土木工程專業(yè)流體力學(xué)課程基本理論及其應(yīng)用的課堂教學(xué)分析

楊聞宇

摘要：流體力學(xué)課程理論性與實踐性較強，在課堂教學(xué)中理論聯(lián)系實踐合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。本文對流體力學(xué)基本理論及其工程實踐案例應(yīng)用進(jìn)行了闡述，包括流體的黏性、帕斯卡原理、伯努利方程、動量方程、邊界層分離及卡門渦街。旨在使學(xué)生能夠充分掌握流體力學(xué)理論并能夠解決工程實踐問題。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；課堂教學(xué)；工程實踐應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）51-0246-03

一、引言

流體力學(xué)課程是土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是用理論分析和實驗的方法來研究流體平衡和運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的一門科學(xué)。通過應(yīng)用物理學(xué)中的質(zhì)量守恒、動量定理、能量守恒原理結(jié)合高等數(shù)學(xué)描述來分析工程中的流動問題；通過應(yīng)用量綱分析、相似理論為開展模型實驗提供理論指導(dǎo)。

流體力學(xué)作為力學(xué)課程，一般安排在理論力學(xué)課程之后，雖然研究內(nèi)容都分為靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)，但其研究對象流體與剛體之間存在根本差別，研究方法也相差很大。流體力學(xué)課程理論性較強，內(nèi)容較抽象，公式繁多且其推導(dǎo)過程復(fù)雜，涉及到高等數(shù)學(xué)相關(guān)知識較多。雖然在土木工程專業(yè)一般選用的教材中多已大大簡化這方面的內(nèi)容，但是必要的公式、推導(dǎo)還是不可或缺，無法完全回避的。其次，學(xué)生對于流體和流體運動的認(rèn)識遠(yuǎn)不如固體，造成學(xué)習(xí)中的不適應(yīng)。因此，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強課堂教學(xué)效果，使學(xué)生能夠掌握流體力學(xué)基本理論，流體力學(xué)教學(xué)工作者提出了諸多教學(xué)方法、教學(xué)思想和教學(xué)探討。例如，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神，可提高和豐富緒論課程的講解[1]，在教學(xué)中引入重大工程實例[2]，以工程案例引入流體力學(xué)理論的教學(xué)[3]，基于生活實踐案例以問題鏈形式進(jìn)行啟發(fā)性工程流體力學(xué)教學(xué)[4]，在流體力學(xué)課堂教學(xué)中利用開放性問題以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維[5]，將CFD數(shù)值模擬實驗引入到課堂教學(xué)當(dāng)中[6]。

在流體力學(xué)課程講授設(shè)計過程中，緒論課程應(yīng)該要起到重要的作用，一方面通過緒論課程的內(nèi)容，引起學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣，使學(xué)生明確流體力學(xué)課程的內(nèi)容和意義；另一方面，可通過對緒論課程中內(nèi)容的設(shè)計串聯(lián)起流體力學(xué)所要教授的主要基本理論，使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有一個初步的整體認(rèn)識。

對緒論課程中列舉的實例，應(yīng)該主要提出問題，引起學(xué)生的思考，給出結(jié)論或涉及到的理論，而不必對相關(guān)理論進(jìn)行具體解釋，待到以后課程講到該理論時，再對緒論中提出的問題、現(xiàn)象進(jìn)行具體的解釋。如在上海交通大學(xué)丁祖榮教授編著的《工程流體力學(xué)》中，緒論中引出了三個對于流體運動認(rèn)識的例子，分別為吹乒乓球：是推力還是吸力？水管出流：水柱凝聚還是發(fā)散？花徑迎風(fēng)：前后擺還是左右擺[7]？同樣在丁祖榮教授編著的《流體力學(xué)》教材中，緒論中也列舉了三個例子：高爾夫球表面光滑還是粗糙飛行更遠(yuǎn)？汽車阻力來自前部還是后部？機翼升力來自下部還是上部[8]？這些例子很好地引出了學(xué)生對于流體運動的認(rèn)識和思考，貼近日常生活又具有工程意義。對這些現(xiàn)象的解釋所包含的流體力學(xué)理論都會在后續(xù)課堂中呈現(xiàn)。

在課堂中提出開放性思考問題也有助于學(xué)生的思考和興趣，如大禹治水的故事人盡皆知，進(jìn)而可以引申出現(xiàn)代城市內(nèi)澇防洪的問題，每當(dāng)暴雨來襲，多數(shù)城市就進(jìn)入“看?！蹦Ｊ?，地鐵、地下車庫等低洼地區(qū)往往受災(zāi)嚴(yán)重，如何解決此問題，實質(zhì)上是一個很好的思考問題。

流體力學(xué)課程不僅理論性強，其日常生產(chǎn)和生活的實踐性也很強，課程包含的基本理論大多都能找到生產(chǎn)或生活實例，而這些應(yīng)用是對理論很好的解釋。下面對部分基本理論及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述：

二、流體的黏性

流體的黏性是流體特有的性質(zhì)，描述阻止流體流動和變形的能力。牛頓黏性定律是重要的講授內(nèi)容。在牛頓黏性定律的應(yīng)用中，可講述流體黏性的測量原理，如通過同軸圓筒系統(tǒng)測量（見圖1）。用同心圓筒測量液體的粘度，已知同心圓筒外筒固定，半徑為r1，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，半徑為r2，高度為h，內(nèi)筒上測得的力矩為T，同心圓筒間隙中的液體流速為線性分布，不計上下端部的粘性影響，顯然內(nèi)筒側(cè)壁上受到的液體內(nèi)摩擦力形成了對于軸的力矩，由內(nèi)摩擦力

凡是符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體為牛頓流體，不符合為非牛頓流體，與土木專業(yè)相關(guān)的材料大多為非牛頓流體，如新拌和的混凝土、水泥，室內(nèi)墻壁用的涂料等。國外還存在以非牛頓流體設(shè)計的減速帶，西班牙Badennove公司所研發(fā)出一種新型的非牛頓流體的液態(tài)減速帶：BIV，這種減速帶利用非牛頓流體獨特的性質(zhì)實現(xiàn)減速的功能，汽車低速通過（低速剪切）時，保持流體狀態(tài)，汽車可以平緩?fù)ㄟ^，當(dāng)高速剪切時類似固體狀態(tài)變硬，汽車就像壓在普通減速帶一樣。

三、液壓的原理

在現(xiàn)實生活中，可以利用液體壓強的傳遞特性實現(xiàn)省力的功能。如常見的液壓傳動裝置，只需要使用很小的力就可以抬起很重的重物。圖2是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。根據(jù)帕斯卡原理，靜止液體中某一點的壓強變化，將等值的傳遞到其他各點。液壓千斤頂中小柱塞施加給液壓油的壓強將傳遞到大柱塞一側(cè)，若大柱塞的面積是小柱塞的10倍，則作用在大柱塞上的壓力即為小柱塞上的10倍。

四、伯努利方程及其應(yīng)用

伯努利方程作為流體動力學(xué)基本方程之一，有著非常重要的應(yīng)用，如畢托管測速、文丘里管測流量、虹吸管輸水等。此外，它還可以解釋足球運動中的弧線球、風(fēng)雨中撐傘雨傘易翻折等現(xiàn)象。

由伯努利方程可知，兩計算斷面上流體的速度和壓強成反比，即流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。足球比賽中經(jīng)常能見到球員踢出精彩的弧線球，其原理可以解釋為（見圖3），旋轉(zhuǎn)的球帶動空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，另一側(cè)氣體減速，形成壓差力，使足球拐彎，這種現(xiàn)象被稱為馬格努斯效應(yīng)。風(fēng)雨天撐傘，傘與風(fēng)向平行或傾斜迎風(fēng)，然而雨傘容易翻折過去（見圖4），雨傘形狀上凸下凹，氣流在上表面速度大壓強小，下表面速度小壓強大，上下表面形成向上的壓力差，致使雨傘翻折。在臺風(fēng)預(yù)報系統(tǒng)中（見圖5），會發(fā)現(xiàn)有兩列數(shù)據(jù)，臺風(fēng)中心壓強和風(fēng)力大小，可以從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律：風(fēng)力越大（即風(fēng)速越大），壓強越小。

在課堂上還可以采用簡單的小實驗說明伯努利方程的應(yīng)用，如（1）吹氣可以吸住乒乓球，通過漏斗用力向下吹乒乓球，乒乓球能夠被吸住而不掉下來。（2）小球可以追著風(fēng)跑，只需要兩支鉛筆作為軌道，將乒乓球放在軌道上，用吸管在乒乓球的前方連續(xù)吹氣并不斷向前運動。（3）對著靠近的兩張平行的紙中間吹氣，兩張紙會吸在一起。

五、動量方程及其應(yīng)用

動量方程作為流體動力學(xué)基本方程之一，主要解決流體與固體相互作用力的問題。動量方程表明作用于控制體上的外力等于單位時間流出控制體流體的動量與流入流體的動量之差。自由射流問題作為其重要的應(yīng)用之一。在園藝工作中常見到給草坪澆水采用噴灌的形式，搖臂式噴頭是使用最廣泛、性能最穩(wěn)定的噴頭之一，在噴管上方的搖臂軸上，套裝一個前端設(shè)有偏流板（擋水板）和導(dǎo)流板的搖臂，壓力水從噴管的噴嘴中噴出時，經(jīng)偏流板沖擊導(dǎo)流板，可做360度旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)形式可見圖6。

六、邊界層分離和卡門渦街

邊界層理論是流體力學(xué)中最重要的理論之一，標(biāo)志著近代流體力學(xué)階段的開始，解決了繞流阻力的問題。前述高爾夫球和汽車的阻力問題都可以用邊界層分離理論進(jìn)行解釋?？ㄩT渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，在自然界中?？捎龅剑谝欢l件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地交替脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、交叉排列的渦列，稱為卡門渦街?？ㄩT渦街能夠引起高層建筑的橫向振動，例如，美國紐約的帝國大廈在大風(fēng)盛行的季節(jié)左右搖擺的振幅可達(dá)1m左右[7]。卡門渦街對建筑安全上的重要作用還體現(xiàn)諸如美國華盛頓州塔科瑪橋風(fēng)毀事故上，塔科瑪海峽大橋的毀壞，就是由周期性旋渦的共振引起的[9]。

七、結(jié)論

流體力學(xué)課程理論性和實踐性都很強，涉及到的自然、工程問題眾多，文中僅就部分流體力學(xué)基本理論及其應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)闡述，旨在拋磚引玉，流體力學(xué)課程授課教師可在教學(xué)及日?？蒲谢顒又胁粩喾e累工程實例，做到理論聯(lián)系實踐，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計好課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生能夠充分掌握流體力學(xué)理論并能夠解決工程實踐問題。

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