FLOW—3D在流體力學教學改革中的應用及探討

譙雯 周云開

摘 要：針對流體力學授課內容抽象和授課形式單一的特點，結合FLOW-3D軟件在模擬流體力學現象中所具有的優勢，文章提出將FLOW-3D軟件應用于流體力學課堂教學中以幫助學生立體、直觀地認識流體力學現象和掌握流體力學理論知識；通過拓展目前的教學形式，提高學生對流體力學課程的興趣以及培養學生的動手能力和創新能力；同時加強教學與實際工程之間的有機結合。

關鍵詞：流體力學；教學改革；FLOW-3D；數值模擬

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

流體運動是自然界普遍存在的現象，大至宇宙，小到細胞，無所不在。人類的生產生活與流體運動密切相關，從大禹治水，疏而不堵；李冰分流誘導，造就天府之國等事實表明，在古代人類已經用流體力學的知識解決實際問題。文藝復興開啟了將流體運動的研究從經驗到科學的轉變，催生了現代流體力學。長期以來，城市給排水系統、水利工程、船舶建造和航海業一直是流體力學研究的原動力。從流體力學的基礎性地位和應用可以看出，它對于工程類專業學生的重要性。在土建工程和環境工程中，流體力學是大多數專業教學計劃中一門重要的專業基礎課。比如在給水排水、供熱通風、廢水處理、道路橋梁設計、基坑排水等設計、施工、運行管理中都會涉及到流體力學知識。在機械類專業教學計劃中，工程流體力學是一門技術基礎課。比如在水輪機、內燃機、汽車、飛機、船舶等機械制造過程中都涉及到流體力學知識。目前國內外的高等院校都十分重視流體力學課程的設置和教學工作[1，2]。例如美國的一些大學，其機械系將流體力學課程分為在低年級開設的基礎流體力學和高年級開設的高等流體力學，其中僅僅基礎流體力學課時量就達到了80學時左右。國內如清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學也都為土木工程、環境工程、機械工程等學科的學生開設的流體力學課程，并將流體力學列為工程類專業的基礎平臺課。針對流體力學課程在工科類專業中的重要性，提出將FLOW-3D軟件應用于流體力學課堂教學中以幫助學生立體、直觀地認識流體力學現象和掌握流體力學理論知識，以期保證并提高教學信息量和教學質量無疑具有重要的促進作用。

一、《流體力學》課程存在的主要問題

《流體力學》課程由于涉及較多抽象概念，計算公式及推導過程繁瑣，對數學基礎要求較高等特點，增加了教師課堂講授的難度并難以激發學生的學習熱情。蘇格拉底曾說：“教育的本質是點燃火焰”。好奇是人類的本能，而學習則是生活的本質，專門進行學習的教學活動怎么能成為磨滅學習興趣的兇手呢？因此如何推進流體力學授課內容和方法的改革，對克服學生的畏難心理，提高學習興趣是教育工作者面臨的重要課題[3，4]。

目前我校流體力學教學主要存在以下幾個問題：1.缺乏演示性試驗教學：流體力學的主要研究途徑包括理論分析、實驗方法和數值模擬三大塊[5]，但是目前在我校的流體力學本科教學中主要偏重于理論教學和實驗教學，其中實驗課程不少是演示性實驗，加之受課時的限制，并不能夠開設全部的實驗。對于工科大學生而言，最重要的事情是把所探討的物理現象，準確清晰地予以形象化，可是抽象而單一的教學方式和內容，不利于大學生對流體力學基本概念和原理的理解，更難以讓大學生充分了解流體力學當前的發展進程，拓寬知識面，以及應用流體力學基本原理去解決實際工程問題。2.教學內容對學生的專業指導作用不明顯：近年來，流體力學課程課時量的縮減導致授課內容只能以流體的物理性質、靜力學、動力學、流動阻力和水頭損失、有壓管及明渠的水力計算作為教學重點，無法大幅引入一些土木工程案例以適應土木工程實踐的需要，導致許多畢業生在從事土木工程的過程中感覺流體力學對土木工程的指導作用不明顯；3.教材缺乏新的科技成果：流體力學教材與現代科學技術的發展聯系不夠緊密，加之在教學的過程中如果只注重教材上的內容，學生在課堂上便不會有興趣關注老師所講的內容，久而久之，師生之間也會逐漸缺乏互動，課堂教學效果顯然不會理想；4.教學方法單調：盡管隨著計算機技術的發展，多媒體教學通過圖片和動畫演示對流體力學中抽象的知識相對傳統純講授教學方式更容易使得學生理解，我校的教學也已基本從傳統的板書教學轉變為多媒體教學，但是對于多媒體的應用還不是很充分和靈活，多媒體素材往往只是定性的演示，缺少與實際模型的有機結合，無法做到定量的具體分析。目前數值模擬技術在各行各業中得到廣泛應用，FLOW-3D以其突出的前后處理優勢和強大的求解功能在水利行業、機械鑄造以及航海等行業中具有無可比擬的優勢，因此本課程團隊認為，將FLOW-3D軟件應用于流體力學教學無疑對課程建設具有重要的促進作用；5.專業教師自身存在的問題：近年來高校規模的不斷擴大，對人才的需求使得青年教師占師資的比重很大，而青年教師剛從學校畢業，存在專業理論知識扎實但缺乏教學經驗的現象。另外，學校對教師科研和教學的雙重要求，青年教師既要加強自身科研素養的提高，又要保證教學質量，難免偶爾會存在力不從心的現象。因此如何讓青年教師在有限的課堂時間里更好更有效地教授流體力學知識是關鍵。

二、FLOW-3D在《流體力學》教學改革中的意義

將FLOW-3D引入《流體力學》教學中的主要目的在于提高教學質量，激發學生學習的興趣和強烈的課程參與感，為提高學生的創新水平奠定良好的基礎[6]。具體意義如下：

（一）幫助學生對所學理論和公式的理解與應用

在FLOW-3D的應用過程中會涉及到流體力學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用兩三個實例就可以將分布在各章節抽象的概念全部串聯起來，變傳統的“灌輸概念”為新的“思路教學”，使得學生對抽象的概念具有更加立體的認識。再比如，在講解總流伯努利方程時，教師可以通過FLOW-3D將三維全流場信息以數據和圖像的形式呈現給學生，從而可以分析流體運動的本質規律，這是傳統的理論教學和實驗教學難以做到的。因此引入FLOW-3D能夠使得學生對流體力學的概念和公式的認識更具有立體感，理解也更為深刻。

（二）變“被動接受”為“主動參與”的討論式教學

計算機是現代大學生日常接觸得最多的工具，他們對計算機領域的相關問題始終保持著強烈的求知欲，并很樂于學習各類軟件。FLOW-3D以其強大的分析問題和求解問題的能力能夠激發他們濃厚的學習興趣。通過對FLOW-3D的應用，可以促進大學生主動深入學習流體力學的相關理論知識。另外，目前流體力學的理論教學主要是通過結合多媒體和傳統的板書方式通過講授的方式開展，實驗教學主要是對一些基礎性實驗進行驗證，無法測量到管道內和產生局部水頭損失等的部位流速和壓力分布等物理量。應用FLOW-3D的數值模擬技術能夠很好地彌補這方面的不足，讓學生能夠更加清晰和直觀的學習這部分知識。適當增加一部分上機課程，讓學生通過生動的軟件親自把抽象的流動現象轉變成實際動畫，不僅能夠讓他們對軟件產生濃厚的興趣，而且在參數設置和求解過程中加深數學理論基礎的求知和探索，將所遇到的問題和結果得以實現，增加學習成就感，都會給他們帶來不一樣的收獲。這樣的興趣很有可能會被帶到課下，通過對軟件的探索拓寬他們的知識面，改變過去傳統的將知識經教師咀嚼后變為現成的“處方”灌輸給學生的局面，從而大大提高他們的課程參與感以及發現問題和解決問題的能力，同時為促進師生交流創造更好的條件。

三、FLOW-3D在《流體力學》教學中的具體改革方案

將FLOW-3D應用于《流體力學》教學中，豐富了目前的教學內容和方法，也為大學生應用現代設計方法解決流體力學問題提供了平臺。在現有的理論課程和實驗課程基礎上適當增加《流體力學》上機課程，并編寫《流體力學》上機實驗指導書。指導書分兩個部分，一部分用于指導課堂教學，一部分用于指導課后練習。課堂教學中的上機內容重點是課程中的理論知識與工程實例相結合的典型實例，計算耗時短，重點給學生提供解決問題的思路和分析問題的方法。課后練習主要提供更接近現實工程的代表性實例，計算耗時長，由學生課后自主完成數值模擬過程，并對結果進行分析比較。

由于商用軟件直接包含了數學模型建立、控制方程離散化、計算求解及結果顯示整個過程，因此學生可在短時間內掌握FLOW-3D模擬流體力學問題的過程。作者以薄壁堰流為例，簡單說明FLOW-3D在流體力學教學中的應用。

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知識去判斷該工程中可能出現的問題，如何對工程進行簡化以及參數如何設置。比如薄壁堰流模擬時，是否考慮水的黏性力？我們就可以根據雷諾數的大小來確定，雷諾數很大則表明慣性力遠遠大于黏性力，此時可不考慮黏性力。但是考慮到紊流的存在，在模型的參數設置時還是需要設定黏性參數。為了節省的計算時間，可以根據對稱特性沿薄壁堰順水流方向取模型的一半，也能反映出薄壁堰的所有信息。圖1為網格劃分圖，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～流量關系穩定等特點被廣泛應用于實際工程。通過FLOW-3D數值模擬過程的練習，學生能夠更直觀和清晰的了解水流特性與弗勞德數、雷諾數等參數的關系以及水頭與流量的關系。

四、結束語

隨著數值模擬技術的日趨成熟和完善，各行各業已逐漸普及數值模擬軟件的應用，因此利用在流體模擬技術方面具有無可比擬的優勢的FLOW-3D軟件來提高《流體力學》教學效果必然能夠起到積極作用。同時，對提高學生的動手能力和創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。

參考文獻

[1]張引弟，廖銳全，李元鳳，等.《工程流體力學》課程考核方式的教學改革與實踐[J].西南師范大學學報（自然科學版），2015，40（4）：139-143.

[2]李建強.流體力學在工程建設中的應用[J].華東交通大學學報，2001，18（3）：66-67.

[3]王洪偉.《我所理解的流體力學》[M].北京：國防工業出版社，2014.

[4]李國珍，薛梅.工程流體力學教學中的幾點體會[J].中國校外教育，2013（12）：94.

[5]劉鶴年.《流體力學》[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

[6]謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入CFD教學探討[J].力學與實踐，2013，35：91-93.