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流體力學的應用領域范文第1篇

關鍵詞:多媒體教學;工程流體力學;教學效果

中圖分類號:G642.0　文獻標志碼:A　文章編號:1673-291X(2010)03-0247-01

一、前言

隨著計算機技術的普及和網絡技術的迅速發展,多媒體教學已被高等院校廣泛采用,并深受廣大師生的歡迎。因此,利用多媒體教學手段開發學習資源,構建新的教學模式,達到最佳教學效果,成為國內外提高教學質量、改革教學方式的重要手段。

本文通過工程流體力學教學實踐,探討多媒體教學在授課過程中產生的效果。提出了在工程流體力學教學活動中將多媒體技術與傳統教學手段相結合,活躍課堂氣氛,提高學生學習的積極性和主動性。達到優化教學效果的目標。

二、傳統教學模式的利與弊

傳統教學模式歷史悠久,教育理論成熟,已經積累了豐富的經驗。在傳統教學中,通過教師的形象、生動的講述,學生易于接受,師生之間可以面對面地探討疑難問題。對于工程流體力學而言,教學內容不可避免地會涉及到數學公式的推導,傳統的板書教學方式即可以留給學生更多的思考時間,同時又可以加深學生對公式推導過程的理解,加強記憶。然而傳統式教學主要依靠粉筆與黑板的教學條件,是以教師為主體的教學模式,從而大大降低了教學效率,也扼殺了學生個性的發揮和創意的產生。

三、多媒體教學的特點

多媒體教學以其鮮明的教學特點,豐富的教學內容,形象生動的教學情景,在教學過程中發揮了重要的作用:

第一,激發學習興趣,有利于提高課堂效率。興趣是學生獲取知識、拓寬視野、豐富心理活動最主要的推動力。多媒體技術綜合應用文字、圖片、動畫和視頻等資料來進行教學活動,激發學生的學習興趣,從根本上改變了傳統教學模式的單調性。而且多媒體教學可以充分發揮學生聽覺、視覺等器官對信息的接收,對學生的眼、耳等器官進行多重刺激,從而活躍學生的思維,增強學生記憶力,提高課堂效率。第二,直觀、易懂,有利于提高教學質量。流體力學是從力學的觀點出發,主要研究流體所遵循的宏觀運動規律以及流體和周圍物體之間的相互作用規律的科學,在日常生活和各種工程實際中具有廣泛的應用領域,是動力工程和流體機械專業一門重要的專業基礎課。與固體的運動規律相比,流體在運動過程中存在諸如激波、接觸面間斷、兩相流體之間相互摻混等復雜現象。多媒體教學手段能夠通過圖片、動畫和視頻資料等直觀、清晰地觀看復雜的流動現象,使學生較容易地掌握相關內容,提高教學質量。第三,增加教學容量,節約空間和時間。工程流體力學研究內容較多,涉及范圍較廣,在有限的課時內傳授給學生的信息量較大。傳統教學中知識的傳播主要靠教師的口授與黑板板書,在一定程度上限制了課堂信息的含量,多媒體教學充分地利用了電腦能夠存貯大量信息的優勢,授課的信息量明顯增多,教學內容更加豐富,使學生在有限的時間內接收更多的知識,開闊了學生視野,增加課堂知識的容量,提高了教學的效率。

四、多媒體教學手段與傳統教學方式相結合

多媒體教學的發展并不意味著摒棄一切傳統的教學方法和手段,而是將多媒體教學與傳統教學方式相結合,揚長避短,發揮各自的優勢,更好地服務于教學工作。

工程流體力學教學內容主要包括兩大部分,理論教學和流體力學實驗教學。

工程流體力學理論教學部分包含大量流體力學的基本概念、基本方程和一些復雜的流動現象。例如在教學過程中,流體靜力學基本方程的推導過程依然使用傳統教學中的板書,這樣既可以留給學生足夠的思考時間,又可以加深學生對公式推導過程的理解,加強學生的記憶能力。而對于某些基本概念和特定的流動現象,可以通過多媒體教學手段,加深學生對基本概念和流動現象的理解。

流體力學實驗是流體力學教學中的重要組成部分之一,貫穿于課程始終。現行流體力學教學實驗多為驗證性實驗,實驗方法單一,同時,還受實驗老師較少、實驗課時有限以及設備等多種因素的影響,學生選擇的范圍極小,在很大程度上制約了學生思考問題、分析問題、解決問題的能力,不能很好地達到流體力學實驗教學的要求。然而引入多媒體教學手段以后,學生可以靈活地改變實驗條件,演示各種實驗現象。

參考文獻:

流體力學的應用領域范文第2篇

關鍵字：有限元法 基本原理結構分析 解題步驟

中圖分類號：TU318文獻標識碼： A

1有限元法簡述

有限元法是結構分析的一種數值計算方法 ,是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展。有限元法借助于矩陣等數學工具 ,盡管計算工作量很大 ,但是整個的分析是一致的 ,有很強的規律性 ,因此特別適合于編制計算機程序來處理 。目前，有限元法在現代結構力學、熱力學、流體力學和電磁學等許多領域都發揮著重要作用。

2有限元法的基本原理

有限元法通常分為線性有限元法和非線性有限元法。線性有限元法是一種利用位能變分和分割近似原理求解線性彈性力學問題的數學方法。它首先把連續彈性體分割為在節點上相連的單元組合體，然后以節點位移為基本未知量，分別在各單元內選取位移函數，并按線性彈性力學的幾何方程、本構方程和虛功方程或位能變分方程，建立并求解關于位移的線性代數方程組，把無限個自由度的問題化為有限個自由度的問題。

有限元處理問題的基本思路是將連續的求解區域離散為一組有限個、且按一定的方式相互連接在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，故可以模型化幾何形狀復雜的求解域。利用在每一單元內假設的單元函數來分片的表示全求解域上待求的未知場函數。單元內的近似函數通常由未知場函數及其導數在單元的各個節點的數值和其插值函數來表達。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。故一經求解出這些未知量就可以通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值，從而得到整個求解遇上的近似解。因此，有限元法實質上是一種力學模型上進行近似的數值計算方法。

3有限元法的解題步驟

任何一種方法或思路在處理具體問題時總有它處理問題的先后順序。同理，有限元在處理實際問題時也有其一定的順序，步驟如下：

3.1 結構離散化

應用有限元法分析工程問題的第一步,是將結構進行離散化。其過程就是將待分析的結構用一些假想的線或面進行切割,使其成為具有選定切割形狀的有限個單元體。使整個結構離散為由各種單元體組成的計算模型,這些單元體被認為僅僅在單元的一些指定點處相互連接,這些指定的點稱為單元的節點,這個過程就是單元劃分。離散后單元與單元之間通過單元的節點相互連接起來。單元體的設置、性質、數目應根據實際物體的性質、所描述的變形形態的要求和計算結果的精度來確定,單元劃分越細則描述變形情況越精確,越接近實際的結構變形,但計算量越大。有限元中分析的結構已不是原有的結構,而是由眾多單元以一定的方式連接起來的離散物體。用有限元分析計算結果只是近似值,如果劃分單元非常多且又合理,則所獲得結果就會與實際情況相符合。

3.2 單元特性分析

(1)選擇位移模式結構離散化后,接下來的工作就是對結構離散化所得的任一典型單元的特性進行分析。在有限單元法中,選擇節點位移作為基本未知量時稱為位移法;選擇節點力作為基本未知量時稱為力法;選擇一部分節點力和一部分節點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現計算自動化,所以,在有限單元法中,位移法應用最為廣泛。當采用位移法時,首先必須對單元中任意一點的位移分布做出假設,即在單元內用只具有有限自由度的簡單位移代替真實位移。對位移元來說,就是將單元中任意一點的位移近似地表示成該單元節點位移的函數。位移函數的假設合理與否,將直接影響到有限元分析的計算精度、效率和可靠性。目前比較常用的方法是以多項式作為位移模式,這主要是因為多項式的微積分運算比較簡單,而且從泰列級數展開的意義來說,任何光滑函數都可以用無限項的泰列級數多項式來展開。

(2)分析單元的力學性質根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節點數目、位置及其含義等,找出單元節點力和節點位移的關系式,這是單元分析的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式,從而導出剛度矩陣,這是有限元法的基本步驟之一。

(3)計算等效節點力物體離散化后,假定力是通過節點從一個單元傳送到另一個單元。但是,對于實際的連續體,力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而,這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節點上去,也就是用等效的節點力來代替所有作用在單元上的力。

3.3單元組集

有了單元特性分析的結果,像結構力學中解超靜定的位移法一樣,對各單元僅在節點相互連接的單元集合體用虛位移原理或最小勢能原理進行推導,利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新連接起來,形成整體的有限元方程。

3.4求未知節點的位移

在有限元的發展過程中,人們通過研究,建立了許多不同的存儲方式和計算方法,目的是節省計算機的存儲空間和提高計算效率,根據方程組的具體特點選擇合適的計算方法,即可求出全部未知的節點位移。

4有限元法的優點

(1)有限元法具有極大的通用性和靈活性。它不僅能成功地處理如應力分析中的非均質材料、各向異性材料、非線性應力―應變關系及復雜邊界條件等難題,而且隨著其理論基礎和方法的逐步改進和完善,還成功地用來求解熱傳導、流體力學以及電磁場領域的許多問題,現在它幾乎適用于求解所有的連續介質及場問題。

(2)對同一類問題的有限元法,可以編制出通用的程序,應用計算機進行計算。

(3)只要適當加密單元的網格,就可以達到工程要求的精度。

(4)有限元法采用矩陣形式的表達,便于編程序,可以充分利用高速電子計算機所提供的方便。

5 有限元法的應用現狀

目前的商用有限元程序不僅分析功能幾乎覆蓋了所有的工程領域,其程序使用也非常方便。當前,在我國工程界比較流行、被廣泛使用的大型有限元分析軟件主要有:MSC /Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina和Algor等。隨著電子計算機速度、容量的提高,商品化有限元程序越來越廣泛地被人們所接受,人們不必再在編寫程序上花費大量的精力。目前的商品化有限元程序一般分為3個部分,即前處理部分、處理部分和后處理部分。它們通過互交式計算機圖形集中到CAD /CAM系統。

(1)有限元前處理部分,在前處理部分,都設有與CAD /CAM程序包(如Auto CAD, Pro /ENGINEER等)的接口,可以直接讀取這些程序產生的幾何模型,并允許用戶快速生成所希望的單元網格模型,自動進行網格劃分,自動輸入結點信息和單元信息,并核實用戶所確定的網格,如圖1所示。

(2)有限元處理部分在有限元處理部分,目前的商品化有限元程序一般具有靜力分析、動力分析、線性分析、非線性分析、塑性分析以及對斷裂力學、熱應力與蠕變、結構穩定性、振動、疲勞、熱傳導、流體力學、電磁場等的分析及優化設計等功能。

(3)有限元后處理部分在后處理部分,為了提高用戶解釋有限元分析結果的能力,出現了很多用圖形提取和繪出結果的方法,并可以通過色彩來增強顯示效果,使用戶能夠清楚地看到各層應力、溫度變化等的分布。

6有限元法的發展趨勢

有限元法經過20多年的發展,已經趨于成熟,但在鞏固有限元法的物理、數學基礎方面,擴大其應用領域以及求解諸如非線性、不同物理作用相互耦合,多體結構動態分析以及由材料微觀結構計算其力學性能等復雜問題方面,有限元法將會不斷發展并取得成功。

有限元法未來的發展主要在于工程領域中的應用和提高,并完善有限元法的基本技巧。隨著計算機輔助設計在工程中日益廣泛的應用,有限元程序包已成為CAD常用計算方法中不可缺少的內容之一,并與優化設計集成系統,通過計算機建立計算模型,對計算模型進行有限元分析,根據有限元分析的結果進行結構優化改進,再進行有限元分析,如此反復進行,直至結構達到最優化為止。有限元法與傳統的機械結構優化方法相比,具有無可比擬的優越性,必然會得到越來越廣泛的應用和發展。

7結束語

結構分析的有限元法作為一種成熟的結構分析方法,已廣泛應用于土木建筑結構工程的各類問題中。工程師不僅需要懂得工程專業知識、有限元分析知識,還需要懂得計算機軟件設計知識,才能主動應用現代工程設計方法來解決工程中遇到的各種力學問題。

[1]凌復華,殷學綱.常微分方程數值解法及其在力學中的應用[M].重慶:重慶大學出版社, 1996:75- 78.

[2]崔俊芝,梁俊.現代有限元軟件方法[M].北京:國防工業出版社, 1995:35- 41.

流體力學的應用領域范文第3篇

關鍵詞：圖形實時繪制 自然景物仿真

計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史，應用和圖形學前沿的方向。

1 計算機圖形學的發展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。

2 計算機圖形學的應用

2.1計算機輔助設計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學在工業界最廣泛，最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程，機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統，產品和工程的相關圖形進行人—機交互設計和修改，經過反復的選代設計，便可利用結果數據輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數據加工代碼的指令。在電子工業中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網絡分析等方面的優勢十分明顯。在網絡環境下進行異地異構系統的協同設計，已成為CAD領域最熱門的課題之一。現代產品設計已不再是一個設計領域內孤立的技術問題，而是綜合了產品各個相關領域，相關過程，相關技術資源和相關組織形式的系統化工程。

CAD領域另一個非常重要的研究領域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關素，從而實現形體的重建。

2.2科學計算可視化

目前科學計算可視化廣泛應用于醫學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫學領域，可視化有著廣闊的發展前途。依靠精密機械做腦部手術是目前醫學上很熱門的課題，而這些技術的實現的基礎則是可視化。當我們做腦部手術時，可視化技術技術將醫用CT掃描的數據轉化成圖象，使得醫生能夠看到并準確的判別病人的體內患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現手術效果的反饋，幫助醫生成功完成手術。我們利用了可視化技術。天氣氣象站將大量數據，通過可視化技術轉化成形象逼真的圖形后，經過仔細的分析就可以清晰的預見幾天后的天氣情況。

2.3圖形實時繪制與自然景物仿真

重現真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等。在自然景物仿真這項技術中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內繪制出最真實的場景。

2.4計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內容，這樣，當這些連續播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續播放時2個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內容需要進一步研究。

2.5計算機藝術

用計算機從事藝術創作，計算機圖形學除了廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內外不少人士正在研制人體模擬系統，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統的藝術家無法實現也不可想象的。

流體力學的應用領域范文第4篇

2相關研究分析

2.1國外研究現狀及發展動態

2.1.1研究技術的發展國外學者從1960年代開始研究街谷空氣流場及其污染狀況，主要使用實地測試法、物理模擬法和數值模擬法。實地測試法始于1970年代，Kennedy的實測結果表明:街谷內部污染物濃度隨街道高寬比(H/W)的增加而提高，在固定H/W下，污染物濃度在垂直方向上呈指數下降。DePaul的實測表明:影響街谷污染物擴散最重要的因素是街谷幾何結構及街道兩側建筑物屋頂風速［6］。物理模擬法始于1980年代，DabberdtWF等通過風洞試驗發現污染物分布取決于街谷的對稱性和H/W［7－8］。數值模擬法始于1990年代，Hitoshill用有限差分法，Lee等用逐步超松弛迭代法模擬不同街谷結構下的污染物分布，結果表明:污染物濃度在地面達到最高值，背風側高于迎風側［9－11］。此后，基于計算流體力學(CFD)的數值模擬方法逐漸成為街谷污染物擴散研究的主要方法。相關研究中，實地測試法和風洞試驗的應用相對較少。但實地測試和風洞試驗的數據更為真實可靠，并能為數值模擬提供重要的校核。

2.1.2研究內容的擴展一方面，數值模擬法廣泛應用于街谷污染物擴散研究，BerndLM等(2008)采用標準k－ε模型和RNGk－ε模型對街谷內的污染物濃度進行了模擬［12，13］。另一方面，開始研究影響街谷污染物擴散的其他因素，例如:街道空間布局、屋頂風、熱、植被和化學反應等［14－19］。但根據文獻，研究大多是對抽象的二維街谷斷面和單車道以及單因子的街谷內建筑物附近污染物濃度的分析，對街谷污染的三維模擬和整體污染程度的研究較少，未涉及街谷兩側行人與建筑的污染物暴露濃度特征和風險評價的內容。

2.1.3小結技術方法方面:對街谷空氣污染物擴散機制的研究需要實地測試法、物理模擬法和數值模擬法的有機結合，實地測試法、物理模擬法對數值模擬結果的科學性具有重要的驗證作用。研究內容方面:除街谷形態之外，影響污染物擴散及分布的因素還包括街道植被、交通性態等多種因素。研究應用方面:對街道峽谷兩側行人和建筑的污染物暴露特征與影響評價的研究較少，缺少實際應用環節的研究，沒有為城市規劃提供降低市民污染物暴露水平的技術工具。

2.2國內研究現狀及發展動態分析

2.2.1研究技術與特點我國此項研究始于1990年代，主要采用實地測試法和物理模擬法［20－21］。隨著計算機技術發展，目前研究主要集中在數值模擬和模型優化方面。數值模擬方面:朱國成(2010)、何澤能(2008)等在數值模擬的基礎上，對街谷形態與流場分布、污染物擴散的關聯性進行了研究［22－25］。模型優化方面，黃遠東等(2008)利用CFD軟件，用7種模型對污染物擴散進行了模擬，與風洞試驗數據的對比顯示:標準k－ε模型的模擬效果最好，RNGk－ε模型、realizablek－ε模型、RSM模型的效果次之，標準k－ω模型、SSTk－ω模型、Spalart-Allmaras模型的效果較差［26］。該研究成果為街谷污染數值模擬的模型選擇提供了重要的參考和指導。

2.2.2研究成果與應用機動車尾氣污染已成為我國城市環境研究的熱點［27－29］。程云章(2009)的研究對環境容量和交通容量雙約束條件下交通流量分配方案的制定提供了大氣質量評價信息，指出“目前的數值模擬多側重探究街谷結構對污染物擴散的影響，對污染物排放源強則采取某一定值的簡單處理”這一關鍵問題［30］。徐偉嘉等(2010)研究了街谷內不同車道污染物擴散的特征，并提出降低行人交通源暴露水平的途徑。謝海英、陳康民(2006)研究了街谷污染對臨街建筑室內空氣質量的影響［31－32］。此類研究實現了由街谷污染機制向污染受體保護研究的跨越，為本領域的研究提供了重要的發展導向作用。在城市規劃與建筑學的學科領域，劉加平等拓展建筑物理的研究范疇，較早開展了城市街谷的相關研究。王翠萍等(2003)［33］的研究顯示:車流量是行道樹樹冠的凈化功能和對污染物擴散的阻礙作用所占權重的主要影響因素，街道綠化應根據車流量的大小采取不同綠化方案。趙敬源、劉加平(2007、2009)［34－35］的研究給出了最佳高寬比的推薦范圍，為優化建筑及城市綠化設計和改善城市戶外環境提供了理論基礎。邱巧玲、王凌(2007)［36］研究了街谷形態、街谷外部環境與街谷內污染濃度變化的關系，提出了合理的街道幾何結構和理想狀態下的城市街道布置模式。王紀武、王煒(2010)對街谷流場進行了三維模擬，提出了促進街谷污染物擴散、稀釋的規劃設計策略［37］。但相關研究在規劃和建筑類期刊中僅發表了6篇論文［33－38］。城市規劃與建筑學等應用類學科對街谷污染物擴散及對策的研究薄弱，制約了研究成果在城市規劃與設計中的實際應用。

2.2.3小結技術方法方面:數值模擬的研究成果提供了科學的計算模型，但實地測試法、物理模擬法的應用較少。研究內容方面:除街谷形態之外，道路斷面、交通性態、街道綠化、下墊面材料、臨街建筑內部空氣質量等的研究逐步完善了街谷污染物擴散機制及其影響的研究內容。研究應用方面:應用領域的研究很少，多學科協作機制的欠缺使研究成果與實際應用之間的聯系薄弱。

流體力學的應用領域范文第5篇

關鍵詞：數字圖像 處理技術 特點 應用分析

中圖分類號：TM206 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0231-02

圖像處理技術基本可以分成兩大類：模擬圖像處理（AnalogImage Processing）和數字圖像處理（DigitalImage Processing）。數字圖像處理是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機進行處理的過程。其優點是處理精度高，處理內容豐富，可進行復雜的非線性處理，有靈活的變通能力，一般來說只要改變軟件就可以改變處理內容。困難主要在處理速度上，特別是進行復雜的處理。數字圖像處理技術的發展涉及信息科學、計算機科學、數學、物理學以及生物學等學科，因此數理及相關的邊緣學科對圖像處理科學的發展有越來越大的影響。近年來，數字圖像處理技術日趨成熟，它廣泛應用于空間探測、遙感、生物醫學、人工智能以及工業檢測等許多領域，并促使這些學科產生了新的發展。

1 數字圖像的主要特點

1.1 圖像質量穩定

傳統的模擬圖像因分辨率的不同會造成圖像質量的變化，在存儲和復制等操作過程中，有可能會因影響圖像本身的一些操作造成圖像質量降低，因此圖像質量穩定性能差；而如果圖像經過準確的數字化之后，就可以在進行任何與圖像相關的操作，都不會改變圖像質量，提高了圖像質量的穩定程度。

1.2 圖像分辨率高

當前針對模擬圖像的數字化轉換技術已經逐漸成熟，針對模擬圖像高精度數字化的設備也在市場上逐漸推廣使用，通過該設備能夠將任何一幅模擬圖像轉換為數組，最先進的掃描儀已經可以將單個像素的灰度區分為16個區間甚至更精細，因此目前數字化的精度已經能夠滿足商業需求和各領域的應用需求。影響數字圖像精度的主要是單個像素的位數，位數越多，也就意味著單個像素的細分程度越高，相對應的計算數組也就越多，而對計算機而言，數組的多少并不影響其數字化計算程序的運行步驟，因此從理論上講，數字圖像的精度是可以無限提高的，且對設備的要求并不會出現質的提高，這從經濟學角度奠定了高精度數字圖像的推廣價值。而傳統的模擬圖像質量提高方法主要是通過復雜的精度等級提高來實現，所要更改的是數量級的變化，因此對設備的要求也會出現大幅的提高，難以在實際應用中獲得認可。

1.3 應用范圍廣

這里所指的應用范圍不是針對數字圖像處理設備而言，單純的指可數字化的模擬圖像范圍，從可見光的各類圖像到不可見的長、短波圖像，都可以是數字化技術的應用對象，如X射線、超聲波信號圖像以及遠紅外射線圖像等都可以進行數字化；從數字化圖像的顯示規模來看，由于其精度可以無限提升，因此其反映的圖像可以是視野極其廣闊的太空圖片、航空圖片以及大面積的圖像壓縮，也可以是顯微鏡下的高精度圖像擴放，從光學顯微鏡到電鏡下的圖像。綜上可以看出，數字圖像處理技術的應用對象非常廣泛，通過將模擬圖像的信息（即灰度信息）進行分級后數字編碼，然后將數字編碼進行精準排列和色彩校準，就可以完美的再現模擬圖像信息，并獲得高精度的分辨率和穩定的輸出質量，目前已知的所有圖像都可以通過數字化技術來進行處理。

1.4 圖像處理自由度高

圖像的處理主要是通過像質改善、圖像分析和圖像重建三個步驟來改善圖像的質量，三個步驟相互獨立且內部包涵復雜的細節處理。如果單純利用光學手段對圖像進行處理，那么由于光的線性特征將導致圖像的處理只能進行線性計算，因此其處理手段有限，處理效果和可操作范圍都存在局限性；而數字圖像處理則不受線性約束，任何的線性和非線性處理都可以非常順利的實現，且非線性操作能夠通過內置的數據分析系統來事先編制非線性軌道，從而對圖像信息進行精準的操作。

2 數字圖像處理技術的主要內容

數組圖像處理技術不是一門簡單的學科，而是綜合性的研究領域，其處理技術包括不同的步驟和單項技術支持，詳述如下：

2.1 圖像變換

由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術，將空間域的處理轉換為變換域處理，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效地處理（如傅立葉變換可在頻域中進行數字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應用。

2.2 圖像編碼壓縮

圖像數字處理之后就將圖像的模擬信息轉換為數字信息，而數字信息在計算機中所占的存儲空間最小，因此能夠實現圖像的不失真壓縮，在確保圖像質量的前提下降低圖像的存儲要求，因此該技術對需要處理大量圖片的行業有重要作用。

2.3 圖像增強和復原

圖像增強和復原的目的是為了提高圖像的質量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質的原因，突出圖像中所感興趣的部分。如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細節明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復原要求對圖像降質的原因有一定的了解，一般講應根據降質過程建立降質模型，再采用某種濾波方法，恢復或重建原來的圖像。

3 數字圖像處理技術的應用領域

圖像是人類社會進行交流和溝通的主要途徑，圖像在各領域的發展中不可或缺，因此圖像處理技術的發展關系著各行各業，當前圖像處理技術一經廣泛的應用于許多領域，現分述如下：

3.1 航天航空

數字圖像處理技術在航天航空領域的主要功能是保證圖像信息傳遞的真實性，首先將外太空采集到的圖像信息進行數字編程，然后將編碼用信號傳遞至地面控制站，由于數字不存在失真問題，所以只要將數字編碼進行逆處理，就可以完成圖片的完整還原，從而避免了圖像的失真。目前在遙感航拍、地質勘探、城市規劃和氣象預報等方面已經廣泛使用該技術。

3.2 通信工程方面

目前通信范圍已經從原始的文字、聲音、圖像轉向綜合性的信息交流，尤其是在圖像傳遞過程中，既要避免信息失真，又要確保龐大的圖像信息順利傳送，因此可以通過數字圖像處理技術將圖像信息進行壓縮編碼后以數字形式傳遞，這樣能夠極大的提高傳輸效率，并確保圖像信息的真實度。

3.3 工業工程方面

在工業工程領域中圖像處理技術有著廣泛的應用，它大大提高了工作效率，如自動裝配線中質量檢測，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些惡性環境內識別工件及物體的形狀和排列狀態，先進設計和制造技術中采用工業視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農業生產帶來新的面貌，目前已在工業生產中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。

3.4 軍事公安方面

在軍事領域，數字圖像處理技術主要用于精確的判斷目標區域的信息，并實現高精度的準確打擊，并可以根據高精度的環境再現制作模擬軍事演習軟件，能夠實現動態的軍事戰斗信息傳輸、自動化管理等功能。在案件偵破方面，高精度指紋識別、臉部鑒定、殘缺圖像修復以及事故原因調查等都可以通過該技術實現。

3.5 其它方面的應用

數字圖像處理技術已經滲透到社會生活的各個領域，如地理信息系統中二維、三維電子地圖的自動生成、修復等；教育領域各種輔助教學系統研究、制作中；流媒體技術領域等等。

4 結語

雖然當前數字圖像處理技術已經在航天航空、工業生產、通信工程、軍事、文化以及教育等領域廣泛應用，且對推動上述領域的發展起到了明顯的效果，但是由于目前視覺成像技術的研究還不夠深入，因此電子圖像的處理技術受到了一定程度的限制，并且該技術等復雜性也造成了研究難度的加大。因此必須不斷深入的對數字圖像處理技術進行研究和探索，為提升圖像質量提供技術保障，進而推動與之相關的各領域建設與發展。

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