基于CFD的探究性學(xué)習(xí)在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用

唐群國(guó) 陳晶田 譚 瓊

[摘 要]課題組分析了“工程流體力學(xué)”教學(xué)中存在的主要問(wèn)題以及將探究性學(xué)習(xí)引入“工程流體力學(xué)”教學(xué)的必要性和可行性，結(jié)合“工程流體力學(xué)”課程特點(diǎn)，制訂了基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真技術(shù)的探究性學(xué)習(xí)的實(shí)施辦法，對(duì)探究性學(xué)習(xí)的效果做了分析。教學(xué)實(shí)踐表明，探究性學(xué)習(xí)在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力、鞏固對(duì)理論知識(shí)的理解掌握以及提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力方面都有積極作用。

[關(guān)鍵詞]探究性學(xué)習(xí);工程流體力學(xué);CFD

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）06-0007-03

2017年2月，為應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)形態(tài)的挑戰(zhàn)，從服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來(lái)發(fā)展的高度，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》，通知指出：當(dāng)前，國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)要求高等學(xué)校的工科教育需要與時(shí)俱進(jìn)，在教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)手段上不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、富有創(chuàng)新精神、綜合素質(zhì)高的人才。

針對(duì)“工程流體力學(xué)”教學(xué)中存在的以教師為中心的滿堂灌教學(xué)模式的弊端，我們結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)中嘗試向“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，采用“部分翻轉(zhuǎn)課堂”及探究性學(xué)習(xí)方法，以提高教學(xué)效率和教學(xué)效益，關(guān)于“部分反轉(zhuǎn)課堂法”已另文介紹[1]。

一、“工程流體力學(xué)”教學(xué)中存在的問(wèn)題

“工程流體力學(xué)”是機(jī)械、材料、航空航天、能源動(dòng)力、輪機(jī)工程、環(huán)境工程、土木建筑、化工、生物工程等很多工科專(zhuān)業(yè)的重要理論基礎(chǔ)課。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握工程流體力學(xué)的一般原理和規(guī)律，能夠利用工程流體力學(xué)的一般規(guī)律分析解決所在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)流體力學(xué)問(wèn)題。“工程流體力學(xué)”不僅具有較強(qiáng)的理論性，還具有鮮明的實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)高教領(lǐng)域在“工程流體力學(xué)”及相關(guān)課程的教學(xué)理念、課程體系、教學(xué)方法等方面做了許多有益的探索[2-5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在流體力學(xué)研究領(lǐng)域取得了很多研究成果，特別是在計(jì)算工程流體力學(xué)（CFD）研究上有了長(zhǎng)足發(fā)展并在工程實(shí)踐中獲得了廣泛應(yīng)用。為了使理論教學(xué)緊跟時(shí)代發(fā)展，在教學(xué)中應(yīng)及時(shí)汲取最新研究成果，豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生接觸學(xué)科發(fā)展的前沿。然而，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)工科本科生編寫(xiě)的“工程流體力學(xué)”教材，盡管編者及版本各異，但主要內(nèi)容多年來(lái)變化不大。除教學(xué)內(nèi)容之外，筆者認(rèn)為目前“工程流體力學(xué)”教學(xué)中尚存在以下問(wèn)題：

（1）由于學(xué)科特點(diǎn)，課程理論性強(qiáng)，課堂教學(xué)不夠生動(dòng)?！肮こ塘黧w力學(xué)”研究的對(duì)象是液體與氣體，而常見(jiàn)的流體如水和空氣均無(wú)色透明，流動(dòng)很多時(shí)候是“來(lái)無(wú)形，去無(wú)蹤”。由于流體不同于固體的特點(diǎn)，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的描述采用不同于固體力學(xué)的方法（Euler法），研究上主要采用微積分方法推導(dǎo)，過(guò)多的理論推導(dǎo)難免會(huì)讓學(xué)生感到枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)一些基本概念如跡線、脈線、流線、速度場(chǎng)、加速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、等壓線、紊流、渦旋的理解往往停留在定義上，缺乏直觀的感性認(rèn)識(shí)。雖然借助可視化技術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段可以幫助學(xué)生觀察一些在特定條件下的流動(dòng)現(xiàn)象，但是這些實(shí)驗(yàn)裝置需要場(chǎng)地和設(shè)備等投入，并不是所有的教學(xué)單位都具備，而且現(xiàn)有可視化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置能夠演示的流場(chǎng)類(lèi)型還非常有限，同時(shí)可視化演示方法一般采用物理的或化學(xué)的方法對(duì)原有流場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，如在液體里加注氣泡等，因此呈現(xiàn)在眼前的流場(chǎng)并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際流場(chǎng)的真實(shí)面貌，對(duì)于復(fù)雜流場(chǎng)特別是非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)還很難實(shí)現(xiàn)可視化演示。

（2）在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力方面，現(xiàn)有的側(cè)重理論的課堂教學(xué)方式跟不上新技術(shù)發(fā)展的需要。隨著科技日新月異的發(fā)展，很多涉及流體的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題需要基于流場(chǎng)的精確計(jì)算，而需要研究解決的流場(chǎng)問(wèn)題也日趨復(fù)雜，很難通過(guò)教材上提供的解析方法解決。因此，迫切需要在教授基本理論的基礎(chǔ)上，適當(dāng)拓展教材知識(shí)體系，使學(xué)生接觸、了解并初步學(xué)會(huì)新的流場(chǎng)分析方法。遺憾的是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的“工程流體力學(xué)”教材基本上沒(méi)有涉及CFD較完整的介紹。事實(shí)上，當(dāng)今CFD技術(shù)在很多工程技術(shù)領(lǐng)域已獲大量應(yīng)用，相關(guān)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析軟件也已“飛入尋常百姓家”，成為工程技術(shù)人員不可或缺的有力工具。在高等教育比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)，“工程流體力學(xué)”的教材中通常都包含關(guān)于CFD內(nèi)容的專(zhuān)門(mén)章節(jié)，而且在本科教學(xué)計(jì)劃中安排了若干課時(shí)的CFD仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

（3）隨著信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)“工程流體力學(xué)”前已具備較好的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用能力。如機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生基本能熟練使用Matlab， AutoCAD，Solidworks，ProE等通用軟件，為學(xué)習(xí)CFD軟件打下了很好的基礎(chǔ)。

（4）隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算仿真的研究成果越來(lái)越多地見(jiàn)諸網(wǎng)絡(luò)媒體，很多視頻利用CFD技術(shù)生動(dòng)形象地模擬再現(xiàn)了復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，如高鐵行駛中氣體的流動(dòng)、蜜蜂飛行過(guò)程中周?chē)諝獾牧鲃?dòng)、卡門(mén)渦列（Karman Vortex ）現(xiàn)象、超音速飛機(jī)音爆現(xiàn)象、水下爆炸引起的水擊過(guò)程、泄洪口開(kāi)閘泄洪過(guò)程等。在教學(xué)過(guò)程中將這些讓人喜聞樂(lè)見(jiàn)、栩栩如生的視頻資料演示給學(xué)生時(shí)，無(wú)疑會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的興趣，對(duì)于幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題，深化對(duì)有關(guān)物理概念的理解將起到事半功倍的效果。

二、探究性學(xué)習(xí)在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中的作用

傳統(tǒng)的“工程流體力學(xué)”教學(xué)以教師為中心，以課堂學(xué)習(xí)為主，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中基本處于被動(dòng)地位，是“要我學(xué)”而不是“我要學(xué)”，學(xué)生按要求完成聽(tīng)課、作業(yè)、考試等環(huán)節(jié)，教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)都圍繞著教材內(nèi)容。這種封閉式的教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，不利于培養(yǎng)質(zhì)疑精神，更不利于培養(yǎng)勇于探索的科學(xué)精神。相反，探究性學(xué)習(xí)是以問(wèn)題為導(dǎo)向的開(kāi)放式學(xué)習(xí)過(guò)程，不同于教材中的例題和習(xí)題，探究性學(xué)習(xí)要研究解決的問(wèn)題主要來(lái)自于生活或工程實(shí)際，并沒(méi)有現(xiàn)成的答案。探究性學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，讓學(xué)生在分析解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中加深對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)理解，感受、認(rèn)識(shí)知識(shí)的價(jià)值和力量，在學(xué)以致用的過(guò)程中獲得一定程度的成就感。

探究性學(xué)習(xí)是對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的拓展和補(bǔ)充，要探討的問(wèn)題與所學(xué)知識(shí)密切相關(guān)，涉及“工程流體力學(xué)”的基本規(guī)律。在選擇探究性課題時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主選題，選擇感興趣的流體問(wèn)題?？紤]到時(shí)間因素和學(xué)生所具有的知識(shí)水平情況，教師需對(duì)選題的復(fù)雜程度進(jìn)行評(píng)估，原則上選題要對(duì)學(xué)生起到訓(xùn)練的作用，但又不會(huì)因?yàn)閱?wèn)題過(guò)于復(fù)雜以致力不能及而耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間精力，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生挫敗感。例如不推薦模型結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題、設(shè)計(jì)多個(gè)物理場(chǎng)的流動(dòng)問(wèn)題及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問(wèn)題。選題來(lái)源可考慮：

（1）教材上列舉的一些流動(dòng)問(wèn)題，如平行平板間的壓差流動(dòng)、剪切流動(dòng)，彎管內(nèi)的脫壁和二次流動(dòng)，三通或四通管接頭內(nèi)的混流，薄壁孔口或管嘴的出流，圓管層流，關(guān)于這些流動(dòng)問(wèn)題盡管教材上做了簡(jiǎn)單介紹，但關(guān)于流動(dòng)的具體情景、流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)（如流線分布等）一般最多給出示意性的說(shuō)明，缺乏直觀生動(dòng)的圖像資料來(lái)輔助說(shuō)明。

（2）生活中一些看似熟悉但又不夠清楚的流動(dòng)問(wèn)題，如水庫(kù)泄洪時(shí)閘門(mén)附近的流動(dòng)、汽車(chē)前進(jìn)時(shí)空氣的繞流、消防水龍頭內(nèi)的流動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)的流動(dòng)等，這些問(wèn)題貼近生活，學(xué)生應(yīng)用CFD方法建模、計(jì)算分析后，不但會(huì)加深對(duì)力學(xué)規(guī)律的理解，也有助于培養(yǎng)細(xì)心觀察勤于思考的習(xí)慣。在了解了現(xiàn)象背后的力學(xué)規(guī)律后，也可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考如何應(yīng)用工程流體力學(xué)的知識(shí)對(duì)問(wèn)題中的有關(guān)結(jié)構(gòu)做設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高流體機(jī)械或設(shè)備的使用性能。

（3）結(jié)合專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)方向提出一些問(wèn)題。例如，對(duì)于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以結(jié)合后續(xù)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)給出液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)的一些流動(dòng)問(wèn)題、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的一些典型流動(dòng)問(wèn)題：滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑、液壓泵吸油過(guò)程中的氣穴形成、縫隙內(nèi)的流動(dòng)、管道內(nèi)的流動(dòng)、各種結(jié)構(gòu)形狀的液壓閥閥口流動(dòng)等。

三、基于CFD的探究性學(xué)習(xí)實(shí)施的方法

根據(jù)探究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)要求，在符合教學(xué)大綱總體要求的前提下，我們對(duì)原有的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容及課程評(píng)價(jià)方法做出了相應(yīng)的調(diào)整：

（1）在緒論部分選擇一些CFD的最新研究成果展示給學(xué)生，說(shuō)明CFD強(qiáng)大的仿真計(jì)算能力，以及在科學(xué)研究中的作用，對(duì)CFD做簡(jiǎn)要介紹。在講授運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)內(nèi)容時(shí)，引入CFD仿真計(jì)算的例子，以演示流動(dòng)中的流線分布、跡線分布、壓力場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布，幫助學(xué)生更好地理解流線等物理概念。

（2）關(guān)于CFD理論及方法的介紹。CFD研究包括理論研究和軟件開(kāi)發(fā)兩方面。CFD的理論基礎(chǔ)比較復(fù)雜，涉及流體動(dòng)力學(xué)方程（為偏微分方程）的數(shù)值求解理論，求解域的建模及離散化理論一般在研究生階段才會(huì)學(xué)習(xí)，如果完整講解需要課時(shí)較多，顯然不適合也不可能要求本科生全面學(xué)習(xí)掌握，因此重點(diǎn)是讓學(xué)生在了解計(jì)算原理的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)使用CFD的軟件工具，感興趣且學(xué)有余力的學(xué)生可以課后進(jìn)一步查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。

在講授完“工程流體力學(xué)”基本原理后，介紹CFD流場(chǎng)仿真的主要方法步驟，以及常用的CFD軟件產(chǎn)品。CFD軟件產(chǎn)品有多種，學(xué)生比較容易獲得，目前在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用較多的有ANSYS。ANSYS為一大型計(jì)算仿真工具，包含應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)等各種物理場(chǎng)問(wèn)題計(jì)算分析模塊。而用于流體問(wèn)題研究的是Fluent模塊，該模塊與其他通用軟件如AutoCAD， SolidWorks等具有很好的兼容性，可以直接把在上述軟件中建立的流場(chǎng)幾何模型導(dǎo)入Fluent中，然后按順序完成網(wǎng)格劃分、邊界條件及初始條件設(shè)置、收斂精度設(shè)定、計(jì)算、計(jì)算結(jié)果的后處理及結(jié)果輸出等過(guò)程。此軟件人機(jī)交互性友好，計(jì)算結(jié)果的輸出呈現(xiàn)形式豐富，易于理解。實(shí)踐表明，大多數(shù)學(xué)生可以利用課后時(shí)間在兩周內(nèi)初步掌握其使用方法，對(duì)于個(gè)別學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生可以進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)，或鼓勵(lì)同學(xué)之間互相學(xué)習(xí)，互相幫助。為了使初學(xué)者少走彎路，應(yīng)該對(duì)使用CFD軟件時(shí)需注意的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明，如如何對(duì)實(shí)際流場(chǎng)結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)化，網(wǎng)格類(lèi)型、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量與計(jì)算精度和計(jì)算速度的關(guān)系，邊界條件的物理意義及設(shè)置方法等。課堂上可通過(guò)1～2個(gè)例子演示仿真過(guò)程。

（3）在工程流體力學(xué)課程結(jié)束時(shí)，布置CFD仿真計(jì)算作業(yè)，題目主要由學(xué)生自由選擇感興趣的流動(dòng)現(xiàn)象，也可以由教師給定。為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，將學(xué)生分組，3～5人為一組，每組完成一個(gè)課題研究。

（4）課題研究的成果交流。CFD仿真作業(yè)大約在2周內(nèi)可完成，然后安排時(shí)間答辯。要求每個(gè)小組將所做的CFD仿真結(jié)果整理成研究報(bào)告，制作PPT，并指定一人做介紹，對(duì)提出的問(wèn)題做出回答。通過(guò)這種集中報(bào)告交流，大家可以互相學(xué)習(xí)，獲得更多的對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)理解。

（5）探究性學(xué)習(xí)的成績(jī)?cè)u(píng)定。將探究性學(xué)習(xí)作為課程學(xué)習(xí)的一部分，將成績(jī)按比例算入課程總成績(jī)，如10%。成績(jī)?cè)u(píng)定主要考慮任務(wù)完成情況、任務(wù)難度、研究報(bào)告及答辯情況等。

四、探究性學(xué)習(xí)的實(shí)施情況

按照以上思路，在2017和2018年，我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)卓越班的“工程流體力學(xué)”教學(xué)中開(kāi)展了基于CFD的探究性學(xué)習(xí)，卓越班的學(xué)生總體上具有較扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，兩次參與學(xué)習(xí)的學(xué)生共計(jì)62人，除1人未能按要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)外，其他學(xué)生均給出了包括選題、建模、仿真計(jì)算、結(jié)果分析討論的較完整的探究學(xué)習(xí)報(bào)告，許多學(xué)生對(duì)這種不同以往的學(xué)習(xí)方式給予了積極的評(píng)價(jià)。限于篇幅，圖1給出了部分學(xué)生的探究學(xué)習(xí)成果，圖示為應(yīng)用CFD方法對(duì)不同場(chǎng)景條件下用流線表達(dá)的流體速度場(chǎng)分布，與速度場(chǎng)類(lèi)似，學(xué)生也給出了壓力場(chǎng)等仿真結(jié)果。

五、結(jié)語(yǔ)

概括起來(lái)，探究性學(xué)習(xí)對(duì)教學(xué)產(chǎn)生的主要作用有：

（1）一定程度上改變了以課堂為主的單一教學(xué)模式，增強(qiáng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性，盡管軟件學(xué)習(xí)和項(xiàng)目完成增加了一些時(shí)間投入，但學(xué)生普遍認(rèn)為收獲很大，提高了自己自主學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的能力。

（2）基于CFD的探究性學(xué)習(xí)，引入流體力學(xué)研究的新成果新方法，豐富和拓展了“工程流體力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容，突出學(xué)用結(jié)合，使流動(dòng)現(xiàn)象“可視化”，學(xué)生不僅牢固掌握了“工程流體力學(xué)”的基本理論，而且為解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)更為復(fù)雜的流體力學(xué)問(wèn)題打下了較好的基礎(chǔ)。

（3）探究性學(xué)習(xí)的分組協(xié)作、學(xué)習(xí)CFD軟件過(guò)程中遇到困難時(shí)的互相幫助、成果交流分享和答辯環(huán)節(jié)一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神、質(zhì)疑和表達(dá)能力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 唐群國(guó)，朱龍威，譚瓊.“部分翻轉(zhuǎn)課堂”在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2017（12）：10-12.

[2] 李楠，張財(cái)紅.工程流體力學(xué)課程應(yīng)用化教學(xué)改革研究[J].教學(xué)研究，2014（3）：92-95.

[3] 楊揚(yáng)，張勤星，王利霞，等.工科流體力學(xué)教學(xué)方法與改革[J].大學(xué)教育，2015（5）：137-138.

[4] 張引弟，廖銳全，李元鳳，等.《工程流體力學(xué)》課程考核方式的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：139-143.

[5] 謝翠麗，倪玲英.計(jì)算流體力學(xué)在工程流體力學(xué)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2017 （5）：503-505+495.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]