工程流體力學課程案例式教學初探

李德玉++李嘉薇++陳更林

摘 要 在分析工程流體力學課程教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，為了克服教學模式單一的弊端，提出在教學中適時采用案例式教學模式的方案。以航空史上發(fā)生的多起空難事故為背景，引出皮托測速管測速的工程案例。通過對皮托測速管結(jié)構(gòu)介紹、測速的流體力學原理分析和皮托測速管工程應(yīng)用的拓展等關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計，完成流體力學中關(guān)于伯努利方程的教學案例。

關(guān)鍵詞 案例教學；工程流體力學；皮托測速管

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）02-0091-03

Preliminary Study of Case Teaching in Engineering Fluid Me-chanics//LI Deyu， LI Jiawei， CHEN Genglin

Abstract Based on current study and teaching situation of engi-neering fluid mechanics， case teaching method was applied in the teaching process to overcome the drawbacks of traditional teaching mode. This paper mainly focused on a case teaching of Bernoullis Equation. Firstly， several typical cases of airplane crash were intro-duced. Secondly， the investigation results of these cases showed that the velocity meters （Pitot tube） faults were the direct reason. Finally， by discussion of the structure and working principles of Pitot tube，

students can have a good grasp of engineering application of Ber-noullis Equation.

Key words case teaching； engineering fluid mechanics； Pitot tube

1 引言

工程流體力學課程是高等工科院校的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系前期高等數(shù)學、理論力學等基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁和紐帶，在學生能力培養(yǎng)和知識體系構(gòu)建過程中起著承上啟下的作用。由于很多學生缺乏生活經(jīng)驗，對流體力學現(xiàn)象認識模糊。同時，一些流動現(xiàn)象和流動規(guī)律很難用語言描述清楚。因此，學生普遍感覺流體力學概念抽象，難以理解，對該課程產(chǎn)生畏難情緒和厭學現(xiàn)象，學習積極性不高。

2 教學現(xiàn)狀

工程流體力學課程教學現(xiàn)狀可以從學生上課缺勤多、作業(yè)抄襲多和書看得少、師生交流少這“兩多兩少”來體現(xiàn)。一方面，這種現(xiàn)狀與學生的個人因素有關(guān)；另一方面，這也反映出當前工程流體力學課程教育教學存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，亟待完善。這主要體現(xiàn)在以下方面。

教學資源短缺，教學模式單一 工程流體力學課程開設(shè)已久，但現(xiàn)有的教學資源比較有限，質(zhì)量不高。數(shù)十年來，盡管國內(nèi)出版的工程流體力學教材種類繁多，但內(nèi)容編排上千篇一律，缺乏新意，可閱讀性差；課堂教學盡管采用多媒體方式，但現(xiàn)有的多媒體教學課件形式單一，內(nèi)容不夠豐富，缺乏實戰(zhàn)性，導致教學仍以口授為主，課堂互動性不足，學生學習積極性不高、主動性不夠。

實踐教學內(nèi)容陳舊，缺乏啟發(fā)性、創(chuàng)新性 實踐教學是工程流體力學課程教學體系的重要組成部分，是鍛煉學生科研動手能力、培養(yǎng)科學研究素質(zhì)的基本途徑，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。中國礦業(yè)大學的工程流體力學實踐環(huán)節(jié)以實驗室實驗教學為主，盡管實驗種類較多，但以演示性、驗證性實驗為主，而且內(nèi)容陳舊，實驗手段老套，測量技術(shù)落后，很難激發(fā)學生實驗興趣，更難適應(yīng)研究型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。此外，實踐教學與課堂教學不同步，配合不緊密，使得實踐教學環(huán)節(jié)在課程教學中所起的作用被大大削弱。

缺少有效的師生溝通平臺，師生交流少 “課程答疑”這種教學過程中主要的師生交流方式現(xiàn)已被學生所忽視，很少有學生能夠主動地去參加答疑。師生交流少，就容易造成“教”與“學”的分離，給課程教學的有效開展構(gòu)成了障礙。

針對現(xiàn)階段教學過程中出現(xiàn)的各種問題，力圖改變傳統(tǒng)的教學方法，通過立體化教材建設(shè)、立體化理論與實踐教學模式和多元化的輔助教學模式建設(shè)，構(gòu)建起工程流體力學立體化教學體系。通過建設(shè)，使學生更多地了解流動問題的工程背景和實際應(yīng)用，加深感性認識，提高學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，使工程流體力學課程的教學水平邁上一個新臺階。本文將詳細分析工程流體力學立體化教學體系建設(shè)過程中案例式教學模式的構(gòu)建，并以皮托測速管的工程應(yīng)用為例，闡述工程教學案例的設(shè)計方法。

3 工程案例式教學法簡介

工程案例教學法是一種以工程案例為基礎(chǔ)的教學方法，這種教學方法可以有效引導學生參與課堂討論，有助于培養(yǎng)學生的工程觀念，提高學生的綜合能力和解決實際問題的能力，進而達到激勵學生主動參與教學活動、改善教學效果的目的[1-2]。

工程案例設(shè)計是實施案例式教學的核心，開展案例式授課前，教師應(yīng)結(jié)合工程實際，精心選擇工程案例[3]。本文以工程流體力學課程中的伯努利能量方程知識點為背景，提出有關(guān)皮托測速管（測速管或空速管）的實際工程案例。教學案例主要包括三個設(shè)計環(huán)節(jié)：工程問題的引出（背景介紹）、工程問題分析與討論、總結(jié)評述與拓展。

工程問題的引出：皮托測速管測速與飛行安全 皮托管（Pitot tube），航空業(yè)界又稱之為“空速管”，是通過測量氣流滯止壓力（或稱總壓）與氣流靜壓差值來確定氣流速度的一種裝置，是飛機上極其重要的測速元件。該測速裝置測速的準確性和可靠性直接決定了飛機飛行的安全性?？账俟芤话惆惭b在機身對氣流影響較少的區(qū)域，如機頭正前方、垂尾或翼尖的前方。

在航空發(fā)展史上，由于空速管測速故障引起的空難已發(fā)生多起，其中最典型的案例是伯根航空301號航班空難。伯根航空301號航班隸屬于土耳其伯根航空公司，機型是波音757大型客機。1996年2月6日，飛機于多米尼加共和國首都圣多明哥起飛后5分鐘突然左傾落海，機上189人（含機組成員）無一生還。據(jù)多米尼加調(diào)查局和美國國家運輸安全委員會（NTSB）共同調(diào)查結(jié)果揭示，安裝在飛機駕駛艙外下方的空速管被堵塞，從而引起空速管測速故障，使測量數(shù)據(jù)與實際飛行速度出現(xiàn)較大偏差。錯誤的飛行數(shù)據(jù)導致機組人員采取一系列錯誤操作，致使飛機最終發(fā)生“失速”，釀成慘劇。

類似事故還有2009年發(fā)生的法國航空447號航班空難以及2003年秘魯航空603號航班空難。

工程問題分析與討論 從航空空難案例的調(diào)查結(jié)果可以看出，皮托測速管測速故障是導致空難發(fā)生的重要因素。那么，皮托測速管是通過什么流體力學原理進行飛機飛行速度測量的呢？皮托測速管堵塞現(xiàn)象對測速結(jié)果又會造成什么影響？皮托測速管在流體工程應(yīng)用中又有哪些要求？由此便引出關(guān)于皮托測速管測速的工程問題。

結(jié)合本文所給出的實際工程案例，引導學生運用學過的沿流線理想流體伯努力方程的有關(guān)知識，結(jié)合皮托測速管結(jié)構(gòu)特點，分析和討論皮托測速管靜壓管和總壓管的流動特點，使學生深入理解并掌握伯努力方程的工程應(yīng)用及皮托測速管工程測速方法。

1）皮托測速管結(jié)構(gòu)分析。由于接觸工程實踐較少，學生對絕大多數(shù)流體工程測量儀表缺乏感性認識，因此，工程問題的分析首先應(yīng)從裝置結(jié)構(gòu)分析入手?；窘Y(jié)構(gòu)上，皮托測速管由同軸的內(nèi)、外兩根圓管路組成，外管套在內(nèi)管外側(cè)（圖1）。內(nèi)管前端開孔（O點，稱為總壓測點，因而內(nèi)管也被稱為總壓管），測速時正對來流。外管在距前端適當長距離處的管壁上沿周向均勻布置3～7個測壓孔孔（B點，稱為靜壓測點，因而外管也被稱為靜壓管）。為使用方便，一般會在測壓孔后適當位置，將皮托測速管的內(nèi)、外兩管分別彎折90o，構(gòu)成柄狀，并引出兩個接口[4]。具體使用時，將差壓計的兩個取壓孔分別與皮托測速管的兩個接口相連，通過讀取差壓計的示數(shù)，就可以獲得流體的流動速度。

2）皮托測速管測速原理分析。根據(jù)流動分析可以知道，當把皮托測速管放入待測速流體中，首先一部分外部流體在壓力作用下流進靜壓管和總壓管內(nèi)，待充滿后，皮托測速管內(nèi)的流體均保持靜止狀態(tài)。對于正對來流的O點而言，總壓管內(nèi)的靜止流體對于前方外部運動流體產(chǎn)生滯止作用（也可理解為外部運動流體對總壓管內(nèi)流體時刻保持一種物理上的沖擊作用），導致總壓管前方流體速度始終保持為零，此點被稱為滯止點。從能量角度來看，流體質(zhì)點運動的動能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能，使總壓管內(nèi)流體壓力較高。而流經(jīng)B點的流體受皮托測速管中靜止流體的影響很小（僅是流體間的剪切作用），可視為維持來流狀態(tài)，即B點流體壓力為外部流動流體的靜壓。

從流場分析的角度來看，皮托測速管正前方的A點、總壓測點O點和靜壓測點B點可近似看作在同一條流線上，根據(jù)理想流體沿流線的伯努利方程可知：

由于皮托測速管很細，它放置于流場中不會影響氣流速度，即vA=vB，且可認為zA=zB，故得：

由上述測速公式可以看出，當外部流體和差壓計內(nèi)示壓流體種類確定后，外部待測流體流速僅取決于差壓計的液面差Δh。結(jié)合流體靜壓特性可以知道，Δh若要正確反映總壓p0與靜壓pB之差，流體必須滿足連通的條件。而伯根航班301航班空難，皮托測速管的堵塞，卻恰恰造成管內(nèi)流體不滿足該條件，造成外部流體的壓力無法正確體現(xiàn)到差壓計上，最終影響實際飛行速度的測量值，導致皮托測速管失效。

總結(jié)評述與拓展 總結(jié)評述與拓展是工程案例式教學的重要組成部分，是對工程案例教學過程的高度概括和提升。設(shè)計與組織好總結(jié)評述與拓展環(huán)節(jié)，可以鍛煉學生的歸納和總結(jié)能力，使學生開闊視野、增強工程觀念，提高分析和解決實際工程問題的能力。

結(jié)合本文所給工程案例，對皮托測速管工程應(yīng)用加以總結(jié)和擴展。皮托測速管除了可以用來測量飛機飛行速度外，還可用來測量飛行高度。要求學生運用流體靜力學中所掌握的大氣壓分布特點，結(jié)合前述皮托測速管結(jié)構(gòu)和測量原理，分析皮托測速管兼做飛機飛行高度計的原理。此外，在流體輸送、化工、礦井通風等工程中，皮托測速管還常被用來測量流量。要求學生結(jié)合流體管道流動速度分布特點，分析皮托測速管測流量的原理和方法。

4 結(jié)束語

在工程流體力學課程立體化教學體系構(gòu)建過程中，引入案例式教學模式。結(jié)合流體力學工程實例，目前已設(shè)計出皮托測速管、文丘里管、拉瓦爾噴嘴等相關(guān)教學案例十余個。這些案例的成功運用豐富了課堂教學形式，激勵了學生學習積極性，提高了學生分析、解決實際問題的能力，增進了師生間的交流，收到良好的教學效果?！?/p>

參考文獻

[1]賈紹義，夏清，吳松海，等.工程案例教學法在化工原理課程教學中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2010（3）：78-81.

[2]米偉哲.案例教學法在工程實踐教學中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2010（3）：145-146.

[3]歐儉平.工程案例教學法在熱能與動力工程專業(yè)課教學改革中的實踐[J].高教論壇，2006（5）：131-132.

[4]宋秋紅.工程流體力學[M].上海：上海交通大學出版社，2012.