數(shù)值模擬方法在本科生風(fēng)工程課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：風(fēng)工程是土木工程專業(yè)本科生教學(xué)的新興專業(yè)課程，屬于多領(lǐng)域交叉學(xué)科，在教學(xué)過(guò)程中存在諸多困難。結(jié)合南京航空航天大學(xué)本科生多年風(fēng)工程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出基于數(shù)值模擬方法和現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)相結(jié)合的風(fēng)工程教學(xué)理念，側(cè)重對(duì)該教學(xué)理念的主要思路、應(yīng)用范圍、可行性和存在的問(wèn)題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)工程 數(shù)值模擬方法 風(fēng)洞試驗(yàn) 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）04（a）-0046-01

風(fēng)工程是一門涉及自然風(fēng)的流體力學(xué)特性和設(shè)施的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的交叉學(xué)科，屬于土木工程一級(jí)學(xué)科領(lǐng)域中比較新興的專業(yè)科目[1]。國(guó)際上最早的風(fēng)工程研究始于1940年美國(guó)塔科馬大橋的風(fēng)毀事故，我國(guó)是在20世紀(jì)80年代開(kāi)始風(fēng)工程領(lǐng)域的研究，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，特別是近十年的快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)工程領(lǐng)域的研究規(guī)模已經(jīng)基本成熟，已經(jīng)建成的大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室達(dá)到20余座。但是由于我國(guó)風(fēng)工程研究起步比國(guó)外要晚40年左右，受到硬件和軟件條件的制約，風(fēng)工程領(lǐng)域人才的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上我國(guó)土木建設(shè)的需要。目前全國(guó)僅有少數(shù)幾個(gè)高校在本科生中開(kāi)設(shè)風(fēng)工程課程，其中不少還是選修課，與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)風(fēng)工程知識(shí)的需求程度明顯不符。當(dāng)然這其中很大一部分原因也是由于風(fēng)工程學(xué)科的交叉性極強(qiáng)，教學(xué)方法比較困難和教學(xué)設(shè)備不完全具備，因?yàn)轱L(fēng)工程學(xué)科對(duì)教學(xué)試驗(yàn)、教學(xué)案例和多媒體技術(shù)比較依賴。南京航空航天大學(xué)自2005年就較早在土木工程專業(yè)本科生中開(kāi)設(shè)了風(fēng)工程課程[2]，本文旨在結(jié)合南京航空航天大學(xué)多年風(fēng)工程本科教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出基于數(shù)值模擬方法和現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)理念，探討風(fēng)工程的本科生教學(xué)方法。

1 數(shù)值模擬方法在風(fēng)工程教學(xué)中的應(yīng)用范圍

數(shù)值模擬[3]也叫計(jì)算機(jī)模擬，它以電子計(jì)算機(jī)為手段，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類問(wèn)題研究的目的。對(duì)風(fēng)工程專業(yè)課程的教學(xué)試驗(yàn)及課程重的有關(guān)風(fēng)荷載和風(fēng)振的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，并在課堂上展現(xiàn)數(shù)值模擬的過(guò)程和結(jié)果，結(jié)合多媒體技術(shù)來(lái)進(jìn)行教學(xué)會(huì)調(diào)動(dòng)本科生對(duì)風(fēng)工程課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。該方法的主要應(yīng)用范圍如下。

1.1 重現(xiàn)經(jīng)典的風(fēng)毀事件

在風(fēng)工程課程的概述課上，我們一定要介紹風(fēng)工程的發(fā)展歷程、國(guó)內(nèi)外一些重要的風(fēng)毀事件及其意義。像塔科馬橋的風(fēng)毀事故、渡橋電廠的冷卻塔風(fēng)毀事件、大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)、臺(tái)風(fēng)的形成過(guò)程及危險(xiǎn)等等。這就要求授課教師能盡量去重現(xiàn)或構(gòu)造這些風(fēng)毀過(guò)程，最好的辦法就是風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬，由于風(fēng)洞試驗(yàn)造價(jià)太高，因此，采用數(shù)值模擬方法來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行案例分析具有重要的意義。

1.2 補(bǔ)充常規(guī)教學(xué)試驗(yàn)

數(shù)值模擬方法能有效地彌補(bǔ)一些常規(guī)教學(xué)試驗(yàn)在經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和精力上的不足。比如我們可以采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同高寬比的高層建筑進(jìn)行風(fēng)荷載分布模擬，也可以對(duì)不同矢跨比的橋梁進(jìn)行顫振形態(tài)模擬等等。這是數(shù)值模擬方法較為突出的一個(gè)特點(diǎn)，實(shí)際教學(xué)中是無(wú)法做到對(duì)每個(gè)課堂內(nèi)容都進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)教學(xué)的。

1.3 深入講解教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容

通過(guò)數(shù)值模擬方法，可以對(duì)風(fēng)工程課程中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行深入詳細(xì)的演示講解，從而使得學(xué)生理解深刻、記憶牢固。比如在講解脈動(dòng)風(fēng)荷載的隨機(jī)特性時(shí)，可以采用數(shù)值模擬方法仿真脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程，結(jié)合多媒體教學(xué)進(jìn)行該部分內(nèi)容的講解；在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)時(shí)，可以采用數(shù)值仿真方法模擬橋梁抖振的全過(guò)程，從而讓學(xué)生有個(gè)全面深刻的認(rèn)識(shí)。

總之，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行風(fēng)工程教學(xué)可以進(jìn)行全面、形象、反復(fù)重演教學(xué)，使學(xué)生對(duì)風(fēng)工程課程重點(diǎn)、難點(diǎn)更加容易理解和掌握，而且數(shù)值模擬方法成本比較低、不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)的限制，在風(fēng)工程的本科生教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 數(shù)值模擬方法在風(fēng)工程教學(xué)中的可行性分析

我國(guó)從事風(fēng)工程研究的穩(wěn)定隊(duì)伍已超過(guò)百人，并且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和大量超高層、大跨度空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)，對(duì)從事風(fēng)工程教學(xué)的科研人員需求也越來(lái)越大。大多數(shù)從事風(fēng)工程研究的教師均師從國(guó)外著名風(fēng)工程專家或國(guó)內(nèi)較早從事風(fēng)工程研究的重點(diǎn)大學(xué)，具有較高的科研綜合素質(zhì)和學(xué)位。這些條件為數(shù)值模擬方法在風(fēng)工程教學(xué)中的順利實(shí)施提供了很好的條件和保證。

2.1 數(shù)值模擬技術(shù)自身的發(fā)展

數(shù)值模擬和計(jì)算仿真技術(shù)目前的發(fā)展非常迅速、應(yīng)用也極為廣泛。以CFD和有限元技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法在風(fēng)荷載仿真、風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振控制等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用非常普遍，也是目前風(fēng)工程研究的重要手段之一。這也為數(shù)值模擬方法在教學(xué)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.2 本科生課程特色和教師隊(duì)伍水平

本科生的風(fēng)工程教學(xué)主要是一些基礎(chǔ)和概念性的內(nèi)容，這樣采用數(shù)值模擬方法和多媒體教學(xué)技術(shù)相結(jié)合可以更好地幫助學(xué)生理解和記憶，例如，對(duì)于結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)只需考慮線性問(wèn)題，很少涉及到非線性非平穩(wěn)問(wèn)題，因?yàn)樵跀?shù)值模擬中也比較容易實(shí)現(xiàn)。并且在教學(xué)過(guò)程中不斷的去利用數(shù)值模擬軟件和有限元軟件，對(duì)于高校從事風(fēng)工程教學(xué)的教師隊(duì)伍來(lái)說(shuō)也有助于他們自身教學(xué)和科研水平的提高。

3 數(shù)值模擬方法在風(fēng)工程教學(xué)中應(yīng)用存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)風(fēng)工程課程的高校中很少系統(tǒng)地采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行教學(xué)，盡管我們?cè)跀?shù)值模擬方法和多媒體教學(xué)技術(shù)相結(jié)合中進(jìn)行了一些探索，但還未形成一個(gè)完善的系統(tǒng)。還存在以下問(wèn)題要解決。

3.1 CFD和FEM商業(yè)通用程序的購(gòu)置

由于風(fēng)工程的數(shù)值模擬必須要具有商業(yè)通用CFD和有限元軟件，這些軟件具有較好的前后處理功能和界面，很適合作為數(shù)值模擬的平臺(tái)和教學(xué)材料，因此，要進(jìn)行數(shù)值模擬方法教學(xué)必須要購(gòu)置相關(guān)的通用商業(yè)軟件和相關(guān)人員的軟件使用培訓(xùn)。目前大多數(shù)風(fēng)工程開(kāi)設(shè)高校都具有相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，但具體應(yīng)用到教學(xué)中去還有待實(shí)施，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該聯(lián)合風(fēng)工程開(kāi)設(shè)高校開(kāi)發(fā)出風(fēng)工程課程教學(xué)數(shù)值模擬平臺(tái)。

3.2 數(shù)值模擬和多媒體教學(xué)相結(jié)合

數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到多媒體教學(xué)中去是一個(gè)復(fù)雜的、涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)的工作，需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，因此，學(xué)校可以成立教研組合作進(jìn)行該教學(xué)課件的開(kāi)發(fā)和制作，這樣可以取得較好的效果。另外也可以購(gòu)買國(guó)外一些標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)工程教學(xué)錄像和視頻資料，結(jié)合多媒體技術(shù)進(jìn)行播放教學(xué)。

4 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬和多媒體教學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)本科生風(fēng)工程課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討，認(rèn)為該方法在土木工程專業(yè)風(fēng)工程課程教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用范圍和諸多優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的可行性，具備較大的應(yīng)用前景，文章最后也給出了進(jìn)一步的完善方法和建議。

參考文獻(xiàn)

[1]馬文勇，尉耀元，谷玉榮，等.本科生風(fēng)工程教學(xué)方法探索[J].教育教學(xué)論壇，2012，30：118-121.

[2]吳謹(jǐn)，夏逸鳴，張麗芳.土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2007.

[3]楊勇，郭子雄.數(shù)值模擬試驗(yàn)在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2005，14（3）：65-67.