面向紡織機(jī)械的流體力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

彭倚天 丁彩紅

摘? 要：流體力學(xué)是機(jī)械專業(yè)本科生必修專業(yè)基礎(chǔ)課，課程抽象概念較多、公式推導(dǎo)復(fù)雜，存在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃厚、對內(nèi)容理解不深、課程的工程化程度弱等問題。該文針對以紡織機(jī)械為特色的機(jī)械學(xué)科流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)狀，結(jié)合作者基于流體力學(xué)的大容量薄膜蒸發(fā)器流場模擬和裝備設(shè)計(jì)，引入相應(yīng)的科研成果實(shí)施，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面開展教學(xué)改革和實(shí)踐，包括基于CFD的流體力學(xué)理論模擬、流動(dòng)現(xiàn)象觀測、紡織機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法，通過理論與紡織機(jī)械特色實(shí)際相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)刮膜式薄膜蒸發(fā)器模擬案例，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)或科研的一個(gè)具體過程，可有效地提升課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力及解決具體工程實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué);紡織機(jī)械;薄膜蒸發(fā)器;機(jī)械設(shè)計(jì);典型案例

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）17-0142-05

Abstract： Fluid Mechanics is a compulsory basic course for undergraduates majoring in mechanical engineering in textile specialized college of mechanical engineering. There are many basic concepts and complicated formula derivation in the course， which leads to some problems such as students' lack of interest in learning， poor understanding of the content and weak engineering degree. According to the teaching content and present situation of the course Fluid Mechanics， a mechanical discipline featuring textile machinery， combined with the author's research area and development experience and accumulation of large-capacity wiped thin-film evaporators for textile equipment based on fluid mechanics. This paper introduces corresponding scientific research achievements to implement reform and practical measures from the aspects of content， methods and means of teaching， mainly including CFD-based theoretical simulation of fluid mechanics， observation of flow phenomena， principles and methods of textile machinery design. A simulation device of rotary machine thin film evaporator is designed to let students know a specific process of experiment or scientific research based on the combination of theory and the characteristics of textile machinery. The reform and practice of the course Fluid Mechanics would cultivate students' ability to solve specific engineering practical problems for textile machining.

Keywords： Fluid Mechanics; textile machining; thin-film evaporator; machinery design; typical example

流體力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科，成為多學(xué)科交叉和科技創(chuàng)新的橋梁和紐帶，具有較強(qiáng)的理論性和工程實(shí)際意義，既可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和分析推理能力，又可以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力[1]。隨著世界各國科學(xué)家和研究機(jī)構(gòu)對工程領(lǐng)域和現(xiàn)實(shí)生活中流體力學(xué)現(xiàn)象所蘊(yùn)含的流體力學(xué)本質(zhì)的持續(xù)不斷深入研究，使流體力學(xué)得到了不斷發(fā)展和完善，維度已經(jīng)涵蓋海、陸、空及外太空，尺度已從常規(guī)尺度的流體流動(dòng)轉(zhuǎn)向受限空間內(nèi)的流動(dòng)，并已從常規(guī)的牛頓流體轉(zhuǎn)向非牛頓流體，被廣泛應(yīng)用于航空航天、水利、采礦、交通土建、石油化工、機(jī)械冶金、環(huán)境、氣象和生物等領(lǐng)域并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐[2]。

流體力學(xué)是機(jī)械工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)課程（如液壓傳動(dòng)、流體機(jī)械等）的先修課程，趨向于解決工程中出現(xiàn)的實(shí)際問題。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可為畢業(yè)后從事流體機(jī)械及能源動(dòng)力等相關(guān)工作提供理論支持[3]。流體力學(xué)課程有很強(qiáng)的實(shí)踐性，生活中處處存在著流動(dòng)現(xiàn)象。世界各國的理工類高校基本上都已將流體力學(xué)設(shè)置為本科生/?？粕膶I(yè)必修課。流體力學(xué)是機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及專業(yè)技能應(yīng)用具有重要的支撐作用[4]。

近年來，流體力學(xué)課程內(nèi)容教學(xué)取得了較大進(jìn)步，授課教師在流體力學(xué)課程內(nèi)容的教學(xué)實(shí)踐中逐步積累了較為豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，然而流體力學(xué)課程教學(xué)中依然存在一些問題，制約著課程內(nèi)容教學(xué)的發(fā)展，主要包括以下三個(gè)方面[5-6]：首先，由于流體力學(xué)課程學(xué)習(xí)中有不少內(nèi)容涉及機(jī)械、材料、結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)、力學(xué)和物理等課程的知識(shí)點(diǎn)，教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)抽象，學(xué)生普遍感覺基本概念抽象、學(xué)習(xí)難度高、公式推導(dǎo)復(fù)雜、數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)要求較高、學(xué)習(xí)興趣不濃厚和學(xué)習(xí)內(nèi)容理解不深，大多數(shù)學(xué)生也只能做到課后照搬公式做題，而對后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中碰到的新問題無法做到歸納分析，最終不能有效提升運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。其次，流體力學(xué)課程理論難度大，流體力學(xué)課程具有抽象概念多、教學(xué)方法不夠生動(dòng)的問題，傳統(tǒng)的采用PPT電子課件的授課形式中，課程教學(xué)活動(dòng)的主要組織者教師和課程教學(xué)活動(dòng)的主要接受者學(xué)生通過PPT課件進(jìn)行教學(xué)信息交流，而PPT電子課件大多僅停留在靜態(tài)畫面上，缺乏生動(dòng)形象的事例，會(huì)導(dǎo)致課堂氣氛沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，不能夠形象地演示相關(guān)流體力學(xué)現(xiàn)象，不利于學(xué)生理解和掌握流體力學(xué)現(xiàn)象背后的本質(zhì)[7]。最后，作為一門機(jī)械學(xué)科基礎(chǔ)課，教師缺少足夠的課時(shí)去完成教學(xué)大綱所規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，學(xué)生對流體力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容往往缺乏思考，只是被動(dòng)地接受，學(xué)生也無法完全理解和掌握課程知識(shí)，無法將所學(xué)知識(shí)與工程實(shí)際聯(lián)系起來。由此導(dǎo)致學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)受到限制，不利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)，是公認(rèn)的教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程之一[8]。

因此，筆者開展流體力學(xué)課程的教學(xué)方法改革，探索了流體力學(xué)課程教學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)改革措施，提出了基于計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)原理的課程教學(xué)改革措施和實(shí)踐內(nèi)容，有望提升該課程教學(xué)質(zhì)量，更好地提升學(xué)生綜合創(chuàng)新及實(shí)踐能力。

一? 引導(dǎo)學(xué)生重視，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

（一）? 課程內(nèi)容和地位

流體力學(xué)課程涉及機(jī)械、材料、結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)、力學(xué)和物理等課程，學(xué)生普遍感覺該課程基本概念抽象、學(xué)習(xí)難度高、學(xué)習(xí)興趣不濃厚和學(xué)習(xí)內(nèi)容理解不深，最終導(dǎo)致課程考試結(jié)果不理想，而課程考試是檢查教學(xué)效果、保證教學(xué)質(zhì)量的有效手段之一，也是實(shí)踐教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)[9]。為此，提出流體力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)方法，借助計(jì)算機(jī)仿真軟件，擬在后續(xù)教學(xué)中開展計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)。

流體力學(xué)主要內(nèi)容有：流體及其物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、相似原理和量綱分析、管內(nèi)流動(dòng)和水力計(jì)算液體出流、氣體的一維流動(dòng)、理想流體的有旋流動(dòng)和無旋流動(dòng)、黏性流體繞過物體的流動(dòng)及氣體的二維流動(dòng)，教材內(nèi)容過多，要想在32學(xué)時(shí)內(nèi)完成所有內(nèi)容的講授基本不可能，因此需對其進(jìn)行優(yōu)化精簡。數(shù)值計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)可優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，但實(shí)施起來都存在較大的限制，例如由于流場問題的復(fù)雜性，數(shù)值計(jì)算無法進(jìn)行分析求解， 而物理實(shí)驗(yàn)也會(huì)因費(fèi)用昂貴而無力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定[10]。強(qiáng)調(diào)流體力學(xué)課程與紡織機(jī)械類專業(yè)主干課的聯(lián)系，提高學(xué)生對這門課的重視程度，設(shè)法引導(dǎo)學(xué)生從思想上重視流體力學(xué)課程學(xué)習(xí)。其一，可以向?qū)W生說明流體力學(xué)在整個(gè)專業(yè)教學(xué)中的地位和作用;其二，強(qiáng)調(diào)流體力學(xué)是以流體（氣體、液體、牛頓流體和非牛頓流體）為研究對象[11]，研究流體平衡（靜平衡、動(dòng)平衡）和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。雖然該課程具有流體計(jì)算數(shù)學(xué)公式抽象、理論分析復(fù)雜不易掌握、概念和方程推導(dǎo)較多且易混淆、對學(xué)生高等數(shù)學(xué)知識(shí)及多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用分析和處理問題能力要求較高等特點(diǎn)[12]，但卻是解決紡織機(jī)械專業(yè)領(lǐng)域工程問題和設(shè)備設(shè)計(jì)必不可少的一門課程。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn)， CFD仿真所用流場模型經(jīng)歷了不斷完善，推進(jìn)了流場仿真的真實(shí)性和可信度[13]。本課程后續(xù)擬采用基于CFD的教學(xué)內(nèi)容改革和實(shí)踐，有助于學(xué)生更好地理解和掌握課程知識(shí)點(diǎn)。

（二）? 流體力學(xué)模擬解決紡織機(jī)械設(shè)計(jì)問題

流體力學(xué)課程教學(xué)中存在學(xué)生參與度不高、創(chuàng)造力不足、學(xué)習(xí)擴(kuò)展性不強(qiáng)等問題，迫切需要進(jìn)行改革[14]。ANSYS-FLUENT 通用流體數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)是預(yù)測流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的一門學(xué)科，也是從事流體流動(dòng)、流體機(jī)械設(shè)計(jì)、航空航海等領(lǐng)域的重要研究手段，其計(jì)算準(zhǔn)確、界面友好、使用簡單、應(yīng)用領(lǐng)域廣和物理模型多，在流體工程中起到重要作用，在教學(xué)中通過改變教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等[15]發(fā)揮其應(yīng)有的作用，并且打破了傳統(tǒng)教學(xué)局限，彌補(bǔ)了物理實(shí)驗(yàn)難以操作的不足。基于CFD的流體力學(xué)仿真，兼具基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，其教學(xué)內(nèi)容具有顯著的專業(yè)性和綜合性特征，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及工程能力。

雖然CFD已經(jīng)成為流體力學(xué)技術(shù)開發(fā)方面的主要研究手段，但受限于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的時(shí)長，其一直未能在教學(xué)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。隨著流體力學(xué)算法的進(jìn)步，計(jì)算效率得到了顯著提升。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，大部分學(xué)生的個(gè)人電腦都具備開展CFD計(jì)算的能力。在經(jīng)過高等數(shù)學(xué)、偏微分方程等課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)生基本具備了理解偏微分方程組求解方法的基礎(chǔ)，而將CFD作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為可能，可借助CFD數(shù)值模擬開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突破現(xiàn)有教學(xué)條件對實(shí)驗(yàn)的限制。

二? 引入CFD模擬構(gòu)建模型及仿真參數(shù)確定

自20世紀(jì)40年代薄膜蒸發(fā)器問世以來， 國內(nèi)外學(xué)者對其流動(dòng)機(jī)理、傳熱傳質(zhì)、性能及制造應(yīng)用等進(jìn)行了大量研究，流體的流動(dòng)、分布與傳輸機(jī)制直接決定了蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率與功耗，因此薄膜蒸發(fā)器的流體流動(dòng)問題是受到研究者們最多關(guān)注的課題，而流體的流動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)分析是流體力學(xué)課程的基本概念和理論。將數(shù)值模擬CFD技術(shù)應(yīng)用于流體力學(xué)教學(xué)中，如圖1所示，選取工程實(shí)際中薄膜蒸發(fā)器的單個(gè)葉片為代表性紡織機(jī)械結(jié)構(gòu)，其是可以體現(xiàn)流體力學(xué)現(xiàn)象的典型實(shí)例，采用如SOLIDWORKS、CATIA、UG等建模軟件構(gòu)建的仿真模型（抽取流體域并劃分網(wǎng)格），建立典型實(shí)例的二維或者三維幾何模型，將所建立的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件如 GAMBIT等，對二維或者三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，一般小模型采用四面體網(wǎng)格，其模型適應(yīng)性好;大模型采用多面體網(wǎng)格。并以歪斜率小于0.9的網(wǎng)格評價(jià)指標(biāo)對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，然后輸出網(wǎng)格文件，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入流體力學(xué)求解程序FLUENT、CFX等。進(jìn)行流場仿真時(shí)，選用VOF多相流模型，設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)，并且進(jìn)行求解計(jì)算，通過后處理程序演示計(jì)算結(jié)果，分析單個(gè)葉片的流體流動(dòng)現(xiàn)象和基本原理，結(jié)合計(jì)算結(jié)果詳細(xì)講解流體力學(xué)理論課教學(xué)所需講授的知識(shí)點(diǎn)。

如果一個(gè)流體中50%以上是液相，則將其視為液體，因此定義液相體積分?jǐn)?shù)大于50%的云圖為液相分布云圖。加上Lee相變（蒸發(fā)冷凝模型）熱仿真，刮膜蒸發(fā)器的旋轉(zhuǎn)方法采用SRF模型，將流體均假設(shè)為不可壓縮流體，設(shè)置壁面是親疏水性，并設(shè)置液體表面張力系數(shù)。圖2所示的體積分?jǐn)?shù)云圖分析了薄膜蒸發(fā)器的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及混合機(jī)理、液膜厚度和流速、液體滯留量及停留時(shí)間分布等，并關(guān)注蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的影響，得到葉片刮膜的壁面氣相圖、黏度、速度流線和速度矢量圖等。這部分的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生對流體的壓縮性、膨脹性、表面張力等流體屬性的基本概念，以及流線和跡線相關(guān)的描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法與不可壓縮流體的流速分布和計(jì)算過程，都有了形象的學(xué)習(xí)認(rèn)知和感性的學(xué)習(xí)實(shí)踐。

刮板薄膜蒸發(fā)器作為一種新型高效蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于紡織等行業(yè)，通過該典型工程案例可以提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程的興趣，學(xué)習(xí)逐步完善幾何模型、優(yōu)化計(jì)算方法，甚至獨(dú)立構(gòu)建計(jì)算模型。圖3所示為薄膜蒸發(fā)器中攪拌雷諾數(shù)圖、黏度圖、溫度圖和蒸發(fā)系數(shù)圖，可觀察流體跡線和流線的變化及速度的分布，同時(shí)觀察到當(dāng)物料是非牛頓流體時(shí)在葉片處會(huì)發(fā)生剪切稀化、黏度降低的流動(dòng)現(xiàn)象和仿真計(jì)算分析結(jié)果。使學(xué)生了解了牛頓流體、非牛頓流體的基本概念，進(jìn)一步理解了流體和跡線，尤其理解和掌握了流體的黏性這一流體力學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生理解并掌握流體力學(xué)的重要方程——?dú)W拉運(yùn)動(dòng)微分方程。

應(yīng)用CFD技術(shù)仿真分析薄膜蒸發(fā)器這一典型紡織機(jī)械的流體力學(xué)問題，旨在讓學(xué)生從全程參與解決一個(gè)典型工程問題到拓展能力去解決其他的工程問題。在流體力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，首先分析薄膜蒸發(fā)器的工作原理，讓學(xué)生了解流體（水）流動(dòng)情況，建立薄膜蒸發(fā)器的二維幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并指定入口、出口、壁面，然后導(dǎo)出網(wǎng)格文件。溫度云圖觀測薄膜液膜各處溫度，根據(jù)公式計(jì)算出薄膜蒸發(fā)器整體的熱量，即液膜各處吸熱情況。對刮膜器內(nèi)溶解段進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，確定刮膜器內(nèi)部物料規(guī)律特性。如圖4所示，學(xué)生可以借助CFD技術(shù)觀察和分析云圖分布，能夠了解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法觀察到的流體力學(xué)現(xiàn)象，從而提高對流體流場特點(diǎn)的認(rèn)知。選取合適的多相流模型、確定邊界條件等。提取內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)、液膜流場分布、速度分布和通過時(shí)間等信息，衡量混合、溶解效果。變換流動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，進(jìn)行對比仿真分析，對比分析結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對蒸發(fā)器內(nèi)部流場及溶解行為等的影響，根據(jù)對比仿真結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化研究（如工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)等），圈形波處吸熱量最少，求解程序讀取網(wǎng)格文件之后，設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)進(jìn)行求解，通過后處理程序壓強(qiáng)、速度、溫度分布情況，對圈形波處和外壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密，一般會(huì)用軸向速度來區(qū)分圈形波與液膜，圈形波速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液膜。

將CFD方法引入教學(xué)課程實(shí)踐，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行基于CFD的薄膜蒸發(fā)器的簡化模型，切實(shí)提高了學(xué)生流體力學(xué)的自主學(xué)習(xí)能力和知識(shí)運(yùn)用能力，加深了學(xué)生對流體力學(xué)基本理論的掌握程度，課堂學(xué)習(xí)后在模型上改變工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件，立刻得到結(jié)果反饋，激發(fā)了學(xué)生對流體力學(xué)的興趣，教學(xué)的基礎(chǔ)性與設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合，極大地提升了學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容講解授課知識(shí)點(diǎn)，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

三? 結(jié)束語

針對目前機(jī)械專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，結(jié)合筆者單位的紡織機(jī)械特色專業(yè)和承擔(dān)的紡織旗艦企業(yè)——恒天集團(tuán)的重大合作項(xiàng)目，引入計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)的課程內(nèi)容，作為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革與實(shí)踐，結(jié)合基于CFD的流體力學(xué)應(yīng)用案例，取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生對實(shí)際工程現(xiàn)象有更深的體會(huì)，樹立工程意識(shí)，便于在未來的工作中較快適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境，并且在本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)中也得到了應(yīng)用，從而使所學(xué)理論知識(shí)得到更好的理解和鞏固，為流體力學(xué)課程內(nèi)容的教學(xué)改革實(shí)踐提供參考依據(jù)，以期為處理實(shí)際工程中的一些實(shí)際問題和課程教學(xué)提供更豐富多彩的教學(xué)資源、更靈活多變的教學(xué)方式和更便捷高效的教學(xué)，對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要意義，值得在紡織特色及其他相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)中推廣。積極為紡織機(jī)械行業(yè)提供應(yīng)用型人才，為推動(dòng)我國成為紡織機(jī)械強(qiáng)國作貢獻(xiàn)。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“外電場下二維材料表面納米摩擦機(jī)制與主動(dòng)調(diào)控研究”（52075093）

第一作者簡介：彭倚天（1977-），男，漢族，湖南雙峰人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械和流體仿真。