工程流體力學教學中引入相關技術的探討

李賀松

（中南大學 能源科學與工程學院,湖南 長沙 410008）

工程流體力學教學中引入相關技術的探討

李賀松

（中南大學 能源科學與工程學院,湖南 長沙 410008）

工程流體力學對工科學生來說是一個重要的專業(yè)基礎課，但其較強的理論性及涉及到的寬廣的知識點使這門課的教與學都存在較大的困難.本文針對這一特點，把與流體力學教與學有關的相關技術引入工程流體力學的教學中，這些技術包括網絡技術、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)處理技術、高速攝影技術、數(shù)據(jù)模擬技術、相似理論及教學科研成果.這些技術的引入可使課堂內容豐富化、形象化，同時可提高學生的理解能力及創(chuàng)新能力.

教學改革；課程建設；創(chuàng)新精神；實踐能力

工程流體力學是力學的一個分支，它主要研究流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規(guī)律.正因為如此，工程流體力學在各種學科中都起著非常重要的作用，尤其對工科學生無疑是專業(yè)基礎課中重要的一環(huán)，是工業(yè)自動化專業(yè)、熱動專業(yè)、制冷專業(yè)以及化工、石油、冶金等專業(yè)都必須學習的一門重要的專業(yè)基礎課.但尤其工程流體力學應用了較多的高等數(shù)學的知識，再加上一些學生沒有接觸過的工程概念，所以本科生要想很好的接受并能靈活應用工程流體力學的知識并非易事.針對以上情況，工程流體力學的教學工作對任課老師來講是一種不小的挑戰(zhàn)，同時要求老師要具備與流體力學相關的技術知識和與教學活動有關的相關知識，這樣才能很系統(tǒng)地給學生講解各種綜合知識點.本文主要針對工程流體力學教與學過程中所涉及到的相關技術知識進行較為全面的介紹，以便給任課教師一個比較明確的技術框架，要想更深一步了解相關理論，可按本文的思路進行相關的查詢工作即可.

1 網絡技術

1983年，ARPA和美國國防部通信局研制成功了用于異構網絡的TCP/IP協(xié)議，美國加利福尼亞伯克萊分校把該協(xié)議作為其BSDUNIX的一部分，使得該協(xié)議得以在社會上流行起來，從而誕生了真正的Internet.1989年，由CERN開發(fā)成功WWW，為Internet實現(xiàn)廣域超媒體信息截取/檢索奠定了基礎.Internet目前已經聯(lián)系著超過160個國家和地區(qū)、4萬多個子網、500多萬臺電腦主機，直接的用戶超過4000萬，成為世界上信息資源最豐富的電腦公共網絡. Internet被認為是未來全球信息高速公路的雛形.

網絡技術的發(fā)展不僅為工程流體力學的發(fā)展提供了技術支持，也為這門課的教學工作提供了諸多方便，主要體現(xiàn)在四個方面：課件的制作、教師講解、學生學習和教師與學生的交流.

1.1 課件的制作

在教師制作課件的過程中，傳統(tǒng)方法都是對照幾本參考書進行編寫，或者添加一部分教師科研工作中所能體現(xiàn)知識點的科研成果，這樣可使教學內容形象化.但這些都有很大的局限性，主要體現(xiàn)在課件缺乏生動的圖片和視頻，比如介紹流體靜力學時，如果在課件中加入三峽大壩的圖片，可使課件生動活潑，同時可以調動學生的積極性；這些圖片和視頻的獲取都可以通過網絡來實現(xiàn)，如果教師熟練掌握網絡的檢索技術，可使課件內容更加形象，使學生更加有興趣學習工程流體力學這門課.

1.2 教師講解

教師在上課時，如果只按預先制作的課件來講解，缺乏和學生的溝通，如果學生要求老師講解課件之外的相關技術，教師可以通過兩種網絡途徑來和學生交流：超星數(shù)據(jù)庫和FTP服務器.

1.3 學生學習

學生課下預習和復習時，如果僅僅根據(jù)老師所提供的教材和課件，很難對知識做系統(tǒng)的學習，如果也能利用網絡上提供的超星數(shù)據(jù)庫中提供的書籍進行學習，也能利用教師提供的FTP服務器上提供的資料進行學習，可以提高文獻的查閱能力.

1.4 教師與學生的交流

如果在課外學生師和教師探討問題，可以通過網絡提供的各種交流平臺進行交流，這些交流平臺包括：QQ群、FTP服務器的文件共享、E-Mail、小型網站論壇等.通過這些平臺，教師可以發(fā)布上課、調課和留作業(yè)的相關信息，學生可以發(fā)布問題求助、要求上課方式的調整等信息，這些可以增加教師和學生之間的互動，彌補由于上課時間限制所帶來的不足.

2 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)處理技術是對數(shù)據(jù)的采集、存儲、檢索、加工、變換和傳輸?shù)?數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)（包括數(shù)值的和非數(shù)值的）進行分析和加工的技術過程.包括對各種原始數(shù)據(jù)的分析、整理、計算、編輯等的加工和處理.比數(shù)據(jù)分析含義廣.隨著計算機的日益普及，在計算機應用領域中，數(shù)值計算所占比重很小，通過計算機數(shù)據(jù)處理進行信息管理已成為主要的應用.這些數(shù)據(jù)處理可以應用到學生的實驗上，教師在學生做完實驗課之后，把這些先進的數(shù)據(jù)處理技術給學生做簡單介紹，可以幫助學生進行一定數(shù)量的數(shù)據(jù)處理.用的比較多的數(shù)據(jù)處理軟件應該是Matlab和Spss統(tǒng)計軟件，要求學生課下一定要掌握其中一種軟件，可以增加學生的數(shù)據(jù)處理能力.尤其是針對流體力學中數(shù)據(jù)量比較大的習題可以有針對性地采用這種處理方式.

3 高速攝影技術

高速攝影在流體力學教學里具有獨特的表現(xiàn)功能，可以顯示肉眼看不見的瞬間動作：如層流向紊流過渡期的運動狀態(tài)；兩相流的擴散現(xiàn)象和界面現(xiàn)象：一滴乳液落進乳汁里產生的優(yōu)美的漣漪和兩流體界面的波動情況；高速射流也要采用高速攝影拍攝才能得到流體的流動狀態(tài)；高速攝影技術在湍流混合規(guī)律研究中也有應用[1]；利用高速攝影技術還可以觀察單水滴在不同空氣速度和水滴孔徑情況下的運動規(guī)律[2]，可以向學生演示霧化水滴的蒸發(fā)過程；利用高速攝影技術可以觀察噴嘴的霧化效果[3]，并可看到氣/液界面的Rayleigh-Taylor（RT）不穩(wěn)定性會對噴嘴的正常工作帶來的影響；利用高速攝影技術來觀察水中氣泡的運動規(guī)律，具有直觀、低費用的優(yōu)點[4].

4 數(shù)值模擬技術

國內曾有人[5]對CFD在工程流體力學教學中的應用進行過研究，主要體現(xiàn)在壓強分布彩圖、速度分布彩圖、流線簇圖、速度矢量圖、繞流圓柱旋渦演進圖、水平面速度矢量圖，這些研究都是通過一個具體的算例來說明流體力學中一些基本的概念和理論，這些計算結果通過圖形的形式顯示出來，可以增加學生的形象思維能力，對知識點的認為更加具體化和形象化.

另外數(shù)值模擬技術還可以給出求解流體流動微分方程的一個具體步驟，比如首先建立物理模型，并對其進行離散化（網格化），然后施加邊界條件，利用求解器進行求解，最后用圖形的形式把計算結果給顯示出來.同時為學生學習流體力學的數(shù)值計算部分的講解提供了實例，故起到雙重作用.如果學生能在課堂外完成這些計算工作，可達到增強學生的使命感、磨練學生的創(chuàng)新意志、培養(yǎng)學生廣泛的興趣、激發(fā)學生的創(chuàng)新意識的良好效果.

5 相似理論

相似方法在工程流體力學中得到了廣泛的應用，所以如果教師掌握了相似方法和理論，就可就流動的幾何相似、動力相似、熱相似等現(xiàn)象生動地向學生傳授相似的概念和理論，以便為學生掌握流體流動的內在規(guī)律打下基礎.

比如在講流體流動的動力相似時，首先列出模型流動和原型流動不可壓縮流動的運動微分方程在x方向上的分量形式:：

方程中第一項為穩(wěn)定項，表示流體流動的時變慣性力；第二項為對流項，表示流體流動的位變慣性力；第三項為重力；第四項為壓力；第五項為粘性力.

對于第一個系統(tǒng)方程(1)可寫為

對于第二個系統(tǒng)方程(1)可寫為

變換后可得到時變慣性力、位變慣性力、重力、壓力和粘性力：

這個準則表示時變慣性力和位變慣性力之比，反映了流體運動隨時間變化的情況.

這個準則表示位變慣性力和重力之比，反映了流體流動中重力所起的影響程度，也稱重力相似準則.

這個準則表示表示壓力和慣性力的比值，也稱壓力相似準則.

這個準則表示位變慣性力和粘性力之比，也稱粘性力相似準則.

從這些推導過程可以使學生理解這些相似準則的物理含義是兩種力的比值，說明某一種力占主導地位時流體的流動狀態(tài)，這樣就使抽象的流體概念形象化，可學生對流體力學的學習會產生一定的興趣.

6 教師的科研成果

因為工程流體力學作為工科學生的必修課，所以學生對流體力學在工程中的應用非常有興趣，如果能把教師的科研引入到教學中來，勢必會提高學生的興趣與理解能力.

比如把發(fā)動機的供油系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)中流體的流動用能量的概念來解釋，就可以使學生理解伯努力方程中位置水頭、壓力水頭和速度水頭的概念及它們之間的關系.

把教師的科研成果引入到工程流體力學的教學中，可提高教師的教學水平，提高學生理解理論知識的能力.

7 小結

本文針對工程流體力學教與學之間存在的障礙，提出引入相關技術來提高教師教學水平及提高學生學習能力的方案.其中網絡技術、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)處理能力、高速攝影技術、數(shù)值模擬技術都可同時為教師和學生服務，而相似理論與教師科研主要是為教師自身素質及思維方式服務的，可提高教師的教學水平及講課水平.

〔1〕歐陽凱,廖海東,張希林.高速攝影技術在湍流混合規(guī)律實驗研究中的應用[J].爆炸與沖擊,2000(4):369-372.

〔2〕李一興,王玉璋,翁史.高速攝影儀研究單水滴運動的實驗初探[J].應用激光,2006(4):247-249.

〔3〕趙林雙,杜志明.氣體發(fā)生劑高壓燃氣驅動液體高速噴霧的試驗研究[J].含能材料,2007(5):451-454.

〔4〕張建生,呂青,孫傳東.高速攝影技術對水中氣泡運動規(guī)律的研究[J].光子學報,2000(10):952-955.

〔5〕趙琴,楊小林,嚴敬.CFD技術在工程流體力學教學中的應用[J].高等教育研究,2008(1):28-29.

TB 126-4

A

1673-260X（2010）04-0007-02