CFD技術應用于本科生“氣體動力學”的探討

孫振生 強洪夫 羅 雷，查柏林 朱杰堂

摘要：針對本科生“空氣動力學”課程具有概念多，公式抽象、枯燥等特點，本文提出將先進的CFD技術引進到“空氣動力學”的教學研究過程中，生動地、形象地展示出相關的物理概念，使得抽象的理論變成形象的畫面展現出來，一方面，加深學生對課程內容的理解情況和掌握情況;另一方面，激發學生的學習興趣和創造性思維，進而達到提高教學質量的目的。

關鍵詞：氣體動力學;CFD技術;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0156-02

引言：

“氣體動力學”是在連續介質的假設情況下，研究可壓縮、有加熱、加功效應且含有化學反應的氣體介質的運動規律，以及氣體與固體之間有相對相對運動時相互作用力的學科。它是飛行器動力工程、航天/航空工程、兵器工程等專業非常重要的一門專業性基礎課程，對學生整體的專業素質培養和后續專業課程的學習有著至關重要的作用。但是，學生普遍感覺到這門課程比較不容易懂，是不好啃的“硬骨頭”。主要原因是“氣體動力學”課程中應用的數學知識比較多，相關的概念又比較抽象、枯燥、不容易理解，公式推導比較復雜，這些原因使得學生常常感覺到理論比較高深，從而產生了一定的畏難心理。

20世紀60年代之后，伴隨著高速電子計算機的出現和計算方法的不斷創新，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）已經成為了一個獨立的學科分支。它主要是以運用計算機作為數值模擬的手段，運用一定的計算技術來尋找出一個滿足定解條件的各種復雜流體力學問題的數值解，并通過進一步分析數值結果，獲得相關的流動規律或解決工程實際問題的。CFD的一大優勢就是可以通過流動顯示技術來將計算結果進行直觀的顯示，將抽象的概念、理論變成了形象的畫面展示出來。因此，CFD技術在“氣體動力學”課程教學和研究中的作用和地位得到了不斷的提升，現在已經有一些教學工作者正在嘗試將CFD技術運用到“流體力學”、“傳熱學”等課程的教育教學當中，并且取得了比較好的教學效果。

為此，我們認為結合“氣體動力學”課程的發展趨勢，在本科生“氣體動力學”課程教學中引進CFD技術，調整改革部分教學內容，對教學質量的提高將有著非常重要的意義。

一、“氣體動力學”課程，引入CFD教學的目的

“氣體動力學”課程包含的內容可以用理論分析、實驗測量、數值模擬等的方法來進行研究。但是在傳統教學的過程當中，過于偏重理論的分析，教學內容比較單一，不能表現出現代氣體動力學的最新研究進展。在“氣體動力學”課程的教學中引入CFD技術，目的就是將氣體動力學的最新研究成果帶入到課堂當中去，來拓寬學生的視野，激發學生的學習熱情，具體分為以下幾點：

1.加深學生對重要物理概念的理解。氣體動力學概念比較多、公式抽象、邏輯性強、公式推導比較繁雜，相關概念的引入如果能夠結合CFD的圖像顯示，便會符合學生從感性認識上升到理性認識的認知規律，能夠促進學生對基礎理論的深刻理解。例如，激波是超聲速氣流中特有的現象，是“氣體動力學”課程中一個非常重要的概念。氣流經過激波時，氣體參數在極短的距離和極短的時間之內發生了巨大的變化，是一種不可逆的絕熱過程。激波因而可以看成是一個非常薄的“間斷面”。初學者往往對“間斷”這一概念難以理解。CFD則克服了概念抽象的特點，可以使激波以圖像的形式形象地展現在學生的面前，從而有利于加深學生對激波本質的理解和認識。這樣的例子在氣體動力學中是有很多的，比如“風阻”問題也可以通過汽車的CFD模擬來展示，“音障”問題可以通過飛機的飛行模擬來展現。這些CFD的具體實例不僅能較好地引入抽象的物理概念，而且還可以展現出氣動與生活的聯系，消除學生面對復雜公式的畏懼感，從而提高學生學習的自信心。

2.開展研討式教學，激發學生的主動性和創造性，培養學生綜合分析習慣，提高學生解決問題的能力。氣體動力學是一門與實驗聯系十分緊密的科學，實驗是課程的重要組成部分，CFD作為一種“數值實驗”，具有一些傳統的物理實驗所不可比擬的優勢，其結果可以在課堂上當場演示出來，不需要專門開設實驗課，這樣，可以大幅度減少學時數，提高教學效率。同時，利用CFD技術解決具體問題的應用實例，引導學生進行實踐創新，這一點也與傳統的灌輸式教學方式不同。例如，對同一個問題，稍微改變問題的邊界條件或者初始條件，即有可能得出完全不同的計算結果。利用CFD技術可以將這一現象高效地呈現出來，進而可以引導學生思考并分析發生這一現象的原因，幫助他們培養良好的思考習慣。還可以進一步啟發學生從反面思考問題，即若要達到某一預先設定的結果，應該如何設定邊界條件和初始條件。事實上，CFD技術的引入為學生全方位、多角度地思考和分析問題提供了多種高效地嘗試機會，對于培養學生的創新意識有著極其重要的意義。

3.可以使學生近距離地接觸實際問題，培養他們的科研思想和工程概念，為他們下一步的學習和工作打下良好的基礎。作為本科生，學生在理論上創新的可能性很小，但利用所學的基本知識來解決一些工程實際問題還是可以實現的。CFD成熟商業軟件的出現和在工程應用領域的廣泛應用，為我們提供了一個很好的平臺。利用這些軟件講解具體的實例并讓學生進行相關的探索，可以使學生深刻地感受到所學理論與具體工程之間的聯系與區別，對他們以后進行科學研究或者參與解決具體的工程問題是一個很好的鍛煉。

二、課程改革方案

根據“氣體動力學”課程的特點，綜合考慮各方面的因素，既要注重核心內容和基本知識的傳授，又要通過CFD技術的引入來增加前沿性的內容和實踐環節，從而帶動課程教學模式的轉變。具體有以下幾點措施：

1.課程內容和結構的調整。可以考慮根據課程標準和人才培養方案，重新合理安排教學計劃，將課程分為既相互關聯，又有一定獨立性的兩個部分。第一部分為基本的核心內容，第二部分以應用為主，通過選取實例開設研討課以及上機實踐課。

2.構建以CFD技術為核心的創新實踐平臺。教學團隊根據專業特色，從多種CFD軟件中挑選出適合本專業學生學習和使用的軟件，同時編寫上機模擬實驗的講義或者教材，設計部分簡單的“氣體動力學”課程實驗來供學生上機實踐，同時利用“問題驅動式”教學法來鼓勵學生不斷進行嘗試。CFD的數值模擬一般包括網格劃分、離散方法的選取、邊界條件的設定、數據的后處理幾個步驟，而這些過程中參數的選取與計算的物理問題有著十分密切的關系，不同的計算參數可以得到大相徑庭的結果。學生通過創新實踐平臺進行相關的實驗，并對計算結果進行深入分析，可以深化對物理問題的認識。

3.開展研討式教學。教師根據學生精心挑選的1～2個與“氣體動力學”課程相關的實例，讓學生在課堂上現場進行討論并且進行上機實踐，這種教學方式雖然教師的工作量比較大，但是學生的學習目標明確，積極性自然也就比較高了，這樣不僅能夠激發他們的學習熱情，還能夠鍛煉他們運用所學知識綜合分析問題的能力，還有可能取得意想不到的效果。

三、需要注意的問題

把CFD技術引入到“氣體動力學”的課堂教學中，是一個新的嘗試。沒有現成的經驗可以供我們借鑒，為了充分發揮其長處，避免其弊端，筆者認為有以下幾個方面的問題需要注意：

1.課堂教學時間的合理設計與控制。比如，如果在課堂教學中直接引入CFD模擬的現場演示，而CFD模擬根據算例的不同需要占用一定的時間，如何合理利用好這一段時間是教師需要精心考慮的問題。比如可以用來進一步介紹問題背景、復習所用的相關知識等。

2.要精心選擇教學案例。教學案例的選取既要貼近實際，又要能突出“氣體動力學”課程的重點與核心內容，此外案例的難度要適中，本科生能夠理解和接受。同時，教學案例的選擇要結合相關專業，多選取與專業精密相關的案例，這樣，不僅能調動學生的學習積極性和主動性，還能夠為他們畢業后盡快融入相關工作奠定基礎。

3.要注重課堂教學與課外的實踐相結合。課堂教學時間畢竟有限，對CFD的相關內容只能簡單介紹，更深入的學習只能由學生課后完成。教師可以在課堂演示案例的基礎上進一步延伸，供學有余力或者有興趣的學生在課后進一步研究。這樣一方面可以鞏固課堂的知識，另一方面可以培養學生的科研創新精神。

四、結語

總之，筆者認為，將CFD技術引入“氣體動力學”的課堂教學中，可以使抽象的理論變為形象的畫面，便于學生理解一些抽象的概念，有利于學生深入理解一些物理概念的本質。同時，這種方式進一步拓展了傳統意義的多媒體教學，是一個教學改革有價值的研討方向。但是，此種教學方式要求教師熟練掌握CFD的基礎理論知識與常用軟件，同時，教師需要花費更多的時間和精力去備課，因而對教師提出了更高的要求。

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