譙雯 周云開

摘 要：針對(duì)流體力學(xué)授課內(nèi)容抽象和授課形式單一的特點(diǎn)，結(jié)合FLOW-3D軟件在模擬流體力學(xué)現(xiàn)象中所具有的優(yōu)勢，文章提出將FLOW-3D軟件應(yīng)用于流體力學(xué)課堂教學(xué)中以幫助學(xué)生立體、直觀地認(rèn)識(shí)流體力學(xué)現(xiàn)象和掌握流體力學(xué)理論知識(shí)；通過拓展目前的教學(xué)形式，提高學(xué)生對(duì)流體力學(xué)課程的興趣以及培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；同時(shí)加強(qiáng)教學(xué)與實(shí)際工程之間的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；教學(xué)改革；FLOW-3D；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）08-0077-03

Abstract： Combined with the advantage of the FLOW-3D software in the simulation of fluid mechanics phenomena， the paper puts forward that it should be applied to the class teaching of fluid mechanics to help students understand the fluid mechanics phenomena and knowledge more vividly and intuitively， on account of the abstract teaching content and single teaching form. It can improve students' interest in fluid mechanics and cultivates their practice and innovation ability and strengthen the organic combination between teaching and practical engineering by expanding current teaching forms.

Keywords： fluid mechanics； educational reform； FLOW-3D software； the numerical simulation

引言

流體運(yùn)動(dòng)是自然界普遍存在的現(xiàn)象，大至宇宙，小到細(xì)胞，無所不在。人類的生產(chǎn)生活與流體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，從大禹治水，疏而不堵；李冰分流誘導(dǎo)，造就天府之國等事實(shí)表明，在古代人類已經(jīng)用流體力學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題。文藝復(fù)興開啟了將流體運(yùn)動(dòng)的研究從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)的轉(zhuǎn)變，催生了現(xiàn)代流體力學(xué)。長期以來，城市給排水系統(tǒng)、水利工程、船舶建造和航海業(yè)一直是流體力學(xué)研究的原動(dòng)力。從流體力學(xué)的基礎(chǔ)性地位和應(yīng)用可以看出，它對(duì)于工程類專業(yè)學(xué)生的重要性。在土建工程和環(huán)境工程中，流體力學(xué)是大多數(shù)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。比如在給水排水、供熱通風(fēng)、廢水處理、道路橋梁設(shè)計(jì)、基坑排水等設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理中都會(huì)涉及到流體力學(xué)知識(shí)。在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中，工程流體力學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。比如在水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽車、飛機(jī)、船舶等機(jī)械制造過程中都涉及到流體力學(xué)知識(shí)。目前國內(nèi)外的高等院校都十分重視流體力學(xué)課程的設(shè)置和教學(xué)工作[1，2]。例如美國的一些大學(xué)，其機(jī)械系將流體力學(xué)課程分為在低年級(jí)開設(shè)的基礎(chǔ)流體力學(xué)和高年級(jí)開設(shè)的高等流體力學(xué)，其中僅僅基礎(chǔ)流體力學(xué)課時(shí)量就達(dá)到了80學(xué)時(shí)左右。國內(nèi)如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)也都為土木工程、環(huán)境工程、機(jī)械工程等學(xué)科的學(xué)生開設(shè)的流體力學(xué)課程，并將流體力學(xué)列為工程類專業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)課。針對(duì)流體力學(xué)課程在工科類專業(yè)中的重要性，提出將FLOW-3D軟件應(yīng)用于流體力學(xué)課堂教學(xué)中以幫助學(xué)生立體、直觀地認(rèn)識(shí)流體力學(xué)現(xiàn)象和掌握流體力學(xué)理論知識(shí)，以期保證并提高教學(xué)信息量和教學(xué)質(zhì)量無疑具有重要的促進(jìn)作用。

一、《流體力學(xué)》課程存在的主要問題

《流體力學(xué)》課程由于涉及較多抽象概念，計(jì)算公式及推導(dǎo)過程繁瑣，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高等特點(diǎn)，增加了教師課堂講授的難度并難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。蘇格拉底曾說：“教育的本質(zhì)是點(diǎn)燃火焰”。好奇是人類的本能，而學(xué)習(xí)則是生活的本質(zhì)，專門進(jìn)行學(xué)習(xí)的教學(xué)活動(dòng)怎么能成為磨滅學(xué)習(xí)興趣的兇手呢？因此如何推進(jìn)流體力學(xué)授課內(nèi)容和方法的改革，對(duì)克服學(xué)生的畏難心理，提高學(xué)習(xí)興趣是教育工作者面臨的重要課題[3，4]。

目前我校流體力學(xué)教學(xué)主要存在以下幾個(gè)問題：1.缺乏演示性試驗(yàn)教學(xué)：流體力學(xué)的主要研究途徑包括理論分析、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬三大塊[5]，但是目前在我校的流體力學(xué)本科教學(xué)中主要偏重于理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中實(shí)驗(yàn)課程不少是演示性實(shí)驗(yàn)，加之受課時(shí)的限制，并不能夠開設(shè)全部的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于工科大學(xué)生而言，最重要的事情是把所探討的物理現(xiàn)象，準(zhǔn)確清晰地予以形象化，可是抽象而單一的教學(xué)方式和內(nèi)容，不利于大學(xué)生對(duì)流體力學(xué)基本概念和原理的理解，更難以讓大學(xué)生充分了解流體力學(xué)當(dāng)前的發(fā)展進(jìn)程，拓寬知識(shí)面，以及應(yīng)用流體力學(xué)基本原理去解決實(shí)際工程問題。2.教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生的專業(yè)指導(dǎo)作用不明顯：近年來，流體力學(xué)課程課時(shí)量的縮減導(dǎo)致授課內(nèi)容只能以流體的物理性質(zhì)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流動(dòng)阻力和水頭損失、有壓管及明渠的水力計(jì)算作為教學(xué)重點(diǎn)，無法大幅引入一些土木工程案例以適應(yīng)土木工程實(shí)踐的需要，導(dǎo)致許多畢業(yè)生在從事土木工程的過程中感覺流體力學(xué)對(duì)土木工程的指導(dǎo)作用不明顯；3.教材缺乏新的科技成果：流體力學(xué)教材與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展聯(lián)系不夠緊密，加之在教學(xué)的過程中如果只注重教材上的內(nèi)容，學(xué)生在課堂上便不會(huì)有興趣關(guān)注老師所講的內(nèi)容，久而久之，師生之間也會(huì)逐漸缺乏互動(dòng)，課堂教學(xué)效果顯然不會(huì)理想；4.教學(xué)方法單調(diào)：盡管隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)通過圖片和動(dòng)畫演示對(duì)流體力學(xué)中抽象的知識(shí)相對(duì)傳統(tǒng)純講授教學(xué)方式更容易使得學(xué)生理解，我校的教學(xué)也已基本從傳統(tǒng)的板書教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w教學(xué)，但是對(duì)于多媒體的應(yīng)用還不是很充分和靈活，多媒體素材往往只是定性的演示，缺少與實(shí)際模型的有機(jī)結(jié)合，無法做到定量的具體分析。目前數(shù)值模擬技術(shù)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，F(xiàn)LOW-3D以其突出的前后處理優(yōu)勢和強(qiáng)大的求解功能在水利行業(yè)、機(jī)械鑄造以及航海等行業(yè)中具有無可比擬的優(yōu)勢，因此本課程團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，將FLOW-3D軟件應(yīng)用于流體力學(xué)教學(xué)無疑對(duì)課程建設(shè)具有重要的促進(jìn)作用；5.專業(yè)教師自身存在的問題：近年來高校規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)人才的需求使得青年教師占師資的比重很大，而青年教師剛從學(xué)校畢業(yè)，存在專業(yè)理論知識(shí)扎實(shí)但缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象。另外，學(xué)校對(duì)教師科研和教學(xué)的雙重要求，青年教師既要加強(qiáng)自身科研素養(yǎng)的提高，又要保證教學(xué)質(zhì)量，難免偶爾會(huì)存在力不從心的現(xiàn)象。因此如何讓青年教師在有限的課堂時(shí)間里更好更有效地教授流體力學(xué)知識(shí)是關(guān)鍵。

二、FLOW-3D在《流體力學(xué)》教學(xué)改革中的意義

將FLOW-3D引入《流體力學(xué)》教學(xué)中的主要目的在于提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和強(qiáng)烈的課程參與感，為提高學(xué)生的創(chuàng)新水平奠定良好的基礎(chǔ)[6]。具體意義如下：

（一）幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)理論和公式的理解與應(yīng)用

在FLOW-3D的應(yīng)用過程中會(huì)涉及到流體力學(xué)課程所涵蓋的大量概念（邊界條件、可壓縮與不可壓縮、流場等等），教師在授課過程中借助FLOW-3D用兩三個(gè)實(shí)例就可以將分布在各章節(jié)抽象的概念全部串聯(lián)起來，變傳統(tǒng)的“灌輸概念”為新的“思路教學(xué)”，使得學(xué)生對(duì)抽象的概念具有更加立體的認(rèn)識(shí)。再比如，在講解總流伯努利方程時(shí)，教師可以通過FLOW-3D將三維全流場信息以數(shù)據(jù)和圖像的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，從而可以分析流體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律，這是傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以做到的。因此引入FLOW-3D能夠使得學(xué)生對(duì)流體力學(xué)的概念和公式的認(rèn)識(shí)更具有立體感，理解也更為深刻。

（二）變“被動(dòng)接受”為“主動(dòng)參與”的討論式教學(xué)

計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代大學(xué)生日常接觸得最多的工具，他們對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)問題始終保持著強(qiáng)烈的求知欲，并很樂于學(xué)習(xí)各類軟件。FLOW-3D以其強(qiáng)大的分析問題和求解問題的能力能夠激發(fā)他們濃厚的學(xué)習(xí)興趣。通過對(duì)FLOW-3D的應(yīng)用，可以促進(jìn)大學(xué)生主動(dòng)深入學(xué)習(xí)流體力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)。另外，目前流體力學(xué)的理論教學(xué)主要是通過結(jié)合多媒體和傳統(tǒng)的板書方式通過講授的方式開展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是對(duì)一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，無法測量到管道內(nèi)和產(chǎn)生局部水頭損失等的部位流速和壓力分布等物理量。應(yīng)用FLOW-3D的數(shù)值模擬技術(shù)能夠很好地彌補(bǔ)這方面的不足，讓學(xué)生能夠更加清晰和直觀的學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。適當(dāng)增加一部分上機(jī)課程，讓學(xué)生通過生動(dòng)的軟件親自把抽象的流動(dòng)現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成實(shí)際動(dòng)畫，不僅能夠讓他們對(duì)軟件產(chǎn)生濃厚的興趣，而且在參數(shù)設(shè)置和求解過程中加深數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)的求知和探索，將所遇到的問題和結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)，增加學(xué)習(xí)成就感，都會(huì)給他們帶來不一樣的收獲。這樣的興趣很有可能會(huì)被帶到課下，通過對(duì)軟件的探索拓寬他們的知識(shí)面，改變過去傳統(tǒng)的將知識(shí)經(jīng)教師咀嚼后變?yōu)楝F(xiàn)成的“處方”灌輸給學(xué)生的局面，從而大大提高他們的課程參與感以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，同時(shí)為促進(jìn)師生交流創(chuàng)造更好的條件。

三、FLOW-3D在《流體力學(xué)》教學(xué)中的具體改革方案

將FLOW-3D應(yīng)用于《流體力學(xué)》教學(xué)中，豐富了目前的教學(xué)內(nèi)容和方法，也為大學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決流體力學(xué)問題提供了平臺(tái)。在現(xiàn)有的理論課程和實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ)上適當(dāng)增加《流體力學(xué)》上機(jī)課程，并編寫《流體力學(xué)》上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。指導(dǎo)書分兩個(gè)部分，一部分用于指導(dǎo)課堂教學(xué)，一部分用于指導(dǎo)課后練習(xí)。課堂教學(xué)中的上機(jī)內(nèi)容重點(diǎn)是課程中的理論知識(shí)與工程實(shí)例相結(jié)合的典型實(shí)例，計(jì)算耗時(shí)短，重點(diǎn)給學(xué)生提供解決問題的思路和分析問題的方法。課后練習(xí)主要提供更接近現(xiàn)實(shí)工程的代表性實(shí)例，計(jì)算耗時(shí)長，由學(xué)生課后自主完成數(shù)值模擬過程，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

由于商用軟件直接包含了數(shù)學(xué)模型建立、控制方程離散化、計(jì)算求解及結(jié)果顯示整個(gè)過程，因此學(xué)生可在短時(shí)間內(nèi)掌握FLOW-3D模擬流體力學(xué)問題的過程。作者以薄壁堰流為例，簡單說明FLOW-3D在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

在模擬之前，我們要完全清楚所要分析問題的來龍去脈，利用課堂所需的流體力學(xué)知識(shí)去判斷該工程中可能出現(xiàn)的問題，如何對(duì)工程進(jìn)行簡化以及參數(shù)如何設(shè)置。比如薄壁堰流模擬時(shí)，是否考慮水的黏性力？我們就可以根據(jù)雷諾數(shù)的大小來確定，雷諾數(shù)很大則表明慣性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏性力，此時(shí)可不考慮黏性力。但是考慮到紊流的存在，在模型的參數(shù)設(shè)置時(shí)還是需要設(shè)定黏性參數(shù)。為了節(jié)省的計(jì)算時(shí)間，可以根據(jù)對(duì)稱特性沿薄壁堰順?biāo)鞣较蛉∧Ｐ偷囊话?，也能反映出薄壁堰的所有信息。圖1為網(wǎng)格劃分圖，圖2是模擬水流從水庫流過薄壁堰的過程。

矩形薄壁堰由于工藝簡單、水頭～流量關(guān)系穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。通過FLOW-3D數(shù)值模擬過程的練習(xí)，學(xué)生能夠更直觀和清晰的了解水流特性與弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)等參數(shù)的關(guān)系以及水頭與流量的關(guān)系。

四、結(jié)束語

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的日趨成熟和完善，各行各業(yè)已逐漸普及數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用，因此利用在流體模擬技術(shù)方面具有無可比擬的優(yōu)勢的FLOW-3D軟件來提高《流體力學(xué)》教學(xué)效果必然能夠起到積極作用。同時(shí)，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也有很大的幫助，并為他們將來工作和科研奠定基礎(chǔ)。

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