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流體動(dòng)力學(xué)原理范文第1篇

摘 要 高能閃光照相是診斷致密物質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和物理特性的最有效技術(shù).高能質(zhì)子照相在穿透能力、材料識(shí)別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相，已經(jīng)成為美國先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置的優(yōu)先發(fā)展對(duì)象.文章詳細(xì)介紹了高能質(zhì)子照相方案及其研究進(jìn)展.

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-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能閃光照相始于美國的曼哈頓計(jì)劃（Manhattan project），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(duì)骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個(gè)顯著特點(diǎn):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(dòng)力學(xué)行為瞬時(shí)變化，要求曝光時(shí)間足夠短.

目前，世界上最先進(jìn)的閃光照相裝置是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置（DARHT）［1］.它是由兩臺(tái)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(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€(gè)垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像，并且在光源焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是，DARHT也僅有兩個(gè)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(jìn)行多角度多時(shí)刻的輻射照相，獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(kuò)展了束斑直徑，從而使X射線光斑增大.估計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個(gè)角度多時(shí)刻(幅)的輻射照

相，從而獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的三維動(dòng)態(tài)過程圖像.l995年，美國LANL的科學(xué)家Chris Morris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)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(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長平均自由程，使其成為閃光照相的理想束源.Steve Sterbenz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲(chǔ)存環(huán)(PSR)的強(qiáng)脈沖產(chǎn)生中子，中子通量都不足以在流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)短時(shí)間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時(shí)的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人Gerry Garvey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(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)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(qiáng)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Tom Mottershead 和John Zumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］，以及Nick King 在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)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?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.

2 質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制

高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)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(duì)質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進(jìn)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(qiáng)作用力和電磁作用力［6］.強(qiáng)作用力是短程力，質(zhì)子與核的強(qiáng)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(dòng)量，質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用，會(huì)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(xiàn)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(dá)到GeV量級(jí)，質(zhì)子與原子核的強(qiáng)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(dá)到GeV量級(jí)，核反應(yīng)截面幾乎不變，單就穿透能力而言， 質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)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?yàn)橘|(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(dá)到GeV量級(jí)時(shí)，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(gè)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(gè)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Enrico Fermi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(dòng)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(duì)重物質(zhì)，最終導(dǎo)致圖像模糊.另一方面，因?yàn)镽i與材料的原子序數(shù)有關(guān)，也正是這個(gè)特性使質(zhì)子照相具有識(shí)別材料組分的獨(dú)特能力［7］.

質(zhì)子和電子之間也會(huì)產(chǎn)生庫侖力作用，通常是非彈性的.因?yàn)殡娮淤|(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(duì)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(huì)導(dǎo)致質(zhì)子運(yùn)動(dòng)方向大的改變，但會(huì)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(jī)制.能量損失依賴于質(zhì)子束能量，能量損失速率與它的動(dòng)能成反比.質(zhì)子束穿過厚度為l的材料時(shí)，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)，dT/dl的值幾乎與動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)相對(duì)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(huì)被發(fā)掘出來.1995年，Morris發(fā)現(xiàn)磁透鏡能使質(zhì)子聚焦進(jìn)而消除模糊效應(yīng)，最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的觀點(diǎn)的正確性.后來， LANL的另一位物理學(xué)家John Zumbro改進(jìn)了磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，稱為Zumbro透鏡［4］. 

Zumbro透鏡的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)客體對(duì)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(gè)匹配透鏡(matching lens)，匹配透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng).

剩余的色差項(xiàng)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(dòng)量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重庫侖散射角和動(dòng)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(duì)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(jià)，根據(jù)空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的精度要求，LANL為先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(dú)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(kuò)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(gè)物體，避免了使用很厚的金屬作為擴(kuò)束器)，這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個(gè)負(fù)恒等透鏡組，分別是監(jiān)控（monitor）透鏡組、兩級(jí)成像透鏡組.

Tom Mottershead 和John Zumbro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(gè)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(gè)透鏡后，質(zhì)子就能在空間上聚焦.如果在這個(gè)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(duì)允許的角度范圍進(jìn)行積分，得到總質(zhì)子通量為

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

第一個(gè)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(gè)角度準(zhǔn)直器允許通過的角度范圍為［0，θ2cut］，且θ2cut

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

角度準(zhǔn)直器的使用增加了圖像的對(duì)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(duì)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(jì)分布，面密度的測量精度要達(dá)到1%，則圖像平面上每個(gè)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)需要獲得12個(gè)角度，每個(gè)角度20幅圖像，則每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè).

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(shí)驗(yàn)室(BNL)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，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(jī)構(gòu)（AWE）合作完成的，直接針對(duì)流體動(dòng)力學(xué)有關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題［11］.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行的小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV），小型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)主要包括:高能炸藥的爆轟特性實(shí)驗(yàn)、金屬和材料對(duì)強(qiáng)沖擊加載的復(fù)雜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（包括失效、不穩(wěn)定性和微噴射等）以及驗(yàn)證內(nèi)爆過程后期的材料動(dòng)力學(xué)和材料狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進(jìn)行的用于診斷大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的高能質(zhì)子照相實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量12GeV或24GeV）.進(jìn)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(yàn)證采用質(zhì)子照相進(jìn)行大尺度流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的能力，以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對(duì)于厚的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(tái)能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺(tái)H-直線加速器注入器，一臺(tái)3GeV的增強(qiáng)器和一臺(tái)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(qiáng)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(gè)子束.最后從多個(gè)方向同時(shí)照射到實(shí)驗(yàn)靶上.質(zhì)子束穿過實(shí)驗(yàn)靶后，磁透鏡系統(tǒng)對(duì)質(zhì)子束信號(hào)進(jìn)行分類，由探測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了閃光照相實(shí)驗(yàn).

圖2 LANL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(dá)到50GeV，空間分辨率優(yōu)于1mm，密度分辨率達(dá)到1%;每次加速的質(zhì)子總數(shù)達(dá)3×1013個(gè)，每幅圖像的質(zhì)子數(shù)達(dá)到1×1011個(gè);每個(gè)脈沖的間隔最小為 200ns，質(zhì)子到達(dá)靶的前后誤差不超過15ns;每個(gè)視軸可連續(xù)提供20個(gè)脈沖，視軸數(shù)12個(gè)，覆蓋角度達(dá)165°.這樣，一次流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)可獲得12個(gè)角度，每個(gè)角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發(fā)展質(zhì)子照相的研究計(jì)劃.整個(gè)裝置預(yù)計(jì)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(shí)間需要10到15年，分幾個(gè)階段進(jìn)行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增強(qiáng)器（booster）、4個(gè)軸成像系統(tǒng)和靶室2;2010—2011年，8—12個(gè)軸成像系統(tǒng).從目前的調(diào)研情況來看，原計(jì)劃2007年前完成的任務(wù)沒能按期完成.因此，這個(gè)計(jì)劃要推遲.最新的研究計(jì)劃未見報(bào)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置——DARHT比較來說明質(zhì)子照相的特點(diǎn)和優(yōu)勢［13］.

(1) 三維動(dòng)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(gè)時(shí)刻、多個(gè)方向的三維動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)圖像. 而DARHT沿一個(gè)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(qiáng)，其穿透深度和流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到理想匹配.相比之下，X射線只有在4MeV能量時(shí)才能達(dá)到最大圖像對(duì)比度，此時(shí)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(gè)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(duì)比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)客體對(duì)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(duì)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(shí)際上，質(zhì)子散射的利大于弊，它能用于識(shí)別物質(zhì)的化學(xué)組成.利用兩個(gè)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(jí)成像系統(tǒng)，通過對(duì)兩種不同準(zhǔn)直孔徑得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對(duì)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(shí)間可調(diào).質(zhì)子加速器能夠產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”，每幅圖像可用8—20個(gè)脈沖的時(shí)間進(jìn)行曝光.因此，質(zhì)子照相可任意選定曝光時(shí)間和間隔.內(nèi)爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時(shí)間和間隔，對(duì)較慢的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)式“凍結(jié)”照相.當(dāng)內(nèi)爆速度變快時(shí)，可以縮短曝光時(shí)間.DARHT的脈沖時(shí)間由電路決定，一旦脈沖的時(shí)間間隔和持續(xù)時(shí)間固定，只能以固定的時(shí)間間隔照相，研究人員只能指定第一幅圖像的時(shí)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(hào)，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(shí)上，對(duì)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(huì)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(jí)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(jìn)了透鏡系統(tǒng)，消色差提高了圖像品質(zhì).對(duì)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(shí)驗(yàn)已達(dá)到15μm，并有達(dá)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(xiàng)，也絕不會(huì)有如今的發(fā)展.雄厚的武器實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(dòng)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(shí)間變化的情況.近年來，科學(xué)家們加緊了對(duì)高能質(zhì)子照相的研究.目前，X射線照相仍然是流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)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(duì)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.

參考文獻(xiàn)

［1］ Burns M J， Carlsten B E， Kwan T J T et al. DARHT Accelerators Update and Plans for Initial Operation. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference. New York， 1999.617

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流體動(dòng)力學(xué)原理范文第2篇

【關(guān)鍵詞】輸油管道 workbench 雙向流固耦合 流體動(dòng)力學(xué)

1 引言

流體動(dòng)力學(xué)是研究流體平衡的條件及壓強(qiáng)分布、流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、以及流體與固體之間的相互作用等，研究結(jié)果對(duì)分析管道的振動(dòng)及影響因素有重要意義。本文針對(duì)新疆某石化公司的10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機(jī)自開機(jī)以來油管線振動(dòng)較大的問題，通過對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，得出了流體耦合前后動(dòng)力特性的變化及管道振動(dòng)的原因。

2 雙向流固耦合分析原理

流固耦合要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒，所以在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體域固體應(yīng)力（σ）、位移（d）、溫度（T）、熱流量（q）等變量的相等或守恒，即滿足下面四個(gè)方程：

σ分別為液體、固體應(yīng)力。

3 流體和管道的計(jì)算模型

就10-K-302C離心式甲烷制冷壓縮機(jī)裝置的油管線位移較大現(xiàn)象，通過分析油耦合前后的動(dòng)力學(xué)特性，找出流體運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)尋找該管道振動(dòng)原因有重要指導(dǎo)作用。出口管道的管路圖如圖1：選取油在彎管中心軸線處的1、、2、、3、、4、點(diǎn)，及在出口處5、為觀測點(diǎn)。

圖3 耦合后油速度流線圖

耦合前后油與管道接觸壁面的壓力云圖4和圖5。絕對(duì)壓力均在入口處較大，彎頭處較其連接處的直管壓力較大。耦合前油壁面的最大絕對(duì)壓力為772KPa，最小絕對(duì)壓力為759.9KPa，壓力波動(dòng)值為1.58%，壓力波動(dòng)較小。流固耦合后接觸壁面的壓力大小和分布與耦合前幾乎相同。圖5 耦合后油壁面絕對(duì)壓力

流體動(dòng)力學(xué)原理范文第3篇

關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值模擬；Fluent；摩托車

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）06-0190-02

一、CFD數(shù)值模擬概述

數(shù)值模擬，是工科類學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用、開發(fā)能力和綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬，是以計(jì)算機(jī)為手段，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。CFD在航天航空、汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械、船舶、材料加工、化工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的綜合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CFD數(shù)值模擬在這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了課程研究。通過該課程的教學(xué)研究與實(shí)踐，對(duì)教學(xué)手段進(jìn)行改革和完善，提高了教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

二、CFD數(shù)值模擬軟件簡介

目前，進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個(gè)主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行建模、生成網(wǎng)格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出、顯示。

三、CFD數(shù)值模擬實(shí)踐應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行對(duì)某摩托車車身行駛過程中的三維流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析其空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括其氣動(dòng)力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。

1.模型的建立及網(wǎng)格劃分。確立CFD研究模擬的對(duì)象，建立模型。對(duì)于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對(duì)于較復(fù)雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設(shè)計(jì)或者逆向設(shè)計(jì)，完成三維實(shí)體造型。由于摩托車外形復(fù)雜，在不影響車身前部迎風(fēng)面積的情況下需要對(duì)摩托車模型進(jìn)行一定的簡化，方便進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。將該模型文件以STP文件格式導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個(gè)方體。其中小方體是為了細(xì)化車身周圍的網(wǎng)格而設(shè)置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當(dāng)于空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的“風(fēng)洞”。將大方體和摩托車車身進(jìn)行布爾求差運(yùn)算，得到的空間區(qū)域即為CFD數(shù)值模擬的計(jì)算域。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，其中計(jì)算域中的小方體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，其余部分進(jìn)行網(wǎng)格粗化處理。最后的網(wǎng)格總數(shù)在150萬個(gè)左右。設(shè)置入口和出口邊界面等，保存輸出網(wǎng)格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數(shù)的建立和求解計(jì)算。入口邊界設(shè)定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口相對(duì)于遠(yuǎn)方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據(jù)摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計(jì)算湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對(duì)模型進(jìn)行收斂計(jì)算。

3.CFD數(shù)值模擬計(jì)算的后處理。待模型計(jì)算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個(gè)物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據(jù)摩托車氣動(dòng)力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對(duì)摩托車前部車身進(jìn)行造型優(yōu)化，以達(dá)到減小風(fēng)阻的目的。

通過講述CFD數(shù)值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時(shí)對(duì)CFD相關(guān)軟件有了基本認(rèn)識(shí)；并結(jié)合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動(dòng)力學(xué)性能，提高了學(xué)生對(duì)CFD數(shù)值模擬的理解能力和實(shí)際運(yùn)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：1-2.

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)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.

[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：49-55.

[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動(dòng)力特性研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（1）：1-4.

[5]張杜鵲.轎跑車外流場數(shù)值模擬與分析（碩士學(xué)位論文）[D].武漢理工大學(xué)，2010.

基金項(xiàng)目：本文得到“湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2008078）”資助

作者簡介：朱春東（1963-），男，湖北廣水人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)值模擬和成型工藝及控制。

摘要：本文結(jié)合CFD數(shù)值模擬教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，講述了流體動(dòng)力學(xué)分析的原理和具體的數(shù)值模擬方法，并運(yùn)用流體模擬軟件Fluent對(duì)某摩托車行駛過程中的流場進(jìn)行模擬分析。

關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值模擬；Fluent；摩托車

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）06-0190-02

一、CFD數(shù)值模擬概述

數(shù)值模擬，是工科類學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用、開發(fā)能力和綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬，是以計(jì)算機(jī)為手段，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等）控制下對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。CFD在航天航空、汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械、船舶、材料加工、化工等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合作者多年來在材料加工和汽車摩托車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的綜合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CFD數(shù)值模擬在這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了課程研究。通過該課程的教學(xué)研究與實(shí)踐，對(duì)教學(xué)手段進(jìn)行改革和完善，提高了教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

二、CFD數(shù)值模擬軟件簡介

目前，進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算常用的軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。CFD軟件都包含有3個(gè)主要的功能部分：前處理、求解器、后處理。其中前處理是指對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行建模、生成網(wǎng)格和選取邊界面等；求解器是指求解控制方程組的程序；后處理是指對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出、顯示。

三、CFD數(shù)值模擬實(shí)踐應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行對(duì)某摩托車車身行駛過程中的三維流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析其空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括其氣動(dòng)力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、速度流線圖等。這里主要介紹其前處理以及求解過程。

1.模型的建立及網(wǎng)格劃分。確立CFD研究模擬的對(duì)象，建立模型。對(duì)于簡單的模型，可直接在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立二維或者三維模型；對(duì)于較復(fù)雜的模型，可在CATIA、UG等三維造型軟件中，采用正向設(shè)計(jì)或者逆向設(shè)計(jì)，完成三維實(shí)體造型。由于摩托車外形復(fù)雜，在不影響車身前部迎風(fēng)面積的情況下需要對(duì)摩托車模型進(jìn)行一定的簡化，方便進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。將該模型文件以STP文件格式導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中。這里需要建立兩個(gè)方體。其中小方體是為了細(xì)化車身周圍的網(wǎng)格而設(shè)置的密度體，大方體是車身行駛過程中所處于的流場，相當(dāng)于空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的“風(fēng)洞”。將大方體和摩托車車身進(jìn)行布爾求差運(yùn)算，得到的空間區(qū)域即為CFD數(shù)值模擬的計(jì)算域。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，其中計(jì)算域中的小方體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，其余部分進(jìn)行網(wǎng)格粗化處理。最后的網(wǎng)格總數(shù)在150萬個(gè)左右。設(shè)置入口和出口邊界面等，保存輸出網(wǎng)格模型，如圖1所示：

2.物理模型參數(shù)的建立和求解計(jì)算。入口邊界設(shè)定為速度入口，V=20m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口相對(duì)于遠(yuǎn)方來流處的壓力為零，即靜壓值取零。本次仿真選擇Realizable k-ε模型，根據(jù)摩托車尺寸得k=0.0338m2／s2，ε=0.00185m3／s3。其中k為計(jì)算湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率。采用耦合隱式求解器，對(duì)模型進(jìn)行收斂計(jì)算。

3.CFD數(shù)值模擬計(jì)算的后處理。待模型計(jì)算收斂后，在后處理窗口中觀察摩托車行駛過程中的各個(gè)物理場量分布情況。圖2所示為該摩托車的表面壓力分布云圖。根據(jù)摩托車氣動(dòng)力系數(shù)和外流場速度矢量圖、壓力分布圖、尾流場的湍流特征等物理量，對(duì)摩托車前部車身進(jìn)行造型優(yōu)化，以達(dá)到減小風(fēng)阻的目的。

通過講述CFD數(shù)值模擬課程，了解CFD的基本原理及概念，同時(shí)對(duì)CFD相關(guān)軟件有了基本認(rèn)識(shí)；并結(jié)合Fluent軟件研究某摩托車行駛過程中的空氣動(dòng)力學(xué)性能，提高了學(xué)生對(duì)CFD數(shù)值模擬的理解能力和實(shí)際運(yùn)用能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]于勇，張俊明，等.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：49-55.

[4]張英朝，楊博，張喆.摩托車的空氣動(dòng)力特性研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（1）：1-4.

[5]張杜鵲.轎跑車外流場數(shù)值模擬與分析（碩士學(xué)位論文）[D].武漢理工大學(xué)，2010.

基金項(xiàng)目：本文得到“湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2008078）”資助

流體動(dòng)力學(xué)原理范文第4篇

【關(guān)鍵詞】CFD 高爐出鐵廠除塵系統(tǒng) 管網(wǎng)平衡

一、引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，生產(chǎn)力高度發(fā)達(dá)的同時(shí)，隨之而來的就是人類的生存環(huán)境日益破壞，鋼鐵行業(yè)又是污染物排放大戶，煉鐵廠、煉鋼廠及軋鋼廠又是鋼鐵企業(yè)的主要污染源，冶煉每噸鋼水大約產(chǎn)生2.5kg煙塵。污染物主要是金屬和非金屬氧化物固體粉塵、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體有害物。對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行有效的捕集及處理，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能環(huán)保研究的重要課題。捕集的關(guān)鍵又在如何控制好除塵管道的流量分配問題，但傳統(tǒng)的水力計(jì)算設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)的要求。

本文采用方法主要是利用計(jì)算流體力學(xué)方法（CAE）對(duì)高爐出鐵場除塵系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，力求找到一套適合指導(dǎo)現(xiàn)有除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式。

二、研究方法簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics）即計(jì)算流體力學(xué)，是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)上的一門新學(xué)科，具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣的優(yōu)點(diǎn)。基本思想是用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替將空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和溫度場；然后，按照流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）建立這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，通過這種數(shù)值計(jì)算，得到復(fù)雜問題基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）在流場內(nèi)各個(gè)位置的分布，以及這些物理量隨時(shí)間變化情況。

1） 分析計(jì)算原理

鋼鐵車間除塵的CAE仿真中，必須考慮的一個(gè)重要物理現(xiàn)象是熱氣流的浮升，即氣流在鐵水表面受熱膨脹，密度減小，在浮升力的作用下形成上升的熱氣流。湍流模型中Gb為考慮熱氣流浮升力對(duì)湍流的影響，具體表達(dá)式如下：

粉塵是CAE仿真模型中另一個(gè)重要方面，粉塵顆粒直徑小，具有良好的跟隨性，隨氣體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此可以認(rèn)為粉塵顆粒與氣流具有相同的速度，粉塵的運(yùn)動(dòng)速度不必再行仿真計(jì)算。但是粉塵對(duì)鐵水與氣流之間的輻射換熱過程有重要影響，氣流中粉塵濃度越高，氣流的輻射吸收系數(shù)越大，相反，純凈的空氣對(duì)輻射的吸收系數(shù)接近于零。含塵氣流的輻射吸收系數(shù)用下式計(jì)算得到：

2） 數(shù)值分析模型

鋼鐵車間除塵的CAE仿真幾何模型包含了較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且CAE模型求解對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求不是很高，因此網(wǎng)格劃分可完全采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，否則將大大延長CAE仿真的時(shí)間周期。考慮到目前的計(jì)算機(jī)能力，百萬量級(jí)的網(wǎng)格數(shù)量是合適的。

CAE仿真模型的求解采用SIMPLE算法，具體求解過程可在Fluent軟件中實(shí)現(xiàn)。

3） 材料參數(shù)

本CAE分析所涉及的流體主要為空氣和鐵水，空氣密度按照理想氣體定律進(jìn)行計(jì)算，以考慮溫度變化對(duì)空氣密度的影響。

4）邊界條件

對(duì)除塵管道的流量分配仿真，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件，在除塵點(diǎn)處設(shè)置足夠大的自由空間以使得進(jìn)口邊界處壓力為大氣壓；出口給定空氣流量，數(shù)值為相應(yīng)除塵點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)量。

仿真模型的輸入與輸出

輸入條件

1. 幾何模型，包括除塵區(qū)域設(shè)備、捕集罩和除塵管道等（附圖所示）

2. 鐵水溫度及黑度

3. 環(huán)境溫度及氣壓

4. 各除塵支管風(fēng)量

輸出結(jié)果

1. 各除塵支管煙氣溫度（可現(xiàn)場測試）

2. 除塵效率

三、除塵管道仿真

通過CAE的方式對(duì)高爐出鐵場除塵管道的風(fēng)量分配進(jìn)行建模仿真。下圖是對(duì)某高爐的3#出鐵口的管道進(jìn)行的仿真建模，包括鐵口側(cè)吸、頂吸、撇渣器以及擺動(dòng)流嘴的除塵罩以及除塵支管、除塵總管，在除塵總管末端施加壓力出口邊界條件，各除塵罩給定足夠大的自由空間，同時(shí)施加壓力入口邊界條件，且入口壓力和溫度為當(dāng)?shù)卮髿鈮汉蛙囬g環(huán)境溫度。

由于現(xiàn)場條件的限制，除塵風(fēng)量的測量僅在頂吸、兩個(gè)側(cè)吸以及煙囪的風(fēng)量測定孔處進(jìn)行。下表為3#出鐵口在測試、設(shè)計(jì)和CAE計(jì)算下的除塵風(fēng)量分配及溫度。表中風(fēng)量單位為（m3/h），溫度單位為（℃）。

四、小結(jié)

高爐出鐵場除塵系統(tǒng)的除塵管道均可以通過相同的CAE模型進(jìn)行仿真分析，仿真得到除塵管道的風(fēng)量分配且結(jié)果可靠，用于指導(dǎo)除塵管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]王福軍，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，北京：清華大學(xué)出版社，2006：13～16

[2]鋼鐵企業(yè)采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，中國冶金建設(shè)協(xié)會(huì)

[3]中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50019

[4]中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)，通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50243

流體動(dòng)力學(xué)原理范文第5篇

【關(guān)鍵詞】節(jié)能賽車 造型設(shè)計(jì) 仿真 材料 模型制作

本田節(jié)能競技賽車大賽是由日本本田（Honda）汽車公司舉辦，所有賽車搭載組委會(huì)提供的125cc低油耗4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，各個(gè)車隊(duì)獨(dú)立完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改造及車架結(jié)構(gòu)、車身造型的設(shè)計(jì)，最終以同等路程的燃油消耗量為評(píng)判依據(jù)。

一、造型設(shè)計(jì)流程分析

鑒于同等路程的燃油消耗量為比賽結(jié)果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，故要求設(shè)計(jì)者通過減少能量損失來降低整車的行駛能耗。經(jīng)過對(duì)裸車架和有車殼的節(jié)能賽車的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者燃油消耗量竟相差一倍之多。再根據(jù)汽車行駛方程：驅(qū)動(dòng)力=風(fēng)阻+摩擦阻力+加速阻力+爬坡阻力，發(fā)現(xiàn)風(fēng)阻和摩擦阻力都受到車身造型的影響。故車身造型對(duì)減少整車行駛能耗、提升整車動(dòng)力性能具有重要作用。

節(jié)能競技賽車的造型設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)階段。首先是車身造型設(shè)計(jì)階段，結(jié)合設(shè)計(jì)美學(xué)、仿生學(xué)、色彩學(xué)等知識(shí)，設(shè)計(jì)出符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的氣動(dòng)車身造型。其次是空氣動(dòng)力學(xué)仿真，車體匹配仿真階段，利用CFD仿真技術(shù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，針對(duì)車殼和車架做車體匹配仿真，檢查有無干涉是否匹配，確定最終方案；工藝材料分析、車身模型制作階段，對(duì)比分析材料特性、加工工藝，選定制作材料，完成模型制作，車殼成型。

二、車身造型仿生與色彩設(shè)計(jì)

仿生設(shè)計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車造型設(shè)計(jì)。從自然界尋找設(shè)計(jì)靈感，將自然和諧的生物形態(tài)、合理的生物結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汽車造型，不僅能提升整車的視覺沖擊力與吸引力，還能使整車造型氣韻生動(dòng)、富有生命力。經(jīng)過對(duì)生物流體結(jié)構(gòu)及美感特征的分析，選定以具有流線美的大白鯊為生物原型進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。大白鯊流線型造型飽滿有力、優(yōu)美光滑，身體呈“中間寬、兩頭尖”的紡錘狀結(jié)構(gòu)，可有效的分散行進(jìn)阻力，加快運(yùn)動(dòng)速度。

通過對(duì)大白鯊的流線型造型特點(diǎn)及神態(tài)特征的提取，結(jié)合低空氣阻力系數(shù)車身應(yīng)滿足的條件，以大白鯊的流線型特征為藍(lán)本進(jìn)行了節(jié)能賽車的優(yōu)化仿生設(shè)計(jì)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，設(shè)定了整車的尺寸與駕駛空間，整車長約2.5m，寬約1m，高約0.6m。在保證駕駛員安全舒適的同時(shí)，在前方為駕駛者留有90度的觀察視野，以確保駕駛者視線清晰。以大白鯊為仿生原型的節(jié)能賽車源于具象而又超越具象，整車造型光滑流暢、飽滿有力、曲線豐富而又細(xì)膩。

車身主體以黑色為主，輔以柳紅色，紅黑配色相得益彰、動(dòng)感十足，使整車造型穩(wěn)重而又不失激情。在車頂窗與車體分界線的位置以柳紅色過渡，突顯曲面的光滑飽滿。自車頭延伸至車身中部加一抹火焰狀的明亮的柳紅色，有利于在視覺上拉伸整體造型，彰顯優(yōu)美修長、富有動(dòng)感的側(cè)面形態(tài)。

三、空氣動(dòng)力學(xué)仿真與車體匹配仿真

根據(jù)前期設(shè)計(jì)方案，利用Rhino軟件輸出三維模型，再利用CFD仿真技術(shù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，分析賽車的阻力和升力兩個(gè)因素。根據(jù)空氣阻力分析發(fā)現(xiàn)，由于車架底部、車輪等構(gòu)件未包裹，導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)阻力增大；由于車頭位置較窄較高、尾部過寬，導(dǎo)致氣流通過不順暢、行車不穩(wěn)定。針對(duì)上述問題修改方案，對(duì)車架實(shí)行全包裹，僅在車輪位置留有轉(zhuǎn)向空間，盡量壓低車頭前端造型，適當(dāng)加寬中前部造型，使前車頭和尾部盡量尖銳化。對(duì)修改后的方案進(jìn)行二次空氣動(dòng)力學(xué)仿真，之前存在的問題得到了緩解，有效降低了整車的氣動(dòng)阻力、側(cè)風(fēng)條件下的升力。

空氣動(dòng)力學(xué)仿真后進(jìn)行車殼、車架匹配仿真。大賽規(guī)定：參賽車輛的車輪必須為3輪以上（包括3輪）。為了降低行進(jìn)阻力、保證行駛的安全性，選取前兩輪后一輪的車架模式。對(duì)輸出的車殼和車架的三維模型做車體匹配仿真，發(fā)現(xiàn)在車輪處留有的10cm的轉(zhuǎn)向空間較適宜，其余位置經(jīng)檢查無干涉，車殼和車架很匹配，確定了最終的三維模型。

四、工藝材料分析與模型制作

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，整車質(zhì)量減輕10%，油耗可減少8.5%。節(jié)能賽車也是如此，選擇輕質(zhì)材料對(duì)降低整車行駛能耗具有重要作用。節(jié)能競技賽車比較常見的車體材料為鋁材、玻璃鋼和碳纖維。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)鋁材雖可滿足輕巧、塑性強(qiáng)、易加工的要求，但其自身硬度較低，易使車殼不穩(wěn)定。玻璃鋼硬度高、性能穩(wěn)定，但質(zhì)量略重。碳纖維質(zhì)量輕、硬度高，但加工模型過程復(fù)雜，成本較高。

在充分衡量各材料輕便、結(jié)實(shí)、安全和價(jià)格等的因素下，選定強(qiáng)芯氈、玻璃纖維、碳纖維、樹脂為備選材料，制作1：20的小比例模型，進(jìn)行材料分析實(shí)驗(yàn)。1.強(qiáng)芯氈和玻璃纖維實(shí)驗(yàn)。一層強(qiáng)芯氈一層玻璃纖維：強(qiáng)度夠，但曲面部分成型困難，表面平整度不好。2.玻璃纖維和樹脂實(shí)驗(yàn)。兩層玻璃纖維加樹脂：強(qiáng)度適中，光滑度好，成型容易控制。3.碳纖維和樹脂實(shí)驗(yàn)。碳纖維加樹脂：強(qiáng)度高，質(zhì)量最輕，但成本較高。綜合衡量各材料的特性及工藝水平，最后選定車體由玻璃纖維和樹脂材料加工制作，透明車窗部分選用亞克力材料。

模型制作階段主要分為以下五個(gè)步驟：第一步：從三維圖中導(dǎo)出三視圖1：1打印，作為整車的尺寸參照?qǐng)D；第二步：依據(jù)車身尺寸，選用聚氨酯塑料制作模具，再用石膏為模具定型；第三步：清理模具，刷上脫模劑，再用薄膜隔離、上玻璃纖維刷樹脂晾干；第四步：選擇開模位置，把上下分開；第五步：進(jìn)行和車架的匹配安裝。

結(jié)語

北京林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制作的節(jié)能競技賽車曲面飽滿、富有動(dòng)感，符合空氣動(dòng)力學(xué)要求。本文重點(diǎn)講述了節(jié)能賽車車身造型仿生與色彩設(shè)計(jì)的過程、空氣動(dòng)力學(xué)仿真與車殼、車架匹配仿真的作用及工藝材料分析與模型制作的方法，通過闡述北京林業(yè)大學(xué)節(jié)能競技賽車設(shè)計(jì)實(shí)踐應(yīng)用，可以為其他車隊(duì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]付桂濤. 汽車造型設(shè)計(jì)中的仿生原理[J]，裝飾，2006（7）.

[2]余柳燕.汽車燃料經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)體系[D]，武漢理工大學(xué)，2011 （73）.

作者：喬麗華系北京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)2013級(jí)碩士研究生