流體力學現象及解釋精選(九篇)
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第1篇：流體力學現象及解釋范文
關鍵詞：無機非金屬材料實驗；流體綜合實驗；柏努利方程；創新探索
1、前言
武漢理工大學材料學院所開設的“無機非金屬材料實驗”是一門國家級精品課程。在其基礎系列實驗中，包括了以柏努利方程為核心的流體綜合實驗。
柏努利方程（Bernoulli’s Theorem）因其由英國流體力學的先驅者柏努利推導出來而得名。其本質是自然界中普遍存在的能量守恒原理在流體力學中的具體應用。具體來說，該方程是關于在流體流動過程中，流體的勢能、壓力能、動能與因流動阻力造成的能量損失之間的轉換與平衡關系。在工程流體力學及其實踐中，該方程的使用十分有效，它幾乎可以解釋和解決工程流體力學中許多現象和問題。這也為我們講解以柏努利方程為核心的流體力學綜合實驗的原理以及解釋所出現的各種流體流動現象提供了良好的理論基礎。
柏努利方程盡管在物理意義上具有能量的含義，但因其中的各項具有“高度”的量綱。因此，它又有幾何的含義，由于英國人習慣用“頭（Head）”來表征高度，翻譯成漢語就是“壓頭”的概念。因此，柏努利中的各項就是“壓頭”的集合，分別稱為：幾何壓頭、靜壓頭、動壓頭和壓頭損失。
二、實驗和實驗授課過程中的創新探索
在本流體力學綜合實驗過程中，最重要的就是讓學生深刻地弄清（壓頭）阻力損失的概念。早期流體力學家根據數學、物理學的基本原理，對于阻力損失進行過的分類，按照英語原文直譯過來就是“摩擦阻力損失（Friction Loss）”和“局部阻力損失（Minor Loss）”。
關于摩擦阻力損失，它是指當流體流速的大小和方向均不改變時，純粹因流體內部的速度差所導致的摩擦阻力而引起的能量損失（或稱為：壓頭損失）。根據摩擦阻力損失的大小與流體經過的路程成正比的特點，我國國內普遍將其稱為：沿程阻力損失。
關于局部阻力損失，它是指在流體流動過程中當遇到局部障礙時，流體流速的大小、方向至少有一個會發生改變。于是，因流體質點速度分布重組和撞擊及其所引起的漩渦區而造成的、在障礙所在局部區域內的、除了原有沿程阻力損失之外的附加能量損失（壓頭損失）。弄清楚了以上概念及問題的本質，教師講課以及學生理解就相對容易許多。
本流體力學綜合實驗中的第一個實驗是：關于流體局部阻力損失的實驗。具體來說，就是流體在流經突擴管時，靜壓分布的變化規律表征、局部阻力系數的測量、在突擴管前后流體流速分布重組的情況以及有關渦旋區的形成原因。我們以實驗中的靜壓分布變化規律來驗證和加深這幾項內容。這樣也有利于通過實驗環節來理解局部阻力損失的成因，從而加深理論課學習的效果和印象。
本流體力學綜合實驗的第二個實驗是：關于柏努利方程效果的演示實驗。圖1就是我們根據真實實驗裝置所開發的實驗模擬軟件的一個截面圖。通過該實驗，可以直接明晰地呈現出流體流動因符合柏努利方程而產生的各種流動現象和效果。學生對該演示實驗中所呈現的各種流型和規律的反映效果較好。在此基礎上，我們又提出了在材料工程中、在日常生活中出現的各種流動現象，請同學們思考與并設法用柏努利方程來解釋，然后進行適當的引導，這樣有助于提高素質教育的結果。也就是說，有助于通過該實驗的學習將流體流動中所體現的真實規律應用到具體的材料工程中，包括材料的制備、加工，以及制備加工所用有關設備內的某些結構。這也為學生畢業以后從事具體的工作中和技術革新活動而貯備一定的基礎知識。
圖1柏努利方程實驗裝置
本流體綜合實驗的第三個實驗是：有壓滲流的電模擬實驗。該實驗的關鍵是弄清楚流體流動（尤其是滲流）的概念與特點。其實驗結果是用具有相同數學分布規律的電場（其參數可測量）來模擬出有壓滲流場的規律（直接測量較困難）。另外，在該實驗中，我們還講解了均勻地增加流體流動的阻力有助于提高流體流動的均勻度。這一道理在工程實驗中，經常被用到。
三、結論
作為國家級精品課程的一部分，我們在本流體力學綜合實驗過程別注意教學效果的深化、開拓與創新活動。經過以上所述的創新探索以及幾次該綜合實驗的教學，我們認為達到了這個目的。從學生的反饋意見來看，也驗證這一結論。希望本文對相關實驗教學活動有所裨益，也歡迎各方面的反饋意見和指導建議。我們將認真對待與積極改進，從而為無機非金屬材料專業方向的人才培養做出自己的貢獻。
四、致謝
本項目由武漢理工大學校級教學研究項目（項目號:201004）以及武漢理工大學實驗室開放項目（①材料工程流體力學實驗與其模擬實驗的開發；②材料工程基礎課程中傳熱學模擬開放實驗的開發）提供支持。
【參考文獻】
[1]劉立．流體力學泵與風機（第二版）.北京：中國電力出版社．2007．
[2]James R.Welty.Fundamentals of Heat，Momentum，Mass Transfer（4th ed）.Delhi， India：John Wiley & Sons， Inc.2001．
第2篇：流體力學現象及解釋范文
關鍵詞：《工程流體力學》；問題探究式教學方法；教學效果
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）04-0223-02
《工程流體力學》是能源動力、土木工程、環境工程等諸多專業的專業基礎課程，由于該課程的學習中有不少涉及到高等數學、大學物理等課程的知識點，因而學生普遍感覺學習難度高，興趣不大[1]。筆者從多年的教學經驗中總結出問題探究式教學方法，并取得了一定的教學效果，同時也對教學活動中存在的一些問題進行了思考并提出了具體改進措施。
一、以傳授知識點為主的教學模式存在的問題
目前大部分高校的《工程流體力學》課程仍采用傳統的課堂面授的教學方法，教師是教學活動的主要組織者，授課教師以演講者的身份，按照教材編排來講授教學內容，因此課程知識點為單向傳授式，學生對課程內容往往缺乏主觀的思考，只是被動地接納。以傳授知識點為主體的教學模式強調概念講解和公式推導，學生對所學內容理解不深，大多數學生也只能做到課后照搬公式做題，而對后續專業課學習中碰到的新問題無法做到歸納分析，最終也不能有效提升運用知識解決實際問題的能力。由于人類對科學的認知都是從現象開始的，現象表現出的規律性引導人們不斷探究現象背后的本質，因此《工程流體力學》課堂的教學組織也應遵循從現象到規律的認知路徑。課堂應先從日常生活及工程實例中提出問題，由教師引導學生剖析問題，逐漸深入到現象背后的規律性內容，再經概念闡述和理論推導，完成前述問題的理論解釋。以問題探究為主體的教學模式顯然更有助于培養學生的學習興趣，提高分析問題和解決問題的能力。
二、《工程流體力學》問題探究式教學的課堂組織
在實施問題探究式教學模式時，教師盡可能選取來自于日常生活現象以及有專業背景的問題，并以圖片、動畫或視頻等較形象化的方式給出，增強學生對流體力學的感性認識，教師要根據學生課堂的反應情況對學生不斷引導，鼓勵學生啟用發散性思維方式解決問題，鼓勵學生大膽嘗試，通過對問題抽絲剝繭式的分析來提高解決實際問題的能力。課堂上的問題和探究性的思考過程要讓學生的思維活躍起來，讓學生意識到所學的知識是鮮活、有用而又有趣的，能逐漸領略到流體力學的美妙之處。在問題分析后的理論闡述中要適當舍棄一些繁冗枯燥的公式推導，強調公式中各項的物理意義和公式的適用條件。本文以課程中的緒論、一元流體動力學基礎以及孔口管嘴管路流動[2]為例，具體闡述探究性問題教學模式的實施過程。緒論課的問題可以提得多而廣，通過大量的實際應用和工程問題，讓學生充分理解學習課程的目的及意義，做到課程一開始就抓住學生的學習興趣，激發他們的研究熱情。在課程剛開始時，可以讓學生列舉常見的流體種類，并總結流體與固體的本質區別；給出儒可夫斯基對佯繆（永動機問題）的描述，讓學生解釋原因；課堂上用湯匙現場演示水流的附壁效應；由目前大氣環境常見的霧霾問題引出顆粒物的繞流阻力問題，并讓學生估算雨滴和塵埃在空氣中的下降速度差異[3]；用圖片方式介紹1940年美國華盛頓州塔科馬海峽橋事故，讓學生分析事故原因；介紹市政供水的基本方法，再讓學生估算學生宿舍樓供水的壓力；分析采暖系統中設計膨脹水箱的原因；夏季和冬季空調送風口的風向有何不同，哪些措施能夠盡可能實現房間內溫度的均勻分布。由于緒論課涉及的問題可覆蓋整個課程，可把某些問題留給學生在課后自己分析。在講授一元流體動力學基礎時，教師可首先給學生演示平行紙片的吹氣試驗，讓學生觀察并解釋紙片的飄向；提出常說的“水往低處流”論斷一定正確嗎？再根據市政管網的供水現象，引出驅動流體流動的能量形式及其相互轉換問題，并讓學生解釋航海中的“船吸現象”、洗澡時浴簾的飄向問題；由煙囪里氣流流動的驅動能引出氣體與液體的能量方程形式的不同；由消防水槍在噴水滅火產生的后推力問題引出一元流體動量方程。
孔口管嘴管路流動的內容與工程實際結合較緊密，可多給學生實際案例進行分析。如：（1）城市管網夜間的供水水壓為何會普遍高于白天的水壓？（2）屋頂水箱供水到同一建筑的高層和低層住戶，其壓力有何不同？（3）建筑內外存在溫差時，如何在建筑物壁面上開窗，實現自然通風？（4）如何利用虹吸的原理，給魚缸換水，其關鍵步驟是什么？（5）冷卻水系統中，如何考慮水泵的揚程以保證冷卻水的循環？為節約時間，教師應在課前將問題留給學生，為提高課堂效率，可對每個問題指定若干名學生完成，并記錄回答情況。
三、探究性課程教學中其他問題的思考
在學期結束時，教師與學生（共兩個班級，約130人）通過問卷調查、面談、QQ、電話等方式進行了溝通，發現教學中有如下問題值得關注。
1.采用問題探究式教學方式需要教師根據學生的反饋進行分析和引導，會占用課堂學時中相當比例的時間，由于課程學時數的限制，某些問題的探討無法深入，且教學內容主要由PPT方式完成，因此教學進度普遍較快。當學生在課堂上未能理解和掌握某些知識點后，很容易放棄對后續知識點的學習。因此筆者建議，授課教師應組織整理課程的微課資料，讓學生利用微課資料自主完成預習和復習，大大減少課堂上對基礎內容的講解，將課堂學習的主動權從教師轉移給學生，使學生能夠在課堂上主動基于問題進行深入探討，從而顯著提高課堂的學習效果。
2.有近50%的學生認為教師給出的探究性問題有一定的難度，并有助于對教學內容的理解，能有效激發學生的學習興趣，課堂上對問題的探究過程提高了學生分析問題和解決問題的能力。部分學生希望教師點名提問并記住自己的名字，也較喜歡這種教學模式；當然也有部分學生不太適應該方式，尤其是在無法回答問題時學生會感到尷尬。教師應提前把問題留給學生，給學生充分的思考時間，從而更有效地利用課堂教學時間。
3.目前大學生存在課堂出勤率不理想、上課玩手機、睡覺等現象，教師可將學生座位固定，不點名即可快速統計學生的出勤率，并考察學生的聽課情況且及時記錄，在課程的第一次課上和學生講明出勤率、聽課表現、作業和平時小測驗的成績在總評成績中的比重和計分方法，細化考核要求，并嚴格按規定執行，這樣能有效地督促學生端正學習態度，重視平時學習。
4.課程考核方式和難度要求是檢驗學生學習效果的重要方面。通過調查，發現有近40%的學生認為教師應采用閉卷方式并嚴格進行考核，不希望考試降低難度。這項統計數據說明，不少學生有主動學習的愿望，學習態度端正，并愿意采用嚴格的考核方式來檢查自己的學習效果，因此授課教師在考核時應堅持原則，對學生認真負責，出題難度適中，學生卷面分數盡可能符合正態分布。
四、結論
本文采用問題探究式的教學方式對《工程流體力學》課程進行了教學實踐，并給出了問題探究式教學方法的具體實踐過程。通過與學生的溝通和問卷調查，了解到近半數的學生認可問題探究式的教學方法，認為該方法有助于加深對課堂教學內容的理解。在問題探究式教學過程中，教師也發現需要在以下方面進行改進：應嘗試利用新型的互聯網教學手段，如微課等方式，進一步提高課堂學習效率，將課堂學習的主動權從教師轉移給學生；強化平時考核，細化成績評分方法，期末考試題目要有合理的難度，成績分布應合理。
參考文獻：
[1]謝海英.《工程流體力學》在環境工程專業中的教學探討[J].教育教學論壇，2013，（43）：75-97.
[2]龍天渝，蔡增基.流體力學[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2013.
[3]王洪偉.我所理解的流體力學[M].第1版.北京：國防工業出版社，2014.
The Exploration and Reflection of Problem-Based Teaching Method for "Engineering Fluid Mechanics" Course
XIE Hai-ying，HUANG Yuan-dong，DENG Bao-qing，LV Juan
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
第3篇：流體力學現象及解釋范文
關鍵詞：流體力學 教學方法 自主實驗 抽象到具體 工科院校
中圖分類號：O35 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0199-02
流體力學是力學的一個重要分支，是流體機械專業重要的專業基礎課，在航空、航天、航海、水利、機械等領域擁有廣泛的應用，因此學生學好這門課對后續課程的學習以及日后從事相關研究工作非常重要。但流體力學不同于理論力學、材料力學等力學學科，流體力學研究對象比較抽象，通俗來講就是研究對象看不見、摸不著，理論性強、數學表達式復雜非線性強，講課好像有點空對空的感覺。一些關鍵概念比如雷諾輸運定理、隨流導數等學生理解起來比較困難，如果純粹從數學角度開展教學，學生聽起來比較枯燥、積極性不高、課堂互動性不強。為了提高教學效果，目前國內很多流體力學教學工作者已經探索了很多教學方式方法，比如哈爾濱工業大學的“流體力學的多尺度創新性實驗課”[1]、南京航空航天大學的“流體力學設計性實驗競賽”[2]、北大通過結合重大事件與自主試驗調動學生積極性、培養創新精神[3-4]等。
本人目前承擔工程流體力學、實驗流體力學、計算流體軟件應用分析以及流體教學實驗開發等與流體力學相關的教學工作并從事一定的科研工作，本人能從理論、實驗、計算等不同層面并結合自己的科研工作對流體力學教學方式方法進行一些嘗試，中心理念是站在學生的角度，從流動本質講授，讓抽象的知識具體化、形象化。該文將結合自己的教學經歷談幾點這方面的體會。
1 賦予公式物理含義，讓公式形象化、理論生活化
流體力學與學生在基礎課學習階段學習的大學物理、理論力學、材料力學中的力學在本質上是相同的，依然要滿足牛頓第二定律，同時滿足質量守恒定律、能量守恒定律，但在研究方法與研究對象方面存在很大的差異。流體力學所采用的研究方法主要是歐拉方法，研究對象是流場。流場是個空間概念，而質量守恒、動量守恒、能量守恒這三大守恒定律僅適用于流體質點或者流體質點組成的體系。這就需要把流場與質點或者體系兩種研究對象、歐拉方法與拉格朗日方法兩種研究方法聯系起來，換句話講就是如何用空間流場參數的分布與變化表示流體質點或者體系運動參數的變化，隨流導數和雷諾輸運定理就是建立這種關系的橋梁。隨流導數在數學形式上是某種物理量對時間的全微分，從數學角度講解學生沒有任何異議，但這不代表學生理解了它的物理內涵。隨流導數由當地導數與遷移導數構成，首先需要讓學生明確隨流導數對象是流體質點，三大守恒定律適用于它；當地導數與遷移導數針對流場，其中當地導數表征流場參數隨時間變化，即流動是定常的還是非定常的，遷移導數表征流場參數空間分布均勻性，在此三大守恒定律不適用。下面的問題是讓學生如何理解兩者之間的關系。首先舉個簡單的例子，讓學生從感性上認可這種關系，即可以用空間流場的變化與分布表示流體質點運動參數的變化。比如以教室里溫度分布為例，夏天或者冬天開空調，教室里面溫度分布不均。假定空調功率穩定，此時可以認為溫度空間分布是穩定的。一個人在教室里面走動，感受到溫度的變化，并且走動速度越受到的溫度變化越快，這時人感受到的溫度的變化是教室溫度場分布均勻度與人走動速度兩者的綜合效應，這部分由溫度空間分布不均導致，對應隨流導數中的遷移導數。假如空調功率不穩，那教室里溫度也不穩定，此時即便站在一個位置不動，也能夠感受到溫度的變化，這部分對應隨流導數中的當地導數。假如人走在一個空調功率不穩定、溫度空間分布不均勻的教室里，這時人感受到的溫度變化就是以上兩種作用的綜合效應，對應隨流導數，也就是質點溫度對時間的變化率。人比擬到流場里面就是一個質點的角色，流體質點溫度隨時間的變化率可以用流場溫度的空間分布與變化表征，即可以用流場的信息獲得流體質點運動參數的變化。這樣學生理解起來比較容易、比較具體，并且對公式的物理內涵理解也比較深刻。雷諾輸運定理其實是隨流導數的積分形式，這部分給學生講透了，雷諾輸運定理理解起來也就比較容易。隨流導數、雷諾輸運定理的理解非常重要，它是一種研究方法、思維方式的轉變，是開展流體動力學研究的基礎。
任何一個數學公式都有其物理含義，授課過程中要力爭從學生理解的角度，從公式背后的物理含義與物理過程角度講解，并輔以生活中的例子，讓公式形象化、理論生活化。
2 開設自主創新實驗，讓問題具體化，提高學生積極性、提升學生綜合能力
第一部分立足于學生對關鍵知識點的理解，這部分談談如何讓學生帶著興趣去學習、創造性應用所學知識。
與理論相比，學生更喜歡自己動手去開展一些探索性試驗。同時結合數值仿真讓看不見摸不著的流場具體化、圖像化，這對提高學生學習、探索、思考問題的積極性非常有益。在教學過程中可以給學生布置一些探討性課題，讓學生組成團隊，獨立從理論分析、數值仿真及試驗驗證方面開展課題研究，采用答辯的方式把講臺交給學生，提高學生的應變能力以及學生的參與度，針對一個課題讓大家共同探討。理不辯不明，通過辯論加深了學生對問題的認識，增強了學生學習的積極性，培養了學生獨立分析問題的能力與團隊協作精神，而獨立分析問題能力與團隊協作精神是大學教學一個關鍵的落腳點。下面舉一個教學中的例子。
圓柱繞流以及圓柱在流場中所受阻力是一個經典的流動現象，可以讓學生從試驗、數值仿真的角度去研究分析影響阻力的因素并給出影響規律。試驗設備方面實驗室提供拖拽力實驗設備，主要功能為測量圓柱在流場中所受阻力。該實驗設備提供了3種測量阻力的方法：（1）用天平直接測力；（2）測量出口速度分布，采用動量定理計算出阻力；（3）測量圓柱表面壓力分布計算所受阻力，同時可以調節來流速度。計算軟件方面提供給學生相關計算流體軟件并講授軟件基本功能與操作。讓學生自由組團，獨自開展研究方案設計、試驗與數值仿真、結果對比分析與報告撰寫，公開答辯、互動參與。這樣學生結合實驗與數值仿真結果進行對比分析，對流速、流態對圓柱阻力的影響理解就比較深刻，同時學生在這個過程中鍛煉了獨立分析解決問題的能力，培養了協作精神。
3 貼近生活，學習趣味化
人類生活在流體中，很多生活中的現象都可以用流體知識解釋，因此在教學中可以嘗試著讓理論走進生活，讓學習充滿趣味。
比如好多男學生喜歡踢足球，估計弧線球很多學生也會踢，但足球的軌跡為什么呈弧形，可能好多學生不知道，可以把這個問題提出來讓大家討論。上課時，提出這個問題后整個課堂氛圍一下就活躍起來了。這時候與學生一起分析足球近壁面流動并結合伯努力方程講解足球的受力，學生一下就明白了足球軌跡為什么可以呈弧形。再比如還可以播放一些生活中有趣流動現象的視頻與圖片，引導學生分析與討論。
4 考核多元化
流w力學要想充分調動學生的積極性，還需要對考核方式做調整，不再唯卷面分數論。本人在教學實踐中從以下幾個方面進行考核：（1）卷面成績；（2）創新性綜合實驗，綜合考慮試驗效果、結果分析、答辯情況等；（3）課堂互動，對于在課堂上積極互動提出疑問的同學給予平時成績加分，甚至可以將講臺交給學生，讓學生給大家講解；（4）課后作業與講解，鼓勵學生給大家講解，并給予加分鼓勵。
5 結語
流體力學是一門學生認為比較難的專業基礎課，作為授課老師應該站在讓學生容易理解的立場，從流動的物理概念和物理過程出發，賦予抽象難解的理論、公式具體的物理含義，并結合常見的流動現象讓理論形象化、生活化；開展自主創新綜合試驗結合數值仿真，讓抽象的流動具體化、圖形化，提高學生的積極性、激發學生的創造性、培養學生的團隊合作精神；把講臺交給學生，通過課題答辯、習題講解，增強學生互動；讓理論走進生活，引導學生用流體力學理論知識分析生活中的流動現象，提高學習的趣味性；通過多元化的考核，增加學生學習的積極性。總之，以學生為本，從物理本質上講解理論知識，讓理論走進生活貼近生活，從抽象到具體，多層次增強學生對知識的理解。
參考文獻
[1] 李小斌，李鳳臣，姜寶成，等.基于創新意識培養的流體力學實驗教學探索[J].實驗實踐教學，2014（15）：119-121.
[2] 金志光.工科高校培養創新思維的流體力學設計性實驗競賽[J].科技創新導報，2009（8）：145-146.
第4篇：流體力學現象及解釋范文
（甘肅農業大學 林學院，甘肅 蘭州 730070）
摘 要：風沙物理學是一門年輕但發展較快的學科。本文基于風沙物理學的學科現狀和發展特點，依據風沙物理學課程性質和教學要求對課堂教學、實驗教學和實踐教學方法進行了探索和分析，提出了以下教學設計方案：（1）課堂教學上，借助輔助資料，降低課程內容難度；重視教學策略，提升課堂教學質量；培養學術思想、促進學科發展；（2）實驗教學上，減少驗證性和演示性實驗，增加設計性實驗；（3）實踐教學上，重視綜合性實踐教學，開設“風沙物理學野外綜合實習”。
關鍵詞 ：風沙物理學；學科現狀；教學設計
中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0213-03
基金項目： 甘肅農業大學教學研究項目“水土保持與荒漠化防治國家特色專業卓越農林人才培養實踐教學模式改革研究”
風沙物理學是介于沙漠科學和物理學之間的邊緣學科，是沙漠學中以基礎研究和應用為主的重要分支學科。該學科是以流體力學的基本原理為出發點，從力學和物理學過程研究風與各種沙質地表的相互作用機制及其風沙運動規律。國際上，一般將拜格諾在1941年出版的風沙物理學專著《風沙與荒漠沙丘物理學》作為風沙物理學誕生的標志，至今只有七十多年的歷史，所以，風沙物理學是一門比較年輕的學科。1977年聯合國沙漠化大會之后，沙漠化作為科學問題引起了全球范圍內科學界的重視。沙漠化是以風沙活動為主要特征，以各種風沙地貌為主要景觀標志，因而首先表現為風沙問題。風沙物理學作為沙漠科學的重要分支學科，在全球沙漠化研究的背景下獲得了重要的發展機遇，并取得了豐碩的成果[1]。因此，我們也可以說風沙物理學又是一門發展較快的學科。然而，年輕和發展快也說明著風沙物理學有不斷被完善和提升的空間，尤其是自1998年中科院知識創新工程啟動以來，伴隨著實驗手段和儀器設備的改進，風沙物理學的新觀點和新理論不斷推陳出新[2]。一些重要的研究成果，包括對拜格諾提出的沙質床面空氣動力學粗糙度1/30定律的修訂、對歐文效應的從新定義、對風沙電現象的研究、對風沙邊界層風沙互饋機制的研究等，被國際風沙物理學界認為是近年來風沙物理學取得的重要進展。而這些研究成果的出現對我們的教材也提出了新的挑戰，如何選擇授課內容，如何將這些新觀點新理論融入我們的教學中來，這是一個需要認真思考和推敲的問題。
1 風沙物理學的課程性質與教學要求
風沙物理學以風沙活動為研究對象，風沙運動是氣固兩相流的一個重要研究分支，并作為風沙物理學研究的核心內容備受重視。風沙工程中采取的各種措施，包括封閉、固定、阻攔、輸導、改向和消散等措施類型都是基于風沙運動的特征和防治目標設定的[3]，因此，學習風沙物理學對《荒漠化防治工程》等相關課程的教學至關重要。風沙物理學作為高等院校水土保持與荒漠化防治專業的重要專業基礎課，通常開設于第5學期，總學時36學時，其中，課堂講授學時為24學時，實驗課為12學時，另于學期末開設綜合實習。本課程主要涉及近地表風的基本特性；沙物質顆粒的起跳機制、運動規律以及風沙流的形成與結構、土壤的風蝕現象和各種風蝕風積地貌的特點、風沙運動的實驗理論及研究方法等。開設該課程的主要目的是為本科生其它專業課程的學習和今后從事荒漠化防治工作、荒漠化防治科學研究及沙產業方面的工作建立牢固的理論基礎及操作技能。通過對本課程的學習，要求學生達到下列基本要求：（1）掌握風沙物理學的基本概念、基本理論及應用方法；（2）能夠理論聯系實際，獨立分析說明自然界中風沙運動的一般規律；（3）掌握風沙運動的基本原理和方法，了解風沙物理學的發展現狀及發展趨勢。
2 風沙物理學教學設計
目前，風沙物理學被各農林類高等院校定為水土保持與荒漠化防治專業的專業基礎課，對于這樣一門新興學科，要樹立怎樣的學術思想？采取什么樣的授課方式？授課過程中要注意哪些問題？這些問題不僅關系到學生對知識的理解和接納程度，從長遠考慮也關系到這一學科的發展。為此，我們從課堂教學、實驗教學和實踐教學等3個方面對風沙物理學的教學工作進行了設計和完善。
2.1 課堂教學
2.1.1 借助輔助資料，降低課程內容難度
教材是體現教學內容和教學方法的知識載體，是進行教學的基本工具，也是深化教育教學改革，全面推進素質教育，培育創新人才的重要保證。風沙物理學教材共有兩版，第一版發行于1992年，共印刷了1次[4]，第二版發行于2010年9月，被定為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材和高等學校水土保持與荒漠化防治專業教材[5]。與第一版相比，第二版將流體力學基礎理論作為單獨的一章內容列出，在此基礎上，對風及其基本性質、沙及其基本性質、風沙運動、風沙地貌的形成及演變、土壤風蝕、沙塵暴及風沙物理學研究方法等知識做了詳細的介紹。這一內容上的重組和改進使得風沙物理學的課堂教學得以系統化，但因部分內容難度大，比如沙粒起動機制、輸沙量的計算、沙粒運動軌跡方程、沙丘形成過程中的二次流理論等，單靠本科大學物理中所學的流體力學知識及教材第一章流體力學基礎理論部分的知識還不足以使學生理解。為此，就需要收集相關輔助資料，借助相鄰學科和生活中的流體力學知識進行解釋。比如，可以利用球類運動中的弧線球理論和扎桿球理論解釋沙粒起動起跳過程中的馬格努斯效應；利用繞流機翼理論解釋沙粒起動機制中的壓差升力學說；利用順時針或逆時針攪動茶水時茶葉的聚集現象解釋二次流理論等。通過運用這些生活中常見現象背后所折射出的流體力學知識來推演風沙物理學現象的機理，可以使教學內容的難度降低，學生的興趣、分析問題的積極性，對機理的理解能力也都有了很大的提高。
2.1.2 重視教學策略，提升課堂教學質量
教學策略關系到教學效果的好壞。針對風沙物理學教學內容難度大、范圍廣的特點，我們在課堂教學中采取以下策略：首先，要對授課內容進行篩選，對課本內容不求面面俱到，而是在學生的認知能力和接受范圍內講精、講細，既重視基礎理論，又要把握學科前沿，對實踐性強的內容，應結合實例，做深入淺出的講解，做到理論與實踐的統一；其次，合理安排各章節內容，既強調課程的系統性，又要有重點、難點的突破，在學時分配上，要突出重點、難點，不能平均分配；第三，要注重動態影像資料的使用，利用多媒體教學，對風沙起動、風沙流結構，渦流的形成等結合風洞模擬實驗的影響資料進行講解，實現講播同步式教學；第四，要注重對學生興趣的激發，可結合生活中的流體力學現象對難度較大的講授內容做出推演，實現啟發式、導向式、探究式和互動式教學，同時鼓勵學生參與分析，于無形中激發學生的興趣，活躍學生的思維，使學生產生求知的欲望。
2.1.3 培養學術思想、促進學科發展
基礎物理學的教材內容是確定因素下產生的確定結論。而對于風沙物理學而言，由于涉及因子的多元化和研究者的主觀判斷，使得一些結論具有片面性，隨著時間的推移有可能被新的研究成果取代，或甚至被證明是不正確的，且目前眾多研究成果的涌現已對前學者的部分研究結論提出了質疑。正如風沙物理學工作者楊保等人[6]所認為的：“由于研究者認識水平和客觀條件，尤其是實驗條件和模擬手段落后的限制，使得有關風沙運動的成果基本上是半經驗性質的，使用時還有很大的局限性。 尤其是對宏觀和微觀的聯系的研究起步較晚，使得風沙物理學的理論還沒有形成一個完善的體系，風沙研究工作者只能提供給工程界一些經驗或半經驗公式，嚴格的說，這些經驗半經驗公式只能在滿足他們的條件下使用，外推到其他條件下使用可能造成相當大的誤差”。因此，從學科發展的角度，我們就要鼓勵學生多思考，在正確學術思想的引導下，去突破和發展。作為老師，要教好這樣一門課，首先要有嚴謹求實的科學態度，充分了解學科發展歷程和現狀，樹立正確的學術思想，以發展的眼光看待問題，瞻前顧后，在尊重已經形成共識的研究成果的基礎上重視知識的擴展。比如在各種數值模型的講解中，應認識到多數表達式都是按一般的規律，理想的形式和典型的模式用數學方程式表示出來的，故不具有普適性，這就要求我們在教學時根據存在的問題激發學生對各種影響因素的認知和分析能力，避免生硬接受他人思想，因此在培養學生科學態度的同時也促進了學科的發展。
2.2 實驗教學
實驗教學是風沙物理學課程必不可少的組成部分，對于鞏固學生所學的理論知識，培養學生動手能力和創新精神具有重要的作用。傳統實驗教學模式是學生根據指導老師的安排在實驗室內按部就班的對理論知識進行驗證的過程，在這種實驗教學模式下，學生的主觀能動性得不到發揮，思維僵化，且隨著本科生的擴招，原有的按小班設計的實驗室和配備的實驗設備已不能滿足需要，部分驗證性實驗也轉化成了演示性實驗，造成實驗效果不理想。針對風沙物理學的實踐性和應用性特點，我們對傳統實驗教學模式進行了改革，加強了設計性實驗。該門課程的設計性實驗主要有兩個：一是沙物質休止角的測定：沙丘沙的休止角是風與沙相互作用塑造的一種動力平衡狀態，是控制沙丘形態的重要因素之一，對分析沙丘的穩定性和流動性具有實際意義。休止角的設計性實驗要求學生首先自行設計測定對象的屬性，包括對不同粒徑范圍的劃分、不同含水量的設定、不同磨圓度的界定等。在此基礎上，對實驗順序進行設計，通過實驗順序的合理設計，可以節省不同屬性沙物質的處理時間，實現沙土樣的有效利用；二是動力風速風向圖的繪制：風是風沙和風成地貌形成的動力因素，并不是所有的風對沙丘的形成、演化及移動起作用，因此，在風沙地貌動力學研究中，只限于統計能使沙子運動的起沙風的風速、風向，繪制動力風向風速圖。動力風向風速圖有多種類型，常用的有動力風玫瑰圖和動力矢量圖，這兩種圖所反映的沙丘運動的方向、速度和方式的詳細特征有所不同，因此，這節內容我們就需要發揮學生的主觀能動性和判斷力，根據風信資料采集區的特征以及圖件的用途進行類型的選取，再進行風信資料的整理與轉化。
2.3 實踐教學
風沙物理學屬于應用性和實踐性較強的課程，該課程除休止角測定、風信資料整理與轉換等少數實驗外，其它實驗內容都要借助沙風洞完成，而全國建有用于風沙物理學現象研究的沙風洞的單位僅有中科院寒旱所、北京林業大學、北京師范大學、蘭州大學等幾家科研單位和高等院校。為此，風沙物理學大多實驗只能借助影像資料進行演示性講解，或在每年五月份第二個周末的中科院寒旱所開放日組織學生進行風洞參觀并觀看部分演示性實驗，其組織難度大且效果不理想。為了改變這一現狀，我們借助馬路灘林場實踐教學基地和民勤治沙站實踐教學基地，開設了“風沙物理學野外綜合實習”，將大部分風沙物理學室內實驗轉化為室外綜合性實踐教學。
馬路灘林場實踐教學基地和民勤治沙站實踐教學基地是近年來為配合實踐教學的需要，學院重點建設的兩個實踐基地。從抵御流沙入侵的需要和樣板地建設的需要出發，兩個基地均在綠洲荒漠過渡帶的流動沙丘分布區鋪設了多種形式和規格的麥草沙障、粘土沙障、塑料網沙障、礫石沙障等低立式沙障，還利用尼龍網、作物秸稈等設立了各種高立式沙障。作為機械沙障的輔助措施，梭梭林、移動森林等植物固沙措施被廣泛應用，形成了形式多樣、種類繁多的風沙災害防治體系。此外，作為我國西北荒漠化防治的主要科研基地，民勤治沙站建立了各種輸沙量監測系統、風速測定系統、沙塵暴監測系統、沙丘移動監測系統、地下水位監測系統和植被生長監測系統，無論在規模上、還是在科研力量上均占據了學科優勢，滿足了風沙物理學實踐教學的需要。通過風沙物理學綜合性實踐教學，我們要求學生能夠對沙質地表土壤粒度組成進行測定分析、認識和描述沙區各種風蝕和風積地貌的形態及特征、測定風速廓線和輸沙量、分析風沙流結構、推算地表粗糙度、實測沙丘休止角、觀測沙波紋的形成和消散過程等。通過實踐教學，學生一方面可掌握蝕積地貌的形態特征、成因及發展趨勢，通過切身感受風沙流，增強了對風沙物理學現象的感性認識；另一方面，可在實際操作中掌握風沙物理學野外研究的基本方法和專業常規儀器設備的使用方法，而這些知識的獲取以及學生獲取知識的積極性是傳統實驗授課方式所無法比擬的。
3 結語
風沙物理學具有發展歷程短、速度快，研究范圍不斷擴大和研究新成果多的特點。本文基于風沙物理學的學科現狀和發展特點，根據課程性質和教學要求提出了一種課堂教學、實驗教學、實踐教學相結合的教學設計方案，以此達到降低教學難度，提高教學效果的目的。同時，通過對學生實踐技能和學術思想的培養，服務專業，促進學科發展。
參考文獻：
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（4）朱朝云，丁國棟，楊明遠。風沙物理學[D]。中國林業出版社，1992.
第5篇：流體力學現象及解釋范文
【關鍵詞】微注塑成型；溶體流動；微觀因素
1.引言
微觀熔體充模流動涉及的影響因素較多，相互作用關系復雜，但其區別于宏觀充模流動的主要特征是其熔體流動通道與型腔的截面尺寸及充填熔體的量微小，由此引發的充模流動中的許多因素明顯與宏觀充模過程不同。宏觀充模流動中可被忽略的影響因素，在微觀條件下可能成為主要因素；而宏觀條件下影響熔體流動的主要因素，在微觀條件下可能變得并不重要而被忽略。這些可能的因素包括模具和熔體溫度、模具的結構因素以及一些微觀因素，本文簡要介紹熔體的表面張力、重力、慣性力、微觀粘度、壁面滑移等微觀因素對高聚物熔體微尺度下流動的影響。
2.熔體表面張力
當液體存在與氣體的分界面時，在液體表面部分可劃出一表面層，處在表面層以下的液體分子，在各方向上受到周圍分子的作用力引力與斥力處于平衡狀態，而處在表面層的液體分子，受到內部液體分子的吸引力與其外部氣體分子的吸引力不相平衡，其合力垂直液面指向液體內部。在這一不平衡的分子合力作用下，表面層的液體分子都力圖向液體內部收縮。表面張力便是用來描述表面層這一特征。
表面張力可表示為表面張力系數與濕周（流體與固體壁面的接觸長度）的乘積，即，其中為表面張力系數，為濕周。在流體流動過程中，表面張力既可能促進流體流動也可能抑制其流動，形成如圖1所示的流動前沿模型。圖1（a）表示接觸角小于90?時，表面張力可促進流體流動：圖1（b）表示接觸角大于90?時，表面張力具有抑制流體流動的作用。其作用原理也可用液面彎曲產生的附加壓強來解釋，附加壓強可以按以下公式進行計算[1]：
表面張力在許多工程問題中都可以忽略不計，但是當問題對象的尺度減小，表面力的作用逐漸大于體積力的作用，此時就必需考慮表面張力的影響[2]。由于表面張力與特征尺度的一次方成正比，因此隨著尺度的減小，表面張力的影響將相對增大。另外，表面張力的作用使得流道中的氣泡更加難以排除，氣泡的存在將對微流體的過流性能產生影響。即使無氣泡存在，表面張力引起的表面壓差在流體對微細通道的初期填充過程中也起重要作用。Gravesen等強調通道內存在氣泡的影響，如果存在氣泡，由于表面張力影響，會使壓降增大。第一次填充通道時的氣泡可能就會在通道滯留，很難完全消除。
3.微觀粘度
多項研究表明，流體在微通道中的流動行為與常規尺度通道中的流動有很大的不同。試驗觀察表明，水、硅油、酒精、聚合物溶液等流體在微小通道壁面附近的粘度比常規尺寸下的粘度高50%-80%[3]。一些學者認為聚合物溶液的這種粘度增大，是分子鏈的纏結或分子鏈與通道壁面的粘結作用所致。當高聚物分子鏈的回轉半徑與通道的尺寸相比不可忽略時，這個現象是很常見的。Eringe等[4]認為當聚合物分子鏈的均方旋轉半徑與通道的尺寸相比不可忽略時，其粘度與傳統粘度模型之間會出現偏差，并基于粘性流體非局部連續理論，結合分子取向效應，建立了針對聚合物溶液的粘度模型如下：
4.慣性力和重力
在傳統的宏觀樹脂成型中，同屬質量力的慣性力和重力通常被忽略。而在微澆注成形中是否應被考慮，至今沒有一個明確的定論。一種觀點認為，聚合物熔體的微觀結構可以看作成團的大分子鏈纏結在一起，分子鏈之間必然有很大的間隙。當微小熔體流動時，慣性力和重力應該看成作用在分子鏈上，從而使得它們的影響增大。另一種觀點認為隨著特征尺寸的減小，作為特征尺寸二次方的慣性力和特征尺寸三次方的重力，其作用程度會越來越小，即微尺度下流體流動中重力和慣性力的影響可以忽略[5]。
對于微尺度下熔體的慣性力和重力，可用無量綱參數Te和Oa進行量綱分析。Te和Oa分別表示慣性力與粘性力之比，重力與粘性力之比，即：
5.壁面滑移
壁面滑移是聚合物熔體粘彈的重要特征之一。大量的研究表明，在一定條件下熔體會沿著壁面滑動，產生壁面滑移[6]。目前，普遍認可的壁面滑移形式主要有兩種，一種是以粘-滑（stick-slip）的形式出現，即當熔體在壁面承受的剪切應力超過某一臨界剪切應力時，發生壁面滑移；另一種滑移以整體滑移（full-slip）的形式出現，熔體的流動近似為柱塞式運動。
壁面滑移的產生機理十分復雜，人們在試驗研究和微觀分析的基礎上，把流體力學原理同微觀分子結構結合起來，對熔體壁面滑移的形成機理提出了各種不同的解釋。目前，較為一致的觀點主要有三種。一種觀點認為在熔體流動的通道壁面上總是粘附著一個薄層，當熔體所受剪切應力超過某一臨界值時，粘附薄層內側的熔體分子和流動的本體分子間發生解纏而隨之流動，其分子鏈運動的速度比按經典連續介質力學計算的速度要大，從而表現為熔體沿壁面滑移。這被稱為熔體壁面滑移的纏結—解纏機理，如圖2（a）所示。另一種觀點認為當熔體在通道壁面處的剪切應力超過某一臨界剪切應力時，粘附于通道壁面的分子會因解吸附而發生相對滑動。這稱為壁面滑移的吸附—解吸附機理，如圖2（b）所示。還有一種觀點認為壁面滑移是纏結—解纏和吸附—解吸附同時發生，熔體流動時具體發生哪種壁面滑移要取決于聚合物熔體的彈性、分子結構以及它與通道壁面的粘附性等因素。對吸附能力強的通道壁面而言，纏結一解纏結是造成壁面滑移的主要原因，由此產生的滑移多以粘—滑的形式出現；對吸附能力弱的通道壁面材料而言，吸附—解吸附是產生壁面滑移的主要原因，而此時產生的滑移很可能為整體滑移[7]。如果澆注微流道為硅膠材質，通道壁面屬于彈性體，表面能很低，熔體與壁面相互作用弱，因此，熔體很可能會發生整體滑移，有益于熔體在微型腔中的充填。
6.總結
本文分析了微尺度下高聚物熔體充填過程中模具和熔體溫度、模具型腔壁面粗糙度、表面張力、微觀粘度、慣性力及重力、壁面滑移對熔體流動充填的影響。結果表明，除微觀粘度的作用可以忽略外，其它因素對熔體在微尺度下的充填都有一定的影響。
參考文獻
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第6篇：流體力學現象及解釋范文
關鍵詞：數學建模；力學實踐；科學思維；創新能力
數學模型是解決各種實際問題的過程，是將數學應用于力學等現代自然科學的重要橋梁。數學建模不僅是數學走向力學應用的必經之路，而且也是科學思維建立的基礎。通過數學建模分析力學問題，將數學應用于實際的嘗試，親歷發現和創造的過程，可以取得在課堂里和書本上無法獲得的寶貴經驗和親身感受，不斷深化科學思維，培養學生的創新意識和實踐能力。數學建模對力學教學思維的建立具有重要的指導作用。
一、數學建模與數學建模教學的發展
數學建模最早出現于公元前3世紀，歐幾里得所寫的《幾何原本》為現實世界的空間形式構建了數學模型。可以說，數學模型與數學是同時產生的。數學建模的發展貫穿近代力學的發展過程，兩者互相促進，相互推動。開普勒總結的行星運動三大規律、牛頓的萬有引力公式、電動力學中的Maxwell方程、流體力學中的Navier-Stokes方程與Euler方程以及量子力學中的Schrodinger方程等等，無不是經典的數學建模。1985年，美國開始舉辦國際大學生數學建模競賽，至此數學建模的教育開始引起廣泛的重視。數學建模在我國興起并被廣泛使用是近三十年的事。從1982年起我國開設“數學建模”課程，1992年起舉辦全國大學生數學建模競賽，現在已經成為我國高校規模最大的課外科技活動。2002年，開展“將數學建模的思想與方法融入數學類主干課程”的教改實踐，2012年，《數學建模及其應用》雜志創辦。
二、數學建模對力學教學的指導作用
1.數學建模是將數學應用于力學實踐的必要過程
數學建模（MathematicalModeling）是通過對實際問題的抽象、簡化，建立起變量和參數間的數學模型，求解該數學問題并驗證解，從而確定能否用于解決問題多次循環、不斷深化的過程。數學模型（MathematicalModel）是指為了一個特定目的，對于一個現實問題，發掘其內在規律，通過積極主動的思維，提出適當的假設，運用數學工具得到的一個數學結構。數學建模幾乎是一切應用科學的基礎，用數學來解決的實際問題，都是通過數學建模的過程來進行的。而力學是應用科學的一個重要分支，一種力學理論往往和相應的一個數學分支相伴產生，如：運動基本定律和微積分，運動方程的求解和常微分方程，彈性力學及流體力學和數學分析理論，天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等。因此，有人甚至認為力學應該也是一門應用數學。
2.數學建模是培養科學思維的基礎
科學思維是以科學知識為基礎的科學化、最優化的思維，是科學家適應現代實踐活動方式和現代科技革命而創立的方法體系。科學思維的其他重要研究者Dunbar立足心理學視角指出，科學思維過程是建構理論、實驗設計、假設檢驗、數據解釋和科學發現等階段中的認知過程。這個過程與數學建模完全吻合，因此數學建模是培養科學思維的基礎。許多的力學家同時也是數學家，他們在力學研究工作中總是善于從復雜的現象中洞察問題本質，又能尋找合適的解決問題的數學模型，逐漸形成一套特有的思維與方法。數學建模不單單是對某個問題或是某類問題的研究和解決，更重要的是一種思維的培養。科學思維的培養是科學素養的重要組成，是科學教學的核心內容。
3.數學建模對培養學生的創新能力具有重要作用
數學建模是一個分析問題和解決實際問題的過程，從數學理論到應用數學，再到應用科學，它為培養學生從實踐到理論再從理論回到實踐的能力，創造了十分有利的條件。數學建模的過程是一個不斷探索的過程，因此，數學建模競賽是培養學生綜合能力和發揮創新能力的有效途徑。創新可以是前所未有的創造，也可以是在原有基礎上的發展改進，即包含創造、改造和重組等意思。數學模型來源于錯綜復雜的客觀實際，沒有現成的答案和固定的模式，因此學生在建立和求解這類模型時，從貌似不同的問題中抓住其本質，常常需要打破常規、突破傳統。可以說，培養學生的創造能力始終貫穿在數學建模的整個過程。在數學建模的過程中體現了知識的創新、方法的創新、結果的創新和應用的創新。
第7篇：流體力學現象及解釋范文
作者認為，如果想讓自然通風被更有效的利用來積極地影響環境，本書的新觀點需要被廣泛的傳播。作者寫作本書的目標是想把最新的現代建筑天然通風設計和控制思想傳遞給更多的建筑和工程專業人員。作者希望本書能讓讀者更好地處理自然通風，成為機械通風和空調的有效輔助與替代方案。
本書包括5個章節：1.概述，介紹了自然通風環境浮力效應的基礎知識；2.導論，介紹了流體力學中常用的物理定律，包括重要的守恒定律與伯努利方程等；3.獨立源，介紹了影響浮力效應的各種獨立源，包括一些常見的局部源與分布源；4.相互作用源，介紹了影響浮力效應的相互作用源，分析了常見熱源與冷源相互作用的環境；5.復雜幾何形狀產生的氣流，介紹了各種多開口空間與互連組合空間中的氣流運動。
本書作者Chenvidyakarn博士是劍橋大學的講師，也是劍橋大學莫德林建筑學院的研究員。作者在劍橋大學獲得碩士和博士學位，現在劍橋大學英國石油公司研究院與工程建筑系進行講授和研究，主要面向建筑物可持續設計領域。作者經常在領域內重要國際期刊上發表文章，例如《建筑與環境》、《能源和建筑》、《CIBSE屋宇裝備工程技術研究》及《國際通風期刊》等，他還是兩個國際期刊《城市建筑—室內景觀設計與技術》與《建筑學研究與學習》的編委。
寧圃奇，博士，副研究員
（中國科學院電工研究所）
第8篇：流體力學現象及解釋范文
關鍵詞 井下；壓裂作業；監測技術
中圖分類號TD32 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）99-0169-02
0引言
井下壓裂技術是目前油氣井增產、注水井增注的一項非常重要的舉措，尤其對于我國一些超低滲透油氣層來說，井下壓裂技術的高低已經成為了油氣產量突破的掣肘點。而在壓裂作業的過程中，對于壓裂層段溫度、壓力、壓裂液的密度以及被壓裂的裂縫的產狀、密度及分布等參數的檢測也非常關鍵。比較傳統的壓裂檢測主要是采用井口的溫度和壓力等數據進行測定，
而后通過經驗或估算摩阻來得到井下溫壓等數據，實施監測。然而，由于摩阻是一個受壓裂液、排量、砂比等影響的不斷變化的動態值，且實際經驗又存在很大的不準確性，因而，井口所測得的各項參數就很難真實地反映井下壓裂作業的實際效果。本文中，筆者在進行大量的理論研究的基礎上，同時結合自己多年的工作經驗，提出了一種可以更準確地對井下壓裂情況進行實時監測的技術，并為該技術編制了相關的程序。利用該技術不僅能夠利用所設計的軟件對已經錄入的數據進行評價，還可以對井下的壓裂過程進行監測與控制，因此能夠對實際的壓裂效果更加真實客觀的表達。
1 系統的硬件部分設計
1.1監測管柱
本方法中的監測管柱在跟隨著壓裂管被下入以后，可以利用軟件對其進行監測，在預先設定的時間和采集頻率之下，對井底各項數據進行采集并實施傳輸到井口控制系統中，從而，可獲得整個壓裂作業過程效果的數據。
該管柱具有以下優良特點：
1）可同時放置兩支監測儀，保證監測數據的可靠性；
2）保證壓裂投球的正常工作和正常監測；
3）降低在工作時的震動程度。
1.2監測儀
檢測儀主要由傳導感應器、信號處理器及儲存裝置和電源等組成。
2 壓裂實時解釋處理軟件
2.1結構分析
壓裂實時處理軟件以所采集到的數據為基礎，同時結合井位的基本情況，可以對相關參數進行解釋計算，計算結果可以為壓裂設計的優化提供參考。
2.2 軟件分析
1）基本原理
該軟件解釋依據的基本原理是滲流力學和流體力學，根據地下巖隙中流體壓力的變化對壓裂過程產生的現象進行解釋。
2）裂縫模型的判斷
1） 根據前置階段壓力和時間的關系對裂縫模型進行判斷。即當k∈（1/8，1/3） 為PKN 模型； 當k∈（-1/2，-1/4） 為KGD 模型； 當k∈ （-1/2，-3/16） 為Radil 模型；
2） 根據地應力的大小進行判斷。即當σz>σx>σy時，裂縫面與σy方向相垂直，而與σx的方向相平行； 當σz>σy>σx時，裂縫面與σx方向相垂直，而與σy的方向相平行； 當σx>σy>σz或σy>σx>σz時，則會有水平裂縫形成；
3） 綜合判斷
也就是說可以先由第一種方法對垂直或水平裂縫進行判斷，然后再由后一種方法對KGD 模型和Radil 模型進行判斷。
模型判斷完成以后，可以利用壓力與時間的雙對數曲線斜率對裂縫三個方向的情況進行解釋。
3 現場應用情況
目前已將該技術廣泛應用于遼河油田多口油氣井的壓裂過程，進行了多次施工，成功率高達95%以上。以下就以某井為例進行具體討論。
1） 裂縫閉合前
首先可得出壓力的導數隨采樣時間呈一次線性變化，而后在某點處發生轉折，趨于水平遞減的特點（如圖1所示），表明裂縫在閉合過程中屬于普通慮失。
2）裂縫閉合后
做出該井裂縫閉合后線性流曲線和徑向流曲線，可算出地層壓力值為25.32MPa，底層滲透率也有了明顯提高，壓裂效果比較顯著。通過軟件擬合有效裂縫，其半長為55.2m，導流能力為52.35。
4 結論及認識
1）本文提出的井下壓裂實時監測技術能夠準確高效地監測施工過程中井下的各項參數，如壓力、溫度等，并且監測過程不會影響到正常壓裂作業。實現了壓裂作業監測的準確化、數字化和智能化；
2）本文提出的監測程序可精確計算出壓裂過程中裂縫的閉合壓力等各種參數；
3）提出的測試方法可精確計算出地層的滲透率、表皮系數、裂縫產狀長度及體積等重要參數，將其應用于實踐，在評價壓裂效果上有著非常明顯的優勢，為技術人員了解地下儲層情況和壓裂效果提供了重要的依據；
4）該方法中的溫壓數據是在井底直接所測得的，相比傳統的在井口測量而后折算為井下數據的方法，極大地避免了因井筒液體密度、泵壓等參數的變化而導致計算不準確的問題；
5）雖然該方法具有很多優勢，但是，目前此方法仍然只能分析得到裂縫半長，而不能很好地分析得出裂縫逢高等數據。筆者打算進一步研究實踐，完善該方法，使得該方法在以后的實踐中能夠發揮更大的作用。
參考文獻
第9篇：流體力學現象及解釋范文
顱內動脈瘤是造成自發性蛛網膜下腔出血(SAH)的最常見原因。據歐美大宗尸檢報告，顱內動脈瘤的發生率為0．2%～7．9%。據統計，動脈瘤破裂而導致SAH的早期死亡率在43%左右[1]，2周內容易再次出血,死亡率高達60%～70%[2]。而存活者因腦血管痙攣等原因多有嚴重的后遺癥，如顱神經麻痹、偏癱、失語、植物生存狀態等。顱內動脈瘤是一種嚴重威脅人類健康的疾病，破裂出血發病率占腦血管意外的患者中的第3位，僅次于腦血栓形成及高血壓腦出血，且發病率逐漸增高。因此，研究其病理生理過程并且指導治療顯得尤為重要。最近研究表明血流動力學因素是一個重要因素。軸向血流對血管遠端的沖擊，導致血管彈力層的破壞，形成囊狀突起，這種囊狀突起又可加重此部位的血液渦流，引起血管壁振蕩并促進其變性及破裂[3]。研究認為它能很好地解釋動脈瘤好發于血流動力有異常的血管分支、分叉、彎曲部位[4]。因此，動脈瘤的血流應力、壓力分布、血流沖擊力、流入瘤的流量和血液在瘤內駐留時間都對瘤的破裂有重要影響[5]。研究也表明動脈瘤的形成、生長、保持穩定和破裂與血管病理學因素如動脈內彈力層的完整性缺損、鄰近中膜和外膜的有關彈性結構的缺損、血管分叉部位的湍流和正常結構的不連續性相關。本文通過參閱近些年來關于血流動力學和病理學對于顱內動脈瘤病理生理作用的文獻，對作用機制進行總結。
1 血流動力學因素
1．1 顱內動脈瘤血流動力學的數值研究 實際生理學中，由于血液的非牛頓特性，其本構方程非常復雜；血管管壁呈黏彈性，與血液運動耦合；管徑沿血管大小不一；動脈瘤及血管形態復雜，且存在明顯的個體化差異等。要想精確求解其血液動力學參數幾乎是不可能的，所有的研究者都做了不同程度的簡化假設，引入了各種計算模型。基本的簡化假設有兩個。其一，多數研究者把血管壁和動脈瘤壁都看作剛性壁，但有的研究者[7]在處理動脈瘤時把瘤壁當作線彈性體。其二，多數研究者把血液看成牛頓流體，也有人把血液看作非牛頓流體，假設它服從Carson方程。目前主要研究結果表明：① 采用牛頓流體與非牛頓流體模型時，流場的差別不大，體外模擬實驗也得出相同結果[8]。同時，Aenis[9]的計算指出，只要動脈直徑>0．5 mm，則用牛頓流體代替非牛頓流體所引起的誤差不超過2%；② 動脈瘤的血液動力學參數與動脈瘤及載瘤動脈形態結構之間存在強烈的相關性；③ 最大剪應力發生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動脈瘤新的生長點[10]。應用計算流體力學軟件進行的數值模擬是一個從二維模擬到三維模擬的發展過程。國內的研究多限于二維的研究。符策基[11]和戴建華[12]等都在這方面進行了研究工作。而三維的研究只有溫功碧[13]等針對簡化的模型進行了理論性的三維分析。國外的三維模擬發展迅速，并已經進行了臨床的分析研究。David[14]等模擬了1例巨大的頸動脈瘤。Hassan[15]等先后模擬了1例大腦大靜脈畸形和椎基底動脈結合部動脈瘤。分析了病變的血流動力學特點，為臨床治療的指導提供了重要的依據，同時證實了三維模擬的實用性。Cebral [16]等對62例臨床患者的動脈瘤進行了數值模擬，發現在破裂動脈瘤和未破裂動脈瘤之間存在著血流動力學的差異。
1．2 動脈瘤的生長、破裂機理研究 由于動脈瘤的出現使得動脈內的血流發生紊亂，Steiger[17]認為顱內動脈瘤腔內的流動不是湍流，為介于層流與湍流之間的一種中介流動模式，并檢測到疊加如于脈搏上的低頻振動，它引起動脈瘤壁的疲勞，而且可能誘導流體共振，作用于瘤壁的薄弱處可使動脈瘤破裂。Perktold [18]認為不同部位、類型的動脈瘤的血流是不同的。對于側方動脈瘤，瘤頸和瘤體的大小決定了動脈瘤的血流不同。頂端和側方寬頸動脈瘤，瘤體內易形成快速的旋流。對于大動脈瘤或者瘤體長的動脈瘤，瘤腔內可見到緩慢的血流，這會導致血管壁組織缺乏氧及營養物質，而有害物質無法及時清除，加重血管內皮細胞的損傷。Nakatani[19]等發現動脈瘤頸部的切應力最高，這可促進瘤壁細胞的分裂生長，而瘤內的渦漩運動則增大了瘤壁面的切應力，造成動脈瘤的生長。動脈瘤破裂最常見的位置為其尖頂部，破裂的動脈瘤中57%瘤壁上有薄壁小泡或呈多房結構，但在未破裂者中這種情況僅占1．6%。動脈瘤體積增大時，多房現象更明顯。造成這種現象的原因可能與傳遞到動脈瘤壁的流體撞擊的多少、壓力的形式、瘤壁的脆性、動脈大小及開口部位等因素有關[3]。進一步病理研究發現，不斷快速變化的切應力連續作用于瘤頸內膜，達到一定閾值的時候，造成內皮細胞損傷脫落，發生炎性反應。反復發作的慢性炎性反應致使瘤頸擴大增厚，動脈瘤生長、擴大，瘤頸成為生長點。另一方面，瘤頸內皮受損，膠原纖維暴露，血小板黏附，血栓形成。長期反復發作，導致瘤頸壁增厚，不易破裂。因而，切應力是瘤生長、擴大的因素之一，不是導致動脈瘤破裂的直接原因，破裂機理極其復雜[20]。
2 病理學因素
研究顱內動脈主要由薄層膠原物質組成的外膜、血管平滑肌組成的中膜和內皮細胞覆蓋的內膜3層組成。內膜層含有發育良好的內彈力膜和膠原。外彈力膜在顱內動脈是不存在的，只能見到少量的彈力纖維散在外膜和中膜之中。80%的腦動脈在動脈分叉處存在中膜缺損。
2．1 囊性動脈瘤的病理發生機制主要有以下幾種：①先天性或中膜缺陷理論:Forbus[21]研究了23例成人和19例兒童的腦動脈瘤，發現在兩組中各有2/3存在中膜缺陷;他認為，這種缺陷為先天性的，是動脈瘤形成的基礎，并提出了中膜缺陷理論;②退行性變和內彈力層缺陷理論:與顱外動脈相反，顱內動脈僅有一層彈力組織，即內彈力層，有理由認為只有首先造成這層結構的損害才能產生動脈瘤;該理論認為，內彈力層局部的退行性改變是囊性動脈瘤形成的最主要原因;③酶活性改變:Schievink等[22]檢測100例腦動脈瘤患者不同表型α1抗胰彈力蛋白酶的缺乏情況，并與904例正常人進行了比較，發現腦動脈瘤患者中，雜合α1抗胰彈力蛋白酶缺乏者所占的比例明顯多于正常人;他們指出，α1抗胰彈力蛋白酶或其他蛋白酶抑制因子缺陷，可以通過蛋白合成分解失衡、動脈壁降解，促進動脈瘤的發生及破裂;④動脈壁膠原改變:Brega等[23]研究了腦動脈瘤患者Ⅲ型膠原等位基因的出現頻率，發現等位基因中分子量較小的一個在動脈瘤患者中的出現頻率為0．34，而對照組僅為0．10(P=0．011);這種等位基因出現頻率的顯著性差異說明，Ⅲ型膠原基因的基因型改變與腦動脈瘤的病理變化有關。
2．2 囊性動脈瘤的病理擴大和破裂機制 研究已證實，在動脈瘤瘤壁中，彈力膠原纖維基本消失，而彈力膠原可能是維持動脈瘤壁強度的主要結構，目前一般認為動脈瘤瘤壁膠原成分減少是導致動脈瘤瘤壁變薄是動脈瘤破裂的形態學基礎，齊巍等[24]發現膠原成分的減少是由于過度降解，而非合成不足。韓利江等[25]研究表明，瘤壁單核細胞N型膠原酶mRNA表達增高。動脈瘤瘤壁對損傷進行重建的過程中，膠原酶起著不斷破壞其原有結締組織膠原成分的作用，同時，又出現肌纖維母細胞、纖維母細胞、纖維細胞的增生，起到重建動脈瘤瘤壁的結締組織膠原成分的作用，使動脈瘤擴大。研究證實，單核吞噬細胞可能分泌結締組織膠原酶，破壞動脈瘤壁的膠原成分，導致瘤壁脆弱易于破裂。
參考文獻
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