基于工程應(yīng)用的流體力學(xué)教學(xué)探討

【摘要】在流體力學(xué)教學(xué)過程中，因?yàn)槔碚撝R抽象、公式推導(dǎo)繁瑣，所以導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性都不高。為了解決這個問題，以錢學(xué)森技術(shù)科學(xué)和應(yīng)用力學(xué)方法論為基本教學(xué)指導(dǎo)思想，在教材的選擇、理論聯(lián)系實(shí)際需注意的問題、多媒體和CFD軟件的使用等方面提出了建議，目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的熱情，以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】流體力學(xué) 教學(xué)方法 工程應(yīng)用

【基金項(xiàng)目】南平市科技計(jì)劃項(xiàng)目，編號：N2013X01-4。

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0255-01

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。流體力學(xué)理論知識抽象，公式推導(dǎo)過程復(fù)雜，故學(xué)生不易理解。教學(xué)過程中如果只重視課本知識本身的傳授將很難吸引學(xué)生的興趣，也難以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。實(shí)際上在流體力學(xué)發(fā)展的早期有理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)之分，20世紀(jì)初普朗特提出的邊界層理論將理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)統(tǒng)一起來，從而使流體力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，因此流體力學(xué)是理論性和實(shí)用性都很強(qiáng)的一門學(xué)科，在機(jī)械、土木、水利、船舶等工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在提倡培養(yǎng)應(yīng)用型人才的大背景下，教學(xué)當(dāng)中如何更好地將理論知識與工程實(shí)踐相結(jié)合，以提高教師教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是本文探討的問題。

1.流體力學(xué)課程教學(xué)的指導(dǎo)思想

錢學(xué)森曾指出“自然科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合并形成技術(shù)科學(xué)是歷史的必然”，因?yàn)榧夹g(shù)科學(xué)一頭連著自然科學(xué)，另一頭連著工程技術(shù)，所以是一個關(guān)鍵性的領(lǐng)域。同時，錢學(xué)森還指出“力學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，主要是應(yīng)用力學(xué)”，應(yīng)用力學(xué)是最能體現(xiàn)技術(shù)科學(xué)特點(diǎn)的學(xué)科之一。例如普朗特于1904年建立的邊界層理論就是用應(yīng)用力學(xué)方法解決工程問題最典型例子，該理論解決了長期困擾流體力學(xué)界的固壁繞流阻力問題，連同稍后創(chuàng)立的機(jī)翼升力線理論，直接導(dǎo)致了飛機(jī)性能的重大突破。錢學(xué)森的技術(shù)科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論是流體力學(xué)課程教學(xué)的基本指導(dǎo)思想，應(yīng)用力學(xué)研究的基本方法是：在掌握力學(xué)基本理論和熟悉工程技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，針對工程問題建立力學(xué)與數(shù)學(xué)模型，并用應(yīng)用數(shù)學(xué)方法求解模型，而后用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論結(jié)果，最后將理論結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)際，授課時需緊緊圍繞這一中心開展。

2.教學(xué)的具體實(shí)施

2.1 教材難度及選擇

教材的選擇是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證。流體力學(xué)教材種類繁多，如果所選教材過于強(qiáng)調(diào)基本理論，大量的公式及數(shù)學(xué)推導(dǎo)會讓學(xué)生望而生畏，而教師則需要花費(fèi)很多的時間和精力給數(shù)理基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生介紹其中涉及的準(zhǔn)備知識[2]。如果教材在工程應(yīng)用方面涉獵較少，那么教師對于如何將基本理論應(yīng)用于工程實(shí)際問題的分析和解決將難以把握，教師對實(shí)踐的指導(dǎo)也就十分有限。數(shù)學(xué)要求高而工程應(yīng)用少的教材不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的調(diào)動，教師也難以取得良好的教學(xué)效果，所以在注重通用理論知識的基礎(chǔ)上，應(yīng)采用一些與工程學(xué)科專業(yè)相關(guān)的教材，不僅要難易適中，而且要有較多的工程應(yīng)用實(shí)例。

2.2 理論聯(lián)系實(shí)際需注意的問題

根據(jù)錢學(xué)森的技術(shù)科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論，流體力學(xué)的教學(xué)應(yīng)將理論與工程實(shí)際密切結(jié)合，因此教師在講授抽象理論的同時，一定盡可能地將相關(guān)專業(yè)知識或工程實(shí)踐一并講解，這不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也可開闊學(xué)生的視野。例如在講解連續(xù)性方程時，可以引入液壓管道截面設(shè)計(jì)的例子；為了使學(xué)生容易理解伯努利方程中位置水頭、壓力水頭和速度水頭的概念及相互的關(guān)系，可以列舉汽油發(fā)動機(jī)的化油器、球類比賽中的“旋轉(zhuǎn)球”等工程或?qū)嵺`中的例子。由于流體力學(xué)在工程中應(yīng)用廣泛，所以實(shí)例的選擇需要注意取舍，盡量做到與本專業(yè)相關(guān)，同時在教學(xué)過程中還注意需要說明什么樣的工程問題可以做什么樣的簡化。

2.3多媒體的使用

多媒體教學(xué)有著傳統(tǒng)教學(xué)方式所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，如形象生動、新穎直觀、效率高、省時間、課件規(guī)范有序、減輕教師勞累和減少污染等。采用多媒體技術(shù)除了可以將復(fù)雜的流體流動圖像直觀地展示給學(xué)生外，在講解工程實(shí)際問題時也可借助圖片、FLASH動畫、影片等進(jìn)行授課。例如，在講解流體靜力學(xué)中的壁面受力問題時，可插入相關(guān)實(shí)例圖片，使學(xué)生能夠直觀地了解壁面受力計(jì)算在工程實(shí)際中應(yīng)用；在介紹管路系統(tǒng)阻力損失時，可插入世界上最長的輸油管路圖片，使學(xué)生對管路系統(tǒng)能量損失建立起感性認(rèn)識；對于局部阻力和沿程阻力計(jì)算的問題，則可插入產(chǎn)生局部阻力和沿程阻力的FLASH動畫[3]；在介紹氣蝕現(xiàn)象時可播放手槍蝦用高速水流攻擊對手和跨洋輪船螺旋漿消損的記錄影片，使學(xué)生更容易理解氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原理。

2.4 CFD軟件的應(yīng)用

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動力學(xué)）的簡稱，它采用數(shù)值計(jì)算方法求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況，相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)。目前市場占有率較高的CFD軟件有CFX、STAR—CD、FLUENT等，其中FLUENT軟件以其強(qiáng)大的流體力學(xué)問題求解分析能力及良好的界面功能得到了廣泛應(yīng)用。在教學(xué)過程中不僅可以應(yīng)用FLUENT軟件對歐拉法中的流線、圓管中層流和湍流流速的分布、局部阻力損失的流場等進(jìn)行模擬，而且也可通過FLUENT對一個實(shí)際工程流體力學(xué)問題進(jìn)行求解分析。采用CFD軟件求解時涉及到了課程中的大部分概念，如邊界條件、層流、紊流模型、定常非定常流動、可壓縮不可壓縮、有旋無旋、物性參數(shù)、速度場、壓力場、溫度場、渦等等[4]，因而可直觀地向?qū)W生展示各種流動現(xiàn)象，使原本理論性較強(qiáng)的內(nèi)容形象化，這有助于激發(fā)學(xué)生的求知欲，同時也加深了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解。

3.小結(jié)

流體力學(xué)既有較強(qiáng)的理論性又有較強(qiáng)的工程實(shí)際意義，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但多年來的教學(xué)主要注重于介紹基本概念、推導(dǎo)基本方程、分析經(jīng)典流體力學(xué)現(xiàn)象及求解流體基本問題等，學(xué)生普遍感覺課程內(nèi)容抽象、枯燥難學(xué)，因此學(xué)習(xí)積極性和主動性都不高，如何最大程度的激發(fā)學(xué)生對所學(xué)知識的興趣是教學(xué)成敗的最關(guān)鍵因素。為此，筆者以錢學(xué)森的技術(shù)科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論為基本的教學(xué)指導(dǎo)思想，在教材難度選擇、應(yīng)用實(shí)例引入方法等方面進(jìn)行了探討，目的是為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，并培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國強(qiáng)，吳家鳴.流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]楊小林，楊開明，趙琴.《流體力學(xué)》教材內(nèi)容體系改革的探討[J].高等教育研究，2007，24（2）：41-42.

[3]于靖博，張文孝，李廣華.工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].裝備制造技術(shù)，2011，11：205-207.

[4]鄭捷慶，鄒峰，張軍等.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，10：119-121.

作者簡介：

蘭自志（1978—），男，福建長汀人，講師，碩士，主要從事流體力學(xué)的教學(xué)研究工作。