基于車輛工程專業認證的流體力學教學實踐

肖國權

摘 要：根據車輛工程專業認證分解的流體力學課程對學生畢業的支撐要求，針對流體力學課堂教學缺乏針對復雜工程問題建模、分析和深入研究的教學環節，提出流體力學課程四個方面的教學目標，并結合目標重點探討了實現流體力學課程目標的教學實踐：（1）基于流體基礎理論，解釋汽車空氣動力學特性;（2）結合汽車氣動減阻，講授建模與求解技術;（3）結合冷卻模塊建模求解，講透“數形”結合法;（4）針對汽車造型設計問題，采用數值風洞教學。通過上述實踐，為學生多角度、多方位地分析汽車氣動減阻和造型設計問題提供了進行各種嘗試的機會，有效提高了流體力學理論教學效果，并促進了學生對車輛工程中復雜的空氣動力學問題的建模、分析和深入研究的應用。

關鍵詞：流體力學 理論教學 汽車CFD 銜接 教學實踐

The Teaching Practice of Fluid Mechanics based on the Certification of Vehicle Engineering

Xiao Guoquan

Abstract：According to the requirements of the fluid mechanics course decomposed by the vehicle engineering professional certification to support students' graduation， aiming at the fluid mechanics classroom teaching lacking the teaching links for modeling， the article conducts an in-depth analysis and research of complex engineering problems， and proposes the four aspects of the fluid mechanics course teaching goals. The article focuses on the teaching practice to achieve the fluid mechanics course objectives：（1）Based on the basic theory of fluids， the article explains the aerodynamic characteristics of automobiles;（2）Combining automobile aerodynamic drag reduction， the article discusses the teach modeling and solving techniques;（3）Combining the modeling and solving of the cooling module， the article explains the "number and shape" combination method;（4）Aiming at the problem of automobile modeling design， the article adopts numerical wind tunnel teaching. Through the above practice， it provides students with opportunities to analyze automobile aerodynamic drag reduction and styling design issues from multiple angles and directions， which effectively improves the teaching effect of fluid mechanics theory， and promotes students' understanding of the application of modeling， analysis and in-depth study of dynamics problems of the complex air engineering.

Key words：fluid mechanics， theoretical teaching， automobile CFD， cohesion， teaching practice

1 引言

流體力學是車輛工程與機械工程等專業本科生的必修課。該課程概念與原理多，抽象難懂，且對高等數學、大學物理與理論力學等先修課程要求高。基于工程教育專業認證的畢業要求，本課程的貢獻需要體現在以下三方面：（1）工程知識方面：掌握流體基礎和專業知識解釋復雜工程問題，并能建立正確的數學、力學模型;（2）問題分析方面：能夠應用流體力學的基本原理，識別、表達復雜機械工程問題;（3）研究方面：能夠基于流體力學科學原理和方法分析與解釋試驗數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論，完成對專業相關復雜工程問題進行研究。傳統的流體力學課堂教學缺乏針對復雜工程問題建模、分析和深入研究的教學環節。

近幾年在教學中要求學生自行設計汽車外型，結合流體力學所學相關理論，推導獲得汽車空氣動力學阻力公式，運用CFD軟件模擬汽車空氣動力學阻力，并分析提出優化設計建議。幫助學生理解汽車空氣動力學流動現象，并熟悉阻力構成、評價及阻力系數影響規律;掌握汽車空氣動力學阻力性能仿真方法和流程;掌握汽車造型優化設計盡可能減小車身風阻的方法，并能開展汽車空氣動力學阻力性能基礎研究，探索基于工程教育專業認證要求的流體力學教學改革方法。

2 流體力學課程教學目標

根據工程專業認證需要流體力學課程對畢業要求的支撐，提出的流體力學課程教學目標主要包括四個方面：（1）掌握流體的基本屬性、基本概念、基本規律、分類、流體作用力、流體方程中各公式的物理意義等，用于解釋工程中常見的流動現象;（2）掌握流體運動的描述方法、流體微團受力分析及流體基本方程組。并能針對實際流動問題建立流體方程組、構建數學模型，確立合理的邊界條件、選用正確的數值方法求解;（3）掌握流動研究的基本計算方法，結合流體方程組的綜合應用得到合理有效的結論;（4）針對汽車氣動阻力與汽車造型設計問題進行數值建模和模型制作試驗研究，掌握常見流動測試的原理，學會測試數據分析掌握流動的相似原理和量綱分析方法，并針對實際流動問題會推導一些工程可用的流體公式。

3 實現課程目標的教學實踐

3.1 基于流體基礎理論，解釋汽車空氣動力學特性

教學中流體力學的基本屬性、基本概念、基本規律、分類、流體作用力、流體方程中各公式的物理意義等概念抽象、枯燥、難懂。汽車行駛過程中周圍的空氣也看不見摸不著，但今天的中國，汽車已進入千家萬戶，每天出行離不開汽車，學生對汽車表面所受空氣動力學阻力與周圍氣流的分布情況有濃厚的興趣。

在課堂教學設計中引入采用CFD模擬給出的可視化圖像，譬如汽車表面的壓力與氣流分布特性分別如圖1和圖2所示。

由圖1與圖2可知，讓原本看不見、學生頭腦中很難想象的行駛過程中汽車氣動特性非常直觀地展現在學生面前，結合基本理論和伯努利方程分析，學生能更好地理解汽車氣動阻力與流體力學基本守恒方程的聯系，激發學生努力學好流體力學來滿足汽車開發過程中的真實需求的興趣，激烈他們學會用流體力學的基本原理和方程來解釋行駛過程中的汽車的空氣動力學特性，使《流體力學》成為一門實用而又“令人神往”的課程。

3.2 結合汽車氣動減阻，講授建模與求解技術

分散在不同章節的流體基礎理論與基本方程組，學生覺得很抽象、難懂。教學中以汽車氣動減阻問題求解為例， 通過構建汽車空氣動力學CFD仿真模型中計算域，給定邊界和初始條件，定義空氣屬性，指定環境條件，設置解算器控制參數和收斂監控曲線等，并通過后處理給出汽車空氣動力學特性分布，如圖3所示。

如圖3所示的汽車運動中全三的維流場信息直觀地演示給學生看，有助于學生理解汽車空氣動力學特性。在通過CFD軟件建模、設置、求解與后處理操作中每個窗口命令的選擇可以將分散的概念如邊界層、（非）定常、（不）可壓、有（無）旋、層（湍）流模型及基本物性參數（粘度、壓縮系數等）等全部串講起來，從解決實際問題出發，加深對概念和基本方程組的整體認識，加深概念的理解與應用。

3.3 結合冷卻模塊建模求解，講透“數形”結合法

針對汽車前端冷卻模塊的流動問題，結合描述流體運動的歐拉法的講解，引入控制體建立數學模型，如圖4所示。

歐拉法通過引入場（控制體、流線等）的概念，構建幾何的“形”，針對冷卻模塊流動問題引入“數”，即從數學的角度給出基于控制體的質量、動量、能量守恒方程。

通過“數形”結合，建立冷卻模塊流動問題的數學模型，并通過CFD計算收斂后獲得結果。這樣的建模與求解過程可以加深歐拉法和控制體的概念的理解，并將分散在各個章節的基于歐拉法的質量守恒方程、N-S方程（歐拉方程）及能量守恒（伯努利）方程結合起來，幫助學生從實際流動問題出發，深入理解質量、動量和能量方程組的聯系，掌握流動研究中的“數形”結合法。

針對建模和流體方程組求解得到的結論的合理性和有效性問題，在教學中一般通過開展研討式教學，引導學生參與教學討論，激發學生從實際流動問題本質的描述、物理模型選擇的正確性、流動現象（如三維效應、湍流、可壓縮性、非定常等）簡化的合理性等方面反復確認;從計算域選擇、初始值的設定、邊界類型與邊界條件的確定等方面優化模型;并從邊界的分辨率是否需要改進、自適應網格后精度是否提高，解是否與網格無關，網格是否足夠等方面改進網格。通過建模與求解各環節反復確認和改善，有助于學生針對具體問題進行深入分析，培養獨立思考的習慣和能力。通過針對實際流動問題建模和求解獲得更精確的仿真結果，可以讓同學們在在積累建模和求解經驗的同時， 能系統全面地掌握流體力學理論和基本方程組及其在汽車開發中的應用。

3.4 針對汽車造型設計問題，采用數值風洞教學

汽車造型直接影響汽車的油耗和安全性等，傳統的汽車氣動阻力實驗一般有以下兩種方法：

（1）風洞實驗。通過開發車型的初步設計，構建汽車外型的油泥模型，開展真實的風洞實驗，包括整車風洞實驗和“縮比模型”實驗。整車風洞初始投資數以億計、每小時實驗數以萬計，運行維護成本昂貴，即使國內已有幾座汽車空氣動力學整車風洞，學生也難以獲得整車風洞實驗的機會;一些學校建有模型風洞，基于汽車行駛中流動是相似原理制作“縮比模型”開展模型的空氣動力學試驗，再基于量綱分析方法獲得汽車空氣動力學特性參數。雖然已大大降低成本，操作也相對簡單，但還是對實驗設備的依賴性很大。

（2）“虛擬”實驗。通常是源自“人為制造”的基于Web或Labview平臺開發的虛擬實驗，一般只能結合理論或查閱實驗數據庫給出預先設定好的實驗的結果，實驗過程描述不清，實驗過程中學生往往來不及仔細地思考和提問，實驗結果的真實性無從考證，這類“虛擬”實驗信息量大 但實驗結果的精度和誤差缺乏解釋，學生對實驗結果會產生疑惑，并不知道怎樣才能改善實驗結果，不利于學生從流體力學的基本原理和方程出發理解實驗的結果。

基于車輛工程專業認證對課程所要達到的工程能力培養需要，基于長年在汽車空氣動力學方面的研究積累，在教學中基于虛擬風洞，采用數值風洞建模與求解的方法開展汽車造型與汽車空氣動力學實驗教學。主要是針對汽車行駛的場景，構建虛擬風洞，演示風洞實驗的基本方法，同時基于流體力學的基本原理和方程建立汽車空氣動力學CFD仿真模型求解，并通過后處理將空氣繞流汽車的流場顯示出來，如圖5所示。

由圖5可以看出，學生能夠直觀地看到汽車周圍的壓力和流線等流場參數的變化，能加深對氣動減阻問題的理解和掌握。這樣的CFD數值風洞實驗，在建模與求解過程中包含了對汽車氣動減阻現象的認識、通過對氣動阻力的分析、不斷探索比較和判斷結果的方法。這種實驗對缺乏風洞實驗條件下的傳統流體力學教學起到補充和擴展作用，可以取代一部分汽車風洞實驗，通過不斷更新實驗內容和方法，有助于學生理解汽車行駛過程中復雜的流動特性，熟悉汽車空氣動力學阻力構成、評價及阻力系數影響規律;掌握汽車空氣動力學阻力性能仿真方法和流程，增強對汽車氣動減阻的本質的理解。同時，這種高效率、低成本的數值風洞實驗可以豐富實驗內容和教學方法，為多角度、多方位地分析汽車氣動減阻和造型設計問題提供了進行各種嘗試的機會。有助于培養本科生的科研思想和工程概念，也有助于學生養成善于嘗試和探求規律的習慣，對學生參與畢業設計與科研、工程實踐是一個很好的訓練。

基金項目：2018年華南理工大學校級教研教改項目（Y1180521）

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