產(chǎn)生質(zhì)子束并非是單一能量的束流,實驗客體對質(zhì)子的散射增加了質(zhì)子能量的分散,不同能量的質(zhì)子具有不同的焦距,導(dǎo)致圖像模糊.基于這樣的考慮,Zumbro采用在入射質(zhì)子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matchinglens),匹配透鏡的設(shè)計使得入射到被測物體上的質(zhì)子束具有角度-位置關(guān)聯(lián),即質(zhì)子與透鏡光軸夾角與質(zhì)子離軸的徑向距離成正比.而且,角度-位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)與成像系統(tǒng)磁透鏡的設(shè)計有關(guān)［9］.這樣,可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.

剩余的色差項為

x=-x0+Cxθ0δ,(8)

式中Cx為透鏡的色差系數(shù)，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質(zhì)子的能量成反比.因此,為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響,質(zhì)子束的能量越高越好.高能量意味著大規(guī)模和高造價,根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學(xué)試驗的精度要求,LANL為先進流體動力學(xué)試驗裝置(AHF)建議的質(zhì)子能量為50GeV.

質(zhì)子照相技術(shù)的關(guān)鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統(tǒng).圖1給出了LANL質(zhì)子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先,質(zhì)子束通過金屬薄片擴散,再經(jīng)過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外,還可以使質(zhì)子束在擊中物體前發(fā)散開來,以便覆蓋整個物體,避免了使用很厚的金屬作為擴束器),這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負(fù)恒等透鏡組,分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

TomMottershead和JohnZumbro論證了可以根據(jù)庫侖散射角的不同，在透鏡系統(tǒng)的某個位置(傅里葉平面),可以將不同的散射質(zhì)子束區(qū)分開來.在傅里葉平面,散射角等于0的質(zhì)子位于中心,散射角越大,半徑越大.離開這個透鏡后,質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準(zhǔn)直器,可以將某些散射角度的質(zhì)子束準(zhǔn)直掉,對允許的角度范圍進行積分,得到總質(zhì)子通量為

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

第一個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］,則第一幅圖像接收到的質(zhì)子通量為

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

第二個角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質(zhì)子通量為

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

角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對比度.根據(jù)物體的光程調(diào)節(jié)角度范圍,可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數(shù)據(jù),可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數(shù)服從泊松統(tǒng)計分布,面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質(zhì)子數(shù)應(yīng)為104,每幅圖像大約需要的質(zhì)子數(shù)應(yīng)為1011.如果一次流體動力學(xué)試驗需要獲得12個角度,每個角度20幅圖像,則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個.4質(zhì)子照相裝置

質(zhì)子照相技術(shù)自1995年首次在美國LANL被論證以來,LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗,其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯•利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構(gòu)（AWE）合作完成的,直接針對流體動力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態(tài)實驗（質(zhì)子能量800MeV）,小型動態(tài)實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實驗（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗證內(nèi)爆過程后期的材料動力學(xué)和材料狀態(tài)的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學(xué)試驗的高能質(zhì)子照相實驗（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進行高能質(zhì)子照相的目的是:發(fā)展高能質(zhì)子照相所需技術(shù),驗證采用質(zhì)子照相進行大尺度流體動力學(xué)試驗的能力,以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(xué)試驗客體而言,質(zhì)子照相的質(zhì)量遠(yuǎn)好于DARHT的照相結(jié)果.如果DARHT要獲得同樣的照相細(xì)節(jié),需將其劑量提高100倍.而且比照片質(zhì)量更重要的是,質(zhì)子照相具有定量的特性.質(zhì)子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學(xué)試驗閃光照相設(shè)施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質(zhì)子照相裝置包括質(zhì)子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統(tǒng),圖2給出了質(zhì)子加速器和分束系統(tǒng)方案［12］.質(zhì)子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器,一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調(diào)制器將質(zhì)子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器,經(jīng)過同步傳輸系統(tǒng)和使用分束器將質(zhì)子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質(zhì)子束穿過實驗靶后,磁透鏡系統(tǒng)對質(zhì)子束信號進行分類,由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實驗布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實驗.

圖2LANL的質(zhì)子加速器和分束方案

LANL提出的質(zhì)子照相裝置的主要指標(biāo):質(zhì)子束能量達到50GeV,空間分辨率優(yōu)于1mm,密度分辨率達到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達3×1013個,每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為200ns,質(zhì)子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續(xù)提供20個脈沖,視軸數(shù)12個,覆蓋角度達165°.這樣,一次流體動力學(xué)試驗可獲得12個角度,每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計劃.整個裝置預(yù)計投資20億美元,其中質(zhì)子加速器系統(tǒng)使用原有的部分設(shè)備,需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年,分幾個階段進行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年,8—12個軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看,原計劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此,這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5質(zhì)子照相與X射線照相的比較

我們通過與現(xiàn)有最好的流體動力學(xué)試驗裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點和優(yōu)勢［13］.

(1)三維動態(tài)照相.由于質(zhì)子加速器固有的多脈沖能力和質(zhì)子束分離技術(shù),因此,質(zhì)子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態(tài)過程圖像.質(zhì)子照相能夠提供超過20幅的圖像,這種多幅能力可得到內(nèi)爆運動過程的動態(tài)圖像.而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外,質(zhì)子照相不需要轉(zhuǎn)換靶,保證了多次連續(xù)照相不受影響，而X射線照相由于需要轉(zhuǎn)換靶,需要考慮束斑的影響.

(2)精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨.高能質(zhì)子穿透能力強,其穿透深度和流體動力學(xué)試驗?zāi)Ｐ瓦_到理想匹配.相比之下,X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度,此時其穿透能力只有高能質(zhì)子的1/10.質(zhì)子照相能測定密度細(xì)微變化的另一個理由是質(zhì)子散射能得到控制.散射質(zhì)子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質(zhì)子對密度和材料都比較敏感,可以分辨密度差別不大的兩種物質(zhì).實際上,質(zhì)子散射的利大于弊,它能用于識別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個相同的磁透鏡系統(tǒng)和不同孔徑準(zhǔn)直器串聯(lián)組成的兩級成像系統(tǒng),通過對兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進行分析,可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感,故分辨不出密度差別不大的兩種物質(zhì).

(4)曝光時間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”,每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此,質(zhì)子照相可任意選定曝光時間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔,對較慢的運動進行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時,可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定,一旦脈沖的時間間隔和持續(xù)時間固定,只能以固定的時間間隔照相,研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質(zhì)子是帶電粒子,直接與探測介質(zhì)中的電子相互作用產(chǎn)生信號,因此,很薄的探測器就能將質(zhì)子探測出來.如此薄的探測介質(zhì)接收不到被探測客體中產(chǎn)生的中子和γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像,沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法),圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質(zhì)子散射雖然也會引起圖像模糊,但質(zhì)子散射是可控的,可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質(zhì)子,而且能減小次級粒子的模糊效應(yīng).但不同能量質(zhì)子的聚焦不同,也將導(dǎo)致模糊.Zumbro改進了透鏡系統(tǒng),消色差提高了圖像品質(zhì).對于小尺寸物體的靜態(tài)質(zhì)子照相,空間分辨率可到100μm,最近的質(zhì)子照相實驗已達到15μm,并有達到1.2μm的潛力.

6結(jié)束語

質(zhì)子照相是美國國防研究與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合而誕生的高度多用性的發(fā)明.質(zhì)子照相若不是與國防基礎(chǔ)研究共同立項，也絕不會有如今的發(fā)展.雄厚的武器實驗基礎(chǔ)能持續(xù)提供人員和創(chuàng)新技術(shù).質(zhì)子照相極大地提高了流體動力學(xué)試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細(xì)辨別內(nèi)爆壓縮的細(xì)節(jié),多角度照相有利于建立完整的流體動力學(xué)模型,多幅連續(xù)照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來,科學(xué)家們加緊了對高能質(zhì)子照相的研究.目前,X射線照相仍然是流體動力學(xué)試驗的主要設(shè)備.總有一天,質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗進行充分解釋.

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篇2

“香蕉球”、飛機的機翼升力、直升機起降以及垂直尾翼、電梯里面的氣壓問題、地鐵的氣壓問題等。

伯努利方程是理想流體定常流動的動力學(xué)方程，意為流體在忽略粘性損失的流動中，流線上任意兩點的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。

這個理論是由瑞士數(shù)學(xué)家丹尼爾第一·伯努利在1738年提出的，當(dāng)時被稱為伯努利原理。后人又將重力場中歐拉方程在定常流動時沿流線的積分稱為伯努利積分，將重力場中無粘性流體定常絕熱流動的能量方程稱為伯努利定理。這些統(tǒng)稱為伯努利方程，是流體動力學(xué)基本方程之一。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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關(guān)鍵詞：高壓氣流；風(fēng)水聯(lián)動；粉塵防治

1 降塵技術(shù)概況

近年來，隨著采、掘機械化程度的提高，工作面粉塵濃度成倍增長，大量的粉塵不僅危害井下工人身體健康，而且大多數(shù)粉塵具有爆炸性，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。為了降低采、掘工作面粉塵濃度、防止職業(yè)病的發(fā)生、保障工人的身體健康、避免粉塵爆炸等事故發(fā)生，結(jié)合流體動力學(xué)等相關(guān)理論，提出了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵理論與技術(shù)。通過工業(yè)性試驗，測定了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置的實際效果，為煤礦粉塵防治工作提供了新的思路和方法，取得了良好的效果。

目前使用的噴霧系統(tǒng)裝置主要是霧化噴頭，地面靜壓水池防塵水通過防塵水管與霧化噴頭連接，通過閥門控制噴霧，噴頭上的噴嘴多為塑料材質(zhì)，且有一段軟管與防塵硬管連接，該裝置存在以下缺點：噴頭的噴霧嘴容易堵塞，造成不出水；噴霧嘴容易損壞，造成不霧化或霧化效果不好；噴頭噴霧效果不好，噴霧范圍小，不能覆蓋巷道全斷面；由于噴霧裝置距離工作面迎頭較近，噴霧裝置堅固性不足，容易被放炮崩壞；噴霧系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)達不到優(yōu)化配套的要求，導(dǎo)致噴霧降塵效果不理想。經(jīng)過在實踐中摸索研究，在流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上研制了風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)，利用風(fēng)-水兩相流體，以風(fēng)為主，以水為輔，形成立體霧化范圍，通過隔塵、降塵等一系列過程，能夠有效降低工作面粉塵濃度，保障從業(yè)人員身體健康，避免粉塵爆炸等事故發(fā)生。

2 風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵原理

將防塵水管中的防塵水從噴霧頭的斜側(cè)方向引入噴霧頭內(nèi)，將壓風(fēng)管中的壓風(fēng)從噴霧頭的后部以直線方向引入噴霧頭內(nèi)，當(dāng)風(fēng)力射流噴霧噴嘴在同時接通承壓水和高壓氣流時，承壓水和高壓氣流在射流噴嘴的噴嘴腔內(nèi)混合，依靠風(fēng)的高壓動力將引入的承壓水加以霧化，通過噴嘴噴出，一股高壓氣流使得水流鋪開并迅速破碎利用風(fēng)的壓力，使進入的防塵水分裂成許多小水滴，并在風(fēng)力射流噴嘴的噴頭處噴成霧狀，通過對稱噴嘴邊壁周邊向外噴射形成噴射物流，形成有利于降塵和隔塵的噴霧體，噴射物流隨著氣流的擴散而擴散并變成湍流，霧流在高速氣流的沖擊下分散度非常好，

由于高壓引射噴霧的速度大于塵粒運動速度，霧粒將塵粒捕捉、吸附，高壓氣流噴霧的霧粒直徑很小，對以擴散運動為主的塵粒具有非常好的降塵效果，當(dāng)塵粒被捕捉，濕潤的塵?；ハ嗄Y(jié)變成質(zhì)量較大的塵粒而沉降。風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置示意圖如圖1所示，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

3風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵特點

1、噴管利用長度1.5米左右的1寸鋼管上鉆出8-10個圓錐形噴嘴，采用快壓接頭的方式與防塵水管及壓風(fēng)水管連接。制作及使用都非常簡單，易于操作。該裝置全部采用鋼管制作，堅固耐用，能夠承受放炮的沖擊。該裝置取消了傳統(tǒng)噴霧頭的噴嘴，提高了噴霧的可靠性。

2、噴管上8-10個噴嘴，都能夠形成錐形噴霧狀，立體的噴霧空間能夠覆蓋巷道迎頭全斷面，防塵效果好。

3、該裝置的管狀架體結(jié)構(gòu)增加了其堅固性而且易于吊掛，采用快壓接頭的方式與防塵水管及壓風(fēng)水管連接，接設(shè)簡便易行。安裝閥門控制風(fēng)量、水量，以達到最好的降塵效果。

4、對水壓及風(fēng)壓要求不高，適應(yīng)性強。經(jīng)現(xiàn)場測試：水壓大于2KPa，風(fēng)壓大于0.5MPa即能取得良好的噴霧效果。

5、噴霧直噴工作面迎頭，可以帶動風(fēng)流，降低工作面瓦斯?jié)舛?，防止超限?/p>

6、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)用水量極少，對比傳統(tǒng)噴霧技術(shù)，節(jié)約用水70%以上，經(jīng)濟效果顯著。

7、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

4 風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)工業(yè)試驗

測點1布置在興山煤礦1202煤掘工作面在煤掘工作面，測點2布置在距回風(fēng)口20米處，巷道掘進距離75m，供風(fēng)量310m3/min，平均風(fēng)速0.47m/s。利用GH100型礦用直讀式粉塵濃度測定儀，濾膜稱重法得出測點的全塵濃度，如表1所示。

5 結(jié)論

1、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)符合流體動力學(xué)等相關(guān)原理，噴嘴制作較為簡單，錐形噴霧面積大，能夠有效隔離粉塵，進而通過一系列的沉降，達到除塵的目的。

2 、風(fēng)水聯(lián)動自動噴霧降塵技術(shù)，具有傳統(tǒng)除塵方法無法比擬的優(yōu)點，現(xiàn)場降塵效果良好，用水量極小，經(jīng)濟效益十分顯著，必將成為煤礦降塵方法的主要選擇。

3、該裝置全部采用鋼管制作，堅固耐用，能夠承受放炮的沖擊，對水壓水質(zhì)及風(fēng)壓要求不高，用水量極少適應(yīng)性強，適用于礦井這種特殊的職業(yè)環(huán)境。

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關(guān)鍵詞：區(qū)域成礦 內(nèi)容 意義 趨勢 問題

一、區(qū)域成礦學(xué)研究的內(nèi)容與意義

（一）區(qū)域成礦學(xué)的基本研究內(nèi)容

近幾十年來，地質(zhì)專家、學(xué)者們提出來了一系列區(qū)域成礦理論和觀點。隨著區(qū)域成礦學(xué)理論的不斷深入發(fā)展，它在地質(zhì)礦產(chǎn)找礦過程中發(fā)揮的作用也越來越大。區(qū)域成礦學(xué)的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：區(qū)域地層、構(gòu)造、巖漿和變質(zhì)作用及地質(zhì)發(fā)展；含礦巖石建造的種類、形成與分布；區(qū)域地球化學(xué)特征；區(qū)域地質(zhì)流體；已知礦種、礦床類型和成礦條件，成礦模式及成礦特征；區(qū)域地質(zhì)異常；區(qū)內(nèi)的成礦系統(tǒng)；礦產(chǎn)信息庫的建立，區(qū)域成礦規(guī)律和成礦預(yù)測圖的編制；總結(jié)區(qū)域成礦規(guī)律與特征，明確進一步研究的問題與方法；區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力評價。通過以上研究工作獲取對地質(zhì)作用過程的基本認(rèn)識，最后進行地質(zhì)構(gòu)造綜合研究工作，分析有利于成礦的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，編制綜合地質(zhì)構(gòu)造圖件，進一步說明地質(zhì)構(gòu)造特征，分析有利于成礦的地質(zhì)構(gòu)造。

（二）地質(zhì)構(gòu)造特征的研究工作是礦產(chǎn)預(yù)測工作的基礎(chǔ)

成礦作用是地質(zhì)作用的組成部分，也是地質(zhì)作用的產(chǎn)物。區(qū)域成礦學(xué)主要研究：成礦作用與地質(zhì)作用的關(guān)系，最終把成礦作用的研究有效地融合到地質(zhì)作用研究過程中去?，F(xiàn)代成礦學(xué)研究表明，成礦作用在空間上經(jīng)常產(chǎn)生于各類地質(zhì)構(gòu)造的邊緣部位以及變異部位。重要的礦產(chǎn)主要分布在板塊與板塊不同組成部位的結(jié)合帶或者邊界地帶。在時間上一般與地質(zhì)構(gòu)造轉(zhuǎn)換階段密切相關(guān)，礦產(chǎn)地一般成群、成帶分布，成礦帶的規(guī)模和地質(zhì)構(gòu)造邊緣帶和變異帶相當(dāng)。因此地質(zhì)構(gòu)造特征的研究工作是礦產(chǎn)預(yù)測工作的基礎(chǔ)，也是必需的途徑。

二、區(qū)域成礦學(xué)研究發(fā)展趨勢

隨著對礦產(chǎn)資源需求規(guī)模和種類的擴大，成礦預(yù)測和找礦工作將繼續(xù)受到重視。同時，由于地球科學(xué)整體進步、前沿領(lǐng)域研究取得突破性成就，成礦學(xué)研究也必將取得較快進展，我國區(qū)域成礦研究發(fā)展中，以下兩方面最受關(guān)注。

（一） 成礦動力學(xué)研究

在地質(zhì)科學(xué)的許多研究領(lǐng)域中動力學(xué)研究是一個大方向，而成礦學(xué)與動力學(xué)的結(jié)合使區(qū)域成礦研究達到一個新的水平。它主要從以下兩方面展開：

1、開展單一礦床成礦過程的動力學(xué)機制研究。即對構(gòu)造成礦流體運移及產(chǎn)生物質(zhì)之間反應(yīng)和交換的動力學(xué)研究。主要集中在對構(gòu)造成礦流體運移中地球化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)模型的建立，成礦物質(zhì)形成和分布規(guī)律的反演和預(yù)測，把整個構(gòu)造成礦流體動力學(xué)變量的變化特征進行研究。

2、開展區(qū)域成礦動力學(xué)的數(shù)值模擬研究

研究形成礦床集中區(qū)的地球動力學(xué)背景，目前仍以造山帶和盆地為突破口。它以巖石圈變形研究為基礎(chǔ)，要求深入研究巖漿作用發(fā)生及發(fā)展的動力機制，加強研究構(gòu)造演化過程中流體的遷移和分布，探索大規(guī)模成礦作用的動力環(huán)境合成礦規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，區(qū)域成礦動力學(xué)機制的研究已由定性變?yōu)槎?，靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，進行數(shù)值模擬成礦過程中的構(gòu)造作用過程，完全數(shù)值模擬整個構(gòu)造成礦的形成過程和動力學(xué)的過程成為可能。這久突破了構(gòu)造地質(zhì)作用過程中時空背景及環(huán)境條件復(fù)雜性的約束，對成礦的預(yù)測和礦產(chǎn)資源的勘查有十分重要的意義！成礦動力學(xué)機制的研究最終體現(xiàn)的是地球各圈層相互之間作用的過程，也是今后成礦流體動力學(xué)所要反映的核心問題。

（二）區(qū)域成礦構(gòu)造研究

陳國達提出了“多因復(fù)成礦床”成礦學(xué)理論，而區(qū)域成礦的研究正是在此基礎(chǔ)上開展。區(qū)域上成礦主要進行以下兩方面的研究：

1、對礦床成礦類型的研究。在成礦構(gòu)造研究中，以構(gòu)造為主要線索，劃分礦床的成礦類型，這些類型反映成礦物質(zhì)來源的多樣性和成礦過程的長期性及復(fù)雜性。2、對區(qū)域成礦作用過程研究。開展區(qū)域構(gòu)造一熱動力條件、主成礦期、礦床類型等研究，強調(diào)多成礦階段、多控礦因素、多物質(zhì)來源的研究，特別是構(gòu)造巖漿作用的研究。3、對不同級別的大地構(gòu)造單元控制著不同級別的成礦構(gòu)造域、成礦構(gòu)造區(qū)的劃分、成礦專屬性的研究。同時注重對不同構(gòu)造系進行不同級別的劃分，以利于正確劃分成礦構(gòu)造域、成礦區(qū)，順利開展礦產(chǎn)資源預(yù)測和評估。

三、區(qū)域成礦不可忽視的問題

區(qū)域地質(zhì)成礦是地質(zhì)作用的一部分，其研究受到中外地質(zhì)學(xué)家、礦床學(xué)家高度重視。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)找礦工作也逐漸向定量方面展開。但目前此項工作依舊還很薄弱。當(dāng)前地質(zhì)找礦工作中，針對不同礦種形成于不同的地質(zhì)條件并受物理化學(xué)條件制約形成于不同深度，分門別類在同一地區(qū)不同深度上尋找不同礦種就成為一個不可忽視的問題。因為以往的地質(zhì)找礦深度研究只注意從微量元素含量、元素共生組合進行研究，或使用礦物溫度計、礦物壓力計及氫、氧穩(wěn)定同位素等研究成礦深度，卻忽視了同一礦種或緊密伴生礦種在成礦深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地區(qū)乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和對比。這樣就使得地質(zhì)找礦缺少針對性和有效性，并造成人力、物力、財力的浪費，乃至對環(huán)境的嚴(yán)重破壞，盲目施工、盲目開采。

因為地質(zhì)成礦在水平方向上和垂直方向上是有規(guī)律性的。舉例來說河北淶源縣王安鎮(zhèn)雜巖體多金屬，它的成礦規(guī)律：水平方向上，由巖體接觸帶向圍巖，成礦由含銅磁鐵礦礦化向鉛鋅礦化轉(zhuǎn)變，礦床類型由接觸交代型熱液型；垂直方向上，成礦也表現(xiàn)為有序性：早期形成溫壓較高的含銅磁鐵礦礦化，晚期形成溫壓較低的鉛鋅礦化。這說明鉛鋅礦化無論在水平方向還是垂直方向上均表現(xiàn)為一定的差異性，尤其是在垂直方向上的成礦深度表現(xiàn)為一定的深度范圍。然而，在地質(zhì)成礦過程中，其它金屬成礦同樣具有這種現(xiàn)象和規(guī)律。這就要求我們在當(dāng)前地質(zhì)成礦中，除注重研究有關(guān)礦種的成礦系列、成礦規(guī)律、成礦條件、成礦構(gòu)造環(huán)境，更要注重研究有關(guān)礦種形成的區(qū)域成礦深度及相關(guān)地質(zhì)體剝蝕深度。只有這樣才能使地質(zhì)找礦具有針對性、可比性，減少盲目性，提高找礦效率，并將取得較大的或重大的經(jīng)濟效益，同時保護了生態(tài)環(huán)境。

參考文獻：

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[2]張逸陽.區(qū)域成礦學(xué)及中國區(qū)域成礦特征研究[J].科技資訊.2008.3

[3]祁思敬.區(qū)域成礦學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].西安工程學(xué)院學(xué)報.1999.1

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關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)理念；內(nèi)容調(diào)整；教學(xué)方法；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0041-02

流體力學(xué)是研究流體平衡和運動規(guī)律的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個重要分支，已廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟的各部門。工程流體力學(xué)課程在哈工大是機械類、材料類、儀器儀表類、航空航天類、建筑工程類、熱能動力類、流體動力工程類等專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì)，又具有鮮明的技術(shù)學(xué)科的特點，既與高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)等課程有緊密的聯(lián)系，又是專業(yè)課的基礎(chǔ)，是一門理論性和工程實際意義都較強的課程[1]。哈工大流體力學(xué)教研室成立于1956年，歷來重視教學(xué)研究及教學(xué)質(zhì)量，不斷積累教學(xué)經(jīng)驗，改進教學(xué)思想，在基礎(chǔ)教學(xué)與實驗設(shè)施、師資隊伍建設(shè)、教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國內(nèi)領(lǐng)先水平，并于2009年被評為國家精品課程，目前正在進行國家精品資源共享課程的升級。雖然取得了一系列的重要成績，但是仍然存在一些問題，需要進一步轉(zhuǎn)換觀念，從當(dāng)前社會的實際需求出發(fā)，深入進行教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容等方面的研究和探索。

一、改革教學(xué)理念

課程建設(shè)的目的是提高教學(xué)質(zhì)量，歸根到底是提高學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量，而學(xué)生質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)則是其綜合素質(zhì)及能力。工程流體力學(xué)課程的特點是抽象概念多，數(shù)學(xué)分量重，理論性較強，許多復(fù)雜的流動物理現(xiàn)象難以用言語和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學(xué)課程中有很多較難的知識點，例如流體微元運動的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運動微分方程、邊界層基本方程及近似計算等，這些知識點包含了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，往往要占用很多課時，同時這些理論知識的講解又是空洞和死板的，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。即使是多數(shù)教師能夠本著負(fù)責(zé)的態(tài)度將這些知識難點講解清楚，也往往并不能使學(xué)生對這些難點留下深刻的印象。這種教學(xué)過程是事倍功半的，容易引起學(xué)生對這些知識做機械的符號記憶或者陷入對推導(dǎo)嚴(yán)密性的過度鉆研，無法建立起流體力學(xué)的全局思維方式，進而也不能提高學(xué)生的綜合分析應(yīng)用能力。因此，教師在授課過程中要不斷引導(dǎo)學(xué)生梳理所講授的知識，使學(xué)生能夠運用流體力學(xué)知識進行綜合分析。要讓學(xué)生明白，流體力學(xué)的學(xué)習(xí)不是背定理、記公式，而是要通過學(xué)習(xí)這門課程，掌握一門新的科學(xué)知識，了解它的人文背景，學(xué)習(xí)它的思想和方法，掌握它的原理和應(yīng)用。學(xué)生是課程學(xué)習(xí)的主體，在教學(xué)過程中需要注意教與學(xué)的同步，授課時關(guān)注學(xué)生的反映，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)對授課進行調(diào)整，必要時放慢節(jié)奏或變換講解方法，也可以讓學(xué)生參與討論。學(xué)生有必要參與到深層的學(xué)科知識應(yīng)用中，因此可以讓同學(xué)參加與學(xué)科相關(guān)的科學(xué)研究，引導(dǎo)同學(xué)應(yīng)用流體計算模擬軟件，實現(xiàn)模擬實驗[3]。教師對學(xué)生的實踐引導(dǎo)可以消減同學(xué)對流體力學(xué)公式繁多的苦惱，而在實踐能力不斷提高的過程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力將得到很大的鍛煉。實踐證明，學(xué)生可以完成適當(dāng)?shù)墓こ塘黧w力學(xué)課程內(nèi)容的拓展研究，實現(xiàn)課程與科研工作的相互促進。在積極開展第一課堂的同時，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生參加第二課堂活動，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生獲取知識、運用知識的能力和創(chuàng)新能力。例如科技創(chuàng)新和節(jié)能減排大賽這樣的大學(xué)生科技活動是開展素質(zhì)教育的重要平臺，為學(xué)生提供了施展才能、張揚個性的舞臺，使學(xué)生得以將課本所學(xué)知識充分的運用，并從制作和創(chuàng)新過程中學(xué)到了比課本更多的知識，提高了其知識綜合運用能力、實踐動手能力。流體力學(xué)教師應(yīng)該充分利用流體力學(xué)知識應(yīng)用面廣、基礎(chǔ)性強的特點，引導(dǎo)并指導(dǎo)學(xué)生參與此類科技活動。另外，流體力學(xué)教師還應(yīng)該經(jīng)常舉行科技講座，豐富學(xué)生的專業(yè)和學(xué)科知識，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識和科學(xué)精神。

二、課程內(nèi)容調(diào)整

目前所使用的工程流體力學(xué)課程內(nèi)容包括了流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、漩渦理論基礎(chǔ)、理想流體平面勢流、粘性流體動力學(xué)、相似理論基礎(chǔ)、流動的阻力與損失、管路的水力計算、粘性流體繞物體流動、氣體動力學(xué)基礎(chǔ)、機翼及葉柵理論、流體要素測量等內(nèi)容?？偟膩碚f涵蓋了流體力學(xué)工程應(yīng)用的多數(shù)情況，但是結(jié)構(gòu)仍然需要進一步調(diào)整。首先，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容較多，多年未更新，有些知識也趨于老化，應(yīng)適當(dāng)?shù)貙?nèi)容進行增減。2006年專業(yè)調(diào)整后，能源與動力工程本科教學(xué)按一級學(xué)科制定教學(xué)內(nèi)容，在這種體系下，工程流體力學(xué)課程應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)保留的情況下，對于涉及到工程熱力學(xué)和空氣動力學(xué)的內(nèi)容進行刪減，避免不同課程的內(nèi)容重復(fù)，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學(xué)生利用有限的課時可以將流體力學(xué)主體結(jié)構(gòu)體系學(xué)得更好。另外，由于工程流體力學(xué)更多的應(yīng)該涉及流體力學(xué)的工程應(yīng)用，所以關(guān)于漩渦理論、理想流體平面勢流及粘性流體繞物體流動章節(jié)內(nèi)涉及的較多理論性知識且與工程應(yīng)用關(guān)系不大的應(yīng)該適當(dāng)精簡，減少課時占用。其次，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)適當(dāng)增加與工程應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容。美國著名的流體力學(xué)教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實際的管道流動、葉輪機械流動、環(huán)境流體力學(xué)等內(nèi)容，作為經(jīng)典流體力學(xué)主題內(nèi)容的有機補充[4]。哈工大工程流體力學(xué)課程也應(yīng)該針對學(xué)校定位及專業(yè)設(shè)置，在廣泛調(diào)研開課專業(yè)的需求基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加有普遍性、代表性的工程應(yīng)用知識。最后，工程流體力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)更新與近期科技發(fā)展緊密聯(lián)系的內(nèi)容。由于教材不可能年年更新，教師應(yīng)該在教材內(nèi)容基礎(chǔ)之上，適當(dāng)增加與科技進展相關(guān)的內(nèi)容，例如流動的虛擬實驗、流體參數(shù)的現(xiàn)代化測量、流體力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀、流體力學(xué)的最新應(yīng)用情況等，讓學(xué)生了解到流體力學(xué)的科技前沿，開拓學(xué)生視野，增強其學(xué)習(xí)流體力學(xué)的熱情和興趣。

三、改革教學(xué)方法

關(guān)于教學(xué)方法，哈工大流體力學(xué)教師較早地采用了不完全教學(xué)法、潛科學(xué)教學(xué)法、社會探究法、問題教學(xué)法、角度教學(xué)法等創(chuàng)新性教學(xué)法，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體、教師活動、學(xué)生活動等課堂教學(xué)要素有機組織起來，發(fā)揮整體的最大效能。強調(diào)學(xué)生通過主動探求問題解決的途徑和方法，培養(yǎng)能力，以展素質(zhì)；并將多媒體技術(shù)的運用與傳統(tǒng)教學(xué)手段、教學(xué)形式的改革統(tǒng)一起來，突出重點，突破難點，從而充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。目前多媒體教學(xué)在高等教育中的應(yīng)用越來越廣，在如何正確使用多媒體教學(xué)的問題上目前還有一些爭議和討論。工程流體力學(xué)課程知識點多，公式推導(dǎo)多，難度大，對于具體的知識點利用板書詳細(xì)推演在課堂教學(xué)中占用了大量的課時，同時也會影響到學(xué)生對流體力學(xué)整體思維的把握。由于工程流體力學(xué)課程的特點，很多流動現(xiàn)象概念比較抽象，難以用板書表達清楚，很顯然傳統(tǒng)教學(xué)方式達不到理想的教學(xué)效果。利用多種媒體手段可以更好地創(chuàng)設(shè)教學(xué)意境，變抽象為具體，變靜態(tài)為動態(tài)，變黑白為彩色，變無聲為有聲，通過豐富的圖例、連貫的動畫以及真實的實驗錄像，可以使枯燥、乏味的內(nèi)容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內(nèi)容變得直觀生動，同時也豐富了學(xué)生的信息量，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[5]。另外，流體力學(xué)的特點是數(shù)學(xué)分量重、理論性強，所以又不能過多依賴多媒體教學(xué)。對于涉及到重要理論公式推導(dǎo)的內(nèi)容，簡單地將推導(dǎo)過程搬到課件上去，并不能使學(xué)生了解重要理論公式的來龍去脈，也難以加深學(xué)生對這些關(guān)鍵知識點的理解程度。這個時候需要收起屏幕，用板書認(rèn)真書寫每個符號，推導(dǎo)每個關(guān)鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書都有各自的優(yōu)缺點，因此我們可以取其長而避其短，采用兩者兼顧而又兩者不棄的原則，交互使用，相輔相成。

四、更新考評制度

哈工大工程流體力學(xué)課程作為技術(shù)基礎(chǔ)課，目前采取了綜合性的考評方法，總成績由作業(yè)、實驗、考試三部分組成，學(xué)生共計要完成60題左右的作業(yè)，由教師進行判分并作為總成績的10%；共計要完成11項左右的實驗，根據(jù)學(xué)生對每個實驗原理和操作技能的掌握及實驗報告的質(zhì)量情況分為優(yōu)、良、及格、不及格來評定成績，若有兩次不及格或者缺席者必須重做否則不得參加期末考試。實驗課成績占課程總成績的10%。期末考試為閉卷，占總成績的80%。流體力學(xué)考試的組卷與課堂教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)，課堂教學(xué)如果注重內(nèi)容的應(yīng)用性、靈活性和綜合性，則在組卷時應(yīng)適當(dāng)減少客觀題，豐富試題類型，加大理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性成分所占比重較大，而學(xué)生臨近考試加班加點應(yīng)付考試的現(xiàn)象。另外，根據(jù)課堂教學(xué)和課外科研實踐的特點，對于偏重于工程應(yīng)用的專題，可以探索利用撰寫科技論文、提交科研作品的方法進行考試，與傳統(tǒng)考試成績綜合來建立起更合理、更具實踐意義的考評制度。

工程流體力學(xué)課程是面向工程應(yīng)用人才的課程，所以教學(xué)核心始終應(yīng)該是學(xué)生知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為此，在教學(xué)中貫穿流體力學(xué)思維模式和綜合分析解決問題能力的鍛煉，使學(xué)生學(xué)有所成、學(xué)有所用，是工程流體力學(xué)課程改革的一個長期方向。

參考文獻：

[1]陳卓如，金朝銘，等.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]趙超.“流體力學(xué)”課程教學(xué)方法探索.中國冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李巖，孫石.《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐.科教文匯[J].2008，（11）：88-89.

[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.

篇6

關(guān)鍵詞：空調(diào)進氣格柵 水管理 氣管理

中圖分類號：U462 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用車空調(diào)進氣格柵是前擋風(fēng)玻璃、發(fā)動機艙蓋、翼子板之間的外飾覆蓋件，縱向連接前風(fēng)擋玻璃以及發(fā)動機艙蓋，橫向連接左右翼子板，一般為黑色塑料件，實物外觀以及整車位置如圖1所示。

空調(diào)進氣格柵與車身鈑金共同圍成一個空腔，在這個空腔里布置有前雨刮系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)的進氣口，空調(diào)進氣格柵是空調(diào)系統(tǒng)新鮮空氣的入口，同時保護雨刮系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)免受雨水侵蝕，空腔是水流及氣流的通道，該文重點介紹空調(diào)進氣格柵的水、氣等功能設(shè)計的開發(fā)。

1 氣管理

空氣通過發(fā)動機艙蓋與空調(diào)進氣格柵之間間隙進入，通過空調(diào)進氣格柵開口到達車身空調(diào)進氣腔，在腔內(nèi)流動并通過位于腔內(nèi)的空調(diào)進氣口最終進入空調(diào)箱，實現(xiàn)冷熱調(diào)節(jié)后按客戶設(shè)置經(jīng)由吹面風(fēng)道、除霜風(fēng)道送達至目標(biāo)區(qū)域，如圖2進氣流路斷面示意圖。

氣體在管道內(nèi)流動實質(zhì)是通過犧牲自身能量以克服流動阻力的過程，空調(diào)鼓風(fēng)功能本質(zhì)上是鼓風(fēng)機模塊所產(chǎn)生的壓力克服氣流流路上流動阻力的結(jié)果，進氣氣路上壓降的大小直接影響鼓風(fēng)模塊功耗，該文主要涉及空調(diào)箱進氣口上游進氣通道，確保其在一定空氣流量情況下流阻處于合理水平?？傋枇p失主要由摩擦阻力和局部阻力構(gòu)成。摩擦阻力損失是指氣體沿管道流動時由于質(zhì)點間的內(nèi)摩擦力及與管壁之間的外摩擦而引起的能量損失，壓力降參考范寧公式：

局部阻力損失：當(dāng)氣體流過的管道發(fā)生局部變化時，就在管道的局部化地區(qū)發(fā)生氣體與管壁的沖擊，因而造成一部分能量損失。

工程上常見的流體流速范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)λ近似等于常數(shù)。當(dāng)管路及輸送的流體一定時，l、d、Σζ、ρ均為定值，故R等于常數(shù)，稱之為阻力系數(shù)。項目設(shè)計上，用阻力系數(shù)（R值）來表征進氣流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P為流道靜壓降Pa；Q為空氣流量l/s），阻力系數(shù)（R值）表征的是流道順暢程度。理論上，流道結(jié)構(gòu)不變的情況下，R值也唯一。

空調(diào)進氣壓降設(shè)計工作中通常借助計算流體商業(yè)軟件進行虛擬分析實現(xiàn)，其分析原理基于流體力學(xué)理論，計算過程涉及流體力學(xué)連續(xù)性方程，即運動流體物質(zhì)守恒方程以及動量方程，及流體流動過程中受各種力作用下的平衡方程[1，2]。分析步驟從數(shù)據(jù)的收集到前處理劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，到計算輸出結(jié)果，其中網(wǎng)格生成采用四面體畫法，最后通過生成的網(wǎng)格導(dǎo)人Fluent軟件進行計算。

通過計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用以及經(jīng)驗積累發(fā)現(xiàn)，空調(diào)進氣格柵開口面積、位置，空調(diào)進氣格柵與發(fā)動機艙蓋之間的間隙大小，車身空調(diào)進氣腔結(jié)構(gòu)形式等都是影響阻力系數(shù)的關(guān)鍵因素?？照{(diào)進氣格柵開口面積越大，進氣阻力越小，但是過大的開口面積，會導(dǎo)致車身空調(diào)進氣腔排水負(fù)擔(dān)過重，排水不及時等問題，因此開口面積的大小需要根據(jù)整車空氣流量的大小并結(jié)合車身空調(diào)進氣腔的排水能力綜合制定。為確保整車開發(fā)過程中空調(diào)進氣壓降設(shè)計上處于合理水平，空調(diào)進氣格柵進氣面必須布置在正壓區(qū)，為保證空調(diào)進氣口的水汽分離，空調(diào)進氣格柵上的開口距離空調(diào)進氣口距離至少大于250 mm。車身空調(diào)進氣腔結(jié)構(gòu)受前艙區(qū)域總布置得影響，在保證前艙布置的前提下，截面面積盡可能大并且均勻一致，車身空調(diào)進氣腔寬深比大于3，腔內(nèi)支架的設(shè)計也要考慮對氣流的阻力影響。

2 水管理

乘用車空調(diào)進氣格柵是前擋風(fēng)玻璃，發(fā)動機艙蓋，翼子板之間的外飾覆蓋件，下雨或洗車時，大部分的水會從車頂沿前擋風(fēng)玻璃流下，積水從進氣格柵上的孔狀結(jié)構(gòu)流入車身腔體內(nèi)，從圖2可以看出，乘用車空調(diào)進氣格柵區(qū)域有雨刮系統(tǒng)，空調(diào)進氣口等需要防水的部件，雨刮電機水侵入會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行，影響行車安全，空調(diào)系統(tǒng)水侵入會影響鼓風(fēng)機性能，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)水侵入乘客艙，影響車輛最基本的擋風(fēng)遮雨功能，因此該區(qū)域需要考慮安全有效的水管理。前期設(shè)計時，要充分考慮空調(diào)進氣格柵對外界水流的導(dǎo)向以及車身空腔結(jié)構(gòu)的排水能力，車身空調(diào)進氣腔內(nèi)的積水高度不能超過雨刮電機以及空調(diào)進氣口的布置高度，并要有足夠的設(shè)計余量。

為提升前期設(shè)計的精確度，同樣借助計算機流體動力學(xué)軟件來模擬水流狀況，積水高度等，計算采用VOF多相流模型的瞬態(tài)模擬，通過定義VOF界面，進行數(shù)值模擬，顯示在既定的邊界條件下水的容積，積水的高度以及水流速度等，為空調(diào)系統(tǒng)以及雨刮系統(tǒng)的布置提供設(shè)計指導(dǎo)[3]。首先對空調(diào)進氣格柵、車身空調(diào)進氣腔、雨刮系統(tǒng)、空調(diào)內(nèi)循環(huán)進氣口，前擋風(fēng)玻璃等關(guān)鍵子系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，從以上子系統(tǒng)三維幾何模型中提取VOF分析的邊界條件，邊界條件設(shè)置完成后，有計算機分析并輸出分析結(jié)果，具體結(jié)果分析實例如下。

（1）水流高度跟空調(diào)內(nèi)循環(huán)進氣口之間的關(guān)系，根據(jù)計算結(jié)果給工程設(shè)計提供輸入，如果水流高度超過內(nèi)循環(huán)進氣口高度，需要修改設(shè)計降低水流高度或者增加水流擋板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮電機及連桿機構(gòu)之間的關(guān)系：根據(jù)計算結(jié)果給工程設(shè)計提供輸入，如果水流高度高于雨刮電機的高度，需要修改設(shè)計降低水流高度或抬高雨刮電機，防止電機進水影響性能。

車身空調(diào)進氣腔是水流和氣流的通道，通常設(shè)計時考慮足夠的坡度設(shè)計并保證開口面積來加速水流的速度，根據(jù)水往低處走的物理常識，中間位置是最高點，將排水口設(shè)計在兩側(cè)位置低點，從而將水導(dǎo)向兩側(cè)安全區(qū)域。

3 結(jié)語

該文從空調(diào)進氣格柵的功能要求著手，從水、氣管理兩方面介紹了關(guān)鍵影響因素及其原理，影響因素間存在著相互的制約關(guān)系，在設(shè)計中需要綜合考慮其對水、氣的影響，該文借助計算機流體軟件模擬該區(qū)域的氣流受阻狀況、水流狀況以及積水高度，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以調(diào)整設(shè)計找到最優(yōu)匹配方案，改變了傳統(tǒng)設(shè)計中的依靠經(jīng)驗進行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，有助于設(shè)計優(yōu)化，從而提高設(shè)計開發(fā)質(zhì)量。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析――CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：235-238.

篇7

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；教學(xué)改革；創(chuàng)新實踐；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0064-02

一、現(xiàn)狀及存在的問題

隨著制造技術(shù)的進步和發(fā)展，人們對產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。一方面，要求產(chǎn)品品質(zhì)高、價格低，且具有創(chuàng)新性；另一方面要求產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)周期短，以節(jié)約人力、物力和財力。國內(nèi)外研究表明：CFD技術(shù)是解決這一要求的最好途徑。實際上，CFD技術(shù)是解決工程中復(fù)雜流動和傳熱問題的一種有效手段，同時也是一門新型的獨立學(xué)科。讓廣大設(shè)計人員學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，是提高其設(shè)計水平的具體途徑。目前，國內(nèi)有多所高校為本科生開設(shè)CFD技術(shù)課程，集中講授20世紀(jì)直至本世紀(jì)CFD技術(shù)方面的最新成就，具有理論性和實踐性的雙重特點。我們在近五年的教學(xué)過程中深深體會到：學(xué)生要學(xué)習(xí)掌握CFD技術(shù)，一方面要學(xué)好CFD技術(shù)的基本原理，另一方面還要進行大量的自主實踐。更重要的是，要在自主實踐過程中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。而在目前的教學(xué)中，大多強化基本原理的講授，缺少對實際問題的分析和處理，從而造成大學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題能力的欠缺。針對這種現(xiàn)象，我們認(rèn)為構(gòu)建CFD技術(shù)平臺，提高大學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實意義。

二、構(gòu)建CFD技術(shù)平臺

基于CFD技術(shù)課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，我們提出構(gòu)建CFD技術(shù)平臺。具體內(nèi)容包括：組建教學(xué)團隊，組織教師編寫教材、建設(shè)軟件平臺以及引導(dǎo)學(xué)生參與科研實踐等四個方面。對于組建教學(xué)團隊，這是構(gòu)建CFD技術(shù)平臺最為重要的一件事情。通過各學(xué)科方向教師自愿報名，教研室推薦，學(xué)院公開選拔的方式，組建一支高水平、高素質(zhì)的教學(xué)團隊。這樣就可以確保承當(dāng)CFD技術(shù)課程的教學(xué)工作的各位教師是學(xué)院各個學(xué)科專業(yè)方向的優(yōu)秀教師。因為大家知道，只有高水平高素質(zhì)的教師，才能更好地引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。對于教材的編寫，現(xiàn)有的關(guān)于計算流體動力學(xué)方面的教材有很多種，但大多以介紹基本原理和計算理論為主，缺乏相關(guān)軟件的應(yīng)用及實例的介紹，不能滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。對此，教學(xué)團隊需要重新制定CFD技術(shù)課程大綱，廣泛收集國內(nèi)外CFD技術(shù)的最新科技成果，編寫反映科研與教學(xué)相結(jié)合的特色，重點、難點突出，并具有自身特色的教材。對于軟件平臺的建設(shè)，教學(xué)團隊?wèi)?yīng)根據(jù)能源動力類各專業(yè)方向所使用的CFD軟件情況，從眾多商用CFD軟件中挑選出適合能源動力類本科生學(xué)習(xí)和使用的軟件，同時建設(shè)一個可容納30人以上的計算機機房，并通過局域網(wǎng)絡(luò)連接建立一個交互式的軟件平臺，供廣大學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)和自主實踐。軟件平臺由學(xué)生實行自主維護、自主管理，教學(xué)團隊只需安排任課教師不定期通過軟件平臺引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生實踐創(chuàng)新。對于科研實踐，教學(xué)團隊需要安排任課教師組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實踐中來，讓學(xué)生通過科研實踐的鍛煉，提高自身的實踐與創(chuàng)新能力。讓學(xué)生參與基礎(chǔ)研究，可以從深度方面提高學(xué)生對所學(xué)知識的理解能力，為培養(yǎng)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力作鋪墊、打基礎(chǔ)；讓學(xué)生參與應(yīng)用研究，則可以從廣度方面提高學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用能力，為今后在實踐中進行技術(shù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

三、利用CFD技術(shù)平臺培養(yǎng)大學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力

目前，教學(xué)團隊已經(jīng)成立，分別由來自五個學(xué)科方向的、具有一定教學(xué)經(jīng)驗的優(yōu)秀教師組成，他們集中代表能源動力各學(xué)科的發(fā)展動向。教學(xué)團隊定期召開教學(xué)會議，對構(gòu)建CFD技術(shù)平臺和培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力過程中出現(xiàn)的各方面問題進行研討，大家共同協(xié)商，尋找解決方案。與此同時，教學(xué)團隊已經(jīng)編寫了一本適用于能源動力類本科生的教材《計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用》，該教材最大的特點是理論與實踐并重。該教材不但講述CFD技術(shù)的基本理論，而且還提供了大量的CFD技術(shù)應(yīng)用實例，幫助學(xué)生進行自主實踐。該教材已于2011年1月由華中科技大學(xué)出版社正式出版發(fā)行。在編寫教材的同時，教學(xué)團隊還利用學(xué)院現(xiàn)有的計算機機房（擁有50臺電腦），建立了一個CFD技術(shù)軟件平臺，該平臺擁有多種CFD軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，現(xiàn)已成為廣大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主實踐CFD技術(shù)的優(yōu)良場所。教學(xué)團隊根據(jù)學(xué)生的需求，安排任課教師不定期地通過軟件平臺為學(xué)生解惑答疑，引導(dǎo)學(xué)生實踐創(chuàng)新。與此同時，教學(xué)團隊還組織優(yōu)秀學(xué)生參與到科研實踐中來，培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。比如，引導(dǎo)學(xué)生將CFD技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)生科技創(chuàng)新項目中，優(yōu)化設(shè)計葉片翼型，模擬計算小型垂直軸風(fēng)力機的氣動性能，使得風(fēng)力機輸出功率和效率大為提升。同時，該項目榮獲2010年第三屆全國大學(xué)生節(jié)能減排科技創(chuàng)新作品一等獎。再比如，學(xué)生在教師指導(dǎo)下進行自主創(chuàng)新，應(yīng)用CFD軟件對水力渦輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使原來的水輪機組效率提高1%，每年增加的直接經(jīng)濟效益達數(shù)百萬元之多。還有，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下研究格子Boltzmann算法，將之與IP算法、DSMC算法對比，分析不同算法之間的優(yōu)劣，對格子Boltzmann算法進行改進。具體成果體現(xiàn)在，學(xué)生以第一作者在能源動力學(xué)科領(lǐng)域國際頂級期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇。

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力。大學(xué)生不僅需要扎實掌握專業(yè)知識，更要具有較強的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。目前，高等學(xué)校在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面還有待加強，為此，本文提出了通過構(gòu)建CFD技術(shù)平臺培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，并給出了實施過程中的一些具體措施和經(jīng)驗。

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篇8

關(guān)鍵詞：濕地水環(huán)境；演變機理；生態(tài)效應(yīng)；新思路;研究

引言

濕地是地球上具有多種獨特功能的生態(tài)系統(tǒng)，在為人類提供食物、原料和水資源、穩(wěn)定環(huán)境、維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性等方面均起到重要作用,是人類賴以生存和持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),享有“地球之腎”的美譽[1]。近一個世紀(jì)以來，由于受盲目圍墾、過度開發(fā)和水質(zhì)污染等人類活動及氣候變化、天然水循環(huán)變化的影響，使得濕地水環(huán)境和生態(tài)空間格局發(fā)生變化，進而造成濕地的功能下降、生物多樣性喪失、甚至濕地的消亡[2，3]。

我國自1992年加入《濕地公約》后，對保護濕地開展了一系列富有成效的工作，但濕地保護形勢依然嚴(yán)峻，由于對濕地形成演變機理、水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面缺乏全面而深刻的了解，往往給保護區(qū)的工作造成一定困難，濕地保護研究相對滯后[4]。開展變化環(huán)境下濕地水環(huán)境演變機理及生態(tài)效應(yīng)研究，對更好的利用和保護濕地有重要意義。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

1.1研究方法

濕地的定量模擬研究是當(dāng)前生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和濕地科學(xué)的一個熱點研究領(lǐng)域[5]。濕地建模、情勢重建是理解濕地形成演變機理、水環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要途徑。目前，國內(nèi)外對濕地的模型與研究方法已經(jīng)取得了較大的進展，現(xiàn)綜述如下：

（1）圖表分析法與經(jīng)驗統(tǒng)計法：傳統(tǒng)濕地生態(tài)水文學(xué)采用圖表分析法與經(jīng)驗統(tǒng)計法研究濕地生態(tài)水文問題。從研究手段上看，在水文水質(zhì)調(diào)查、濕地生物調(diào)查的基礎(chǔ)上，引入遙測信息。方法原理是通過宏觀尺度上濕地水文、生態(tài)調(diào)查，從植被生態(tài)的水文適應(yīng)性角度，根據(jù)收集的信息，通過統(tǒng)計分析或采用制圖方式進行濕地水文景觀分類、生物結(jié)構(gòu)、生物量和生物多樣性分析；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗方法估算生態(tài)環(huán)境需水總量[6]。由于這類方法未能充分表達濕地生態(tài)演替的階段性、濕地的基本特征、形成機理和動態(tài)過程，缺乏深入的物理機制剖析，研究水平較低，研究的角度相對狹窄。

（2）濕地水文模型：水文過程是濕地中最重要的過程,是決定產(chǎn)生和維持濕地典型類型和濕地過程的重要因素，是濕地研究的核心內(nèi)容，在濕地形成、發(fā)育、演替直至消亡全過程中起重要作用。濕地水文模型可用以定量地評價濕地開發(fā)活動及保護管理活動帶來的環(huán)境影響和生態(tài)效應(yīng)；可用作預(yù)測濕地水文及其它“動力”特征的變化規(guī)律；可用作檢驗濕地的概念、理論和濕地研究基本實測數(shù)據(jù)；也可用作輔助設(shè)計工具,在濕地的重新自然化和人工濕地的建造工程中用于輔助設(shè)計工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)、形式和參數(shù)等[7]。

近年來，濕地水文模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，特別是在水庫或洪泛濕地方面，如加拿大Waterloo大學(xué)提出一個蓄水～出流函數(shù)模型用于模擬濕地徑流響應(yīng)[8]；英國Birmingham大學(xué)改進MODFLOW模型，在British 洪泛平原濕地成功地模擬了以年或季為水文周期的濕地水位變化[9]。國際上已成功開發(fā)了適合濕地的分布水文模型, Zacharias等認(rèn)為濕地是一個水文、水環(huán)境系統(tǒng)，強調(diào)要加強濕地水資源綜合管理，結(jié)合GIS和RS發(fā)展了一個有物理基礎(chǔ)的水文模型來管理湖泊濕地水資源[10]；Da Paz等認(rèn)為水循環(huán)對濕地生態(tài)系統(tǒng)起著重要作用，采用了二維平面水動力模型在Mangueira湖泊和Taim濕地中的應(yīng)用[11]。我國濕地模擬研究起步不久，但模型研究仍然以概念性水文模型、地下水模型為主，濕地分布水文模型缺乏，有待加強。

（3）濕地監(jiān)測和高新技術(shù)應(yīng)用：美國從二十世紀(jì)70年代初就開始關(guān)注濕地監(jiān)測和高新技術(shù)應(yīng)用。Grapes, TR監(jiān)測了chalk流域濕地的洪水和地下水，分析了濕地地下水流與河渠水位關(guān)系，以及壤中流和垂直水分通量變化規(guī)律[12]。國內(nèi)王茜等人利用3S技術(shù)對洪湖濕地的結(jié)構(gòu)類型進行監(jiān)測，在分析研究洪湖濕地現(xiàn)狀(水文、土壤、植被、地形地貌、土壤、經(jīng)濟發(fā)展、開發(fā)等內(nèi)容)的基礎(chǔ)上,根據(jù)國際濕地分類的原則和實際情況,考慮遙感上的可操作性,設(shè)計出研究區(qū)域的濕地遙感分類系統(tǒng)[13]。

（4）濕地水環(huán)境流體模型研究：國內(nèi)外有關(guān)科學(xué)工作者從70 年代后期開始從環(huán)境科學(xué)的角度對濕地進行研究, 取得了大量研究成果,為濕地保護和合理開發(fā)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。如國外60年代開始研究河流水量水質(zhì)、水量泥沙耦合模型。70～80 年代,國內(nèi)外研究者較多地研究應(yīng)用了一維、二維水量水質(zhì)模型(如Baca and Arnett，1977)，90 年代國外三維水量水質(zhì)模型研究比較成熟(如Simons, et al，1977)。例如美國國家環(huán)境保護局提出的多參數(shù)綜合水質(zhì)模型(WASP，1996)和環(huán)境流體動力學(xué)模型（EFDC，2001），丹麥水力學(xué)研究所Mike水質(zhì)模型等。國外環(huán)境流體動力學(xué)模型在我國應(yīng)用研究也取得了很大進展，目前已廣泛應(yīng)用在河流、水庫、湖泊、河口、港灣以及濕地等水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中[14]。我國的湖泊工作者和環(huán)境工作者從70 年代后期開始, 進行了大量湖泊環(huán)境保護方面的研究工作, 在湖泊、水庫水質(zhì)預(yù)測、污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、總量控制等方面取得了一批重要成果[15]。

（5）濕地生態(tài)環(huán)境需水研究：90年代后環(huán)境需水量和生態(tài)需水量開始成為人們關(guān)注的焦點[16]。到目前為止，國外有關(guān)生態(tài)環(huán)境需水量研究內(nèi)容主要有：河道流量與魚類生息環(huán)境關(guān)系研究[17]；河流流量、水生生物與溶解氧三者關(guān)系研究[18～20]；水生生物指示物與流量之間的關(guān)系研究；濕地調(diào)度考慮生態(tài)需水量的優(yōu)化配置研究；環(huán)境用水與經(jīng)濟用水關(guān)系研究等[21，22]。研究方法有：流量增量法、蒙大拿法、7Q10法、流量歷時曲線分析法、濕周法、棲息地排水法、BBM法、水利額定法等。對水庫、湖泊、濕地的生態(tài)環(huán)境需水還沒有成熟的理論、指標(biāo)體系和計算方法[23]。從國內(nèi)外對生態(tài)環(huán)境用水的研究來看，定性描述的多，理論推求的少，河流描述多，濕地研究少。總量估算多，過程計算少。另外，在確定生態(tài)環(huán)境需水時，時問尺度和空間尺度不明確，水量和水質(zhì)耦合研究缺乏，各生態(tài)需水量重復(fù)計算，可操作性差，研究結(jié)果與實際應(yīng)用還存在相當(dāng)差距。所以，濕地生態(tài)環(huán)境需水估算仍然研究不足。

濕地水文生態(tài)模型與新興交叉學(xué)科和地學(xué)信息技術(shù)耦合是未來發(fā)展的必然趨勢。但至今我國濕地模型的研究才剛剛起步，研究進展緩慢原因是：有物理基礎(chǔ)的分布水文模型建模因涉及多學(xué)科有較高的難度，另外我國濕地監(jiān)測與實驗資料缺乏，在今后的研究中，還有待進一步加強和完善。

我國目前濕地保護才剛剛起步，很多問題有待深入研究，如濕地的水文水環(huán)境效應(yīng)研究不深入，有物理基礎(chǔ)的濕地模型缺乏；濕地健康評價指標(biāo)體系和生態(tài)需水過程估算方法還不完善；濕地生態(tài)環(huán)境流體動力學(xué)研究不足；濕地建設(shè)與濕地管理缺乏系統(tǒng)成熟的技術(shù)方案等。

1.2評價方法

國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了較成熟的濕地評價方法。在眾多濕地分類方法中有代表性的方法包括Cow ardin 等于1979 年提出的分類體系[24]和Brinson 于1993 年提出的水文地貌學(xué)分類方法[25]。美國農(nóng)業(yè)部濕地研究所推薦一套濕地評價水文模型DRAINMOD和濕地水文識別準(zhǔn)則[26]。國外Sutula, MA等應(yīng)用一種濕地快速評估方法(RAMs)評價濕地系統(tǒng)，介紹了RAMs方法的發(fā)展[27]。國內(nèi)賈忠華等人采用美國農(nóng)業(yè)部推薦的濕地評價水文模型DRAINMOD,探討西安干旱與半干旱地區(qū)不同來水量對濕地地下水位變化的影響，分析了該區(qū)形成臨界濕地水文條件所需的臨界水量[28]。袁軍等運用多級模糊模式評價模型對黑龍江洪河國家級保護區(qū)不同年份的濕地水文功能進行評價[29]。

診斷濕地生態(tài)系統(tǒng)健康是水聚濕地保護的重要手段之一。開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康評價方法可分為：物種指示法和結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法[30，31]。Costanza等1997提出了基于系統(tǒng)層次的生態(tài)健康指數(shù)(Health Index，HI)[32]。此外，也有學(xué)者提出了基于河流水文學(xué)、物理構(gòu)造特征、河岸區(qū)狀況、水質(zhì)及水生生物等5方面共計22項指標(biāo)體系計分基礎(chǔ)上的溪流狀況指數(shù)(Index of Stream Condition，ISC) 。隨著對湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究的深入，最近幾年物理指標(biāo)、壓力指標(biāo)等也被考慮在內(nèi)，使健康診斷指標(biāo)不斷完善。

2研究思路創(chuàng)新

分析理解濕地水文、水質(zhì)與生態(tài)三者之間的相互作用關(guān)系，對變化環(huán)境下濕地水循環(huán)規(guī)律、水環(huán)境效應(yīng)、污染物遷移轉(zhuǎn)化機理和生態(tài)格局演變規(guī)律進行單獨研究并做集成研究；構(gòu)建一個變集水區(qū)尺度、基于RS和GIS、反映濕地特征的、有物理基礎(chǔ)的、多尺度集成、多要素耦合的“變網(wǎng)格”技術(shù)支持下濕地分布式生態(tài)水文模型范式，以便于增加對濕地水循環(huán)、污染物遷移轉(zhuǎn)化、濕地的消長與退化、濕地生態(tài)環(huán)境需水過程的理解和認(rèn)識；對濕地消長過程、濕地生態(tài)需水變化過程、環(huán)境需水變化過程的模擬與預(yù)測，包括預(yù)測坡地、濕地、河流之界面水循環(huán)過程；開展?jié)竦厮鲌?、濃度場和生物量的情景預(yù)測等等，對于理解濕地水環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)修復(fù)功能有指導(dǎo)作用。

3結(jié)語及展望

我國濕地保護當(dāng)前所面臨的主要問題，以生態(tài)水文學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、水動力學(xué)等理論為指導(dǎo)，以洪泛濕地為典型研究對象，以自然與人類相互作用為核心，強調(diào)流域坡地、濕地、河流、湖泊、大氣、地表林冠層、包氣帶、地下飽和水帶等不同空間尺度上和界面上的水循環(huán)、N-P物質(zhì)循環(huán)等自然過程的相互作用研究；揭示變動水文情勢下濕地水循環(huán)規(guī)律、水環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境演變機理和生態(tài)格局演化規(guī)律；了解濕地水文、水質(zhì)與生態(tài)三者之間的相互作用關(guān)系；基于對過程理解的模型研究，以生境濕度特征為核心，預(yù)測生態(tài)環(huán)境過程，診斷典型濕地生態(tài)環(huán)境健康，檢測典型濕地可持續(xù)發(fā)展中人為作用與自然作用的關(guān)系，探討實現(xiàn)濕地可持續(xù)發(fā)展的途徑，提出濕地生態(tài)系統(tǒng)保護規(guī)劃及水污染治理規(guī)劃的生態(tài)、水利雙重調(diào)控對策。豐富濕地生態(tài)水文學(xué)理論和方法，為濕地水資源、水環(huán)境生態(tài)保護提供參考借鑒。

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篇9

摘要：由于ISO5級（百級）潔凈室運行能耗較大，考慮到節(jié)能的必要性，本文利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法對擬采用風(fēng)機過濾器單元（FFU）潔凈空調(diào)方案的ISO5級電子工業(yè)潔凈室進行模擬，得出室內(nèi)氣流速度場，分析其性能，并通過理論公式計算所能達到的潔凈度。我們認(rèn)為結(jié)合潔凈室的具體用途，通過合理布置末端FFU送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式，以及選擇較高級別的末端過濾器，可以在滿布率較低時達到較高的潔凈度級別。利用CFD模擬技術(shù)可以為設(shè)計高效能的潔凈室系統(tǒng)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潔凈室計算流體動力學(xué)風(fēng)機過濾器單元滿布率節(jié)能

1引言

潔凈室空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)典的方案是采用中央空調(diào)和三級過濾器集中送風(fēng)，通過大型風(fēng)道將已經(jīng)處理的空氣送至過濾器的接聯(lián)管道，然后經(jīng)高效空氣過濾器（HEPAFilter）或者超高效空氣過濾器（ULPAFilter）送到潔凈室。而另一種方案是采用室內(nèi)循環(huán)風(fēng)就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風(fēng)不能提供全部冷負(fù)荷的問題，同時利用風(fēng)機過濾器單元來進行空氣循環(huán)。每種方式各有一定的適用范圍，風(fēng)機過濾器單元（FFU）因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區(qū)域的潔凈度、占用空間較少等優(yōu)點得到越來越多的應(yīng)用，尤其適合于舊廠房的改造及技術(shù)更新較快的工程。雖然FFU系統(tǒng)成本較高，而從綜合投資角度，分析認(rèn)為采用FFU方式在末端過濾器鋪設(shè)率為25%－30%時較為有利【1】。

ISO5級（百級）潔凈室屬于潔凈室用暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風(fēng)方式，運行能耗較大。有關(guān)潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)如何有效地向潔凈室分布經(jīng)過凈化和溫濕度調(diào)節(jié)的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風(fēng)速度，布置末端過濾器、回風(fēng)口、減少送風(fēng)量以便節(jié)能是人們關(guān)注的焦點。

另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數(shù)據(jù)表明，大部分換氣次數(shù)遠(yuǎn)低于建議的下限值【2】，而在設(shè)計中存在系統(tǒng)風(fēng)量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔(dān)心系統(tǒng)運行可靠性的保守思想有關(guān)，說明提高節(jié)省能源的機會確實存在。隨著計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)自身的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈室等工程領(lǐng)域，通過計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區(qū)域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細(xì)分布情況，是一種較好的優(yōu)化設(shè)計工具。其優(yōu)勢在于利用CFD技術(shù)對設(shè)計方案進行模擬可以在施工前發(fā)現(xiàn)失誤并及時更正，避免經(jīng)濟損失；可以迅速發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)運行效率的可能性；另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找最經(jīng)濟方案時有所依據(jù)。

本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進行計算機模擬，通過幾個設(shè)計方案相比較，利用所得到的速度場，分析評價其性能，利用理論計算驗證其平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應(yīng)用中的注意事項，為實際工程應(yīng)用提供參考。

2數(shù)值模擬及分析

2.1數(shù)學(xué)模型

從流動的雷諾數(shù)Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動滿足連續(xù)性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關(guān)心紊流的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其瞬時變化，而只關(guān)心紊流隨機變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用數(shù)值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數(shù)法，流動模型采用暖通空調(diào)廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數(shù)。

控制方程的通用形式為【4】：

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(shù)(kg/ms)，Sφ是源項，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一項，u,v,w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變?yōu)檫B續(xù)性方程。

邊界條件：墻體邊界設(shè)為無滑移邊界條件。送風(fēng)邊界條件，送風(fēng)速度取過濾器面風(fēng)速平均值，速度方向豎直向下?；仫L(fēng)邊界條件，回風(fēng)口滿足充分發(fā)展段紊流出口模型。由于室內(nèi)熱負(fù)荷較小，不考慮溫度浮升效應(yīng)對氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對偏微分方程進行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進行求解。

2.2物理模型及計算結(jié)果分析

方案一將風(fēng)機過濾器單元（規(guī)格為1.2m×1.2m）成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風(fēng)采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。物理模型平面圖如圖1。經(jīng)模擬計算得到氣流流場示于圖3，由于送風(fēng)口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風(fēng)口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風(fēng)口至墻體范圍內(nèi)有較大的渦流區(qū)，則主流區(qū)范圍減少，不能使全室工作區(qū)達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區(qū)，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。

圖1FFU布置平面示意圖（條型）

圖2FFU布置平面示意圖（均勻）

圖3FFU條型布置YZ截面流場圖

圖4FFU均勻布置YZ截面流場圖

方案二將FFU（規(guī)格為1.2m×1.2m）散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風(fēng)速在0.45m/s，回風(fēng)采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風(fēng)口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區(qū)1.2m及0.8m高度斷面平均風(fēng)速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風(fēng)口可以減小速度的衰減。雖然在送風(fēng)口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區(qū)，但在工作區(qū)0.8m－1.2m范圍內(nèi)已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區(qū)產(chǎn)生影響?？諝庵械奈⒘Ｔ谥亓ΑT性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10－3【3】。此設(shè)計中新風(fēng)處理機組設(shè)三級過濾器，F(xiàn)FU中過濾器為U15≥99.9995%＠MPPS，直徑＞1μm的微?？梢暈榱悖虼?，工作區(qū)產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。

當(dāng)進一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風(fēng)口正下方—定區(qū)域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區(qū)，污染物極易被卷吸進入渦流區(qū)內(nèi)而不易排出。

過模擬計算及分析，我們認(rèn)為在送風(fēng)口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng)，過濾器面風(fēng)速在0.45m/s，相應(yīng)換氣次數(shù)為147次/小時，由于FFU可達到較大的送風(fēng)面風(fēng)速，以及均勻散布穿孔地板回風(fēng)口的均流作用，因為如果采用側(cè)墻下側(cè)回風(fēng)，就會在潔凈室中間下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)【5】，因此，潔凈室內(nèi)能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區(qū)內(nèi)能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現(xiàn)渦旋，因此在布置設(shè)備時，應(yīng)避免將設(shè)備靠墻壁布置，而應(yīng)留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應(yīng)加以注意的。另外，此設(shè)計中雖然不能形成如傳統(tǒng)滿布高效過濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流，但美國標(biāo)準(zhǔn)IES－RP－CC012.1【6】中已認(rèn)為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。

3.理論計算潔凈度

潔凈室的潔凈度級別由通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)公式對其進行計算。根據(jù)粒子平衡理論，進入潔凈室的粒子有室外新風(fēng)帶入、循環(huán)空氣帶入及室內(nèi)污染源。對于電子廠房室內(nèi)污染源主要是工作人員的產(chǎn)塵，而設(shè)備產(chǎn)塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風(fēng)帶出及由于室內(nèi)正壓而滲出的粒子?？傻萌缦路匠獭?】：

達到平衡狀態(tài)時，濃度方程變?yōu)椋?/p>

其中

以上式中：Q，送風(fēng)量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s；V，潔凈室的容積，m3；x，循環(huán)風(fēng)的比例，此處為1；c，潔凈室的濃度，粒/m3；c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3；c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3；c1，滲出空氣的濃度，粒/m3；cout，室外新風(fēng)的濃度，粒/m3；t，時間；ηout，新風(fēng)過濾器效率；ηrec，回風(fēng)過濾器效率；S，室內(nèi)污染源，粒/秒；ε,通風(fēng)效率。

新風(fēng)預(yù)過濾器為F5（η＝55%），中效過濾器為F9（η＝95%），高效過濾器為H12（η＝99.5%），F(xiàn)FU中過濾器為U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新風(fēng)含塵濃度天津地區(qū)取為3×107粒/m3(≥0.5μm)；身著潔凈服的工作人員走動時的產(chǎn)塵量為1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；設(shè)同時有3人在工作；通風(fēng)效率取為90%；新風(fēng)比為4.42%。計算得出此設(shè)計的潔凈室穩(wěn)定含塵濃度為2857粒/m3（即81粒/ft3），達到ISO5級100粒/ft3的設(shè)計要求。

4結(jié)論

通過本文的研究可得到如下結(jié)論：

1）針對電子廠房潔凈室發(fā)塵量較低，室內(nèi)人員較少，熱負(fù)荷較小的情況，通過選擇級別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風(fēng)方式后，即使設(shè)計的室內(nèi)換氣次數(shù)、斷面平均風(fēng)速低于規(guī)范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿足空氣潔凈度要求。

2）CFD是一種較好的優(yōu)化設(shè)計工具，結(jié)合工程實際情況，借助模擬工具進行輔助設(shè)計是必然趨勢。

參考文獻

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3.許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理.上海：同濟大學(xué)出版社，1998

篇10

但我公司作為一家集研發(fā)、制造為一體的國有企業(yè)，要進一步發(fā)展和壯大，除了充分用好已有資源、努力進行內(nèi)部挖潛、深化生產(chǎn)管理來促進發(fā)展外，也需要進一步吸收、深化應(yīng)用先進的CAE研發(fā)技術(shù)，完善整車、整機CAE分析體系，以縮短產(chǎn)品研制周期、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本，從而高效地研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的好產(chǎn)品、增強公司的核心競爭力、獲得更好的市場回報。

一、問題的提出

現(xiàn)在機車以及柴油機設(shè)計越來越趨向于安全、高速、重載、輕量化的設(shè)計要求，由于機車、柴油機、柴油發(fā)電機組和曲軸等本身都是結(jié)構(gòu)大型復(fù)雜的產(chǎn)品，都是在動態(tài)載荷工況下服役工作，且有不少產(chǎn)品為焊接裝配件。從產(chǎn)品的專業(yè)性、特殊性而言，涉及到的CAE計算需求是多方面的，包括部件的散熱性能、運動學(xué)/動力學(xué)性能、極端載荷條件（結(jié)構(gòu)載荷、熱載荷）的強度/剛度性能、疲勞性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題等，這些性能也直接與某項目各部件的可靠性、品質(zhì)等息息相關(guān)。

經(jīng)過多年努力和積累，機車研發(fā)部雖然很早就擁有一批相關(guān)CAE專業(yè)分析人員，但受人員變化、當(dāng)前分析工作中不斷出現(xiàn)新的復(fù)雜需求、CAE分析軟件版本低功能受限等原因影響，公司CAE人員近幾年主要是針對部件結(jié)構(gòu)強度計算分析（如車體、構(gòu)架、車軸、曲軸、柴油機發(fā)電機組安裝架的強度計算）。而柴油機的傳熱分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析；機車和車輛的碰撞動力學(xué)分析；機車中司乘人員和乘客的安全和舒適性的動力學(xué)分析；電力機車受電弓網(wǎng)系統(tǒng)的動力學(xué)分析；鐵路機車運行的動力學(xué)仿真分析；機車、與軌道的系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析；機車柴油機供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的流體動力學(xué)分析；機車通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的流體力學(xué)分析等則很少涉及。

整個機車及柴油機的系統(tǒng)優(yōu)化、減重、疲勞強度、流體動力學(xué)分析、散熱性能、運動學(xué)/動力學(xué)性能和穩(wěn)定性等CAE新問題已越來越制約著產(chǎn)品的品質(zhì)進一步提升。公司經(jīng)過多個整車整機的開發(fā)，也積累了一部分CAE知識點，如何進一步將這些知識系統(tǒng)化，形成公司的規(guī)范體系？CAE技術(shù)如何貫徹于整個設(shè)計流程？如何建設(shè)符合公司實際情況的CAE體系，為公司產(chǎn)品開發(fā)提供安全保障，也為整車優(yōu)化提供保證？這已成為迫在眉睫的問題。

筆者認(rèn)為只有深入分析CAE在機械、裝備行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，再結(jié)合公司產(chǎn)品的實際特點，摸索出符合我公司特色的整車及整機的CAE體系建設(shè)之路，才能提升產(chǎn)品研發(fā)效率，提高技術(shù)性能并降低成本，增強企業(yè)競爭力。

二、CAE技術(shù)在國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.CAE技術(shù)在國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可靠性和經(jīng)濟性等做出迅速反應(yīng)，增強了企業(yè)的市場競爭能力。在許多行業(yè)中，CAE分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規(guī)范加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)計都必須經(jīng)過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設(shè)計審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。

國內(nèi)這幾年，各方也加大了這方面的投入，逐漸從過去的結(jié)構(gòu)強度分析，向更高、更難的流體、流固耦合、空氣動力學(xué)、系統(tǒng)優(yōu)化、控制和疲勞等CAE方面開展深入研究。但產(chǎn)品的應(yīng)用范圍、計算項目的深度、CAE平臺建設(shè)的規(guī)模以及CAE計算分析的細(xì)節(jié)程度還與國外還有不小的差距。

2.CAE技術(shù)在國內(nèi)機車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前國內(nèi)鐵路行業(yè)的CAE技術(shù)應(yīng)用在很多企業(yè)已經(jīng)進入逐漸的普及階段，但比航空、國防和汽車行業(yè)應(yīng)用層次要低。其中長春客車廠、株洲機車車輛廠、齊齊哈爾車輛廠、北京二七機車車輛、四方股份公司、大連機車廠、大連機車研究所、株洲電力機車廠和研究所與戚墅堰廠和工藝所等的仿真分析手段基本都已涵蓋了零部件的結(jié)構(gòu)強度、整車或列車動力學(xué)和零部件疲勞、振動噪聲等專業(yè)，取得了顯著的成果。尤其是四方股份、長江集團、齊齊哈爾、長客和大連等實施相應(yīng)的CAE技術(shù)已經(jīng)近10年了。其CAE仿真技術(shù)已經(jīng)越來越多地被相關(guān)的廠家接受。另外，為了保證實施CAE仿真技術(shù)的延續(xù)性，有些廠所也出臺了相應(yīng)的鼓勵分析師的政策，并成立了專業(yè)的分析團隊，充分發(fā)揮了CAE仿真技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的作用。

而我公司與同行業(yè)其他兄弟公司相比，CAE技術(shù)相對滯后，現(xiàn)有CAE應(yīng)用情況如下。

（1）無法快速地評估設(shè)計結(jié)構(gòu)的大量復(fù)雜的流體力學(xué)、疲勞壽命預(yù)測、電磁場、溫度場以及多體耦合場、抗沖擊、抗振動、冷卻效果和使用壽命等性能，許多課題還未開展研究。

（2）無法貫穿整個產(chǎn)品的設(shè)計過程，主要是做校核計算。

（3）無法快速地分析與改進設(shè)計結(jié)構(gòu)的降噪措施。

（4）無法快速地對新設(shè)計結(jié)構(gòu)進行針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和用料優(yōu)化。

三、整車整機的CAE體系建設(shè)思路

公司正逐漸加大研發(fā)力度，不斷增強自主研發(fā)能力，這必將對機車及發(fā)動機提出了更高的設(shè)計要求，而過去的CAE分析內(nèi)容顯得過少，CAE分析的深度及廣度不夠，為此CAE體系應(yīng)盡快完善，以下根據(jù)筆者多年的工作經(jīng)驗及結(jié)合公司產(chǎn)品的實際情況，提出的CAE體系建設(shè)的思路。

1.完善整車、整機的CAE分析內(nèi)容

（1）整車的CAE分析內(nèi)容：機車包含的常用部件如車體、構(gòu)架和車軸等需做常規(guī)的結(jié)構(gòu)強度、剛度有限元分析；進一步考慮，部分關(guān)鍵件、大型件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、模態(tài)分析，車身結(jié)構(gòu)噪聲分析、疲勞強度分析；研究整車空氣動力學(xué)、整車動力學(xué)性能和整車穩(wěn)定性能。

（2）整機的CAE分析內(nèi)容：發(fā)動機常用部件的有限元分析、缸體及缸蓋的結(jié)構(gòu)分析、軸系的多體動力學(xué)分析、發(fā)動機三維CFD分析、發(fā)動機性能分析、發(fā)動機冷卻分析和發(fā)動機熱固耦合分析。

另外，需根據(jù)各個整車、整機的開發(fā)級別定義不同級別CAE的分析內(nèi)容。整車、整機研發(fā)的新技術(shù)越多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越新穎，CAE計算分析的內(nèi)容細(xì)化級別也應(yīng)相應(yīng)增加，以保證產(chǎn)品研發(fā)的可靠性。

2.細(xì)化整車、整機的CAE分析流程

對于全新的機車或發(fā)動機研發(fā)，CAE流程應(yīng)分為三個階段。

第一階段：概念分析階段。主要是考慮整車、整機設(shè)計的總體要求，根據(jù)相關(guān)評定標(biāo)準(zhǔn)，CAE人員對整車、整機的總體性能進行CAE計算，以驗證是否能達到設(shè)計目標(biāo)，同時提出優(yōu)化建議，在預(yù)研階段把握產(chǎn)品的總體性能，為高層決策提供技術(shù)參考。此階段分析結(jié)束后，須確定基本結(jié)構(gòu)形式，總布置方式，各子性能的詳細(xì)設(shè)計目標(biāo)值。

此階段的工作難度較大，需要CAE工程師具備較多的設(shè)計和分析經(jīng)驗。

第二階段：工程化分析階段。主要是根據(jù)設(shè)計師的詳細(xì)設(shè)計情況，進行各部類常用部件的各類型的詳細(xì)等分析。此階段是以產(chǎn)品的詳細(xì)結(jié)構(gòu)為輸入，從CAE方面，對設(shè)計的產(chǎn)品各方面的性能進行分析，以驗證是否達到概念分析階段所獲得的性能目標(biāo)，若沒有達到，則需優(yōu)化分析，并與設(shè)計師、工藝師共同商定，確定修改設(shè)計方案。

工程化分析階段是整車、整機開發(fā)中工作量最大的階段，此階段必須根據(jù)整車、整機設(shè)計的進度要求，進行至少2～3輪覆蓋結(jié)構(gòu)、流體、動力學(xué)、熱固耦合CAE領(lǐng)域的完整的CAE分析，為工程化設(shè)計進行虛擬驗證并在設(shè)計階段進行優(yōu)化。

第三階段：試驗驗證分析階段。主要是根據(jù)整車、整機做試驗以及試運行時出現(xiàn)的一些的問題，進行CAE工程分析，找出問題出現(xiàn)的原因，并提出可行的解決方案。

此階段的工作難度和工作量則是不確定的，一般來說，在設(shè)計前期，考慮的問題越周全，在試驗階段出現(xiàn)的問題就越少，涉及的CAE工作量也就越小。

按此流程，公司的CAE技術(shù)還應(yīng)更早介入設(shè)計流程中，因為在早期采用CAE技術(shù)，雖然加大了前期投入，但降低了后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)費用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多，而且在產(chǎn)品投產(chǎn)后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了產(chǎn)品開發(fā)的總費用，也使產(chǎn)品的上市時間得以提前。CAE在降低成本方面的作用，如圖1所示；CAE技術(shù)貫穿設(shè)計流程對解決工程問題的意義如圖2所示。

3.整車、整機的CAE體系規(guī)范

流程是定義什么時候該做什么事，而規(guī)范是定義如何正確做事的準(zhǔn)則。機車和發(fā)動機開發(fā)本就是一項系統(tǒng)性很強的任務(wù)，需要不斷地總結(jié)，建立合理的規(guī)范體系，系統(tǒng)性地沉淀已有的知識點，并保證持續(xù)修訂。經(jīng)過這些年整車整機的開發(fā)，我公司其實也積累了很多經(jīng)驗知識點，但沒有形成書面規(guī)范，前些年隨著CAE人才的流失，公司也隨之流失了CAE的經(jīng)驗知識點，為此應(yīng)該進一步將這些知識系統(tǒng)化，形成公司的規(guī)范體系。不能為了建規(guī)范而建規(guī)范，而是應(yīng)該根據(jù)公司的技術(shù)規(guī)劃來建立規(guī)范體系，如對應(yīng)不同的開發(fā)級別，首先規(guī)劃必須具備哪些能力，應(yīng)該建立哪些規(guī)范，然后分專業(yè)有計劃地進行實施，并不斷完善。只有不斷地建設(shè)有價值的規(guī)范，才能將已有的知識固化在公司，而不至于因為人員的流動造成能力的損失，同時也才能保持已有的技術(shù)能力。一般來說，規(guī)范是很難從其他企業(yè)獲得或者購買，因為這都是各企業(yè)的核心技術(shù)，多少錢都不會賣，而且各企業(yè)情況差別很大，直接引進的規(guī)范不一定適用，所以必須公司自己建設(shè)。

結(jié)合公司實際產(chǎn)品CAE分析特點，筆者認(rèn)為應(yīng)逐漸形成公司CAE體系自己的規(guī)范，如：CAE操作規(guī)范、CAE任務(wù)流程規(guī)范和具體的CAE專業(yè)分析規(guī)范。

4.CAE數(shù)據(jù)庫的完善

CAE的計算相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)有效規(guī)劃、利用，因為每次產(chǎn)品設(shè)計的革新離不開過去的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為，這類數(shù)據(jù)應(yīng)分為兩類：第一類是性能數(shù)據(jù)庫，性能數(shù)據(jù)庫積累了多個平臺車型或機型的結(jié)構(gòu)強度、總體穩(wěn)定性和動力學(xué)性能等多項重要性能指標(biāo)，為后續(xù)車型或機型開發(fā)目標(biāo)值設(shè)定、工程判斷提供了充分、可靠的依據(jù)。第二類是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫積累了跟某項性能相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)信息，為后續(xù)CAE能力提高、指導(dǎo)工程化設(shè)計提供依據(jù)。

5.整車、整機CAE資源配置

在影響CAE應(yīng)用效果的諸多因素中，人才、分析軟件和計算機硬件、外部資源是三個最主要的方面，其中“人才”是最重要的因素，這涉及到對CAE人才的層次規(guī)劃、CAE隊伍的穩(wěn)定性建設(shè)。

（1）沒有CAE隊伍，核心技術(shù)無從談起，CAE工程人員工程背景要求高，因CAE技術(shù)具有較高的技術(shù)含量，CAE應(yīng)用的每一個方向?qū)嶋H上都是一門專門學(xué)科，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)或傳熱學(xué)等，且CAE工程人員對設(shè)計、工藝和產(chǎn)品的工作原理、特性也應(yīng)有一定的了解。根據(jù)前面CAE體系的思路，公司人員配置7～10人，才能滿足未來CAE設(shè)計分析要求。

（2）軟，硬件平臺：要根據(jù)公司實際情況，購置適合公司產(chǎn)品特點的分析軟件及硬件，除非有十足的把握，否則不應(yīng)貪大求全。應(yīng)制定一個合理的CAE實施計劃，在預(yù)算允許的情況下，先考慮最急需的CAE軟件和硬件，應(yīng)用一段時間、見到良好效益后，再考慮使用權(quán)的擴充或其他軟件模塊的擴充。

（3）重視與高校、CAE軟件廠商的合作關(guān)系：與CAE軟件開發(fā)商建立良好的技術(shù)合作而不僅僅是商務(wù)合作關(guān)系，相互間長期的技術(shù)交流甚至與程序開發(fā)人員本身的底層技術(shù)討論等是保證CAE應(yīng)用能取得實效的關(guān)鍵因素之一。與CAE軟件廠商、高校合作的另一種好的方式是進行一系列項目咨詢工作，項目咨詢不但能結(jié)合多方的優(yōu)勢最佳地解決實際工程問題，而且能在合作過程中非常對口地深入學(xué)習(xí)和掌握軟件應(yīng)用技巧，同時還能增進雙方的了解和建立良好的關(guān)系。

四、幾點建議

（1）要給予CAE足夠的重視。一項新的技術(shù)從提出到應(yīng)用再到產(chǎn)生效益總有一個成長的過程，尤其是在起步階段，還特別需要各個方面的重視和支持，只有這樣，才能共同把這項工作做好。

（2）CAE的價值有很大一部分隱含或體現(xiàn)在設(shè)計工作中，因此，單從CAE自身的效益很難看出工作的價值。另外，還要理順關(guān)系，責(zé)權(quán)明確，避免出現(xiàn)“做好了是設(shè)計人員的功勞，做不好是分析人員的責(zé)任”的現(xiàn)象。

（3）CAE行業(yè)正處于一個快速發(fā)展、成長時期，從業(yè)人員流動性較大，因此有必要從政策上對此予以引導(dǎo)和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保證工作的持續(xù)性。

（4）現(xiàn)在的CAE技術(shù)已經(jīng)基本成熟，CAE軟件的可用性、可靠性和計算效率問題已經(jīng)基本解決，CAE軟件應(yīng)該成為設(shè)計工程師實現(xiàn)工程創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具，一些比較簡單的分析計算可以在CAD軟件上直接完成。

（5）及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。能在設(shè)計早期進行CAE分析，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，是對設(shè)計工作的一個重要補充。