流體力學的研究方向范文

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關鍵詞：行業類高校；高等流體力學；電力特色

作者簡介：張莉（1973-），女，河南商丘人，上海電力學院能源與機械工程學院，教授；李永光（1957-），男，湖南長沙人，上海電力學院科研處處長，教授。（上海 200090）

基金項目：本文系上海電力學院研究生學位課程建設項目（項目編號：YKJ-2012004）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）04-0086-02

2007年，上海電力學院（以下簡稱“我校”）熱能工程二級學科首次招生，“高等流體力學”首次開課，授課人數20余人，隨后幾年間授課人數逐年增長。2012年我校動力工程與工程熱物理一級學科又增設了工程熱物理、動力機械及工程兩個二級學科，“高等流體力學”授課范圍擴大的同時，授課人數也增加到60余人。但是鑒于我校研究生數量較少、研究生培養歷史較短以及師資力量相對薄弱等方面的原因，課程教學的教材只能選用已有的教材。在組織教學內容的過程中發現，大多數教材普遍存在一些問題，如過于強調基本理論、對數學知識的要求偏高、工程應用方面涉獵很少，或者有些工程學科專業的相關研究生教材又往往缺乏理論深度，工程應用背景針對性強，有的強調高速氣動、有的強調水動葉柵流動、有的強調渦動力學等等。鑒于此，作為行業類非重點高校，在“高等流體力學”課程的教學中有必要結合我校電力特色進行教學內容和教學模式的研究和探討。

一、課程教材的調研

為了能更好地做好此次教學研究工作，課程組首先對高校相關研究生專業的“高等流體力學”教材進行了調研，分別對清華大學、西安交通大學、上海交通大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學、華北電力大學、東北電力大學等國內若干所大學相關課程的教材及內容做了簡單分析。

從調研情況看，所有高校都對流體力學的基本理論很重視，主要教學內容均包括了流動的基本概念和基本方程、流體運動學、勢流理論、渦旋流動、理想流體流動、粘性流體流動等，目的是使研究生通過學習流體的運動規律，掌握研究流動的方法進而分析解決實際的工程流動問題。同時，各高校的教材和主要教學參考書還注重與自身學科研究方向的結合，課程的某些重點內容與培養方向相接軌，突出了自身的特色。通過調研發現，“高等流體力學”作為研究生學位課，其教學內容在注重理論基礎的同時，還必須要與自身的相關學科研究方向相結合，在注重通用理論的基礎上，形成自己的特色。

二、我校授課對象的情況分析

做好此次的教學研究工作，還必須對我校的授課對象有一個清楚的認識。目前，“高等流體力學”已列為本校工程熱物理、熱能工程、動力機械及工程三個二級學科的研究生學位課程。盡管上述三個二級學科涉及能源、動力、機械等寬廣的工程領域，但結合我校的電力特色，這三個二級學科主要是為電力行業培養高級的專業人才，而在電力行業中流動現象多存在于流體機械、動力機械、換熱設備、容器、管道等部件，因此，在教學內容上應在透徹講解流體力學微分方程組的基礎上，注重聯系工程實際，偏重于講解流體在上述部件中的流動以及與這些部件間的相互作用。

研究生生源的實際情況也是教學過程中需要考慮的因素。到目前為止，我校共招收6屆研究生，通過向歷屆學生了解發現有以下情況存在：部分同學跨專業（如：數學專業、電力系統及其自動化專業、計算機與信息專業等）考入學校，本科階段沒有學習過“工程流體力學”課程；即使是研究生與本科專業背景相同的同學，他們也普遍認為”工程流體力學”較難，碩士入學考試時，大都不選考“工程流體力學”，這也使得他們可能在大三、甚至大二學完以后，再也沒有系統地梳理過流體力學知識。由于各高校專業方向的側重點不同，大部分同學對電力行業內的流體知識也不是特別了解；考入學校的學生多數為調劑生，入學成績整體不高。這些情況都表明，我校碩士研究生入學時的流體力學知識基礎相對比較薄弱，需要在授課過程中講授深層次新知識的同時，及時地對基礎知識進行回顧和提醒。

三、教學內容的組織

基于以上的調研和分析，課程組首先對教材進行了選取，對教學內容進行了組織。

1.教學目標的明確

“高等流體力學”是為工程熱物理、熱能工程以及動力機械與工程專業研究生設置的專業學位課程。根據專業人才培養的需要，結合長期本科教學的經驗，確定了課程的教學目標：通過對流體力學的基本概念、基本方程、理想不可壓縮流體的流動、粘性不可壓縮流體的流動、層流邊界層與紊流流動、理想可壓縮流體等內容的學習，深化學生對流體力學基本內容的理解，提高學生的理論水平，為相關專業課程的學習、課題的研究及論文的撰寫打好理論基礎。

2.教材的選用

“高等流體力學”是動力工程及工程熱物理學科的一門傳統課程，有很多課程教材可供選用。通過調研比較，西安交通大學有關電力生產的學科研究方向與我校的研究方向比較吻合，其在“動力工程及工程熱物理”一級學科中的學位課 “高等流體力學”選擇了西安交通大學出版社出版、張鳴遠等編著的《高等流體力學》一書作為教材，課程組通過對該書內容的分析，也一致認為張鳴遠等編著的《高等流體力學》比較適合我校側重于電力人才培養的需求，因此決定選用該書作為本校“高等流體力學”課程的教材。與此同時，將調研中搜尋到的各有特點的教材作為參考書目推薦給學生供他們參考使用。

3.教學內容的組織

在進行“高等流體力學”課程教學內容的組織時，結合我校研究生培養方案和學科建設，既照顧到經典流體力學的通用知識，又重視課程知識的針對性、行業應用的特殊性、學生學習的興趣以及與學校其他研究生課程的關聯性。課程內容的組織主要從以下幾個方面考慮：

（1）奠定扎實基礎。“高等流體力學”是一門系統性、邏輯性較強的課程，作為碩士研究生的學位課，在加深學生對流動所伴隨的物理現象的認識、概念的建立及規律分析的同時，還應努力加深學生學科知識分析和研究問題的基本思想和方法的理解和掌握，提高分析和解決流體力學問題的水平及能力。

（2）突出電力生產特色。針對我校研究生的專業背景和學科研究方向，強調本學科與電力生產流程和設備的結合，強化學生應用流體力學知識，認識并解決相關電力工程問題的能力。教學內容應注重理論與實踐相結合，保持基礎理論知識與工程應用知識的相對平衡。

（3）注重課程的關聯性和完整性。在關聯性方面，首先與本科階段的教學內容要有恰當的分工和銜接，其次要避免與其他相關課程之間缺乏銜接；在自身內容體系的完整性方面，既要注意到對數學知識回顧和補充的必要性，又要對工程中不常見的復雜流動概念的介紹有所兼顧。

考慮以上幾個方面，課程組將教學內容梳理成五部分，第一部分安排了“矢量運算分析”、“場論知識”的回顧以及曲線坐標、張量分析知識的補充；第二部分“流體力學的基本方程”主要介紹流體力學的基本概念，流體力學的控制方程組以及一些相關的重要定理；第三部分“理想不可壓縮流體的流動”介紹平面勢流，空間軸對稱勢流和理想流體中的旋渦運動，其中對平面勢流里的復位勢、疊加法、鏡像法和保角變換法做重點講解；第四部分“粘性不可壓縮流體的流動”中介紹納維―斯托克斯方程的精確解，小雷諾數流動，層流邊界層流動和紊流，其中對工程中應用較多的層流邊界層流動和紊流做重點講解；第五部分“理想可壓縮流體的流動”分別介紹一維流動和平面流動，其中對一維流動做重點講解。

四、教學模式的探討

學生的學習情況在不斷地發生變化，這就需要教師不斷根據實際情況，進行教學模式的探討，充分調動學生學習的主動性和積極性，使他們在有限的學習時間中學習好內容繁多的“流體力學”。

1.教學方法

“高等流體力學”是一門基礎課，基本概念和基礎理論部分內容較多，涉及的公式推導也比較多，傳統的“黑板板書”的教學手段對教學信息的處理和呈現都比較單一，造成學生對于傳熱學內容的理解和掌握有一定的難度。為此，課程組以教材為藍本編制了電子課件，教學中采用板書與多媒體相結合的教學模式，突出傳統板書中能夠清晰講解復雜理論推導的優點，充分利用多媒體教學信息量大、圖像清晰生動的特點。經過一段時間的嘗試，這種教學方法既達到了避免研究生在課堂上因長時間精力高度集中而產生疲勞的問題，又有利于他們理解并掌握復雜的流體力學基本理論的教學效果。

2.教學手段

盡管本課程以課堂講授教學方式為主，但要避免“填鴨式”的講授，要注重以啟發式講授為主的多種教學方法的綜合應用，提高課堂教學的趣味性，以提高學生學習興趣和主動性。課程組結合本科“工程流體力學”多年的教學經驗，在教學過程中注意做到幾個注重：注重物理概念與數學方法的有機結合，強調物理含義的數學表示以及數學內容的物理解釋；既注意嚴格的理論推導，又注意敘述的深入淺出；注重教學思路，教學方法，在引進概念介紹方法時，突出解決問題的思維方法及推理要點；注重從與教材不同的角度或思路來講述同一教材內容，以豐富學生思維和聯想能力；注重引導學生圍繞課程內容，發現問題、提出問題、解決問題，同時再結合課程組教師的科研積累，搜集并提煉出了大量與電力生產緊密關聯的工程案例，通過案例的討論和分析，增強學生學習理論知識的興趣，提升課堂教學的互動效果，增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力。

3.輔助教學

僅僅通過課堂上對教材的學習是遠遠不夠的，還必須配套地做大量的習題，才能較好地使學生掌握具有理論性強、公式多、數理基礎要求高的“高等流體力學”課程。考慮到我校研究生教學的特點，課程組根據教材的主要內容編寫了典型習題集。習題集力圖做到習題具有典型性，能夠對應教學內容的各個知識點，學生通過習題的練習，能有效地掌握教材中的基本知識。此外，習題集中的習題也盡可能地結合電力生產中的流動問題，幫助學生對專業關聯工程問題進行認識和思考，培養學生應用知識的能力。

4.課程考核

課程考核成績應該能夠較為客觀地反映學生對課程的整體學習情況。為了全面地反映學生的全程學習過程和最終的學習效果，課程組經討論明確了課程的總評成績由平時成績和期末考試成績綜合評定得出，平時成績與期末考試成績的分配比例是2∶8。平時成績包含作業、考勤、課堂表現等幾部分。期末考試采用筆試形式，考試試卷從建立的試卷庫中隨機抽取。

期末考試是課程考核的重頭戲，為了提高學生的學習積極性，同時也為了增強教師的工作責任心，實行考、教分離是一個較好的督促辦法。為此，2012年課程組根據課程的教學要求組織編寫了試卷庫。試卷庫中的試題符合教學大綱的要求，內容豐富、形式多樣、題型一致，試題表述清楚，要求明確，無偏題、怪題，難易得當，考核的知識點覆蓋面寬，能考核學生掌握知識以及應用知識進行綜合分析能力的情況。此次編寫的試卷庫共包含試卷6份，至少夠三年使用，隨著試卷庫的使用，課程組還擬將對試卷庫進行不斷擴充。

五、結束語

“高等流體力學”的日常教學工作一個任重而道遠，為了適應高等流體力學服務于日新月異的學科發展的需求，提高該學位課程的教學效果，更好地為本校研究生人才培養服務，課程組將把教學研究工作不斷地持續進行下去，搜集最新最前沿的相關信息以補充教學內容，探討教學模式以提高教學效果，及時對習題庫和試卷題庫進行更新。相信只要教師多花一點時間，多動一點腦筋，多找一些教育學生的切入點，因材施教，一定能取得好的教育效果。

參考文獻：

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[5]周云龍.高等流體力學[M].北京：中國電力出版社，2008.

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【關鍵詞】三本院校：工程力學；課程教學；現狀；教學改革

目前企業對人才觀念有了很大的改變，之前企業過于重視技能型人員的需求，而現在很多企業更加注重綜合型人才的需求。就目前教育體系而言，職業技能素質并不能完全代表勞動者的素質，因為職業道德、職業精神、安全意識、社會責任感、環保意識、團結協作能力以及矛盾處理能力等都是勞動者素質的范疇。所以培養熟練技能的勞動者并不是職業教育的唯一目標，培養具有社會責任的公民也是職業教育的主要目的。隨著時代的發展，在教育觀念方面，素質觀逐漸取代技能觀，培養學生的全面發展、讓學生成為綜合型人才已經成為現代職業教育的主要發展趨勢。企業人才需求的觀念是促進工程力學課程改革最主要的因素。

一、工程力學的應用

工程力學應用的范圍主要有：材料力學、固體力學、流體力學、結構力學四種類型。具體內容如下：①材料力學。在物品生產過程中，材料選擇十分重要，材料自身的剛度、強度以及韌性決定了物品使用的穩定性。在生活中，機械生產、建筑結構都運用到材料力學。就連零食的包裝袋、鉚釘在設計、生產的過程中也必須涉及到材料力學。②固體力學。固體力學研究內容涉及物體的塑性、彈性以及線性等諸多問題。固體力學主要應用于航空航天、房屋橋梁建設等行業。此外，在地質勘探的過程中也離不開固體力學原理的支持。③流體力學。在地球上水和空氣是最常見的流體物質，因此水與空氣是流體力學主要的研究領域。像飛行器、潛艇、水面艦艇、航母等軍工業的發展都運用到流體力學原理。同時，像石油、天然氣、地下水等與人們休戚相關的資源開發也需要流體力學原料的支持。④結構力學。結構力學主要分為：狹義結構力學與廣義結構力學這兩種范圍。狹義結構力學的研究內容有：杠桿組成的體系、平面杠桿系。廣義結構力學研究內容有：平板、殼體以及塊體等領域。像汽車生產、橋梁與居民住宅建設、配電系統架構都運用到結構力學。同時在地球地質運動的研究、地震監測系統的建設等領域也存在結構力學的身影。可以說，工程力學應用與我們的生產、生活有著密切的聯系。

二、三本院校工程力學課程教學中存在的問題

1、課程內容不系統

工程力學是力學的一個分支，它主要涉及機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等各種工程與力學結合的領域，分為六大研究方向：非線性力學與工程、工程穩定性分析及控制技術、應力與變形測量理論和破壞檢測技術、數值分析方法與工程應用、工程材料物理力學性質、工程動力學與工程爆破。盡管工程力學一直是我國各大高校的重點專業，但是對于課程內容的選擇不夠系統。尤其是三本院校，由于教育投入相對較低，很多三本院校課程內容的設置并沒有緊跟社會的需求，并沒有以學生自身發展為中心。工程力學的學術含量較高，課程內容不系統導致畢業生缺乏社競爭力。

2、忽視實踐

工程力學課程和其它專業課程存在明顯不同，它是集理論與實踐于一身的課程。但是就目前實際教學情況而言，很多三本院校忽視工程力學實訓內容。主要體現在以下兩點：第一，實訓課程比例較小。在工程力學課程的教學過程中，實訓課程和理論課程的比例通常為3：7，不平衡的課程比例，會影響學生的實踐能力，不利于學生動手能力的培養。此外，實訓課程安排時間過于集中，通常在一段時間內全部為實訓課程。第二，實訓成績占總成績的比例較低。在工程力學考試中，很多高校還是以筆試成績為主，忽視學生的實訓成績，這會讓學生從思想意識是忽視實訓課程的學習。

三、工程力學教學方法改革的措施

1、增加實踐

實訓是學生實踐的重要體現，理論和實踐之間存在非常緊密的聯系。理論指導實踐的發展，而實踐可以檢驗出理論的正確性，它們之間相輔相成。長期以來，很多高校忽視工程力學實訓課程的發展，阻礙了學生實踐能力的提升。為了學生實踐能力可以采取以下兩種措施：第一，增加實訓課程數量。讓實訓課時與理論課程保持合理的比例。并且，為了增強學習效果，實訓課程要與理論課程相匹配。此外，保證實訓與理論課程的時間間隔，避免出現實訓內容與理論內容相互脫節的情況。第二，增加實訓成績的比例。三本院校將常規的實訓課程成績納入到學生期中、期末的成績當中，這樣可以讓學生重視實訓課程的學習。通過實訓可以暴露出工程力學課程教學的不足之處，這樣中職院校可以對教學方式進行相應的調整。并且，通過實訓可以提升學生的實踐能力，有利于學生動手能力的培養。

2、改革教學方法

由于教學觀念的落后，板書、照本宣科仍然是工程力學課程教學的過程中最普遍的教學方式。這種填鴨式的教學方式雖然可以使短期內讓學生記住工程力學的相關概念，但是學生只知定義，缺乏理解，這使得學生在實踐的過程中缺乏理論性的指導。為了提高教師的教學效率，教師必須采用多種教學方式。首先，可以采取多媒體教學。很多工程力學內容過于概念化，學生很難理解。多媒體教學具有圖文并茂的特點，可以將概念化的理論知識通過圖片、動畫、視頻等形式表現出來，學生對工程力學的理解更加簡潔明了、更加直觀。第二，將課堂時間留給學生。長期以來，教師一直占據課堂的主要地位，學生只是一味的記筆記，這樣不利于學生動手能力的培養。因此在工程課程教學中，必須將課堂還給學生，可以將學生分成若干個小組，讓每個學生都能參與到學習之中，教師只是起到指導作用。

3、構建教學評價體系

教學質量是衡量工程力學課程安排是否合理的唯一標準，教學質量的提高不僅需要硬件的投入，更需要科學的教學質量評價體系。教學質量評價體系和平時學生期中、期末考試一樣，通過教學質量評價體系，高校可以了解到教學中的不足，教師通過教學評價系統可以調整自己對進行的教學方法進行及時的調整，教學質量評價體系使電子教學學課程變的更加合理、更加科學、更加有效。

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關鍵詞：培養方案；教學計劃；滑鐵盧大學機械工程專業；湖南大學車輛工程專業

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0001-04

一、引言

隨著市場經濟運行的不斷深入，企業的技術基礎、工作手段、專業化分工、工作方式、對產品的要求及制約企業發展的主要矛盾都發生了顯著的變化，這種需求的變化導致企業對大學畢業生的能力需求發生巨大的變化。目前，國內外都非常重視學生能力的培養。中國機械工程學會2012年12月的機械工程教育峰會主題就是“聚焦學生能力的培養”，大連理工大學的李志義教授提出以學生能力為導向的培養方案和課堂教學改革，從克服培養方案的十個傾向、重構培養方案的十個方面及實現課堂教學的十個轉變詳細地討論了研究型大學如何以學生能力為導向來構架專業培養方案及實現課堂教學的轉變。華中科技大學吳昌林教授提出改革課程教學方法、營造學生自主探究的環境。推進了基于主動實踐“機械設計”課程教學改革和機械設計與制作能力培養系列Project。重慶大學的陳兵奎教授將畢業要求細化到每門課程中，采用課堂講授+自學環節+專題作業+項目設計+小組討論+……的過程性評價和考試環節的終結性評價的綜合評價手段對課程教學過程和方法進行評價，并且在制度上保證期末考試在總成績比例中不超過40%。國外在十多年前就提出并持續發展和倡導了全新的CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構思―設計―實現―運行）工程教育理念和以能力培養為目標的CDIO大綱。這些都說明以學生能力培養為導向的高校人才培養方案和課程教學改革已提上日程。筆者受國家留學基金委資助，在滑鐵盧大學進行研究和訪學，能夠深入院系和課堂了解該校本科教學情況。又鑒于國外大多數綜合性大學本科專業只有機械工程專業沒有車輛工程專業，筆者對比研究滑鐵盧大學機械工程專業和湖南大學車輛工程專業的培養方案和課程設置，為各高校人才培養方案和教學計劃修訂提供一定的可參考的經驗。

二、滑鐵盧大學機械工程專業培養方案

滑鐵盧大學位于加拿大滑鐵盧市，是一個以數學著名、以工科為主、以產學合作教育為辦學特色的綜合性大學。現有本科生30000人，研究生5100余名。工程院是滑鐵盧大學最大的學院，機械工程專業是工程院14個專業之一，機械工程專業本科四年的學習是在四年零八個月內完成的，每年分為秋（9月到12月）、冬（1月到4月）、春（5月到8月）三個學期，每個學期為期4個月的時間，學生需要完成八個學期的學術學期和六個學期的工作學期，沒有寒暑假。學術學期的課程由核心課程、通識選修課程和專業選修課程組成。

1.核心課程。包括學位31門學分核心課程和7門非學分核心課程。31門學分核心課程主要包括兩大類：（1）自然科學基礎核心課程6門（1門化學領域、3門數學領域、1門力學領域和1門電學領域的課程），分別是：CHE102工程化學、MATH115工程線性代數、MATH116工程微積分1、MATH118工程微積分2、PHYS115力學、GENE123電氣工程。（2）專業核心課程25門，分別是：ME100機械工程導論1、ME101機械工程導論2、ME115材料結構和屬性、ME201高等微積分、ME202工程統計學、ME203常微分方程、ME212動力學、ME219固體力學1、ME220固體力學2、ME230材料行為學、ME250熱力學1、ME262微處理器和數字邏輯器導論、ME269機電設備和電加工、ME303高等工程數學、ME321機械運動學和動力學、ME322機械設計1、ME340機械制造、ME351流體力學1、ME353傳熱學1、ME354熱力學2、ME360控制系統導論、ME362流體力學2、ME380機械工程課程設計、ME481機械工程項目設計1、ME482機械工程項目設計1。（3）7門非學分核心課程分別是研討課（ME100B、ME200A、ME200B、ME300A、ME300B、ME400A、ME400B）。這些課程內容大致包括機械工程專業的課程結構和選課方法；學校、院系的組織架構和日常運轉；學生社團；就業機會；安全教育；圍繞核心課程的主題討論；機械工程前沿研究討論及學校已做的科學研究等。*課程后面括號內的編號為課程代碼，以1開頭的代碼是大學一年級的課程，依此類推。

2.通識選修課程。需要在技術對社會的影響、工程經濟學和人文社會科學三類課程中選修4門課程。分別為：（1）技術對社會的影響類課程選修1門；這類課程有：ANTH102社會與文化人類學導論、ECE390工程設計及經濟學和對社會的影響、ENVS105環境管理與倫理、ERS215環境與可持續性評價、SOC232技術和社會變革等20門。（2）工程經濟學類課程選修1門；MSCI 261機械工程專業規定選修工程財務管理。（3）人文社會科學類選修2門；這類課程有哲學、政治學、歷史、人文、和平與沖突、人力資源管理、音樂、心理學、國際關系研究等。

3.專業選修課程。需要在六個專業方向流體力學、機械設計與固體力學、材料工程與工藝、焊接、自動化與控制、熱工程選修7門課程。大三選修3門，大四選修4門。（1）流體力學方向：ME564渦輪機、ME564空氣動力學、ME564工程設計、ME567計算流體動力學和消防安全工程、ME571空氣污染。（2）機械設計與固體力學方向：ME423機械設計、ME435工業冶金、ME542先進的動力學與振動、ME526疲勞和斷裂分析、ME538焊接的設計制造和質量控制、ME555計算機輔助設計、ME559有限元方法。（3）材料工程與工藝方向：ME435工業冶金、ME463焊接工藝、ME526疲勞和斷裂分析、ME531物理冶金應用于制造、ME533金屬及復合材料、ME535焊接冶金、ME538焊接的設計制造和質量控制。（4）焊接方向：ME435工業冶金、ME463焊接工藝、ME526疲勞和斷裂分析、ME535焊接冶金、ME538焊接的設計制造和質量控制、ME547機器人運動學動力學和控制：（可選）。（5）自動化與控制方向：ME435工業冶金、ME538焊接的設計制造和質量控制、ME547機器人運動學動力學和控制、ME548數控機床1、ME555計算機輔助設計、ME559有限元方法、ME561流體動力控制系統。（6）熱工程方向：ME452能量轉移的建筑物、ME456傳熱學2、ME459能量轉換、ME557燃燒學1、ME559有限元方法、ME567消防安全工程、ME571空氣污染。滑鐵盧大學機械工程專業的定位是培養機械工程師，機械工程師需要能處理任何運動的機器，如機器人、馬達、泵和車輛等。在所有的工業技術領域中，機械工程師都需要從工藝和系統的角度參與設計、制造、研發和維護機械的幾乎每一個階段。機械工程師需要理解力學和熱力學基本定律、力對固體和流體的影響、熱在物質內傳遞的規律、工程材料的性能以及針對特定的功能設計機械系統的能力。從以上的課程設置可以看出，滑大機械工程專業正是從培養一個合格的機械工程師的角度來設置課程的。從數學、力學、動力學、熱學、材料學、制造工藝、機械設計學、自動化和控制這些方向完成一個機械工程師應該具備的知識結構。

三、湖南大學產學合作教育的開展情況車輛工程培養方案

湖南大學起源于中國古代四大書院之一、創建于公元976年的岳麓書院，迄今已歷時千余年，故又稱“千年學府”。是一所理科基礎堅實、工科實力雄厚、人文學科獨具深厚文化背景、經濟管理學科富有特色的綜合性、開放式、研究型全國重點大學。現有本科生20400余人，研究生11000余人。車輛工程專業隸屬于湖南大學機械與運載工程學院，形成了以汽車車身、汽車底盤、汽車安全等核心內容見長的專業教學特色；推進產學研結合，實現高水平的專業教學與高水平的科學研究相結合，注重能力導向，培養工程創新人才。湖南大學車輛工程專業的學位課程由通識課程、核心課程、選修課程及集中實踐環節組成。

1.通識課程。包括通識必修和通識選修兩大類：（1）通識必修課程（思想和中國特色社會主義理論體系概論、思想道德修養與法律基礎、形勢與政策、中國近現代史綱要、基本原理、大學英語、計算機基本能力測試、計算機導論與程序設計、心理素質與生涯發展、體育）。（2）通識選修課程（岳麓講壇、文學藝術領域必選一門、社會科學領域必選一門）。

2.核心課程。包括三大類：學門核心課程、學類核心課程和專業核心課程。（1）工學學門核心課程（高等數學A、線性代數A、概率論與數理統計A、普通物理A、普通物理實驗A、普通化學）。（2）機械學類核心課程（機械工程圖學、機械原理、機械設計、理論力學、材料力學、流體力學、熱力學基礎、電工電子學、控制工程基礎、工程中的數值方法）。（3）車輛專業核心課程[汽車構造（含發動機原理）、汽車理論、汽車設計、汽車電子技術（含嵌入式系統）、汽車制造工藝]。

3.專業選修課程。包括兩大類：專業限選課程和專業方向選修課程。（1）專業限選課程選修6門[汽車導論與法規（必選）、新能源汽車基礎（必選）、機械振動學（必選）、有限元分析、工程優化設計、汽車NVH技術、汽車結構CAE技術、汽車碰撞CAE技術、汽車試驗學]。（2）專業方向選修課程：任選一個方向修課。①車身方向（車身結構與設計、車身制造工藝學、汽車空氣動力學、汽車人機工程學、車身CAD技術）。②底盤方向（汽車系統動力學與控制、汽車懸架、液壓氣壓與電傳動、汽車底盤性能仿真）。③安全方向（汽車安全技術、人體損傷生物力學、汽車安全性實驗技術、智能車輛、汽車安全仿真理論與方法）。④新能源汽車方向（電動車輛原理與構造、電動車輛設計、電動汽車動力電池技術、電驅動及控制技術、電動汽車性能仿真）。

四、對比分析

滑鐵盧大學機械工程專業和湖南大學車輛工程專業教學計劃對比見表1：

從以上的對比可以看出，滑鐵盧大學機械工程專業的課程門數和學時數都大大少于湖南大學車輛專業，尤其是通識課程部分。滑鐵盧大學每門課基本上都是每周只上3小時，可以一次上完，也可以分兩次上，由教師決定。每門課程的課程大綱（SYLLABUS）包括以下8個部分：（1）Contact Info（任課教師的聯系方式）：列出任課教師的姓名、辦公地點、電話和郵箱地址；（2）Lectures（課程講授）：列出上課的時間地點；（3）communication（交流）：明確學生跟老師交流的平臺；老師的課件、作業、實驗和課程中包括的編程代碼都會以郵件的形式上傳到UW-Learn平臺，學生通過該平臺提交作業、實驗報告和編程代碼；（4）Labs（實驗）：明確實驗的地點、時間安排、學生分組安排及實驗的題目；（5）Assignments（作業）：布置作業的題目、作業要求、提交作業的時間；有些課程還有Project的要求；（6）Tutorials（輔導）：按學生的姓氏的字母排序分組安排輔導及各組輔導的具體時間和輔導的內容；（7）Final Exam（期末考試）：明確考試的要求；（8）Grading（成績構成）：明確實驗、作業和期末考試所占的比例；基本上每門課程的期末考試的比例不會超過50%、實驗的比例會在20%左右、作業在30%左右。滑鐵盧大學本科生的課程任務很重，課后作業量很多，并且要求很嚴，必須在規定時間提交作業的，否則零分計算。每門課程有完善的TA（助教）制度。

湖南大學車輛工程專業大一大二大類招生，整個機械類的課程一樣，夯實數學力學和機械基礎，大三重在專業核心課程，大四實施方向課程，與就業和研究方向接軌，整體知識結構合理，突出了本專業的特色。從2011年開始，湖南大學要求每門課程都要在教務處課程中心建立課程網站，上傳與該課程相關的所有內容。課程大綱也必須包括以上八個部分，并且開設小班討論和助教制度，一門課尤其是核心課程實施多位老師一起上的制度，課程要求趨于合理和規范，教學質量也大幅度上升。但也暴露了一些問題，譬如助教水平參差不齊、小班討論內容不太明確、學生課時任務繁重等等。新一版的教學計劃正在針對這些問題進行修訂，相信隨著制度的規范和借鑒國外的經驗，本科教學質量一定會更上一個臺階。

參考文獻：

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篇4

關鍵詞：化工裝備；課程體系；工作任務；技能；背景知識

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）41-0215-02

一、構建基于工作任務的課程體系思路

“高職化工裝備技術專業綜合改革”是四川省教育廳2011年高等教育質量工程立項建設項目，化工裝備技術專業課程體系建設是化工裝備技術專業綜合改革的重要部分之一，本文介紹的課程體系已經在我院2010級開始試行。機械工程系邀請化工裝備技術行業企業專家、人力資源部門負責人、生產一線技術人員和管理人員組成專業建設委員會，課題組通過市場調研，召開專業建設會議，并廣泛征求教師、行業企業專家和技術人員意見，指導化工裝備技術專業課程體系建設，提出了基于工作任務的核心課程體系建設的方案。通過對化工裝備技術專業所對應的職業崗位進行分析，提煉出適合教學的主要49個工作任務，對崗位的工作任務進行組合，將崗位背景知識、工作過程的相同或相近知識點、技能點進行歸納分類，以化工裝備為載體、化工裝備維修為核心，將化工裝備的構造、原理、基本故障診斷和維修等融為一體構建一門課程，遵循由簡單到復雜、由單一到綜合的認知規律，形成專業核心課程體系。打破傳統的以學科體系為基礎的課程體系。在這一課程體系中把工程力學相關理論融入到機械結構設計與裝配中，化工原理、流體密封的相關知識融入到流體機械結構與維護、化工設備結構與維護等課程中，構建基于工作任務的核心課程體系。

二、化工裝備技術專業核心課程體系構建

1.化工裝備技術專業崗位工作任務的確定。成立由專業帶頭人、骨干教師、企業專家、能工巧匠、行業專家組成的專業建設委員會，指導專業建設工作。通過對典型企業調研，確定本專業職業崗位的工作任務，這些任務包括機械零件圖閱讀、機械零件測繪、加工、熱處理，通用零部件的選擇、裝配與維修，液壓系統維護、各種化工設備的運行、維護、安裝修理，各種化工機器的運行、安裝修理、設備管理等49個主要工作任務。羅列完成工作任務所需知識和能力，對工作任務進行分解、組合，以典型化工裝備為載體，將化工裝備的構造、原理、基本故障診斷和維修等融為一體，構建一門課程。

2.課程體系的構建方法。遵循由簡單到復雜，由單一到綜合的認知規律，形成基于工作任務的核心課程體系。加強實踐環節，將實踐進一步的具體到位，以任務驅動、項目導向法進行課程內容重組，按照理論夠用為度、突出實踐的原則，融合職業資格證書所需的能力內容，將工作領域的工作任務和內容轉為學習領域的課程教學內容。進一步的完善，使課程體系、教學的內容更加貼近科學化，實際現實化，使形成完整的可執行的課程體系方案。

3.化工裝備技術主要核心課程的構建。第一，機械制圖。所對應的工作任務為零件圖閱讀和零部件圖的繪制；所需技能和背景知識為制圖的基本知識、零件的表達方法、零件圖、裝配圖繪制與閱讀。第二，互換性及技術測量。所對應的工作任務為零部件的加工，所需技能和背景知識為尺寸幾何精度及測量。第三，工程材料及成型。所對應的工作任務為零部件的熱處理，所需的技能和背景知識為材料的基本知識、熱處理、熱成型、普通機械加工方法及設備、數控加工技術及設備與特種加工技術及設備。第四，鉗工操作訓練。所對應的工作任務為鉗工操作，按照鉗工基本進行訓練。第五，機械結構設計與裝配。所對應的工作任務為通用零部件的選擇、裝配與維修。所需的技能和背景知識為常用構建、聯接件、機械傳動、周、軸承、彈簧等結構特點、工作原理、選型與安裝。第六，液壓傳動。所對應的工作任務為液壓系統維護，所需的技能和背景知識為液壓傳動的工作原理及組成、流體力學基礎、液壓元件、典型液壓回路、傳動系統、液壓控制系統。第七，化工生產基礎。所對應的工作任務為化工生產實習，所需的技能和背景知識為常見化工生產工藝、工作過程知識，管道、閥門的標準、結構、安裝維護等。第八，化工設備結構與維護。所對應的工作任務為化工設備的保溫、隔熱，換熱器的故障判斷與維護；塔設備的運行、維護與檢修；反應設備的運行、維護與檢修。所需的技能和背景知識為傳熱學原理、換熱器的結構、工作原理、運行、維護、檢修知識；氣體的吸收、精餾原理，塔設備的結構、工作原理、維護與檢修等；反應設備工作原理，反應釜密封、攪拌類型，反應容器的結構、運行及維護檢修等。第九，壓力容器結構與制造。所對應的工作任務為壓力容器設計與制造，所需的技能和背景知識為壓力容器分類、結構、強度計算，主要零部件、壓力試驗和氣密性實驗的操作方法，壓力容器制造工藝及無損檢測。第十，流體機械結構與維護。所對應的工作任務為離心泵及其他類型泵的運行與維護、離心式壓縮機及風機的運行與維護、活塞式壓縮機運行與維護，所需的技能和背景知識為流體力學基礎知識、工程熱力學基礎知識、流體密封與結構，泵、壓縮機、風機的工作原理、結構、運行與維護、選型、檢修與安裝。第十一，分離機械結構與維護。所對應的工作任務為分離機械的運行、故障診斷、安裝修理，所需要的技能和背景知識為介質特性、沉降、過濾、萃取、離心分離原理、分離機械原理、結構、運行、維護、檢修與安裝。第十二，化工機械狀態監測。所對應的工作任務為化工機器振動監測與處理，所需的技能和背景知識信號處理、旋轉機械故障診斷與處理。

化工裝備技術專業基于工作任務的核心課程體系建設項目，已經在我院2010級開始試行，相應的校本教材已編寫完成，我們將在今后的教學實踐中，不斷的完善和提高，根據教學的實際情況來不斷的完善校本教材，根據規范的校本教材來具體實施，用以取得良好的效果，為化工行業和地方經濟的發展提供高素質高技能的專門技術人才。

參考文獻：

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篇5

關鍵詞：紊流；邊界層；水工建筑物

Abstract： The problem of turbulence is the basic problem of river dynamics， which is a recognized problem in water science. In this paper， a large number of research on turbulent boundary layer are studied and discussed.

Keywords： turbulence；boundary layer；hydraulic structure

在流體流動時，當流體流速很小時，流體會分層流動，各層之間互相獨立，該流動狀態稱為層流；而在流速逐漸增大的過程中，流體的流線開始擺動，擺動的頻率及振幅基本隨流速的增加而增大，此種流況就稱為過渡流；當流速增加大到一定程度時，流體的流線基本消失，流場中會出現許多小漩渦，該流動狀態稱為紊流。其廣泛存在于我們周圍的自然界及生活中，因此，對流體紊流特性的認識對研究水利工程的我們具有重要意義。近年來，隨著科學技術的發展，雖然各大高校的研究學者關于紊流的研究逐漸增多，逐漸深入，已經取得了很大進步，并解決了各類工程中的許多難題，但由于紊流運動的機理及其性質的復雜性，使得還有許多問題仍尚未解決。因此，對紊流的研究仍是水利工程相關專業尚未解決的最重要的研究問題之一。

1 邊界層理論

1883年雷諾通過圓管試驗揭示了流體流動時的兩種不同流動型態，并得出結論：雷諾數是判別流動型態的準數，并于1894年推導出雷諾方程式[1]。根據該雷諾方程式可知，若雷諾數不斷增加，則粘滯性對液流作用就會不斷減小，慣性對液流的作用就會不斷增加。也就意味著在粘性流體流動中，慣性力和粘性力這兩種力的結果決定液流的流動狀態。對于雷諾數較小的情況下，粘性力遠大于慣性力時，流體運動產生的是層流，而對于雷諾數較大的情況，慣性力遠大于粘性力起主要作用，則流體的運動狀態為紊流。普朗特根據大雷諾數流動的特點提出設想：把整個流動區域分為兩個區域來研究，在管壁附近的一薄層中，由于流速梯度很大，必須考慮粘性作用，并把該薄層稱為邊界層；而薄層（邊界層）以外的區域則可以忽略粘性作用，近似看作是理想的流動區域[2]。

2 研究方法

隨著計算機在現代科技時展的普遍應用，數值模擬在紊流的研究方法中也得到重視，逐漸成為主要研究方法之一。現有的數值模擬方法主要有：直接數值模擬、大渦數值模擬及雷諾平均模擬[3]。直接數值模擬是直接采用數值計算求解流動方程，但其計算量太大，耗時耗力。目前直接數值模擬主要用來計算雷諾數較低的簡單紊流運動。雷諾平均模擬在工程中被廣泛應用，需對流體收集平均數據，根據數據建立模型，缺點是只能提供該紊流的平均信息。大渦數值模擬是目前最為熱門的紊流數值模擬研究方法，該方法可以模擬較大雷諾數值的紊流運動和相對較為復雜的紊流運動，對空間分辨率的要求遠小于直接數值模擬，并且相對比雷諾平均模擬方法可以獲得更多的紊流運動的相關信息。

3 水工建筑物紊流邊界層研究的現狀及存在的問題

自1904年普朗特（L.Prandtl）提出邊界層概念，該理論在近代流體力學史中起到重要作用。該理論廣泛應用于航空、航天、航海、化學工程、水利工程以及氣象學、環境科學等各個方面，并且在應用過程中使其又不斷的得到了充實和提高，能夠在處理實用問題時充分提供分析的理論基礎。

雖然當代水利工程的科研發展速度很快，但目前相關水工建筑物中的紊流邊界層問題所展開的研究依然很少，對相關試驗資料的分析也還不夠深入，未能形成系統的研究成果，水工建筑物中的邊界層還有很多需要深入研究的問題。例如，凹曲率造成的勢流區速度梯度和邊界層中的流速梯度對水頭損失和切應力分布等方面的影響既有區e又有聯系；反弧后流速分布的均勻化以至形成所謂二次邊界層都是目前尚不明確的問題[4]。還有質量力對于邊界層的影響，這主要包括重力及離心力的影響問題。此外，模型模擬問題更是有待研究的重要問題。在模型量測中，在壩面水流中，要同時滿足原型與模型之間外部水流的動力相似與邊界層水流的動力相似，是非常困難的，要使模型水流能預演原型水流，目前還是沒有很好的途徑，很難做到的。所以在紊流相關的模型模擬試驗中所得到的數據也與實際流體流動略有差異，存在一定的誤差，從而不能更精準的分析。

參考文獻

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篇6

關鍵詞：發動機；排氣系統；數值模擬

排氣系統作為汽車中的一個重要構成部分，排氣系統不單只直接影響著車輛的NVH性能，還起到對排氣的催化凈化作用；另一方面，排氣系統作為與發動機廢氣直接接觸部件，承受著化學腐蝕、高溫作用以及交變力的影響，在這些因素的共同作用下，排氣系統的耐久性、結構強度必然受到嚴峻的考驗[1]。

用數值模擬方法可以對發動機燃燒過程進行瞬態仿真模擬，也可以對進排氣系統流場進行模擬從而合理的設計和組織氣流。此外，它還可以對系統的噪聲，強度等相關性能進行模擬仿真。

一、數值模擬

數值模擬方法克服了實驗測試和理論分析兩種研究方法費時費力，要求對計算對象進行抽象和簡化的弱點，在計算機上實現一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。數值模擬可形象生動地再現流動情景，且與做實驗所取得的誤差很小。自20世紀70年代以來，出現了許多大型通用和專用數值模擬軟件，如：ABAQUS、ANSYS、KIVA、FLUENT、FIRE、STAR-CCM+、STAR-CA、NASTRAN等。

二、數值模擬在排氣系統上的應用

圖1 排氣系統

采用數值模擬方法研究排氣系統性能的一般步驟如下：

圖2 排氣系統數值模擬基本步驟

（一）排氣系統的氣體流動分析

發動機排氣系統內的氣體流動過程非常復雜，是典型的非定常流動。由于排氣歧管連接到排氣總管上，當各個氣缸間隔地排氣時， 會在排氣管內形成復雜的壓力傳播和反射流動，導致管內和氣門處強烈的壓力波動，影響與之相連的氣缸的熱力過程，影響著內燃機的經濟性、動力性、排放性能等[2]。

國外， 20世紀70年代，開始大量開展對內燃機缸內氣體流動的數值模擬的研究工作；到20世紀80年代，內燃機三維流動模擬的研究進入，同時內燃機的多維模擬隨著計算機性能的發展以及計算數值方法、計算流體力學的發展得到很大的提高；20世紀80年代末期，對數值模擬進氣道-氣門-氣缸的內燃機模型氣缸內部的氣體流動進入了[3]。現已掌握研究發動機氣體流動技術，但仍需深入研究。

國內發動機缸內工作過程的數值模擬起步較晚。直到20世紀80年代中后期，國內才開始研究汽車進排氣系統的多維模擬。國內吸收了國外先進的數值方法、數學模型和計算程序以后，相繼開發出許多發動機數值模擬軟件。例如：北京理工大學的老師們開發出的三維模擬程序RES3D-Ⅱ專門用于發動機工作過程模擬；吉林工業大學開發的程序SUN-I是用來模擬發動機缸內氣流運動過程的，同濟大學開發的ENGINE程序等等[3]。

（二）排氣系統的振動特性分析

排氣系統一端通過吊耳與車體相連，另一端與發動機相連。激勵源的振動傳遞給排氣系統，然后再通過吊耳傳遞給車體，車體的振動通過地板、座椅、方向盤直接傳遞給乘客，同時車體的振動會輻射出去，在車內產生噪聲[4]。引起排氣系統振動的五大主要激勵源：發動機機械振動、路面隨機激勵、發動機氣流沖擊、聲波激勵、車體振動。

汽車振動影響乘客的乘坐舒適性，降低汽車的品質， 為此，國內外學者對此進行了多方面的研究。2000年，Eads介紹了對排氣系統進行振動分析和優化的基本原理和方法，并給出了對排氣系統吊掛的力學描述方法，即將吊掛看成是一根彈簧和一個與彈簧平行的阻尼器。2003年，Nefske建立了包含動力總成系統的簡化排氣系統的數值模型，對其進行有限元仿真，并將仿真結果與試驗結果進行對比，證實了理論修改的合理性[5]。

相對于國外的研究，國內對排氣系統的研究相對較晚，研究的內容也相對較淺。2005年，楊萬里等，為研究乘用車排氣系統振動特性，建立了排氣系統數值模型，并進行模態分析，列出了部分振型圖。2008年，蔣啟成等，對汽車排氣系統進行了模態試驗分析，得到了排氣系統的振型圖和主要固有頻率，并簡要地闡述了隔離發動機振動的方法[5]。

（三）排氣系統的噪聲分析

排氣噪聲是直接影響著車輛NVH的一個重要因素。發動機排氣門打開后，燃燒所產生的廢氣在排氣管內急劇流動，受活塞往復運動和排氣門開閉的影響，排氣氣流以脈沖形式在排氣管中流動，產生了強烈的排氣噪聲。發動機排氣噪聲主要有周期性噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦噪聲和輻射噪聲[6]。

在聲學理論方面，國外學者的研究要遠遠早于我國。1922年，美國學者Stewart，應用聲學濾波理論指導抗性消聲器的設計，并利用集中參數近似算法分析了部分消聲元件。1975年，Yong和Crocker首次提出使用有限元法計算消聲器的傳遞損失[7]。

國內對汽車噪聲的研究較晚，直到1979年頒布執行機動車標準后才開始進行。1999 年，鄭澤紅等用傳遞矩陣法，對某款柴油機的排氣消聲器結構參數進行了優化設計。2006年，張乃龍等運用ANSYS軟件對消聲器內部流場及聲場進行了有限元分析 [7]。

（四）排氣系統的流固耦合分析

排氣系統的運行其實是彈性固體殼體與氣體流體相互作用的管道系統流固耦合過程，機械殼體在排氣氣流動載荷作用下會產生振動或變形，而殼體的振動或變形又反過來作用于流體運動的流場，所以研究排氣系統流固耦合是很有實際意義[8]。

流固耦合是固體力學與流體力學交叉而生成的一門獨立的力學分支。1999年，Chang-Myung Leed等發表了使用簡化有限元模型對排氣系統的結構特性研究的文章。2009年，馮凌寒利用有限元分析軟件ANSYS 對五種水輪機噴嘴進行了結構靜力學、流體動力學、模態以及單向流固耦合分析[8]。

（五）排氣系統的疲勞耐久性分析

排氣系統在交變力作用下，在排氣系統的應力集中部位，將會發生疲勞損傷，當損傷累積

達到一定程度時，就會導致出現疲勞裂紋甚至斷裂[1]；由于排氣系統中的高溫廢氣使得其殼體產生較大的溫度分布梯度，從而產生有熱應力，在長時間的作用下會使得排氣系統產生有熱疲勞損傷。

相較而言，國內排氣系統疲勞耐久性的研究分析及技術開發明顯滯后于國外同期水平。如：1999年，Atsushi Miyazaki等人對排氣系統金屬在高溫工作條件下的疲勞壽命進行了討論。2006年，Ralf Wohrmann采用有限元分析和試驗分析相結合的方法對排氣歧管進行了疲勞壽命分析，并依據分析結果對結構進行了優化。2006年，曹壓提出借助CAE方法，在排氣系統橡膠吊掛位置進行準確加載，可以完成對排氣系統耐久性的預測；季振林，張建武等在排氣系統上的研究成果為開展疲勞耐久性分析提供了條件[1]。

三、結論

（1）國內外已經使用數值模擬方法研究排氣系統氣體流動、振動、噪聲、流固耦合、疲勞耐久性、結構強度性能，并能得到有用結果。

（2）數值模擬技術會隨著計算機的發展，其模擬方式更加簡單方便，數值模擬是分析排氣系統性能的重要手段，也是設計研發發動機排氣系統的可行方法。

參考文獻

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篇7

關鍵詞：高效空氣過濾器；氣流分布一致性；多孔介質；數值模擬；供風結構 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN015 文章編號：1009-2374（2017）08-0104-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.08.050

半導體制造裝備的持續創新與不斷改進客觀上促成了半導體工業的飛速發展，滿足了人們對高性能電子產品的需求。相關工藝分析資料表明，在整個工藝制造流程，光刻部分帶來的工藝缺陷占50%左右，這其中超過90%的光刻缺陷來自于涂膠顯影過程。這就要求勻膠顯影機在設計時充分考慮機臺的微環境控制。目前，普遍的做法是為勻膠顯影機配置高精密恒溫恒濕空調，同時在勻膠顯影工藝腔室內，空調出風口將晶圓上方的空間完全覆蓋，并安裝超高效空氣過濾器（ULPA），以保證晶圓在精密空調送出的恒溫恒濕且除塵的潔凈空氣環境下進行涂膠和顯影的工藝過程。

除了溫濕度的精密要求，對空調出風的均勻性也有嚴格要求，避免由于出風不均勻導致的腔室內部壓力不穩或風速不一致，進而影響晶圓的工藝，引入缺陷。目前，工藝腔室內的風速要求均在1m/s以下，屬微風速范圍，測量準確性差。如果通過先加工制造再測試驗證的物理實驗方式進行研發，周期較長，反復測試也浪費人力、物力和財力資源。同時，不均勻送風導致過濾器各處的通風流量差異較大，運行一段時間后流量大的位置阻力變大，影響過濾器的整體壽命，這不符合現展的低碳經濟理念。

綜上考慮，本文采用數值分析的方法，對勻膠顯影工藝腔室內的供風結構進行流場分析，根據分析的結果對結果進行優化，以達到理想的出風一致性效果。對測試和驗證給予定型結論和指導，節約修改結構和復雜測試所消耗的時間和成本，縮短設計周期。

1 問題描述

經過精密空調的處理，空氣達到工藝要求的溫度和穸齲經由供風管道進入勻膠顯影機的供風結構再進入勻膠或顯影腔室，經由腔室上方出風口的超高效過濾器將空氣中的顆粒去除，最終進入腔室內部，接觸晶圓及處理晶圓的化學品（光刻機或顯影液等）。

在這一過程中，符合溫濕度要求的氣源由恒溫恒濕機穩定提供，故可將數值模擬問題簡化為沒有熱交換的冷態模型，分析調溫調濕后的空氣經由特定的風道結構到達高效過濾器上方，再經過高效過濾器進入腔室內部。對部分區域內的流體運動區域進行CAD建模，如圖1所示。

高效過濾器是一種新型的氣體過濾裝置，主體濾材為超細纖維，依據氣溶膠學以及凝聚式過濾機理進行研制，針對空氣中懸浮的亞微米級顆粒物進行捕捉，隨著技術革新和應用需求的改變，不斷向低阻高效的目標發展。目前，應用于半導體設備中的超高效過濾器已更新為玻璃纖維濾料，這種材料的濾網孔徑較為均勻，阻燃性好，定量偏差小。

過濾是復雜的流動過程，基于流體力學的理論，過濾屬于氣固兩相流（空氣及顆粒）在多孔介質（濾芯材料）中對流擴散及分離的過程，顆粒通過一系列擴散機理后留在濾芯中，經過一段時間后，濾芯中的顆粒累積，過濾效率與阻力隨過濾時間的增加而上升。

以往的研究中，往往對過濾器進行忽略或用篩網進行等效處理，如下圖中簡單的模擬分析所示：忽略濾網的模擬中，出口面只有遠端（左側）出風，近端出現不同程度的出口回流，這種現象在實際使用中并未出現。遠端出風位置的出風角度為傾斜狀態。等效為孔板的模型中，出風角度和出風面均有所改善，但仍有出口回流的問題。由于不能準確描述氣流經過濾網后的壓降和轉向，再加之模擬分析所需的必要簡化，所得結果雖有參考價值但距離實際工況差距過大。

在同一尺度下，無法細致地描述纖維狀的濾芯材料，對于腔室內流場的分析也不需要過于細致地了解濾芯內部細致的過濾過程，綜上考慮，本文中將用多孔介質體來等效過濾器部分。基于多孔介質理論，結合超高效過濾器的壓降曲線，在模擬分析時將過濾器處理成多孔介質模型，最大程度還原真實工況，可以更好地還原實際工況，從而更有效地預估和優化腔室的風流控制。

2 理論基礎

計算流體力學（CFD）被廣泛用于氣流組織研究領域。CFD可以看作是在流動基本方程（質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程）的作用下對流體的數值模擬，為簡化計算，現對模型做適當的簡化和假設：氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩態流動。基于以上的假設，控制方程可以簡化為：

多孔介質是流體的一種。將模擬的流場中某一區域定義為多孔介質，定義該區域的壓力降參數。理論上來說，所謂的多孔介質模型就是在上述的動量方程上疊加了一個動量源項，包括粘性損失和慣性損失。

3 數值模擬和優化

進一步簡化模型，初步仿真只對風盒及過濾器部分進行分析，模型簡化后如下圖所示，受結構空間限制，進風口在長風盒的側面，濾網位于風盒下方，濾網出風面即為模型的出口部分，進風口邊界條件為速度進口，出風面的邊界條件為壓力出口，濾網部分設定為多孔介質，多孔介質與正常流體域空間的交界面設定為內部面，即流體可通過面，其他邊框均為常規壁面邊界。

觀察數值模擬后的速度流線圖和出口面的速度矢量圖，氣流在風盒層以較大速度通過且不易轉向，轉向主要發生在風盒的遠端。從中間截面的速度云圖可以看出，氣流進入過濾器層之后，出現明顯的減速；壓力云圖中，壓力變化區域為風盒出風的部分，即風盒遠端，進入多孔介質區域后壓力明顯下降，這符合過濾器降壓降速的特點。

經過上述模擬可以看出，將過濾器處理成多孔介質之后，出口不再出現回流，出風端的出流方向較為一致，但出口面上，氣流速度從進風端至遠端不斷增加，極為不均勻。整個過濾器的出風面有超過50%以上基本沒有風速（小于0.05m/s），這將導致過濾器下方處理的晶圓在不同的風速環境下進行作業，從而導致晶圓的處理效果一致性差。同時，由于出風量的不一致，過濾器右側高出風量的部分將更快的失效甚至堵住，過濾器的使用壽命由此大大縮短。

更改模型，將變截面風管的原理應用在模型中，在風盒中加入不同高度的擋板或將上層風盒改為楔形，如圖9所示：

對風盒層的結構進行反復調整，最終得到相對較好的出風效果，如圖10所示。氣流進入風盒層后，受楔形結構影響，沿風盒長度方向在各處均發生轉向，出口面的各處均有氣流流出，氣流方向豎直向下。出風面中部長度超過整體85%的部分風速基本一致

（0.3m/s），遠端及近端仍有微小差異，整體風速變化區間為0.27～0.33m/s，已經可以滿足工藝需求（偏差小于0.05m/s）。

觀察中間截面的速度云圖，氣流進入過濾器層之后在過濾器內部各個位置發生減速，速度大小變化較小，在變化范圍是0～4m/s的云圖中顯示為同一顏色；壓力云圖中，壓降發生在過濾器層的各個位置，可以看到風盒形狀的變化對整場的壓力和速度分布作用明顯。

4 結語

本文針對半導體設備中腔室內的供風結構進行研究，采用數值分析的方法，對供風結構進行流場分析，對比對過濾器進行的不同方式的等效處理，發現多孔介質方式等效過濾器的模擬結果更符合過濾器的實際特點，根據分析的結果對結構進行優化，以達到理想的出風一致性效果。

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篇8

關鍵詞：激光雷達；探測距離；尾流消散；應用趨勢

引言

飛機尾流是飛機在飛行過程中產生的必然現象，與大氣不同，飛機尾流擁有特殊的空氣動力學特性與雷達特性。從空氣動力學的角度來分析，飛機在飛行過程中，尾部產生的氣流更加強烈，而且為不規則變化，因此飛機尾流成為了航空安全的重要影響因素。

1 民航飛機尾流的產生與消散

1.1 尾流的產生

尾流，即翼尖渦流，指的是飛機三維機翼在出現升力情況下，隨著出現誘導阻力的誘因。在飛機三維機翼出現升力情況下，飛機上翼面的壓強將不足機翼面，于兩個飛機翼尖位置氣流便會自下翼面經翼尖流往飛機上翼面，如圖1所示。此外，結合懦可夫斯基升力公式，尾渦強度與尾渦相互有著下述關聯性：

？祝0=Y/pVLv=NyG/pLv

該公式中，Lv=πl/4，Lv表示飛機有效翼展，l表示飛機翼展。

圖1 飛機尾流的產生示意圖

1.2 尾流的消散

尾流的消散機制十分繁雜，飛機尾流的消散步驟、方式受局部大氣環境很大程度影響，包括大氣分層效應、風的速度場、溫度梯度以及大氣絮流度等等[1]。現階段，針對尾流的消散機理尚不十分明確，結合相關研究而言，飛機尾流消散通常存在以下幾種方式：I.經較長一段時間之后，翼尖渦流擴散能夠使得各個漩渦不斷增大，造成尾流與大氣相融合，引發尾流消散；II.即刻的結構變換，能夠片刻使漩渦中心位置加寬，造成漩渦瓦解、破裂，引發尾流消散。

2 民航飛機尾流探傳感器技術特點

2.1 激光雷達探測技術

飛機尾流的激光雷達探測技術屬于一項較為成熟的探測技術。Lockheed Corporation推行SOCRATES項目，通過激光雷達探測技術對飛機尾流進行跟蹤，達到了顯著的機場使用率、機場安全可靠性等改善效果[2]。倫敦希思羅機場開展的激光雷達探測研究發現，飛機尾流組成有著一系列有趣之處。良好的天氣環境下，激光雷達探測性能十分可觀，可確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，能夠給予飛機升降以有利的尾流特性依據，性能發揮距離比較遠，然而在濃霧、陰雨等天氣環境下，激光雷達的傳播急劇衰減，性能發揮距離極大地下降，無法符合飛機尾流探測標準；另一方面，激光雷達探測技術還有著成本造價高的不足。

2.2 雷達

相較于激光雷達探測技術，雷達有著天氣環境適應能力佳、成本造價經濟等優勢，并且同樣可以確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，符合民航安全對飛機尾流動態預測、檢測的標準。鑒于此，飛機尾流的雷達探測技術愈來愈得到人們的熱點關注。自上世紀八十年代到今天，歐美諸多發達國家開展了一系列飛機尾流探測研究檢測尾流雷達發射率，相關飛機尾流雷達探測研究[3]，如表1所示。自多普勒譜雷達相關研究角度出發，尾流構成成分包括兩個相對旋轉的兩個漩渦，尾流速率能夠視為兩個旋向不同的渦旋重疊，公式為：

v2（r）=v（r-r2）-v（r-r1）

其中，v（r）指的是尾渦剖面切向速率模型，r1、r2指的是渦旋中心，方程經矢量疊加一定地呈現了渦旋的動力學狀態[3]。設定飛機航速為70m/s情況下，通過單位長度尾流之中徑向速率vd所具備的體積呈現多普勒譜S（vd），單位為m3/s，統計手段獲取單渦、雙渦多普勒譜公式與單渦所得結果基本一致，公式均可表示為：

S（vd）≈？祝20/8π3d，v0≤|Vd|≤V1

其中，？祝20指的是尾流渦環值。V0=？祝0/2πBa指的是尾流多普勒最小速率值，經計算，單渦、雙渦標準差均在3m/s范圍。

3 民航飛機尾流探測研究現狀

3.1 尾流雷達探測技術的問題與趨勢

自尾流雷達探測技術研究方向而言，截止目前，它的理論研究仍舊鮮有成果。機尾流探測實驗研究之中，大部分研究集中于光大、雷達等探測技術上，且尾流雷達探測技術愈來愈得到行業的熱點關注。

3.2 尾流探測技術的理論體系

現階段國際上關于尾流探測技術的相關研究所集中在民航領域，故此類研究所研究的主要方向為近程尾流相關探測實驗。相關面向反隱身實踐需要的遠程尾流探測技術的理論體系，國際上還沒有十分明確的研究方向。在我國，相關人員在進行尾流探測、尾流目標特性相關研究的一并時間，首次進行了更進一步的尾流探測技術理論體系研究，初步構建出尾流雷達回波框架，開發出Hough變換、GLRT及LMP等一系列尾流探測技術，同時研究了不同常規天氣環境下的尾流探測距離[5]。這一系列尾流探測技術的理論體系研究，極大地對雷達目標檢測理論進行了豐富，但仍沒有構筑出全面系統的尾流檢測理論體系，還有待進一步展開研究。

4 民航飛機尾流探測技術的應用趨勢

隨著社會經濟的急速進步，為航空運輸也發展創造了有利契機，機場運輸越來越繁忙，客流量越來越大，飛機尾流所引發的飛機安全隱患及尾流對機場吞吐量的制約等問題，愈來愈得到行業專家人士的熱點關注。迄今為止，世界上已存在一些機場已經配備有自身的飛機尾流探測雷達[6]。由此能夠遇見，在不久的將來，各大機場將陸陸續續配備尾流探測設備，尾流探測將成為民航領域的一項十分重要的應用。

5 結束語

綜上所述，飛機尾流探測技術研究是一項十分復雜的系統工程，要花費大量的人力、物力，為了實現飛機尾流探測技術研究的有效性，相關人員要全面認識飛機尾流的特殊目標特性，研制特有的飛機尾流檢測、跟蹤算法，并且應當權衡一系列工藝、實踐應用等需求，積極為人類社會發展做貢獻。

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篇9

1 化工科技促使溫童氣體排放量藏少

我們所謂的溫室氣體，主要指的就是二氧化碳。無論是以往的科技革命和工業革命之前的生產，還是現階段科技含量高，日趨現代化、國際化的社會化大生產，這些工廠每年要向大氣排放數萬甚至數十萬噸的二氧化碳。這些二氧化碳氣體的排放，成為了造成全球性的溫室效應的罪魁禍首。而在應對氣候變化的法律法規出臺之前的相當長的一段時期內，造成這一現象的那些工廠卻不用為溫室效應負擔任何一點費用現在這一狀況已經得到了明顯的改善，許多化工企業正積極的開發和利用新的科學技術，來達到減少二氧化碳排放量的目的。甚至有一些企業將二氧化碳作為化工產品生產過程中的一種原材料來使用。例如，有的化工企業將其他化工產品的生產過程中所產生的二氧化碳氣體作為一種原材料來生產尿素。僅這一種工藝，就可以使該企業的每年的二氧化碳氣體排放量減少數十萬噸。

2 化學工程技術使可持續發展戰略任務逐步向前推進

傳統的化工生產，給我們的生活創造了非常豐富的物質基礎和能源。其在對人類歷史的發展進步的工程中所做的貢獻是不不忽略的。但是昵，又由于化工產品生產的原材料和生產過后的殘余物中，存在著大量的有毒有害物質，這些物質又造成了很多環境污染問題以及生態平衡的失調。這樣，就又阻礙了社會經濟的繼續發展。新世紀，面對嚴峻的環境污染所提出的挑戰，可持續發展戰略這種道路的選擇，成為了歷史的必然。實現社會經濟的可持續發展，已經成為了我國的一項基本的國策。作為社會經濟的重要組成部分的化學工業，在這一基本國策的指導之下，最行之有效的實現可持續發展戰略的方法便是綠色化學的開發和利用。綠色化學，不單單是指那些對環境產生的有害影響小甚至沒有有害影響的化學生產過程，更重要的是包括那些行之有效的且作用明顯的價格平民化的化學化工技術的研究以及應用。綠色化學的生產過程只產生非常少量的廢物處理，或者不產生廢物處理。其最主要的特點便是在生產的過程中，最大程度地充分利用資源，使原材料轉化為產品，盡量不產生污染。有利于化學化工產業的發展以及可持續發展戰略這一道路的切實執行。

3 化學工程技術的新熱點

3.1 化學超臨界反應技術

超臨界的化學反應技術是指反應過程中的溫度和壓力都在臨界點之上，這樣的狀態往往是液體和氣體之間。這樣形式的存在被廣泛運用到生物化工、食品、醫藥等領域，已經顯示出很好的效益，發展前景很好，但近年來的探究和發展階段仍處于初級，待進一步深入研究。

3.2 綠色化學研究技術

綠色化學由于能夠有效避免對環境的污染，近年來備受推崇。綠色化學就是指利用化學反應技術來充分利用資源、減少污染物的產生來起到對環境的保護。比如，它可以對產生污染物的相關溶劑和廢料進行處理，利用原子技術或高選擇性的化學反應生產處對環境有利的產品，這不僅能夠增加經濟效益而且帶來可觀的社會效益。

3.3 分離技術的新研究

首先，分離技術強調對生產設備的強化，其次是生產技術。總結來說就是將設備更新，將生產率提高的技術都屬于化學分離技術的結果。古老的分離技術方法是利用各種材料沸點不同將其分離然后做研究。隨著科學技術的發展和各領域研究合作分工改變為分離技術新發展提供了廣闊的前景。比如近年來，在力學的傳遞以及多相流方面，采用信息技術發生分離，還有分子的模擬就很大的提高了預測熱力學平衡的水平，對分子的人為設計加速了分離等等。因此進一步研究高效的分離技術有著深遠的意義。

4 傳熱過程新的研究發展方向

4.1 傳熱學中細微尺度的研究進展

細微尺度是指從時間尺度和空間尺度進行更細微的研究的熱學范疇，如今它在熱學中已經形成了一個分支，具有廣闊的發展前景。當一個物體的尺寸遠大于其載體時，這樣的情況會存在，但是由于尺寸的更加細微，原來的假設影響因素也會發生相應變化。目前納米技術已經取得顯著的成績，很多領域都是圍繞傳熱學中的細微尺度技術進行研究的，近年來取得了高集成電路、多空介質流等新成果，產生了巨大的經濟效益。

4.2 傳熱設備的研究進展

近些年來，利用翹片來強化傳熱，管外的翹片強化傳熱原理包括有前緣效應和非穩定性擾動以及減薄邊界層等幾種。常用的片是沖縫片和百葉窗。將來對此的研究應該將分布參數和場地模擬相結合，來優化傳熱裝置結構的參數，實現管翹式的傳熱針設計。

4.3 與計算機技術的相結合

計算機技術的不斷進步是化學中大量的技術問題能夠得到有效的解決。同時節約了大量的人力物力財力，也增加了數據和相關機械的精密度。計算機的主要貢獻表現在計算流體力學、數值傳熱力學、采用計算機技術進行統計、計算有利于將數據更直觀的表現出來，表現形式更加多樣，能夠有效分析大量實驗數據。

4.4 與材料科學和信息工程相結合

科學的進步和新技術的研究涌現就為化學工程的研究提出了新的機遇。如何形成優質的服務體系和完整地理論作為研發支撐成為化學工程面臨的問題。所以它必將進入一個新的發展階段，在發展中應注重與多學科的交叉，更多的研究應該包括信息和化學應用、生物與化學以及能源環境與化學相結合的學科，這都為化學工程的發展提供了新的研究方向。由于信息技術不斷深入各個行業，為此通過信息技術可以將大量的信息收集、整理進行數據統計分析，得出的結論可以為化學工程發展研究提供新的方向。

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摘要：經濟物理學是一門新興的綜合性的邊緣叉學科，隨著現代經濟的發展，交叉性學科越來越受到國內外物理學家、經濟學家的關注和研究興趣，經濟物理學綜合了經濟學和物理學的特點和優勢，既包含了物理學科的嚴密性又涵蓋了金融學的實際性，這樣將兩方面結合起來有利于解決實際問題。本文在研究物理學和金融學的基本概念基礎之上，就經濟物理學的概念、內涵和發展過程展開論述，簡單的介紹經濟物理學的研究內容，幾個重要的理論模型及發展趨勢，對解決金融市場的問題，探索經濟發展規律、規避一定的金融風險有著重要的參考和實際意義。

關鍵詞：經濟物理學；金融系統；應用

經濟物理學的內涵主要是將物理學的實證和實驗的經驗、理論的、實踐的方法，例如統計學、動力學、流體力學、量子力學等應用于經濟學和金融學，這樣就創造出一個新的學科--金融物理學。簡言之，經濟物理的研究有兩個目的，一是研究經濟或金融系統中的物理問題，把金融市場看到是一個物理分析系統，其中的影響因素的動態變化看作是可以量化分析的數據，通過分析數據、建立模型，力圖尋找和闡釋其中的“物理”規律。二是運用物理學的思想和方法去解決市場中的經濟或金融問題。在第一部的基礎上，通過分析的數據發現金融市場存在的問題，然后利用物理分析的方法，找出最大的影響因素和次要因素，從而發現聯系，發揮著解釋金融現象，揭示規律和問題的作用。經濟物理學的主要研究方向有三個：一是對金融市場的數據如股票價格進行分析研究以發現其中蘊含的規律；二是可以用來分析一個公司的經營狀況達到預測一個國家的GDP指數。三是可以用來建立實驗數據和模型，尋找普遍性規律以幫助其他案例作為參考。

一、經濟物理學的產生

第一個提出“經濟物理學”概念的人是美國波士頓大學物理學教授H．EugeneStanley。1996年，在匈牙利首都布達佩斯召開了首屆國際經濟物理學專題研討會：EconophysicsWorkshop，全世界很多優秀的物理學家、經濟學家和金融學家共同參與了此次會議，從此經濟物理學以一門學科的身份正式誕生。為了說明經濟物理學的實質，首先要探究一下他的發展進程。他的產生式外部和內部原因綜合作用的結果。就外部原因而言，二十世紀的經濟學往往通過數學數據加以解釋，只能通過數學的研究方法和手段解釋經濟現象，但是出現了大量的觀察事實與研究結果不一致的情況，由此對許多通過數學理論解釋經濟現象的方法提出了質疑；另一方面，物理學是屬于科學的規范，他的主要形式是推理分析，實驗數據證明檢測結果，通過處理實驗數據和構建理論模型才能得出簡論，再與假設的結果作比對。一般來說，做實驗時常常需要收集的大量數據，為統計分析提供了可能和可靠性，以幫助經濟物理學家類比分析，找出規律，解釋現象，預測未來。

二、經濟物理學的主要研究內容

第一，探索經濟運行中一些相關變量的統計規律，主要包括收益率、波動率、變量、價差等，探索其中具有代表性的普遍適用性的規律以總結經驗為類似的情況提出分析方法和解決措施。第二，對宏觀市場的模型建立和對未來經濟運行規律的預測，這一部分主要針對的是實證研究。第三，對金融市場的微觀狀態進行模型建立，主要包括逾滲模型、伊辛模型等，模型是建立在大量的實驗和實證基礎之上的，所以具有一定的參考價值。

三、經濟物理學理論模型

深入研究實際問題可以探討其中的數學物理問題，發現其中蘊藏的規律和機理，實質是將過程系統化，簡單化，抽象出普遍性的規律。經濟物理學模型有以下幾種具有代表性的分類：第一類是基本面交易者和噪聲交易者博弈理論模型。基本面交易者認為市場價格遵循價值規律，市場價格雖然一直在基礎價格周圍上下波動，但是最后仍然會回歸到基礎價格；與之不同的是噪聲交易者，他們偏向于技術和圖形，所以也稱之為技術交易者或者圖形交易者，通常利用技術或者圖形分析市場行情，預測未來的走向和趨勢。第二類是逾滲模型。物理學家Cont和Bouchaud提出了這個模型，所以將之命名為CB模型，此理論只考慮內部因素的影響，忽略外部因素的作用，認為最根本的是交易者之間的相互影響發揮作用，由于交易者之間的相互影響就會產生一個個的簇，每個簇內的交易者采取相同的交易策略，這一集體是同步的、靜態的。再此基礎上發展了一個新的模型，即EZ模型，其進步之處在于此模型不受限制，并且可以通過演化方程并解析求解，完全利用數學和物理學分析方法解決問題。第三類，自旋模型。經濟市場中存在著買和賣兩種狀態，認為市場價格由N個市場參與者的買和賣的行為決定。而模型仿造了這一變量，類似于一維磁鐵由N個向上或者向下的自旋組成。這個模型假定市場參與者分為極少的知情者和絕大多的跟風者，跟風者會模仿大多數人的行為而更改自己的行為從而影響整個市場狀態。第四類，少數者博弈理論模型。1997年，瑞士華人張翼成提出這個理論模型，它的提出完全是根據實際問題引發的，人們的實際生活離不開社會群體，一旦決策者多了就會產生利益分配問題，如果決策人的選擇是少數人的選擇，那么決策人就將獲益；否則就會遭受損失。簡單的說，少數者博弈問題就是在不考慮道德因素的前提下，決策人如何決策的問題。少數者博弈理論模型主要研究針對在有限資源的條件下，在復雜的競爭系統里如何決策問題的博弈模型，它源于經濟學家阿瑟（W.B.Arthur）提出的“酒吧問題”，并由華人張翼成以博弈論的形式提出。他是研究金融市場的規律，是研究經濟個體之間關系的有力武器，經濟個體之間的關系是既相互競爭又相互協作的復雜關系。

四、結語

金融市場是一個復雜的非線性動力系統，其中包含著復雜的理論和實證研究，將物理學、數學等學科的方法應用于經濟學的研究已經成為邊緣性學科的發展趨勢和學術界的用三年就方向，不同學科之間的交叉、碰撞、融合發展是時代的進步和學術發展的新思路，能夠在新的時代背景和發展中提供新的理論支持。經濟物理學的產生和應用對宏觀經濟發展、個人理財，公司組織與管理等有著重大的理論價值和現實意義。

參考文獻：

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