流體力學課程實踐性教學探索

陳東陽 顧超杰 楊俊偉

摘 要：為了改善流體力學課程教學質(zhì)量、培養(yǎng)新工科人才，本文對當前流體力學課程教學現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析，提出流體力學課程教學改革基本思路。以二維翼型氣動性能為例，提出風洞實驗與計算流體力學（CFD）仿真相結合的實驗內(nèi)容，得到的兩種方法結果交相驗證，通過CFD計算出云圖和實驗中具體的現(xiàn)象了解流動原理，使學生在實驗中了解當前實踐中的流體力學分析方法，為學習專業(yè)課程、從事專業(yè)技術工作和進行科學研究打下堅實的基礎。

關鍵詞：計算流體力學;風洞實驗;教學改革;流體力學

中圖分類號：G420

1 概述

目前，國家大力發(fā)展新工科，加強工科一流專業(yè)建設，推進“十百萬”計劃[1]，傳統(tǒng)的教育方法已經(jīng)不能適用于當前對人才培養(yǎng)和學科發(fā)展的要求。同時教育是民族振興和社會進步的基石，是一個民族最根本的事業(yè)，因而努力辦好人民滿意的教育，深化教育領域綜合改革，推進教育事業(yè)科學發(fā)展具有重大的意義[2]。流體力學是研究流體平衡和流體運動規(guī)律的一門課程[3]，在能源、動力、機械等領域有著廣泛的運用。但課程內(nèi)容較為抽象[4]，課堂教授內(nèi)容多為方程推導，學生難以理解復雜的公式在實際中的運用，容易造成學生學習知識與當前流體力學分析方法的脫節(jié)。

響應國家建設一流學科的號召，培養(yǎng)以工程能力為核心的人才，本文基于以上問題提出流體力學教學改革方案。在課程教學過程中應用MATLAB編程、ANSYS FLUENT、CFX等流體仿真軟件仿真分析和合理利用風洞實驗室進行實驗，通過仿真結果分析幫助學生理解一些流體力學理論[5-6]，在實際實驗中掌握和應用流體力學知識。在掌握流體理論的同時，又能幫助學生學習流體力學分析軟件、了解實驗流程和方法，方便后續(xù)對專業(yè)知識進一步的學習。

2 教學現(xiàn)狀及問題分析

流體力學理論性強，涉及大量抽象的假設和公式推導，學生較難理解其中抽象概念，因此常常產(chǎn)生學生興趣不高，課堂效率低的問題。所以，流體力學課程教學中需要實踐驗證理論知識，同時加深學生對理論知識的掌握。實驗教學是流體力學課程教學中必不可少的內(nèi)容[7]，它能夠?qū)⒗碚撝R轉化為具體的現(xiàn)象，將理論與實際聯(lián)系起來，促進學生積極性，培養(yǎng)學生的實踐能力。

流體力學課程中原有的實驗操作相對簡單，實驗內(nèi)容已與實際工程運用脫節(jié)，學習的內(nèi)容與實際聯(lián)系不緊密，遠不能滿足培養(yǎng)學生習得專業(yè)發(fā)展前景下運用流體力學基本理論分析解決工程中的實際問題的要求。因此需要改變原有教學方案，重新設計實驗。在實驗設計的過程中，培養(yǎng)學生獨立解決問題的能力。

3 探索教學改革的途徑和方法

因為空氣不可見，學生往往對空氣流過翼型表面的過程沒有直觀的感受，不了解當前研究中如何應用流體力學方法獲取翼型氣動數(shù)據(jù)。因此，在本文的教學改革方案中，提出讓學生通過CFD仿真和風洞實驗的方法，得到二維翼型表面的空氣流動情況，計算求解到的矢量云圖加深了學生對流動現(xiàn)象的理解。

3.1 CFD仿真

CFD仿真的主要內(nèi)容為：根據(jù)給出的仿真實驗中來流條件，指導學生針對某一在一定攻角下的翼型，進行翼型表面的流動狀況模擬，獲得相關流動結果。通過對每個步驟的仔細講解，同時傳授學生各項仿真技能。具體實驗步驟如下：

（1）首先在幾何繪制軟件中導入二維翼型數(shù)據(jù)點，連接各點同時在翼型周圍畫出流場域，得到二維翼型的幾何模型;

（2）將幾何模型導入IECM CFD軟件中進行劃分網(wǎng)格，設置流動計算域，對翼型表面邊界層網(wǎng)格進行加密，完成流場計算網(wǎng)格;

（3）在Fluent軟件中導入網(wǎng)格，設置邊界條件、初始條件，選擇合適的控制方程、湍流模型進行計算;

（4）最后對計算結果進行后處理，得到流場內(nèi)相關流動信息。

實驗中，對每個步驟按照目的、主要操作方法和相關知識點三個方面進行講解，傳授仿真技能的同時鍛煉學生實踐能力。

按講解步驟可得到計算網(wǎng)格大致如圖1所示。圖2、3分別為計算所得流場中的壓力云圖和速度云圖。從圖中可看出在流動過程中翼型周圍的壓力分布和速度分布，讓學生對翼型繞流的概念和翼型表面受力分布有更直觀的理解。相對于傳統(tǒng)流體力學實驗，在流體力學實驗中引入CFD仿真對傳授流體力學知識有著全新的指導作用。

3.2 風洞實驗

由于風洞實驗室儀器設備較復雜，由老師進行直接操作講解，輔助學生完成二維翼型繞流風洞實驗，將測得的壓力脈動數(shù)據(jù)交給學生后處理，并與仿真結果進行對比。具體實驗方案如下：

為獲得流場中翼型的靜態(tài)載荷分布，在二元翼型段表面水平布置多個測壓孔。測壓孔布置如圖4所示，前緣點開始，在翼型吸力面及壓力面每隔5%翼型弦長布置一個測壓孔，一直排布到90%處為止。翼型表面測壓孔由密封軟管連接至壓力采集系統(tǒng)。在翼型后70%弦長位置處放置尾跡排管，使用尾跡排管獲得流過翼型后的流場分布。尾跡排管的高度與翼型表面的測壓孔相同。尾跡排管由102根總壓管和4根的靜壓管組成。尾跡排管的測量范圍為可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。測試時利用電子壓力采集系統(tǒng)同時采集翼型表面和尾跡排管瞬時壓力，采樣頻率設定為333.3Hz。

在風洞實驗前，先調(diào)試風洞，確保實驗設備無恙。風洞實驗中，于翼型模型的側前方0.5倍弦長處安裝畢托管，測量來流的總壓和靜壓，計算來流實時風速。利用尾跡排管上的總壓管和靜壓管測量翼型尾跡區(qū)的總壓分布及尾跡區(qū)靜壓分布，計算出翼型前后氣流的壓力損失，從而得到翼型受到的阻力。

在風洞實驗過程中讓學生們熟悉相關流體力學知識、了解實驗流程，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理讓學生親自參與到實驗中，應用流體力學知識和編程語言實現(xiàn)尾跡排管法得到翼型相關氣動數(shù)據(jù)。

最后學生通過對比CFD仿真結果和風洞實驗結果，驗證兩種實驗結果的準確性。

4 結論

近年來，教育部積極推進新工科的建設，加強新能源人才培養(yǎng)，本教學改革方案以揚州大學新能源科學與工程專業(yè)為背景，開展流體力學實踐性教學探索，提出CFD仿真和風洞實驗相結合的實驗方法，彌補流體力學課程理論部分脫離實際、不利于學生理解的缺點，促進學生掌握流體力學發(fā)展中產(chǎn)生的新方法、掌握流體分析新技能，對新工科課程教學改革具有一定參考性。新的實驗內(nèi)容激發(fā)學生學習興趣，豐富了教學內(nèi)容，讓學生更加直觀地了解流體力學工程應用，在實踐中提高學生工程應用能力。在后續(xù)的課程設計和畢業(yè)論文中，學生已對上述專業(yè)技能有了一定程度的掌握，提高了教學效率。在完成畢業(yè)論文過程中，學生已具備對流體力學問題的分析手段，能對課題內(nèi)容快速上手，進行更進一步的研究。

參考文獻：

[1]張旭，方艷，邢靜忠.“新工科”背景下工程力學課程教學方法改革探索[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（16）：210-211.

[2]項賢明.新中國70年教育觀變革的回顧與反思[J].南京師大學報（社會科學版），2019（02）：15-29.

[3]張成良，王超，劉磊.工程教育專業(yè)認證背景下流體力學課程教學改革探討[J].西部素質(zhì)教育，2018，4（04）：187-188.

[4]陳偉嬌，喬春珍.《流體力學》課程教學關鍵問題研究[J].教育教學論壇，2019（35）：188-189.

[5]楊帆，王莉華，趙金峰.有限元仿真的一堂課——兼說實例驅(qū)動型啟發(fā)式教學法.力學與實踐，2019，41（4）：463-469.

[6]周曉敏，孫政.將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐.力學與實踐，2019，41（2）：222-226.

[7]于巖斌，芮君，程衛(wèi)民，等.數(shù)值實驗在流體力學實驗教學中的應用探討.力學與實踐，2019，41（5）：615-619.

*通訊作者：陳東陽。