基于“興趣-科研-探索”的船舶與海洋工程流體力學(xué)啟發(fā)式教學(xué)模式初探1)

倪寶玉 戴紹仕 王詩平

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)

流體力學(xué)課程是經(jīng)典力學(xué)課程之一，是諸多專業(yè)的本科生核心課程。關(guān)于流體力學(xué)教學(xué)方法的相關(guān)探討、改革等也一直是人們關(guān)注的熱點之一[1-5]。船舶與海洋工程流體力學(xué)屬于流體力學(xué)下面按照專業(yè)特色而形成的一個分支，與理論流體力學(xué)和通用領(lǐng)域或其他領(lǐng)域(如航空航天領(lǐng)域)的“流體力學(xué)”有所區(qū)別，需要關(guān)注“流體力學(xué)”理論知識在“船舶與海洋工程”學(xué)科的應(yīng)用，具有鮮明的學(xué)科特色[6-7]，例如需要特別注意自由液面、表面波以及空泡等效應(yīng)，同時在大部分時候也可以忽略流體的可壓縮性等。

以往教學(xué)經(jīng)驗表明，學(xué)生普遍反映這門課概念抽象、理論性強。本文借鑒前人的豐富經(jīng)驗[1-5]，結(jié)合自身的教學(xué)體會，以西餐為比擬，提出一種“興趣-科研-探索”的啟發(fā)式教學(xué)模式，并以船舶與海洋工程中的空泡現(xiàn)象為例，闡述該教學(xué)方法，以期給予相關(guān)教學(xué)人員和學(xué)生一些參考。

1 前菜：選好切入點，激發(fā)學(xué)生流體知識興趣

由于具有大量理論公式，相較于其他大學(xué)課程，船舶與海洋工程流體力學(xué)課程確實比較難。然而換個角度看，該課程又是距離我們生活最近的一門課程，許多日?，F(xiàn)象都離不開流體力學(xué)的知識。為此，在講述每個知識點之前，本教學(xué)模式都試圖將該知識點與日常生活進行聯(lián)系，首先勾起學(xué)生們的好奇和興趣。

在講述空泡現(xiàn)象問題之前，本文會選擇一個非常有趣的問題作為“前菜”：夏天口渴時，喝可樂等碳酸飲料會比喝非碳酸飲料覺得更“爽”，這是什么原因呢？拋開二氧化碳本身對于人體的生物學(xué)刺激不談，單純從流體力學(xué)角度看，這是由于碳酸飲料中的微氣泡在人體組織附近潰滅，形成局部水射流，對人體產(chǎn)生了局部沖擊，從而形成了人們直觀感受的勁爽的“殺口感”。氣泡在壁面附近的潰滅和射流沖擊的原理示意圖如圖1 所示，相關(guān)氣泡潰滅沖擊的相關(guān)進展和日常應(yīng)用可推薦同學(xué)們參見文獻[8]。

2 主菜：融入知識點，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

教學(xué)的核心還是在于將知識點高效地傳授給學(xué)生們，在“前菜”開胃之后，需要將“主菜”即知識點傳授給學(xué)生們。這里并不是簡單的將知識“填鴨式”地教給學(xué)生，而是以工程實際中遇見的問題為例，促進學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

圖1 微氣泡在壁面附近的潰滅和沖擊[8]

以可樂中的微氣泡潰滅沖擊為牽引，當(dāng)學(xué)生們的興趣被激發(fā)后，進一步回到船舶與海洋工程領(lǐng)域，以常見的螺旋槳槳葉和水輪機葉輪槳葉空蝕(或稱為氣蝕)為例，如圖2 所示，和同學(xué)們一起討論空泡發(fā)生的原因和機理。

圖2 葉輪空蝕造成的葉片損傷(來自網(wǎng)絡(luò))

這里應(yīng)用到的流體力學(xué)知識點主要是我們熟知的伯努利方程。假設(shè)螺旋槳在進行定速前進和轉(zhuǎn)動，采用固定于螺旋槳槳葉的動坐標系，考慮慣性力等的影響，經(jīng)過前人的推導(dǎo)[9-11]，可獲得等速旋轉(zhuǎn)坐標系下忽略重力影響的伯努利方程

式中PB為槳葉面上某流體質(zhì)點的壓力，VB為流體質(zhì)點相對于運動坐標系的相對速度，Ω為動坐標系的旋轉(zhuǎn)角速度(常數(shù))，P0為槳葉盤面遠前方壓力，r為運動坐標系中的柱坐標，V是運動坐標系的平移速度，即螺旋槳進速(常數(shù))，ρ為流體密度。

根據(jù)水翼有環(huán)量繞流理論[7,9]，螺旋槳葉面一側(cè)流體速度高于葉背一側(cè)，葉面的壓力低于葉背一側(cè)，從而產(chǎn)生推力，即馬格努斯(Magnus)效應(yīng)。

通常認為當(dāng)流體的壓力PB降低至該水溫下的當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎毫v(或稱汽化壓力)時，該點即開始出現(xiàn)空泡，即空泡發(fā)生條件為

基于式(1)，引入兩個無量綱參數(shù)，減壓系數(shù)ξ和空泡數(shù)σ

將式(3)和式(4)代入式(2)則獲得空泡發(fā)生條件的無量綱表達式

根據(jù)式(5)進一步分析減壓系數(shù)ξ和空泡數(shù)σ的影響因素，獲得如何降低和控制空泡初生的方法。相關(guān)方法可組織學(xué)生們主動學(xué)習(xí)，推薦相關(guān)參考文獻[10，12]等，然后通過提問考察學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果。

3 甜點：尋找契合點，典型科研案例進課堂

船舶與海洋工程中有諸多設(shè)計及科研案例均直接與流體力學(xué)知識相關(guān)，授課教師如果能尋找到教學(xué)與科研的契合點，將好的科研案例引入課堂，一方面能夠讓學(xué)生們將理論知識與工程實際相結(jié)合；另一方面可以將最新的科研進展傳遞給學(xué)生們。正如“甜點”一般，讓人在“主菜”的飽腹后，挑逗味蕾，流連忘返。

講述完空泡發(fā)生的基本原理后，可進一步提出一些促進學(xué)生思考的問題，比如螺旋槳空泡的發(fā)生確實是對于螺旋槳的運動性能和槳葉的結(jié)構(gòu)強度造成威脅，工程中希望對其進行有效抑制。然而，空泡現(xiàn)象是否可能被利用，從而提升船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的性能呢？答案是肯定的。以此為牽引，可將一個典型科研案例：超空泡魚雷，介紹給學(xué)生們。

超空泡魚雷，是在魚雷表面和水之間產(chǎn)生一個氣體空腔(即超空泡)，由于魚雷航行在氣腔內(nèi)，則大大降低了航行阻力，極高地提升航行速度。其基本原理和構(gòu)想圖如圖3所示。

根據(jù)式(3)～式(5)可知，減壓系數(shù)ξ只與當(dāng)?shù)亓魉賄B對合成來流速度的比值有關(guān)，而與自身大小無關(guān)，對于固定的物體形狀和攻角的條件下，減壓系數(shù)ξ是固定的。相對地，空泡數(shù)σ則與自身大小直接相關(guān)，對于固定的越大(對應(yīng)螺旋槳進速速度V和/或轉(zhuǎn)速Ω越大)，則σ越小，空化發(fā)生條件(5)越容易滿足，空化現(xiàn)象越嚴重。如圖4 的研究表明，空化數(shù)σ越小，空泡的長度和厚度都在迅速增大。

圖4 空泡形態(tài)隨空化數(shù)σ 變化(其中l(wèi)c 為空泡長度，tc 為空泡最大厚度)的數(shù)值計算結(jié)果[13]

當(dāng)運動速度V0足夠大時，則空泡可能足夠長而包絡(luò)整個物體，即形成超空泡，如圖3所示。對于一般的魚雷而言，V0≥50 m/s 即可產(chǎn)生超空泡效果。然而，單純依靠物體運動而產(chǎn)生的自然空化一般很難穩(wěn)定，故為了產(chǎn)生穩(wěn)定的超空泡，通常會在物體頭部增加空泡發(fā)生器，如圖3 所示?？张莅l(fā)生器通常有兩個作用，一是引入尖銳突變角，從而加強自然空化現(xiàn)象；二是可以通過該發(fā)生器向空泡內(nèi)注入氣體，或稱為主動充氣，從而補充超空泡內(nèi)蒸汽的不足。

超空泡魚雷最早由前蘇聯(lián)提出，其研發(fā)的“暴風(fēng)”號魚雷時速可高達100 m/s 以上，是傳統(tǒng)魚雷的3倍多。目前德國、美國、中國等國家都在研制相關(guān)的超空泡魚雷，并試圖將超空泡技術(shù)推廣到水下火炮系統(tǒng)等。

4 餐后飲品：探索創(chuàng)新點，挖掘?qū)W生無限潛能

在教學(xué)過程中，要鼓勵學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維，理解基本力學(xué)原理后，敢于大膽地想象未來，應(yīng)用基本流體力學(xué)原理會有哪些新技術(shù)和新裝備，一定不能拘泥于書本。學(xué)生的想象力是無限的，老師采用啟發(fā)式和引導(dǎo)式教學(xué)手段，幫助學(xué)生理性地放飛思想。猶如餐后的一杯咖啡，刺激神經(jīng)，激發(fā)無窮想象。

在課程結(jié)束后將學(xué)生分成小組，讓各小組去“腦洞大開”，應(yīng)用學(xué)習(xí)過的流體力學(xué)原理，構(gòu)想未來相關(guān)流體力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，提交一份小組報告，需要闡明背景、應(yīng)用原理和預(yù)期效果等。學(xué)生們對此反響熱烈，經(jīng)過學(xué)生的小組討論和教師輔導(dǎo)，奇思妙想層出不窮。

這里以其中完成度較高的一個小組成果為例，該小組選擇利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾空泡，如圖5所示，開發(fā)一種新型聲學(xué)探測技術(shù)，通過監(jiān)測尾空泡的潰滅噪聲，能夠判斷該螺旋槳的槳葉形狀和型號，從而進一步判斷該艦船或者潛艇的型號。另一方面，由于螺旋槳空泡的潰滅噪聲一直存在，且與海洋背景噪聲的頻率等屬性不同，可以進一步研發(fā)一款追蹤此潰滅噪聲信號的水下武器，從而形成新型水下追蹤和攻擊武器。

圖5 螺旋槳尾空泡

5 小結(jié)

流體力學(xué)是船舶與海洋工程學(xué)科兩大支撐力學(xué)之一，學(xué)好本課程對于該專業(yè)學(xué)生具有重要意義。由于本課程的內(nèi)容抽象，數(shù)理知識較多，一直是學(xué)生覺得最難學(xué)也最枯燥的課程之一。本文結(jié)合多年流體力學(xué)課堂教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生們實際評教反饋，以西餐為比擬，提出一種“ 興趣-科研-探索”的啟發(fā)式教學(xué)模式，并以船舶與海洋工程中的空泡現(xiàn)象為例，對此教學(xué)模式進行了初探。希望對促進船舶與海洋工程流體力學(xué)課程教學(xué)起到一定促進作用。