物理课堂力学单元教学中项目式学习方法的应用研究

伴随着各方面教学改革的深入,人们对科学技术学科类的教学越来越重视,再加上如今社会教育资源向科学技能型人才培育的倾向性发展,中学阶段对物理学科的重视程度日渐提高,于是越来越多的教师开始探索如何更高效地优化中学阶段的物理教学。中学阶段物理教学当中使用项目式学习进行力学单元教学的探究正是这一探索过程当中的一项内容。基于项目式学习进行中学物理阶段的力学单元知识教学,不仅可以有效地辅助学生在脑海当中构建起相应的物理单元知识框架结构,还能进一步发挥学生在学习当中的积极探索效果,落实以生为本的物理教学理念。让学生在复杂现象的探索中成长,在真实问题的研究中获得知识,这种教学状态之下培养出的学生不仅有着较强的知识理论能力,对问题的探索能力和求真意识也较强。因此,项目式学习可以成为中学物理力学单元教学中切实转变学生学习方式的一类教学方法。

弹簧-阻尼动力学单元螺栓连接结合面研究

螺栓连接结合面在机床结构中大量存在,结合面的动态特性对机床整机动态性能的影响不容忽视,结合面动态特性的准确分析计算对机床整机动态性能优化设计具有重要意义。在对结合面的研究中,基于ANSYS软件,采用12弹簧-阻尼动力学单元建立结合面的刚度-阻尼模型,并考虑了螺栓连接结合面的影响锥问题,选用软件自带的combin14单元,对三段梁缩小模型进行自由状态下的模态分析。分析结果与实验测试结果有较好的一致性,证明了模型的实用性和准确性。

抗弯抗压力学单元设计与力学性能分析

基于SLM(选区激光熔融技术)打印零件轻量化设计的要求,为弥补轻量化结构设计过程中的盲目性和不确定性,利用拓扑优化软件对单元结构进行拓扑优化,提取优化后的单元结构进行再设计得出几种基本单元构型。将几种基本的单元构型填充长方体类构件,利用有限元分析不同单元填充时在不同载荷形式下构件的力学性能,并通过改变单元的尺寸参数、分布密度探究单元结构对构件力学性能的影响。分析结果表明,当主要承载方式为压缩载荷时,拱形单元结构具有较好的力学性能,而当承受弯曲载荷时,在构件应力集中区域增加单元的填充密度可以提高构件的承载能力。当结构设计既要满足构件的强度也要满足轻量化设计时,可以通过改变单元构型的尺寸参数及排布方式得到最优化的设计。

正确划分力学单元 确定地基土承载力标准值

即使同一岩性土体，也往往由不同力学性质的力学单元组成，在根据标准贯入击数采用查表法确定土层承载力标准值时，能否正确、合理地划分力学单元将直接影响设计方案及工程造价。

基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

大观念视域下的高中物理单元教学设计策略——以力学单元为例

大观念是单元教学的指导,单元教学是物理教学方式之一。在大观念的指导下,教师整合教学内容,设计单元教学,实施课时教学,引导学生探究,建构认知,锻炼能力,及时进行单元教学评价,增强物理教学效果。本文以力学单元为例,将教学内容、教学情境、教学任务划为重点,详细介绍基于大观念的高中物理单元教学设计策略。

力学地层单元对裂缝发育的控制作用

阿姆河右岸中区中上侏罗统卡洛夫-牛津阶储层为缓坡礁滩沉积,储层基质物性差,但受多期构造运动的影响构造裂缝较为发育。根据露头剖面、单井岩性组合特征等,对单井进行了力学地层单元划分,探讨了力学地层单元对裂缝发育的控制作用。研究认为:力学地层单元对裂缝的控制作用主要体现在岩性与厚度两个方面;不同岩相裂缝密度具有明显差异,生物丘中裂缝密度最高,其次为生屑滩,丘滩间最低;力学地层厚度越大,裂缝密度越低,反之,裂缝密度越高;建立了不同岩相裂缝密度与力学地层单元厚度的定量关系,并实现了不同力学地层单元裂缝密度的预测。

岩土类摩擦材料单元力学模型探讨

根据岩土类摩擦材料的特性,基于力学基本原理,建立岩土类摩擦材料的单元力学模型.有限元对比计算结果表明,考虑摩擦的单元模型比较符合工程实际.

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法。使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态。通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高。与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动。

新工科视角下拔尖人才培养的探索与实践——以弹性力学有限单元法理论及工程应用课程为例

新工科将培养适应新时代快速发展要求的现代化工程拔尖人才作为核心目标之一。文章立足工程创新人才观,对有限单元法课进行了一系列深刻的改革:重构有限元法教学内容分布,完善人才培养载体;运用"工程项目驱动教学法"优化培养途径,加强人才工程设计、工程实践、自主学习、合作沟通及集成创新等能力的培养;采取多元化课程考核模式改进学业评价,完善教学过程。实践结果表明,理论与工程实践同步且有机结合,不仅有助于深刻理解后续专业领域的理论,而且能激发学生的探究欲,提高学生的工程意识和解决问题的能力,为培养行业拔尖人才奠定坚实的基础。

基于计算流体力学与离散单元法并行计算的煤层气井大粒径岩屑运动规律初探

在计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合并行计算的基础上,对大粒径、非球体岩屑在煤层气井"扩径"井段的沉积及运移规律进行了数值模拟。利用FLUENT建立了井眼交汇处"扩径"井段计算模型。利用DEM软件建立大粒径岩屑颗粒的离散元模型。借助集群并行计算优势,首先通过与实验数据的对比证实该CFD-DEM耦合模型的计算精确性、可用性;随后,基于钻井现场岩屑颗粒的采样及对其粒径、形状统计,将岩屑颗粒简化为片状进行计算。对不同粒径岩屑在"扩径"井段的运移及沉积过程进行了模拟再现,量化了粒径对岩屑在该区域的运移能力的影响。研究发现,在通过"扩径"区域时绝大部分的岩屑颗粒将沉积,体现了"扩径"段对大颗粒岩屑的"收纳"作用;岩屑粒径对运移能力有关键影响,粒径岩屑的增加造成其运移能力的指数形式衰减;而钻井液排量的增加对提升携岩能力效果不够明显。分析结果对地下钻井工程具有实际参考意义。

椭圆形节理岩体单元受压时的结构力学分析

多节理岩体的力学计算是岩体力学中最困难的问题之一,将该问题简化为椭圆形节理岩体单元受压力作用问题,用传统的结构力学方法进行分析,得出了节理岩体单元的应力分布规律,为进一步分析复杂岩体问题提供了参考。

基于CFD-DEM的流态化速冻影响因素研究

利用Fluent多孔介质理论建立了速冻流化床等效流域模型;以表观气速、入口温度、脉动频率为试验因素,根据CFD-DEM数值模拟方法对典型颗粒形状物料的流态化和冻结进行单因素试验分析,探究了各试验因素对物料冻结的影响规律;基于单因素试验结果,以平均降温速率为评价指标,进行三因素、四水平的正交试验,试验结果表明,在进风量一定的情况下,影响程度由强到弱依次为入口温度、脉动频率、表观气速。以期分析结果对脉冲气流式速冻工程实践具有一定的参考作用。

旋流气力输送管道的结构优化研究

为了探究加料器携带段旋流气力输送过程中的出现的下料管堵塞问题,在工程生产实验验证的基础上,采用CFD-DEM(计算流体力学与离散单元法)耦合的数值模拟方法对加料器携带段出料口的质量流量、速率均匀性及管道内物料的流动特性进行研究,总结出高灵敏度参数起旋侧吹孔的高度H、角度α、过渡段的内凹度β对质量流量及速率均匀性2个评价指标影响规律,对优化目标进行多因素耦合分析,推出优化目标的理论模型,并依据回归方程求解出最优的参数组合,解决工程中变管径旋流气力输送中物料堆积堵塞问题,此研究同时也为变管径旋流气力输送相关设备的改进提供指导意义。

自然单元法研究进展

自然单元法(NEM)是新近出现的一种求解偏微分方程(PDE)的数值方法,它采用自然相邻点插值方法在全域构造近似函数和试函数,该方法基于整个求解域内离散节点的Voronoi结构。NEM形函数的构造简单,形函数及其导数的计算相对容易,由于不涉及到矩阵的运算及其逆运算,与一般的无网格方法相比计算量大大减少。另外由于NEM形函数满足Delta函数的性质,且在边界相邻节点间满足线性插值,从而可以准确地施加边界条件和方便地处理场函数及其导数的不连续性,这是一般的无网格方法所难以实现的。从形函数的构造和性质来看,它兼有无网格的特性和有限单元方法的优点,可以认为是介于两者之间的一种极具发展前途的数值方法。详细介绍了自然单元法的求解过程和最新研究进展,并对目前自然单元法中尚待改进的问题及其相应的解决方案和未来的研究方向进行了初步的探讨。

脉动流化床内青刀豆颗粒的混合特性数值模拟

青刀豆一般采用流化床装置进行速冻。为了解决其床层堵塞和聚集不良的问题,进一步提高青刀豆的混合效率,课题组建立了三维混合脉动流化床模型,将计算流体力学与离散单元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)相结合,探究1,2,4和8 Hz 4种不同频率的脉动进口风速下青刀豆颗粒的流化混合情况。仿真结果表明:脉动流化床对于青刀豆颗粒混合具有一定改善作用,青刀豆颗粒的轴向混合强于径向混合,4 Hz时颗粒混合标准偏差值最小;当进口风速的频率接近颗粒的自主振动频率时,床层膨胀最明显,出现类似“共振”的现象;2 Hz时颗粒径向、轴向混合效果最佳,频率过大或过小对于流态化增强效果不明显。

隔河岩水电站边坡岩体宏观力学参数的有限元反演分析

首先根据隔河岩水电站边坡的特点,选择具有控制性影响的区域的岩体,建立数值模拟试验模型;接着采用卸荷岩体力学参数的分析方法,利用大型有限元分析程序ADINA对其进行反演分析,得出其宏观力学参数和这些参数的劣化规律。

结构物砰击入水过程的CFD-DEM-IBM数值仿真

为实现入水过程的精细数值仿真,解决入水问题数值模拟所面临的关键技术问题,围绕结构入水过程中固体移动边界的合理描述、自由液面的准确捕捉及流固耦合作用的精细刻画等核心难题,融合计算流体动力学-离散单元法(CFD-DEM)、浸入边界法(IBM)及改进的守恒式Level Set(ICLS)方法,提出了一种CFD-DEM-IBM方法。采用固定的笛卡尔网格离散计算域,分别通过CFD与DEM描述流体与结构运动,引入IBM追踪固体移动边界并获取准确的流固耦合作用力,采用ICLS方法在保证守恒性的同时隐式捕捉自由液面,并通过分区算法,在一个时间步内进行数次交错迭代以反映流固两相间的强耦合效应,建立了高解析度的CFD-DEM-IBM数值模型。通过圆柱常速入水、楔形体对称及非对称入水和多体入水现象仿真分析研究,结果表明,CFD-DEM-IBM方法能够考虑多块体间的相互作用,在准确反映流固耦合效应的同时能够获得高解析度的流场,在多体入水问题处理方面优势显著。

气固流化床化学反应数值模拟中颗粒尺度模型研究进展

气固流化床由于其优良的气固接触效率和传热传质效率,已经被广泛应用于能源、矿冶、化工、制药等工业领域。本文针对颗粒流态化-反应系统数值模拟研究进行了综述,阐述了数值模拟的三个尺度:化学反应工程模型、双流体模型以及颗粒尺度模型。然后聚焦于基于CFD-DEM方法的变粒径颗粒流态化-化学反应过程模拟,梳理分析了6种颗粒反应模型,即均匀转化模型、缩粒反应模型、缩核反应模型、联合收缩模型、细颗粒反应模型和随机孔隙模型,并从颗粒性质变化、化学反应模型、不同尺度耦合三个角度探讨了不同的颗粒反应模型的优点和应用中的局限性,分析了跨尺度颗粒系统模拟方法的发展近况,最后讨论了CFD-DEM方法在气固流化床化学反应过程模拟的应用上未来可能的发展方向,包括颗粒尺度大规模高效计算算法、颗粒反应模型的精确化以及颗粒-气体信息传递的精细化描述方面。有助于气固流化床化学反应模拟领域的梳理和发展,尤其是可供颗粒尺度模拟领域的研究人员参考和借鉴。

碎冰航道中航行船舶阻力数值预报

北极运输船舶常航行于由破冰船开辟的碎冰航道中;尽管这避免了船舶与层冰碰撞引起的巨大冰阻力,但船舶与航道中碎冰的相互作用受到两侧层冰的影响,进而会对船舶的航行性能产生影响。目前,碎冰航道两侧层冰对船舶航行性能的影响尚未得到充分研究,是否考虑这一影响是北极船舶设计的一个重要问题,采用CFD-DEM(computational fluid dynamics-discrete element method)耦合方法模拟船舶在碎冰航道中的航行过程并分析船-碎冰相互作用特点,进而对船舶阻力进行数值预报。首先,开展了网格和时间步长的收敛性分析以评估数值误差和不确定度,验证了数值模型的可靠性;在此基础上的预报结果表明,由于两侧层冰对船舶兴波产生影响,船舶水阻力随航道宽度的减小而小幅增大且主要为压阻力的增加;船舶冰阻力随航道宽度的减小而迅速增大,船体两侧的碎冰堆积现象是导致冰阻力增大的主要原因。