《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革方法探究——以汽車外形設(shè)計為例

孫萬雪

《流體力學(xué)》課程教學(xué)改革方法探究——以汽車外形設(shè)計為例

孫萬雪

（山東華宇工學(xué)院 能源與建筑工程學(xué)院，山東 德州 253034）

《流體力學(xué)》是制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)重要的核心課程之一，對于培養(yǎng)應(yīng)用型及創(chuàng)新性人才具有重要的作用。但該課程公式繁多、內(nèi)容抽象，學(xué)生覺得枯燥乏味，難以掌握。針對該課程的特點及學(xué)生情況，文章將案例教學(xué)法引入到流體力學(xué)課程教學(xué)改革中，并以流體力學(xué)在汽車外形設(shè)計中的應(yīng)用為例，引導(dǎo)學(xué)生分析和討論相關(guān)知識點。案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)引導(dǎo)的教學(xué)法，旨在讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新性和應(yīng)用型人才的目的。

流體力學(xué)；案例教學(xué)法；課程改革；汽車外形設(shè)計

引言

《流體力學(xué)》課程是制冷與空調(diào)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，此課程對于大部分的理工科專業(yè)來說都是專業(yè)必修課，與很多專業(yè)都密不可分[1]。本課程的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生分析并解決實際工程流體力學(xué)問題的能力，提升學(xué)生流體力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識。但《流體力學(xué)》具有計算公式復(fù)雜、基本概念較多、內(nèi)容比較抽象等特點，屬于一門既有較強(qiáng)理論性又有工程實際意義的課程。本課程所針對的學(xué)生是制冷與空調(diào)專業(yè)的高職學(xué)生，這部分學(xué)生理論基礎(chǔ)較差，上課注意力分散，課堂氣氛沉悶，且學(xué)生普遍感覺該課程較難，很多學(xué)生存在畏難、厭學(xué)情緒，因此筆者在該課程的教學(xué)過程中引入了案例教學(xué)法。

案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)引導(dǎo)的教學(xué)法。教師在授課過程中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)選取合適的教學(xué)案例，通過對教學(xué)案例的分析與討論，鼓勵學(xué)生思考，引起學(xué)生的興趣，讓學(xué)生參與到教學(xué)活動中來，讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)?，F(xiàn)階段，這種教學(xué)方法已發(fā)展成熟，并被許多教育教學(xué)工作者所應(yīng)用[2-3]。這種教學(xué)方法相當(dāng)于將生活或者工程場景在課堂上展現(xiàn)給學(xué)生，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以提升學(xué)生的專業(yè)判斷和解決問題的能力，同時強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)知識并能通過討論得出相關(guān)的分析結(jié)論。案例教學(xué)法可以使學(xué)生理解依靠傳統(tǒng)講授法無法獲取的深度，進(jìn)而有效提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的目的[4]。

本文以流體力學(xué)在汽車外形設(shè)計中的應(yīng)用為例，將汽車外形的演變案例引入到課堂中，分析并討論案例，引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握流體力學(xué)相關(guān)知識點。

1 流體力學(xué)在汽車外形設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 汽車外形的演變

現(xiàn)階段，汽車成為最普遍的交通工具，汽車也走進(jìn)了每一個人的日常生活中。汽車讓人們的距離縮短，改變了人們的生活現(xiàn)狀和生活方式，給我們提供了很大的便利。

圖1 箱型汽車受到的形狀阻力

在19世紀(jì)末，兩位德國人，卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒獲得了世界上第一輛汽車的專利權(quán)，這標(biāo)志著世界上第一輛汽車的誕生。但汽車發(fā)明最開始的時候并不是我們現(xiàn)在看到的形狀，最早出現(xiàn)的汽車，它的車身造型基本上沿用了馬車的形式，也就是馬車型汽車。1915年，美國的福特汽車公司生產(chǎn)出了一種與馬車型不同的汽車，其外形特點像一只大箱子，并且裝有門和窗，因此此種車被稱為“箱型汽車”。箱型汽車內(nèi)部空間大，乘坐比較舒適。但是，隨著車速的提升，箱型汽車空氣阻力偏大的問題暴露了出來，此問題影響了汽車的前進(jìn)速度。

于是，人們又開始研究新的車型，也認(rèn)識到空氣阻力的重要性。人們發(fā)現(xiàn)，除了車速和迎風(fēng)面積之外，汽車所受到的阻力還與汽車的縱向形狀有關(guān)，并且越是流線型的汽車，汽車所受到的正面阻力以及后面渦流就越小。因此，人們致力于流線型車身的設(shè)計。1937年，費(fèi)爾南德·保時捷設(shè)計了外形類似甲殼蟲的汽車，因此，這種車型也稱為甲殼蟲汽車。但是，甲殼蟲形汽車也存在缺點，一是車廂內(nèi)活動空間小，二是汽車對橫風(fēng)具有不穩(wěn)定性。

圖2 甲殼蟲汽車

1949年，福特公司制造了福特V8型汽車，其是船形汽車的代表。船形汽車的外形和性能均優(yōu)于甲殼蟲汽車。但是，因為船型汽車的尾部相對較長，形成了一種階梯的形狀，車在高速行駛時尾部會產(chǎn)生較強(qiáng)的空氣渦流，進(jìn)而影響了車速的提高。

圖3 船型汽車

為克服船型汽車的尾部過長產(chǎn)生渦流從而影響車速的提高這一問題，人們又研究開發(fā)出了類似魚脊背的魚型汽車。

圖4 魚型汽車

圖5 楔形汽車

但是魚型汽車也并非完美無缺，這種汽車的后窗傾斜比較大，車窗面積大，因此降低了車身的強(qiáng)度。同時魚型汽車在高速行駛時容易產(chǎn)生較大的升力，升力會使汽車與地面的附著力降低，從而使得汽車行駛的穩(wěn)定性及操縱穩(wěn)定性降低。在經(jīng)過大量的探索與實驗后，設(shè)計師又研究出了一種新型車，楔形汽車。楔形汽車是將車身整體向前方傾斜，然后車身后部設(shè)計成像刀切一樣平直，使得這種車型有效克服升力，提高汽車與地面的附著力。

1.2 流體力學(xué)原理

從汽車外形的歷史演變中我們可以看出流體力學(xué)對汽車的影響。隨著汽車速度的提高，汽車的外形不僅要考慮人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及美觀等因素，還越來越多的考慮流體力學(xué)，以減小汽車的阻力。

其實流體力學(xué)在汽車外形應(yīng)用中的具體表現(xiàn)就是我們通常所說的空氣阻力，汽車在行駛過程中會與空氣產(chǎn)生摩擦，在實際使用中摩擦越大空氣阻力就越大，空氣阻力變大燃油成本就會增加，同時影響車速的提高，因此汽車性能降低。

空氣阻力分為兩類，分別是摩擦阻力和壓力阻力。摩擦阻力是由空氣的粘滯性在車身表面所產(chǎn)生的切向力的合力在運(yùn)動方向上的分力，壓力阻力則是作用在汽車外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力。

圖6 車身表面上的空氣法向壓力分布

而壓力阻力又分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力以及誘導(dǎo)阻力。其中形狀阻力的大小主要取決于汽車外形的形狀，大約占壓力阻力的58%；干擾阻力主要是車身表面的凸起物所引起的阻力，包括車身的后視鏡、門把手等，干擾阻力占壓力阻力的14%；內(nèi)循環(huán)阻力是滿足冷卻、通風(fēng)等需要，使得空氣流經(jīng)車體內(nèi)部時構(gòu)成的阻力，占比12%；誘導(dǎo)阻力是由空氣升力產(chǎn)生的，占比7%。

空氣阻力的計算公式如下所示：

式中，C為空氣阻力系數(shù)；為迎風(fēng)面積；u為相對速度；為空氣密度。

從公式中我們可以看到，空氣阻力和空氣阻力系數(shù)成正比，空氣阻力系數(shù)越高，空氣阻力越大，空氣阻力系數(shù)越低，空氣阻力越低，汽車性能越好。

從表1可以看到，在汽車外形的演變過程中，空氣阻力系數(shù)也在逐漸降低。汽車外形在逐漸向流線型演變，而流線型的設(shè)計可以降低阻力系數(shù)，從而降低空氣阻力。

表1 空氣阻力系數(shù)隨汽車外形的變化

汽車形狀空氣阻力系數(shù)（CD） 箱型汽車0.8 甲殼蟲汽車0.6 船型汽車0.45 魚型汽車0.3 楔形汽車0.2

流線型汽車可以降低阻力。我們可以來做這樣一個實驗，準(zhǔn)備幾個不同形狀的空塑料瓶，將塑料瓶的頭朝下垂直落入水中，看哪種形狀的塑料瓶跳得更高，實驗結(jié)論是外形阻力小的塑料瓶會跳得更高。原因是外形阻力小的瓶子會抑制剝離。如果產(chǎn)生剝離，阻力便會增加，進(jìn)而會加大能量損失[5]。

外形阻力小的瓶子會產(chǎn)生剝離。如圖7所示，我們來觀察縮小的流動與擴(kuò)大的流動這兩種現(xiàn)象。在流線型的前半部分，縮小的流動是由于向下游的行進(jìn)，流動會變得越來越窄。而越往下游行進(jìn)，流露的斷面積就越小，流速就越大，根據(jù)伯努利方程，流速變大，壓強(qiáng)則下降。由于高壓向低壓的流動是一種自然的流動，所以這種情況不容易產(chǎn)生剝離。

圖7 流線型的形狀

但是，如果前端過于尖銳，則在前端相對于流動方向發(fā)生改變時，前端的流體不能急劇彎轉(zhuǎn)，此時就會產(chǎn)生剝離。所以為了防止剝離的產(chǎn)生，前端一般為圓形。

在流線型的后半部分，由于流動通路面積擴(kuò)大，呈擴(kuò)大的流動。為避免急劇的擴(kuò)大引起剝離，通常流動的斷面積是逐漸變化的，即物體的寬度逐漸變小，最后甚至變得尖銳。

因此，在汽車的外形設(shè)計中，當(dāng)汽車高速行駛時，需要考慮保持行車穩(wěn)定所需要的下壓力，而流線型設(shè)計可以改變空氣對于車體上部與底盤下部的氣流流速來控制下壓力，增加附著力。同時流線型設(shè)計可以降低空氣流經(jīng)車體本身時產(chǎn)生的渦流，從而減少風(fēng)阻。當(dāng)然，根據(jù)不同的需求，汽車的外形形狀也不同。比如客車、卡車以及商務(wù)車等，這類汽車的車速要求不高，所以外形設(shè)計還是比較方正，更多考慮的是車體內(nèi)部的空間。而對于跑車來說，都會采用流線型的設(shè)計，減少迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)，降低空氣阻力。

2 總結(jié)

將案例教學(xué)法應(yīng)用到流體力學(xué)課程中，目的是在教學(xué)過程中將理論知識與實際工程有機(jī)結(jié)合，以案例為基本素材, 將案例場景帶入課堂中，針對具體的工程問題，運(yùn)用多種形式啟發(fā)學(xué)生思考的能力，組織學(xué)生對實踐案例所提供的材料和問題進(jìn)行分析和探究，讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)。

案例教學(xué)法克服了傳統(tǒng)教學(xué)法的不足，重視實踐，重視具體問題具體分析，更加重視思維能力、分析能力和判斷能力以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識處理現(xiàn)實中錯綜復(fù)雜問題的能力培養(yǎng)，具有獨(dú)特的其他教學(xué)方法所不能比擬的優(yōu)點，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 孫俊偉,陳善群.應(yīng)用型本科院校流體力學(xué)課程教學(xué)方法研究[J].科技視界,2020,30(13): 38-39.

[2] 康建宏.安全工程特色流體力學(xué)課程的案例教學(xué)改革與實踐[J].高教學(xué)刊,2019(1): 138-140.

[3] 董姍燕,成先雄,嚴(yán)群,等.案例教學(xué)法在《特種廢水處理技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2019(87): 285-287.

[4] 閆小康,王利軍.化工高等流體力學(xué)案例教學(xué)研究[J].廣州化工, 2017,45(21):195-197.

[5] 解小琴,陳鵬.流體力學(xué)在汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015, 25(6):165-167.

Research on Teaching Reform Method ofCourse—Taking Automobile Shape Design as an Example

SUN Wanxue

（Shandong Huayu University of Technology, Institute of Energy and Building Engineering, Shandong Dezhou 253034）

is one of the important core courses of refrigeration and air conditioning technology major, which plays an important role in cultivating applied and innovative talents. But the course has many formulas and abstract content, which makes students feel boring and difficult to master. According to the characteristics of the course and the situation of the students, this paper introduces the case teaching method into the teaching reform of fluid mechanics, and takes the application of fluid mechanics in automobile shape design as an example to guide the students to analyze and discuss the relevant knowledge points. Case teaching method is a case-based teaching method, which aims to make students change from passive learning to active learning, improve the quality of teaching, and achieve the purpose of cultivating innovative and applied talents.

Fluid mechanics; Case teaching method; Curriculum reform; Automobile shape design

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1671-7988(2021)22-168-04

G30

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1671-7988(2021)22-168-04

CLC NO.:G30

孫萬雪（1992—），女，碩士研究生，助教，就職于山東華宇工學(xué)院能源與建筑工程學(xué)院，研究方向：能源與動力工程。

山東華宇工學(xué)院2020年度教育教學(xué)改革研究項目：案例教學(xué)法在流體力學(xué)課程中的探索與實踐（編號：2020JG67）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.043