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流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文第1篇

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(jì)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(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力學(xué)試驗(yàn)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(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)對流體動力學(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,從而獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)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(jìn)行流體動力學(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.SteveSterbenz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲存環(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(shí)現(xiàn)流體動力學(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(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)子保持其特性和動量,質(zhì)子因受核力的強(qiáng)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(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,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,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?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)子照相具有識別材料組分的獨(dú)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?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(yùn)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(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,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(gè)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(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JohnZumbro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(matchinglens),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(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力學(xué)試驗(yàn)的精度要求,LANL為先進(jìn)流體動力學(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(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<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(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,直接針對流體動力學(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)行的小型動態(tài)實(shí)驗(yàn)（質(zhì)子能量800MeV）,小型動態(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)行大尺度流體動力學(xué)試驗(yàn)的能力,以及與DARHT進(jìn)行某些直接的比較.對于厚的流體動力學(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(qiáng)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(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)對質(zhì)子束信號進(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(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)動過程的動態(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、對比鮮明的圖像.而實(shí)驗(yàn)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(shí)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(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(jìn)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(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,對較慢的運(yùn)動進(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,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(jìn)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(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(yàn)的主要設(shè)備.總有一天,質(zhì)子照相將代替X射線照相并對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行充分解釋.

參考文獻(xiàn)

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

流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文第2篇

流體力學(xué)是萃取工藝極其重要的理論基礎(chǔ)，而石油地質(zhì)師和工程師在開始鉆探之前為了尋找油氣儲層，設(shè)計(jì)最好的抽取方法，必須具備油氣儲層中流體動力學(xué)的知識。本書為工程師和地質(zhì)師完成這些任務(wù)，提供基本的指導(dǎo)，給出關(guān)于流體流動、巖石性質(zhì)以及其他許多日常亟需進(jìn)行的計(jì)算和公式。

本書中描述的方法是獨(dú)特的，直到目前為止還沒有表述成書的體裁形式。讀者現(xiàn)在有能力來對世界上的最有名的油田（從美國到俄羅斯和亞洲）進(jìn)行評述。

本書對有經(jīng)驗(yàn)的工程師、科學(xué)家和學(xué)生都很有用，將成為工作在石油工程上游領(lǐng)域的地質(zhì)師、工程師和學(xué)生的必備書。

本書共分12章：1.活動帶的含油區(qū)中的流體動力學(xué)；2.在阿爾卑斯活動帶盆地的地質(zhì)和油氣顯示；3.阿爾卑斯活動帶盆地的水溫地球化學(xué)場；4.阿爾卑斯活動帶盆地的地壓場；5.阿爾卑斯活動帶盆地的地溫場；6.阿爾卑斯活動帶盆地今日的地球-流體-動力學(xué)；7.南里海盆地的碳?xì)渖伞⑦w移和集聚；8.阿爾卑斯活動帶盆地的油氣顯示的形成、地點(diǎn)和預(yù)報(bào)中的地球-流體-動力學(xué)機(jī)理和因素；9.阿爾卑斯活動帶盆地的商業(yè)性油氣顯示的定性標(biāo)準(zhǔn)和定量特性；10.阿爾卑斯活動帶盆地的油氣顯示的地質(zhì)-數(shù)學(xué)模型；11.局部構(gòu)造和油氣顯示主要區(qū)域中油氣顯示的地球-流體-動力學(xué)參數(shù)；12.進(jìn)行區(qū)域情況分析的企圖，在勘探和估價(jià)作業(yè)（以南里海盆地為例）的計(jì)劃和行動中戰(zhàn)略決策的概念性估價(jià)和步驟。

M. Z. Rachinsky是俄羅斯自然科學(xué)研究院的教授，曾獲2006Kapitsa杰出科學(xué)成就獎；曾經(jīng)是阿塞拜疆州石油研究院油氣地質(zhì)系的教授。

V. Y. Kerimov是The Gubkin Russian State University of Oil and Gas油氣勘探技術(shù)方法系的教授和系主任。

流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文第3篇

本書主要討論在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中遇到的流體問題中偏微分方程的變換與求解問題，書中所討論的內(nèi)容在航空航天、生物力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械工程、流體力學(xué)及地球物理學(xué)流動等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。

本書一共分為8章。1，介紹了復(fù)數(shù)的基本知識、解析函數(shù)、積分與柯西定理、實(shí)積分的應(yīng)用等內(nèi)容；2，介紹了Gamma函數(shù)，一些用微分方程定義的函數(shù)如Legend-re函數(shù)、Bessel函數(shù)、超幾何函數(shù)、cheby―shev函數(shù)和airy函數(shù)等特殊函數(shù)及部分函數(shù)的積分；3，特征值問題與特征函數(shù)展開。內(nèi)容包括Rayleigh判據(jù)，Sturm―Li―ouville問題，特征函數(shù)展開及應(yīng)用實(shí)例，非標(biāo)準(zhǔn)特征值問題，F(xiàn)ourier-Bessel級數(shù)；4，格林函數(shù)邊值問題，介紹源項(xiàng)與基本解、有源項(xiàng)的球殼導(dǎo)熱問題、格林函數(shù)一階與高階問題、伴隨與自伴問題、一階系統(tǒng)：格林矩陣、特征函數(shù)展開及實(shí)例；5，主要介紹Laplace變換及逆變換、雙邊Laplace變換；6，F(xiàn)ourier變換及逆變換、Mellin變換。7，主要介紹了背風(fēng)波、遠(yuǎn)場動量尾跡、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定度、平板Couette流動穩(wěn)定性等物理問題中的微風(fēng)方程的應(yīng)用；8，積分的漸進(jìn)展開，主要介紹漸進(jìn)展開基本知識、部分積分法、Laplace積分、Watson引理、最速下降法、穩(wěn)相法及Kelvin結(jié)果等內(nèi)容。

本書兩位作者曾多年從事相關(guān)領(lǐng)域研究生課程教學(xué)工作，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，書中很多內(nèi)容就是在教學(xué)筆記的基礎(chǔ)上整理編寫出來的。I.H.赫倫教授曾在哈佛大學(xué)任教，美國西北大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室等單位進(jìn)行訪問研究，現(xiàn)在任職于倫斯勒理工學(xué)院，主要從事流體流動穩(wěn)定性理論研究；M.R.福斯特是俄亥俄州立大學(xué)榮譽(yù)退休教授，曾在里海大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、鄧迪大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)等進(jìn)行訪問研究，目前是倫斯勒理工學(xué)院兼職教授，獲得過多個(gè)教學(xué)和科研獎項(xiàng)，是《流體動力學(xué)》、《流體物理學(xué)》、《力學(xué)學(xué)報(bào)季刊》和《應(yīng)用數(shù)學(xué)》等國際雜志的審稿人，專業(yè)是理論流體動力學(xué)。

本書結(jié)構(gòu)清晰，各種概念、定理解釋透徹，書中結(jié)合實(shí)際物理問題安排了大量實(shí)例，十分便于讀者理解理論知識，既可以作為非數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究流體力學(xué)課程的教科書，也可以作為數(shù)學(xué)專業(yè)的輔助課程參考書，同時(shí)還可以作為相關(guān)領(lǐng)域研究人員的參考資料。

流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文第4篇

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(diǎn)。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(gè)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(jìn)一步研究的問題與方法；區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力評價(jià)。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(jìn)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(jìn)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。現(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(shí)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(kuò)大，成礦預(yù)測和找礦工作將繼續(xù)受到重視。同時(shí)，由于地球科學(xué)整體進(jìn)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(jìn)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(gè)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(dá)到一個(gè)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(jī)制研究。即對構(gòu)造成礦流體運(yùn)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(yùn)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(gè)構(gòu)造成礦流體動力學(xué)變量的變化特征進(jìn)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(jī)制，加強(qiáng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，區(qū)域成礦動力學(xué)機(jī)制的研究已由定性變?yōu)槎浚o態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，進(jìn)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(gè)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(shí)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(jī)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(shí)注重對不同構(gòu)造系進(jìn)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(xiàng)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(gè)不可忽視的問題。因?yàn)橐酝牡刭|(zhì)找礦深度研究只注意從微量元素含量、元素共生組合進(jìn)行研究，或使用礦物溫度計(jì)、礦物壓力計(jì)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(cái)力的浪費(fèi)，乃至對環(huán)境的嚴(yán)重破壞，盲目施工、盲目開采。

因?yàn)榈刭|(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(jì)效益，同時(shí)保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

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流體動力學(xué)基礎(chǔ)范文第5篇

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)模式；改革

作者簡介：楊衛(wèi)波（1975-），男，湖北安陸人，揚(yáng)州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，副教授；毛紅亞（1976-），女，湖北天門人，揚(yáng)州大學(xué)財(cái)務(wù)處，會計(jì)師。（江蘇 揚(yáng)州 225127）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0083-02

“流體力學(xué)”作為土木、機(jī)械、能源、動力、環(huán)境、化工等學(xué)科的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，由于其理論性強(qiáng)、概念抽象、方程繁瑣、難以理解與記憶，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，從而影響教學(xué)進(jìn)程和專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，如何針對“流體力學(xué)”課程自身特點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)建設(shè)目標(biāo)，探索出一套新的適合各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的流體力學(xué)教學(xué)模式具有非常重要的意義。本文結(jié)合工科院校學(xué)生的實(shí)際情況及筆者教學(xué)實(shí)踐與體會，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式三方面對流體力學(xué)教學(xué)模式改革進(jìn)行了深入的探析。

一、教學(xué)內(nèi)容

1.教學(xué)內(nèi)容的選擇

教學(xué)內(nèi)容的選擇對于提高教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)效果具有重要的意義。根據(jù)教育心理學(xué)理論，[1]在教學(xué)中應(yīng)把課程中具有廣泛遷移價(jià)值的科學(xué)成果作為教材的主要內(nèi)容，從而可實(shí)現(xiàn)利用已有知識來同化現(xiàn)有知識的作用，提高學(xué)生的接受能力。“流體力學(xué)”作為大學(xué)工科專業(yè)的一門課程，雖然其內(nèi)容相對比較陌生，但其所包含的基本知識卻貫穿于中學(xué)相關(guān)課程之中。如流體力學(xué)中的速度、壓力、壓強(qiáng)、質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程及動量守恒方程等，學(xué)生均在中學(xué)物理中均學(xué)過，因此在講述相關(guān)內(nèi)容時(shí)可以將其與中學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，從而提高學(xué)生的理解能力。又如在講述管路的串聯(lián)與并聯(lián)特性時(shí)，其流量、阻力及阻抗特性正好與中學(xué)物理中電學(xué)的串聯(lián)與并聯(lián)電路的電流、電阻特性一致，如果在講述之前引出中學(xué)的電路串并聯(lián)原理，則可大大加強(qiáng)學(xué)生對管路串并聯(lián)水力特性的理解能力。因此，根據(jù)學(xué)習(xí)遷移理論，將相關(guān)內(nèi)容與學(xué)生已有知識進(jìn)行對接，并闡述其相互之間的關(guān)系，不僅可以有效發(fā)揮學(xué)生利用所學(xué)知識來同化現(xiàn)有知識的作用，而且對于改善教學(xué)效果具有積極作用。

2.教學(xué)內(nèi)容的編排

要合理編排教學(xué)內(nèi)容就必須使教材結(jié)構(gòu)化、一體化，以使構(gòu)成教材內(nèi)容的各要素具有科學(xué)、合理的邏輯關(guān)系。目前，國內(nèi)“流體力學(xué)”課程的教學(xué)體系一般包括流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)（理想流體流動與實(shí)際流體流動）、流動阻力損失、孔口管嘴管路流動及特殊流動現(xiàn)象等。每部分內(nèi)容既獨(dú)立，同時(shí)各部分之間又有相互的聯(lián)系。為了使學(xué)生容易學(xué)習(xí)，可以按照流體力學(xué)實(shí)際應(yīng)用路線由簡單到復(fù)雜的方式來編排教學(xué)內(nèi)容。如可以從最簡單的流體靜力學(xué)部分開始，因?yàn)殪o力學(xué)部分中學(xué)物理中已講授，生活中很常見，學(xué)生容易接受。由于靜止是相對的，運(yùn)動才是絕對的，自然界流體應(yīng)用中更多的是運(yùn)動著的流體，讓學(xué)生明白這個(gè)道理后很自然將教學(xué)內(nèi)容過渡到流體動力學(xué)部分，從而可提高學(xué)生繼續(xù)往下學(xué)習(xí)的興趣。在講述流體動力學(xué)部分時(shí)，先從簡單的一元理想流體運(yùn)動部分著手，然后逐步過渡到多元理想流體流動及實(shí)際流體運(yùn)動。在講到實(shí)際流體運(yùn)動時(shí)，由于能量方程中出現(xiàn)了阻力損失項(xiàng)，這樣就很自然將內(nèi)容過渡到流動阻力損失計(jì)算這一部分內(nèi)容。由于生活中的復(fù)雜管路往往是由簡單管路串聯(lián)與并聯(lián)而構(gòu)成，因此，復(fù)雜管路的水力特性（流量、阻力等）需要確定，這樣就可以根據(jù)流體力學(xué)實(shí)際應(yīng)用需要將內(nèi)容由阻力損失部分轉(zhuǎn)移到孔口管嘴管路流動部分。最后，根據(jù)各專業(yè)培養(yǎng)需要，選擇適合的特殊流動現(xiàn)象內(nèi)容進(jìn)行講解，以加強(qiáng)流體力學(xué)的實(shí)際工程應(yīng)用。這種以流體力學(xué)實(shí)際應(yīng)用路線由簡單到復(fù)雜作為主線的教學(xué)內(nèi)容選擇模式，內(nèi)容組織層次感較強(qiáng)，講起來更加引人入勝和重點(diǎn)突出，教學(xué)過程相對簡化。

3.教學(xué)內(nèi)容的彈性化

教學(xué)內(nèi)容彈性化有兩個(gè)方面的含義：一方面要根據(jù)每屆學(xué)生不同的知識背景和不同的定位要求，采用不同的表達(dá)方式，以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需要。另一方面是要根據(jù)時(shí)代的發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)最新科技發(fā)展的需要。[2]例如在“流體力學(xué)”教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生更容易接受，可以刪去大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，如流體連續(xù)性方程、動量方程、能量方程的推導(dǎo)等，這些內(nèi)容對于學(xué)生是否掌握流體力學(xué)基本知識并無影響。又如，對于不同的學(xué)生群體，應(yīng)根據(jù)學(xué)生今后的定位不同選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，對于高職高專的學(xué)生，由于其畢業(yè)后大多數(shù)要走出校門從事實(shí)際工作，因此，在講述時(shí)應(yīng)側(cè)重于流體力學(xué)實(shí)際應(yīng)用方面的知識。而對于普通本科院校的學(xué)生而言，畢業(yè)后有相當(dāng)一部分的學(xué)生要繼續(xù)從事相關(guān)的研究工作（如考研等）。因此，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生流體力學(xué)理論方面的教學(xué)與培養(yǎng)，以提高學(xué)生將來的研究能力。隨著時(shí)代的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，將計(jì)算機(jī)用于求解流體力學(xué)問題的計(jì)算流體力學(xué)已越來越顯示出其重要的作用。所以，流體力學(xué)教學(xué)中，適當(dāng)介紹當(dāng)今常用的計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以擴(kuò)充學(xué)生的知識視野，為今后有意繼續(xù)深造的學(xué)生提供鋪墊。

4.教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際相結(jié)合

興趣是最好的教師。教育心理學(xué)[1]的研究表明：當(dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生已有的知識和生活實(shí)際相聯(lián)系時(shí)，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和解決問題的興趣。因此，在流體力學(xué)教學(xué)過程中，應(yīng)結(jié)合專業(yè)目標(biāo)盡可能多地介紹流體力學(xué)廣泛的工程應(yīng)用背景，引導(dǎo)學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣和積極性。如在講述流體靜力學(xué)中液體作用在曲面的總壓力計(jì)算時(shí)，可以介紹1998年特大洪水災(zāi)害長江決堤事件等；在講到流體靜力學(xué)中平面總壓力計(jì)算時(shí)，可以適當(dāng)引入長江三峽水壩閘門的設(shè)計(jì)與計(jì)算；在講到沿程與局部阻力損失[3]時(shí)，可以講述如何選擇水泵，并以每天生活用水管道供水為例來分析等；在講到動量方程應(yīng)用時(shí)，引入如何確定彎管及分叉管路中水流對管道的沖擊力，從而可計(jì)算出管道支墩所受的推力；在講述畢托管時(shí)，可講述如何測量風(fēng)管的風(fēng)量與風(fēng)壓，在講述傾斜式微壓計(jì)時(shí)，可與畢托管一起講述如何利用兩者來測量正壓與負(fù)壓風(fēng)管段的動壓、靜壓及全壓等。任課教師在平時(shí)授課過程中，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)適當(dāng)穿插講述一些發(fā)生在我們身邊的與流體力學(xué)有關(guān)的實(shí)例，使學(xué)生認(rèn)識到流體力學(xué)在生活及工程中的重要性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，以提高教學(xué)效果。

二、教學(xué)方法

目前課堂授課中常用的教學(xué)方法主要有傳統(tǒng)教學(xué)模式與以多媒體技術(shù)為代表的現(xiàn)代教學(xué)模式。傳統(tǒng)教學(xué)模式是指教師通過口授、板書完成特定教學(xué)內(nèi)容的一種課堂教學(xué)形式，該模式學(xué)生容易接受，可以達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。但缺乏創(chuàng)新與探索知識的功能，尤其是在當(dāng)今知識快速更新的年代，更是面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代教學(xué)模式是指在課堂教學(xué)中引入多媒體技術(shù)，通過形象逼真的動畫的運(yùn)用，生動形象地展示教學(xué)內(nèi)容，從而可以充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使教學(xué)方式形象生動，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、想象能力和創(chuàng)造能力。

考慮到傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)模式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在流體力學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)將兩種教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合起來。如在講述相關(guān)理論公式時(shí)，就以傳統(tǒng)的板書教學(xué)為主，對公式的推導(dǎo)和例題的講解，用板書的方式條理化，通過板書一邊寫、一邊對學(xué)生提問，一邊推導(dǎo)相關(guān)公式，讓學(xué)生參與到教學(xué)中，從而可以加強(qiáng)學(xué)生與教師間的互動，激發(fā)與調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。而在流體力學(xué)理論的工程應(yīng)用部分則較多地采用多媒體課件，例如在講授層流與紊流[3]這部分內(nèi)容時(shí)，單純地板書講解其概念很抽象，用多媒體課件展示雷洛實(shí)驗(yàn)講解則直觀生動，容易理解。在講解孔口管嘴管路流動及虹吸現(xiàn)象時(shí)，用生動動畫顯示其流動全過程，可說明其流動過程中截面收縮及可能出現(xiàn)的真空現(xiàn)象，從而給學(xué)生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教師教與學(xué)生學(xué)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題以便改進(jìn)。考核方式的合理性不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)還可以提高教學(xué)效果。“流體力學(xué)”作為一門理論性極強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的考核通常采用平時(shí)考核與期末閉卷考試相結(jié)合的方式，兩者所占比例通常為30%與70%。平時(shí)考核主要是學(xué)生的出勤率與作業(yè)完成情況，而期末考試主要是卷面所取得的成績。這種考核方式存在一定的問題，不僅不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在某種程度上還會使學(xué)生產(chǎn)生抵觸心理。由于流體力學(xué)中有大量的經(jīng)驗(yàn)公式和圖表，如阻力系數(shù)計(jì)算公式與莫迪圖、納維-斯托克斯方程等，若采取閉卷考試，則勢必要求學(xué)生背熟這么多的公式，容易陷入死記硬背的怪圈。

事實(shí)上，這部分內(nèi)容的教學(xué)要求是讓學(xué)生能熟練應(yīng)用這些公式和圖表解決工程實(shí)際問題，而不需要死記硬背。因此，在考核方式中可以嘗試平時(shí)開卷考核與期末閉卷考核相結(jié)合的考核方式。即將不適合閉卷考試的一些無法記憶而又要求學(xué)生掌握與應(yīng)用的內(nèi)容，放在平時(shí)教學(xué)中進(jìn)行開卷考核，而將一些基本原理、基本概念、基本計(jì)算方法的考核放在期末閉卷考試中。這樣，一方面，通過平時(shí)不定期的考核能提高平時(shí)學(xué)生的出勤率，另一方面，通過平時(shí)考核也可以激發(fā)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率；此外還可以通過考核及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，改善教學(xué)方法。通過這樣的考核方式，既能激發(fā)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還可以提高教學(xué)效果，考試結(jié)果能較真實(shí)地反映學(xué)生對本課程知識的掌握和應(yīng)用能力。

四、結(jié)語

教學(xué)不僅是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)。每一種教學(xué)模式都有其特定的適用范圍和條件。流體力學(xué)作為工科院校相關(guān)專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，由于其理論性強(qiáng)、概念抽象、經(jīng)驗(yàn)公式多，給其教與學(xué)帶來難度。如何根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)將其與各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過教學(xué)模式的探索使其教學(xué)融入到各專業(yè)人才培養(yǎng)中，將是“流體力學(xué)”教學(xué)模式改革的進(jìn)一步目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚頂良.高等教育心理學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[2]劉立平，師少鵬.傳熱學(xué)課程教學(xué)的改革探索[J].高等農(nóng)業(yè)教育，