基于車輛工程專業(yè)認(rèn)證的流體力學(xué)教學(xué)實踐

肖國權(quán)

摘 要：根據(jù)車輛工程專業(yè)認(rèn)證分解的流體力學(xué)課程對學(xué)生畢業(yè)的支撐要求，針對流體力學(xué)課堂教學(xué)缺乏針對復(fù)雜工程問題建模、分析和深入研究的教學(xué)環(huán)節(jié)，提出流體力學(xué)課程四個方面的教學(xué)目標(biāo)，并結(jié)合目標(biāo)重點(diǎn)探討了實現(xiàn)流體力學(xué)課程目標(biāo)的教學(xué)實踐：（1）基于流體基礎(chǔ)理論，解釋汽車空氣動力學(xué)特性;（2）結(jié)合汽車氣動減阻，講授建模與求解技術(shù);（3）結(jié)合冷卻模塊建模求解，講透“數(shù)形”結(jié)合法;（4）針對汽車造型設(shè)計問題，采用數(shù)值風(fēng)洞教學(xué)。通過上述實踐，為學(xué)生多角度、多方位地分析汽車氣動減阻和造型設(shè)計問題提供了進(jìn)行各種嘗試的機(jī)會，有效提高了流體力學(xué)理論教學(xué)效果，并促進(jìn)了學(xué)生對車輛工程中復(fù)雜的空氣動力學(xué)問題的建模、分析和深入研究的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué) 理論教學(xué) 汽車CFD 銜接 教學(xué)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(xué)是車輛工程與機(jī)械工程等專業(yè)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(shù)學(xué)、大學(xué)物理與理論力學(xué)等先修課程要求高?；诠こ探逃龑I(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求，本課程的貢獻(xiàn)需要體現(xiàn)在以下三方面：（1）工程知識方面：掌握流體基礎(chǔ)和專業(yè)知識解釋復(fù)雜工程問題，并能建立正確的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型;（2）問題分析方面：能夠應(yīng)用流體力學(xué)的基本原理，識別、表達(dá)復(fù)雜機(jī)械工程問題;（3）研究方面：能夠基于流體力學(xué)科學(xué)原理和方法分析與解釋試驗數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論，完成對專業(yè)相關(guān)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的流體力學(xué)課堂教學(xué)缺乏針對復(fù)雜工程問題建模、分析和深入研究的教學(xué)環(huán)節(jié)。

近幾年在教學(xué)中要求學(xué)生自行設(shè)計汽車外型，結(jié)合流體力學(xué)所學(xué)相關(guān)理論，推導(dǎo)獲得汽車空氣動力學(xué)阻力公式，運(yùn)用CFD軟件模擬汽車空氣動力學(xué)阻力，并分析提出優(yōu)化設(shè)計建議。幫助學(xué)生理解汽車空氣動力學(xué)流動現(xiàn)象，并熟悉阻力構(gòu)成、評價及阻力系數(shù)影響規(guī)律;掌握汽車空氣動力學(xué)阻力性能仿真方法和流程;掌握汽車造型優(yōu)化設(shè)計盡可能減小車身風(fēng)阻的方法，并能開展汽車空氣動力學(xué)阻力性能基礎(chǔ)研究，探索基于工程教育專業(yè)認(rèn)證要求的流體力學(xué)教學(xué)改革方法。

2 流體力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)工程專業(yè)認(rèn)證需要流體力學(xué)課程對畢業(yè)要求的支撐，提出的流體力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)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(guī)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(xiàn)象;（2）掌握流體運(yùn)動的描述方法、流體微團(tuán)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(gòu)建數(shù)學(xué)模型，確立合理的邊界條件、選用正確的數(shù)值方法求解;（3）掌握流動研究的基本計算方法，結(jié)合流體方程組的綜合應(yīng)用得到合理有效的結(jié)論;（4）針對汽車氣動阻力與汽車造型設(shè)計問題進(jìn)行數(shù)值建模和模型制作試驗研究，掌握常見流動測試的原理，學(xué)會測試數(shù)據(jù)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(dǎo)一些工程可用的流體公式。

3 實現(xiàn)課程目標(biāo)的教學(xué)實踐

3.1 基于流體基礎(chǔ)理論，解釋汽車空氣動力學(xué)特性

教學(xué)中流體力學(xué)的基本屬性、基本概念、基本規(guī)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(jìn)入千家萬戶，每天出行離不開汽車，學(xué)生對汽車表面所受空氣動力學(xué)阻力與周圍氣流的分布情況有濃厚的興趣。

在課堂教學(xué)設(shè)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(xué)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(xiàn)在學(xué)生面前，結(jié)合基本理論和伯努利方程分析，學(xué)生能更好地理解汽車氣動阻力與流體力學(xué)基本守恒方程的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生努力學(xué)好流體力學(xué)來滿足汽車開發(fā)過程中的真實需求的興趣，激烈他們學(xué)會用流體力學(xué)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(xué)特性，使《流體力學(xué)》成為一門實用而又“令人神往”的課程。

3.2 結(jié)合汽車氣動減阻，講授建模與求解技術(shù)

分散在不同章節(jié)的流體基礎(chǔ)理論與基本方程組，學(xué)生覺得很抽象、難懂。教學(xué)中以汽車氣動減阻問題求解為例， 通過構(gòu)建汽車空氣動力學(xué)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(huán)境條件，設(shè)置解算器控制參數(shù)和收斂監(jiān)控曲線等，并通過后處理給出汽車空氣動力學(xué)特性分布，如圖3所示。

如圖3所示的汽車運(yùn)動中全三的維流場信息直觀地演示給學(xué)生看，有助于學(xué)生理解汽車空氣動力學(xué)特性。在通過CFD軟件建模、設(shè)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(shù)（粘度、壓縮系數(shù)等）等全部串講起來，從解決實際問題出發(fā)，加深對概念和基本方程組的整體認(rèn)識，加深概念的理解與應(yīng)用。

3.3 結(jié)合冷卻模塊建模求解，講透“數(shù)形”結(jié)合法

針對汽車前端冷卻模塊的流動問題，結(jié)合描述流體運(yùn)動的歐拉法的講解，引入控制體建立數(shù)學(xué)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(gòu)建幾何的“形”，針對冷卻模塊流動問題引入“數(shù)”，即從數(shù)學(xué)的角度給出基于控制體的質(zhì)量、動量、能量守恒方程。

通過“數(shù)形”結(jié)合，建立冷卻模塊流動問題的數(shù)學(xué)模型，并通過CFD計算收斂后獲得結(jié)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(jié)的基于歐拉法的質(zhì)量守恒方程、N-S方程（歐拉方程）及能量守恒（伯努利）方程結(jié)合起來，幫助學(xué)生從實際流動問題出發(fā)，深入理解質(zhì)量、動量和能量方程組的聯(lián)系，掌握流動研究中的“數(shù)形”結(jié)合法。

針對建模和流體方程組求解得到的結(jié)論的合理性和有效性問題，在教學(xué)中一般通過開展研討式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)討論，激發(fā)學(xué)生從實際流動問題本質(zhì)的描述、物理模型選擇的正確性、流動現(xiàn)象（如三維效應(yīng)、湍流、可壓縮性、非定常等）簡化的合理性等方面反復(fù)確認(rèn);從計算域選擇、初始值的設(shè)定、邊界類型與邊界條件的確定等方面優(yōu)化模型;并從邊界的分辨率是否需要改進(jìn)、自適應(yīng)網(wǎng)格后精度是否提高，解是否與網(wǎng)格無關(guān)，網(wǎng)格是否足夠等方面改進(jìn)網(wǎng)格。通過建模與求解各環(huán)節(jié)反復(fù)確認(rèn)和改善，有助于學(xué)生針對具體問題進(jìn)行深入分析，培養(yǎng)獨(dú)立思考的習(xí)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(jié)果，可以讓同學(xué)們在在積累建模和求解經(jīng)驗的同時， 能系統(tǒng)全面地掌握流體力學(xué)理論和基本方程組及其在汽車開發(fā)中的應(yīng)用。

3.4 針對汽車造型設(shè)計問題，采用數(shù)值風(fēng)洞教學(xué)

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

（1）風(fēng)洞實驗。通過開發(fā)車型的初步設(shè)計，構(gòu)建汽車外型的油泥模型，開展真實的風(fēng)洞實驗，包括整車風(fēng)洞實驗和“縮比模型”實驗。整車風(fēng)洞初始投資數(shù)以億計、每小時實驗數(shù)以萬計，運(yùn)行維護(hù)成本昂貴，即使國內(nèi)已有幾座汽車空氣動力學(xué)整車風(fēng)洞，學(xué)生也難以獲得整車風(fēng)洞實驗的機(jī)會;一些學(xué)校建有模型風(fēng)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(xué)試驗，再基于量綱分析方法獲得汽車空氣動力學(xué)特性參數(shù)。雖然已大大降低成本，操作也相對簡單，但還是對實驗設(shè)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(fā)的虛擬實驗，一般只能結(jié)合理論或查閱實驗數(shù)據(jù)庫給出預(yù)先設(shè)定好的實驗的結(jié)果，實驗過程描述不清，實驗過程中學(xué)生往往來不及仔細(xì)地思考和提問，實驗結(jié)果的真實性無從考證，這類“虛擬”實驗信息量大 但實驗結(jié)果的精度和誤差缺乏解釋，學(xué)生對實驗結(jié)果會產(chǎn)生疑惑，并不知道怎樣才能改善實驗結(jié)果，不利于學(xué)生從流體力學(xué)的基本原理和方程出發(fā)理解實驗的結(jié)果。

基于車輛工程專業(yè)認(rèn)證對課程所要達(dá)到的工程能力培養(yǎng)需要，基于長年在汽車空氣動力學(xué)方面的研究積累，在教學(xué)中基于虛擬風(fēng)洞，采用數(shù)值風(fēng)洞建模與求解的方法開展汽車造型與汽車空氣動力學(xué)實驗教學(xué)。主要是針對汽車行駛的場景，構(gòu)建虛擬風(fēng)洞，演示風(fēng)洞實驗的基本方法，同時基于流體力學(xué)的基本原理和方程建立汽車空氣動力學(xué)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(xué)生能夠直觀地看到汽車周圍的壓力和流線等流場參數(shù)的變化，能加深對氣動減阻問題的理解和掌握。這樣的CFD數(shù)值風(fēng)洞實驗，在建模與求解過程中包含了對汽車氣動減阻現(xiàn)象的認(rèn)識、通過對氣動阻力的分析、不斷探索比較和判斷結(jié)果的方法。這種實驗對缺乏風(fēng)洞實驗條件下的傳統(tǒng)流體力學(xué)教學(xué)起到補(bǔ)充和擴(kuò)展作用，可以取代一部分汽車風(fēng)洞實驗，通過不斷更新實驗內(nèi)容和方法，有助于學(xué)生理解汽車行駛過程中復(fù)雜的流動特性，熟悉汽車空氣動力學(xué)阻力構(gòu)成、評價及阻力系數(shù)影響規(guī)律;掌握汽車空氣動力學(xué)阻力性能仿真方法和流程，增強(qiáng)對汽車氣動減阻的本質(zhì)的理解。同時，這種高效率、低成本的數(shù)值風(fēng)洞實驗可以豐富實驗內(nèi)容和教學(xué)方法，為多角度、多方位地分析汽車氣動減阻和造型設(shè)計問題提供了進(jìn)行各種嘗試的機(jī)會。有助于培養(yǎng)本科生的科研思想和工程概念，也有助于學(xué)生養(yǎng)成善于嘗試和探求規(guī)律的習(xí)慣，對學(xué)生參與畢業(yè)設(shè)計與科研、工程實踐是一個很好的訓(xùn)練。

基金項目：2018年華南理工大學(xué)校級教研教改項目（Y1180521）

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