1課程背景

1.1 課程特點(diǎn)

“雷諾數(shù)”是“水力學(xué)”課程中涉及實(shí)踐操作較多的一個專業(yè)知識點(diǎn)。知識點(diǎn)涵蓋水流慣性與慣性力、水流黏滯性與黏滯力、層流和過渡流等許多基礎(chǔ)理論，以及物理量綱、流量、流速等水力學(xué)基礎(chǔ)的計算技術(shù)[1]。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，僅靠課堂講解難以使學(xué)生充分理解，并且離開實(shí)際操作的理論與計算較為枯燥和抽象，也會使學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容不感興趣，影響教學(xué)效果。

1.2 教學(xué)指導(dǎo)思想

在課程教學(xué)中，教師應(yīng)秉持理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用的原則，充分利用課堂時間，有重點(diǎn)地選擇內(nèi)容，用優(yōu)化的講授方法，將知識傳授給學(xué)生，拓寬學(xué)生的知識面，要求學(xué)生在掌握基本知識的同時，學(xué)會分析問題和解決問題的能力。

1.3教學(xué)模式選用

理實(shí)一體化教學(xué)模式是教師們在職業(yè)教育實(shí)踐中摸索出來的理論與實(shí)際結(jié)合的新型教學(xué)方法。該模式以一個專業(yè)課程知識點(diǎn)為載體，由教師主導(dǎo)創(chuàng)立實(shí)際操作教學(xué)情境。讓學(xué)生在實(shí)際操作過程中，在教師的引導(dǎo)與講解下，將課本知識應(yīng)用于實(shí)踐。這能使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)主人，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，非常貼合現(xiàn)階段的職業(yè)教育。理實(shí)一體化教學(xué)模式克服了理論與實(shí)踐相脫節(jié)的弊端。通過設(shè)定教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮教師教學(xué)主動性，豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做，在學(xué)做中培養(yǎng)職業(yè)素質(zhì)和提高實(shí)踐技能。

2 預(yù)備知識

2.1 水流慣性與慣性力

水流的慣性是指水流維持原有運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，可用質(zhì)量來表征其慣性的大小，質(zhì)量愈大，慣性愈大，運(yùn)動狀態(tài)愈難改變。想改變水流的運(yùn)動狀態(tài)，必須克服水流慣性力的作用。需注意的是慣性力是一種假想力，與水流運(yùn)動的加速度大小和質(zhì)量有關(guān)。一般水流的慣性力越大，水流保持和強(qiáng)化擾動的能力越強(qiáng)。

2.2水流黏滯性與黏滯力

由于水流各流層的流速不同，相鄰流層間有相對運(yùn)動，便在接觸面上產(chǎn)生一種相互作用的剪切力，這種力稱為水流的內(nèi)摩擦力，也叫黏滯力。水流在運(yùn)動時，由于內(nèi)摩擦力的作用，水流具有抵抗相對變形（相對運(yùn)動）的性質(zhì)，即水流的黏滯性。水流體黏滯性的大小，通常用動力黏滯系數(shù) u 和運(yùn)動黏滯系數(shù) v 來表示。

2.3層流

層流是水流的一種流動狀態(tài)，水流作層狀的流動，此時水流質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動。一般水流在圓管內(nèi)低速流動時呈現(xiàn)為層流。

2.4紊流

紊流是水流的一種流動狀態(tài)。圓管中的水流流速大幅增加時，其流線不再清晰可辨，水流中有許多小漩渦。紊流是有渦流動，這是其重要的外觀特征。

紊流的特點(diǎn)：（1）無序性。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動極不規(guī)則，相互混摻，呈現(xiàn)無序狀態(tài)，運(yùn)動要素具有隨機(jī)性。（2）耗能性。除了黏性耗能外，更主要的是由于紊動產(chǎn)生附加切應(yīng)力引起的耗能。（3）擴(kuò)散性。除分子擴(kuò)散外，還有質(zhì)點(diǎn)紊動引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞動量等擴(kuò)散性能。

2.5 過渡流

過渡流是水流的一種流動狀態(tài)。當(dāng)逐漸增加圓管水流流速時，水流的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增大，此種流態(tài)稱為過渡流。過渡流是存在于層流和紊流間水流的一種流動狀態(tài)。

3雷諾數(shù)

3.1 雷諾數(shù)的概念

雷諾數(shù)是水力學(xué)中用于表征黏滯性影響，判別水流流動形態(tài)的判別數(shù)，是為紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者雷諾而命名，記作 Re^[2] 。1883年英國人雷諾通過研究水在圓管內(nèi)的流動，首先提出水流的流動形態(tài)除了與流速 （v） 有關(guān)外，還與圓管徑 （d） 、水的動力黏滯系數(shù)（μ） 有關(guān)。綜合考慮這些影響因素，可用雷諾數(shù)Re來判別。

Re=vd/μ

μ 為水的動力黏滯系數(shù)，與溫度有關(guān)的常數(shù)。

v 為水流的特征速度，一般取圓管內(nèi)的斷面平均流速。d 為圓管直徑。

3.2雷諾數(shù)的物理意義

研究表明，水流慣性力和黏滯力是影響水流流態(tài)的主要因素。慣性力使水流保持和強(qiáng)化擾動，是推動其進(jìn)一步發(fā)展成為紊流的動力；而黏滯力則是抑制擾動，起著促使水流趨于穩(wěn)定、保持層流狀態(tài)的作用。因此，水流的流態(tài)實(shí)質(zhì)上是水流慣性力和黏滯力作用處于一定對比關(guān)系時的表現(xiàn)。

通過對力學(xué)量綱的分析表明，雷諾數(shù)實(shí)際上反映了慣性力作用與黏滯力作用的對比關(guān)系。所以可以用雷諾數(shù)來判別水流的流動狀態(tài)。雷諾數(shù)較小時，黏滯力對水流的影響大于慣性力，水流流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力對水流的影響大于黏滯力，水流流動較不穩(wěn)定，形成紊亂、不規(guī)則的紊流。

3.3臨界雷諾數(shù)的概念

在水流層流狀態(tài)與紊流狀態(tài)相互轉(zhuǎn)變中，存在臨界雷諾數(shù) Reα 。當(dāng)水流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)是上臨界雷諾數(shù)；水流從紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)是下臨界雷諾數(shù)。

上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)都是用來判斷水流流動狀態(tài)的臨界值，但它們的應(yīng)用和穩(wěn)定性存在差異。下臨界雷諾數(shù)通常被認(rèn)為更穩(wěn)定，約為2000，相比之下，上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定，其變化范圍大，一般在 12 000～40 000 之間，這使得它在實(shí)際應(yīng)用中的參考價值較低。通常將下臨界雷諾數(shù)作為判別水流流態(tài)的臨界雷諾數(shù)。一般認(rèn)為 Reα=2000 ，當(dāng)Relt;2 000 時，管內(nèi)水流處層流狀態(tài)；當(dāng) Regt;2000 ，管內(nèi)水流處紊流狀態(tài)。

3.4雷諾數(shù)的工程意義

雷諾數(shù)在工程上能夠預(yù)測和優(yōu)化水流在工程結(jié)構(gòu)中的流動狀態(tài)，從而降低水頭阻損失，提高水流能量的傳遞效率[3]

（1）水流流動狀態(tài)的判斷。雷諾數(shù)可以用來判斷水流是處于層流狀態(tài)還是紊流狀態(tài)。層流狀態(tài)下水流流動較為穩(wěn)定，水頭損失較小；紊流狀態(tài)下水流流動不穩(wěn)定，水頭損失較大。這對于設(shè)計和優(yōu)化輸水管道和熱交換管網(wǎng)等工程設(shè)備至關(guān)重要，因為不同的水流狀態(tài)會導(dǎo)致不同的能量損失和傳熱效率。

（2）工程優(yōu)化。在某些水工工程中，若要降低水頭損失或提高傳熱效率，可以通過調(diào)整雷諾數(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，通過減小雷諾數(shù)或?qū)⒘鲃诱{(diào)整為層流狀態(tài)，可以降低水頭損失，從而提高系統(tǒng)效率。反之，利用紊流狀態(tài)下的高能量損失、高傳熱，可以優(yōu)化熱交換管網(wǎng)的性能。

（3）模型試驗的雷諾數(shù)效應(yīng)。在水工模型試驗中，雷諾數(shù)效應(yīng)也是一個重要考慮因素。由于模型與原型的雷諾數(shù)可能相差很大，這會影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，在進(jìn)行模型試驗時，需要特別注意雷諾數(shù)的相似準(zhǔn)則，以確保試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映原型的實(shí)際行為。

4 雷諾實(shí)驗

1883年，雷諾做了一系列經(jīng)典實(shí)驗，以驗證前人所做的同類實(shí)驗，并力求找到水流流動由層流狀態(tài)過渡到紊流狀態(tài)所需的條件，提出雷諾數(shù)指標(biāo)。通過現(xiàn)代實(shí)驗設(shè)備，再現(xiàn)雷諾實(shí)驗，可以驗證加深對雷諾數(shù)相關(guān)理論的理解與掌握。

4.1 實(shí)驗?zāi)康暮鸵?/p>

（1）學(xué)會觀察水流的2種流動形態(tài)：層流和紊流。（2）掌握測量圓管流雷諾數(shù)的方法。（3）學(xué)會測定水流在圓管中流動的下臨界雷諾數(shù)。

4.2 實(shí)驗設(shè)備

實(shí)驗設(shè)備為自循環(huán)實(shí)驗系統(tǒng)。

4.3 實(shí)驗水流特征

在雷諾實(shí)驗裝置中，通過觀察有色水體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，可以清晰展現(xiàn)2種流態(tài)的根本差異。當(dāng)有色液體與水互不混摻，呈直線運(yùn)動狀態(tài)，水流處層流；當(dāng)管內(nèi)有大小不等的漩渦振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻，水流處紊流；兩者間，水流處過渡流。

5 實(shí)施建議

良好的教學(xué)效果，需要許多要素條件保證，需要各方的努力付出。現(xiàn)就如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提出幾點(diǎn)實(shí)施建議，僅供參考。

5.1 課堂思政

講課之前，教師可利用幾分鐘的時間，通過介紹雷諾刻苦認(rèn)真的科學(xué)家精神，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成做事遵守規(guī)定、工作認(rèn)真細(xì)心、評價實(shí)事求是的工作原則

5.2設(shè)計角色互換，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

教師可以把預(yù)備知識內(nèi)容布置給學(xué)生自主學(xué)習(xí)。預(yù)備知識內(nèi)容多，難度小，是已學(xué)習(xí)過的內(nèi)容。教師可以把這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)主動權(quán)交給學(xué)生，學(xué)生組成小組，成員協(xié)作備課、制作PPT、選代表講課，并解答同學(xué)及教師提出的問題，最后由教師補(bǔ)充和歸納。

5.3組織實(shí)驗小組競賽，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)

在實(shí)訓(xùn)室上課時，雷諾實(shí)驗可以作為競賽的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。學(xué)生組成實(shí)驗小組，成員協(xié)作實(shí)驗。通過小組比賽，能正確找出臨界雷諾數(shù)，能正確求得層流、紊流、過渡流對應(yīng)的流量、流速和雷諾數(shù)的小組即完成競賽任務(wù)，用時短的小組獲勝，可以給予該組一定的物質(zhì)獎勵。

6結(jié)語

對“雷諾數(shù)”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計作了概述，說明了理實(shí)一體化下教學(xué)內(nèi)容模塊體系的建立，介紹了各個教學(xué)內(nèi)容模塊的組成，提出了教學(xué)內(nèi)容設(shè)計實(shí)施的幾點(diǎn)建議，以期與同行交流學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1］柳素霞.水力學(xué)[M].北京：水利水電出版社，2021.

[2］朱首軍.水力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3］張小兵.水力學(xué)[M].北京：水利水電出版社，2004.