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流体力学的研究方法范文1
关键词：计算流体力学；化学工程；应用
Abstract: in the chemical research and development of the field, play an important role in computational fluid dynamics, this paper mainly introduces the basic principles of computational fluid dynamics, and the application of computational fluid dynamics in the field of chemical engineering, application mainly through the introduction of computational fluid dynamics in the stirred tank, heat exchanger, distillation, thin film evaporator burning, etc., to reflect the fluid mechanics made in chemical engineering contribution.
Keywords: computational fluid mechanics; chemical engineering; application
中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A
1 计算流体力学概述
作为流体力学的一个分支，计算流体力学主要负责，在固定的几何形状空间内，求解流体的动量方程、热量方程、质量方程以及其它的一些相关方程，然后通过进行计算机模拟，得到在特定条件下流体的有关数据。计算流体力学主要根据动量、能量、质量守恒方程，通过数值计算方法来求解出流动主控方程，并最终得到各种流动现象的规律。
计算流体力学主要包括3种计算方法：差分法、有限元法以及有限体积法。这是一个涉及到多个领域的学科，它不仅包括计算机科学、流体力学等专业学科，还有计算几何学、数值分析以及偏微分方程等数学理论知识。通过计算流体力学进行模拟，主要是为了作出预测和获得信息，来更好的控制流体流动。理论的预测主要来自于数学模型结果，并不是来源于实际的物理模型结果。
起初，计算流体力学主要用在航天事业、核工业以及汽车制造业上，解决一些涉及空气动力学方面的流体力学问题。计算流体力学的计算与实验研究相比，不仅成本低、速度快，还可以模拟真实、理想条件，所以，在各种流体现象的研究过程中，计算流体力学成为对各种流动系统和流动过程，进行设计、操作和研究的有利工具。
在上个世纪60年代末期，在流体力学各相关行业中，计算流体力学已经得到了广泛应用，直到上世纪90年代后期，才开始对于化学工程的模拟计算，现在化工领域中，计算流体力学已经成为流体流动和传质的重要研究工具。
在各种化工装置中，计算流体力学都可以进行模拟、分析、预测，比如说，可以在流体流动过程中，对于其中的传质、传热进行预测，比如在蒸馏塔中进行的两相传质流动状态的模拟，在模拟加热器里进行的传热效果的模拟；在搅拌槽混合设备可以进行模拟设计、放大；可以对化学反应及反应速率进行描述分析，并在反应器中进行模拟，比如可以在燃烧反应器、生化反应器，可以进行反应速率的模拟；另外，还可以进行一些设备的分离、过滤、干燥方面的模拟，以及一些装置内流体流动的模拟。
2 计算流体力学在化学工程中的应用
2.1 计算流体力学在搅拌槽中的应用
由于搅拌槽内部流动比较复杂，现在，搅拌混合仍然还没有形成完善的理论体系，在对一些混合设备，比如搅拌槽等，进行放大设计的时候，往往经验成分要多于理论计算。在实际的工业体系中，尤其是快速反应体系，还有高黏度非牛顿物系，不同程度的非均匀性存在于工业规模的反应器中，而且，不均匀性的严重性是随着规模的增大而增大的。所以，目前经验放大设计的可靠性，正在迎来前所未有的挑战，这就更有必要需要，更深入的对搅拌槽的内部流场展开研究。
最初，Harvey等对搅拌槽内的流场，利用计算机进行二维模拟，这些年来，通过采用计算流体力学的方法，对搅拌槽内的流场进行研究的技术，取得了较快的发展，这种方法在节省大量研究经费的同时，也可以获得实验所不能得到的数据。之后，Sun等针对搅拌槽气液两相流动，利用计算流体力学的湍流模型进行了三维模拟，实验结果显示，计算流体力学能很好地对搅拌器上部气体分布进行预测，对搅拌器底部区域的模拟却没有取得较好的效果。后来，Javed等也通过计算流体力学软件Fluent，对Rushton型涡轮搅拌槽湍流，作了与时间相关的三维数值预测，和实验结果比较显示，搅拌叶轮上下平均速域，两项结果一致，但在湍动能的结果上，计算值和实验结果还是存在一定差异的。
之后，又进行了许多类似的实验，实验证明，通过计算流体力学与数字粒子图像测速仪相结合，有益于更深入地对搅拌装置进行研究。通过数字粒子图像测速仪的测量数据，可以对计算流体力学的计算结果进行验证，另外，数字粒子图像测速仪的测定点速度，也可以作为计算流体力学的边界条件。除此之外，多普勒激光测速仪也可以与计算流体力学相结合，用于研究搅拌。
2.2 计算流体力学在换热器中的应用
在化学工程中，换热设备应用比较广泛，它可以详细、准确地对壳程的流动、传热特性做出预测，这不仅有助于设计经济和可靠的换热器，还有助于对现有管壳式换热器的性能做出评价，在工业的应用过程中起着十分重要的作用。
管壳式换热器不仅具有比较复杂的几何结构，而且流动、传热的影响因素也比较多，通过计算流体力学，利用计算机对换热器壳侧流场进行模拟，这就有助于对壳侧瞬态的温度场、速度场加以了解，这是其它方法所难以掌握的，这就方便了对换热器的机理分析以及结构优化。
其中，一些国外专家针对换热器内，流体流动的计算流体力学模拟展开过一些研究。熊智强等专家，针对换热器弓形折流板流场，利用该技术进行了数值模拟，研究结果表明，在弓形折流板的背面，存在着流动死区，导致一些区域的流速偏低，通过在弓形折流板上开孔，计算流体力学计算结果显示，其传热效率有了明显的提高，壳侧压降有了明显降低。
一般来说，管壳式换热器中流体流动为湍流，与此同时，在实际的应用过程中，管壳式换热器中管的数量又比较多，这就给计算增加了难度。现在，针对于管壳式换热器壳程流动的研究，主要采用的还是二维、三维单相研究方法，另外，三维两相还有多相的计算流体力学模拟应用的还是比较少的。
2.3 计算流体力学在其他方面的应用
在其它的一些化工领域中，计算流体力学的应用也是比较广泛的。比如说，在精馏塔中的应用，在薄膜蒸发器中的应用，在燃烧反应器中的应用，在生化反应器中的应用，如下进行简要概述。
在精馏塔气液两相流动、传质的研究过程中，计算流体力学是其中的一项重要工具，通过进行计算流体力学模拟，可以微观的检测到塔内气液两相流动状况。当然，在模拟精馏塔内流体流动上，计算流体力学模拟也存在一些不足，比如说，在规整填料塔内流体流动的模拟上，模拟结果与实验值还是存在一定偏差的。这主要因为数学模型还不够精确，这就要求无论在流体力学的理论分析上，还是实验研究，都需要进一步加强。
通过计算流体力学的应用，对薄膜蒸发器内各种场分布实现成功预测，这就在薄膜蒸发器内，进一步满足了对液膜流动、传热、传质机理的研究。但是由于在薄膜蒸发器内，蒸发过程比较复杂，无论国内还是国外，基于计算流体力学技术，针对薄膜蒸发器流体流动特性所展开的研究还是比较少的。
在各种燃烧系统中，计算流体力学的应用也是比较广泛的。通过计算流体力学，在燃烧过程中，可以对各种状态参数进行模拟，对燃烧器的燃烧过程加深理解，这不仅可以实现对燃烧反应器的优化，还可以相应的控制污染物排放量。
另外，在生化反应器模拟研究的过程中，计算流体力学也是一个重要的手段。生物反应器包括搅拌式生化反应器、气升式环流反应器等，通过对计算流体力学技术的应用，不但可以获取速度场、温度场、浓度场等方面的详细信息，还有助于对生化反应器优化、设计、放大等方面的研究。
但是，目前计算流体力学技术仍然不是很成熟，比如说，一些复杂物理、湍流、反应等现象，还不太容易找到合适的模型，在许多问题的应用上，数学模型也不够精确。这就需要工作人员要针对研究对象，做出合理的选择。即便如此，在化工过程研究中，计算流体力学技术已经成为不可缺少的工具，相信随着科学技术的发展，在化工领域中，计算流体力学技术将会得到更广泛的应用。
参考文献
[1] 张少华.化学链燃烧系统设计与计算流体力学模拟.华中科技大学硕士学位论文.2011(07).
[2] 成娟.计算流体力学中的高精度数值方法回顾[A].计算物理.2009(09).
流体力学的研究方法范文2
关键词：工程流体力学；教学研究；改革探索
作者简介：李小川（1976-），男，河南焦作人，扬州大学能源与动力工程学院，讲师；田萌（1977-），女，陕西安康人，扬州大学能源与动力工程学院，讲师。（江苏?扬州?225127）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0047-01
“工程流体力学”课程在能源动力类工科专业中占有非常重要的地位，主要研究流体（液体和气体）的平衡、运动规律及其实际工程应用的技术科学，是力学的一个重要的分支学科。通过本课程流体力学的基本概念和基本原理的学习，学生掌握分析和解决本专业中涉及流体力学问题的能力，为后续专业课程学习奠定基础，然而当前的教学效果并不理想。自然界和人类生活中，以及工农业生产的各行各业中均广泛存在流体流动现象，但是由于缺乏对生活的观察，学生很难做到对课本讲授内容形成直观映像。此外，自然界中的流动现象往往包含多种流动方式，在理论分析与公式推导中涉及许多复杂的数学理论与方法，经验公式多，且不易理解记忆，给学生的学习带来很大困难，导致教师难教、学生难学，实践与应用起来更是难上加难，教学效果不理想，教学目的难以实现。还对后续专业课的学习造成很大影响，进而影响本科教学的整体质量。因此，“工程流体力学”教学改革势在必行。
一、“工程流体力学”教学调查研究
“工程流体力学”课程通常是开设于热能动力工程专业二年级阶段。对扬州大学的学生的问卷调查显示，多数学生对“工程流体力学”课程的评价是“难学”。为何会有这样的评价，通过分析发现，存在几个方面的原因。
1.研究对象比较抽象
“工程流体力学”课程本身研究对象是流体，没有一定的形状和具有流动性，这是流体区别于固体的本质特征。这一特征决定了流体力学研究理论比较抽象、经验公式繁多且推导过程复杂不易理解、易混淆，进而导致了本课程教师难教、学生难学，教学效果不够理想。因此，能否将前面学习过的对“固体”平衡和运动物理规律的分析方法通过比拟的方式移植到“流体”上，并使其形成正向的学习迁移是学生能否很快的掌握本门课程学习方法、学好本课程的一个很重要的方面。[1]
2.教师与学生
“教学”包括“教”与“学”两个方面的内容，忽视任何一个方面都有可能造成教学效果的不理想。理论课教学是工程流体力学课程教学的主要方面，是进行实验指导和应用于工程实践的基础。某些任课教师为了自己的方便省事，教材和教学内容仍然是多年前的老教材，对现阶段流体力学的发展方向和研究成果，以及本学科的最新科技前沿理论及工程应用进展不能做到及时更新，教学内容与实际应用严重脱节。
教学方法单一呆板，无法吸引学生的兴趣。经常看到这样一种现象：教师在讲台上只顾着自己滔滔不绝地讲，忽视了课堂教学的互动性和学生的主观能动性，学生了无兴趣的在座位上睡觉、开小差、玩手机，基本上是教师在向学生单方面地传授知识，这样的教学效果是很低的。[2]
本专业本科生新的培养方案中课程设置有这样一个特点：课程增加，课时压缩，总学分保持不变。“工程流体力学”课程理论课学时从64压缩到48学时，在教学内容总量不变的情况下，每堂课教授的内容，即学生需要接受的信息量就大大增加了，严重增加了学生的负担。“浮躁”是当代很多大学生所普遍具有的心理特征，导致的直接结果是学生自制力差、怕吃苦，上课前不预习、课后不认真复习、作业普遍抄袭。
二、教学改革的目标
围绕当前“工程流体力学”课程教学中存在的问题，以提高课程教学质量、实现教学目标为目的，进行了如下方面的改革：改变教育理念，以课程改革与教学适应新时代的要求为目的；加强教学方法与教学手段的改革，提高“教”的质量；加强课程的应用性，解决基础理论课程的知识教育、应用能力与创新能力的培养，全面提升学生的综合素质；加强课程教学评价与考核体系改革，引入全程教学评价与考核机制。[3]
三、“工程流体力学”教学改革探索
从上面的分析可知，“工程流体力学”课程教学效果不理想存在很多方面的原因，因此，教学改革也要同时从多方面入手才可以起到事半功倍的效果。以下是笔者在扬州大学热能与动力工程专业本科生课程教学中进行的探索与尝试，取得了较好的效果。
1.教学方法的探索与实践
流体力学的研究方法范文3
Measurement in Fluid
Mechanics
2005, 354pp.
HardcoverUSD85.00
ISBN 978-0-521-81518-5
S.塔沃拉里斯 著
本书全面阐述流体力学中的各种测量方法，既有经典的方法，又有最新的技术，内容包括流量、压力、速度、温度和壁的切应力等参数的测量，以及流动可视化。书中涉及大量有关系统响应、测量的不确定性、信号分析、光学、流体力学仪器和实验室实践等基本素材，还有丰富的插图，大量的参考文献和100多个练习，是流体力学研究的有用工具。
全书分为两部分含15章。第一部分一般概念，含第1~7章。第1章流动的性质和基本原理，论述流体力学的基本原理；第2章测量系统，介绍各种测量系统中所用的定义和概念；第3章测量的不确定性，讨论测量的不确定性的定义和估计的方法；第4章信号调节、识别和分析，叙述信号调节、识别和统计处理所需的仪器操作和程序方面的基础知识；第5章光学实验的基础，介绍光学测量所需的概念和基本知识；第6章流体力学的设备，汇集流体力学测量设备的基本元素，供读者在设计时选择参考；第7章走近完美的试验，讨论进行完美的试验所需的一些因素。第二部分测量技术，含第8~15章。第8章流动压力的测量，介绍在流体动力学试验室测量压力所用的相关设备；第9章流量的测量，阐述测量流量所用的一般仪器和技术；第10章流动的可视化技术，简单介绍流动显示技术的通用方法；第11章局部流动速度的测量，讨论流动速度测量的几种方法；第12章温度的测量，阐述一般的温度计和在流体力学研究中使用的其他测量温度方法；第13章成分的测量，叙述混合流体中识别成分和相对比例的方法；第14章壁切应力的测量，简述流体流动时，与流体接触的表面上流体的切向力；第15章展望，指出实验流体力学发展的方向。
本书自成一体，通俗易懂，可作为流体力学测量相关领域的大学生和研究生的教科书，也可供流体力学测量技术的工程师和科学家参考和阅读。
吴永礼，研究员
(中国科学院力学研究所)
流体力学的研究方法范文4
关键词：流体力学；教学模式；改革
作者简介：杨卫波（1975-），男，湖北安陆人，扬州大学能源与动力工程学院，副教授；毛红亚（1976-），女，湖北天门人，扬州大学财务处，会计师。（江苏 扬州 225127）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0083-02
“流体力学”作为土木、机械、能源、动力、环境、化工等学科的一门主干技术基础课程，由于其理论性强、概念抽象、方程繁琐、难以理解与记忆，导致学生学习的难度较大，从而影响教学进程和专业人才培养的质量。因此，如何针对“流体力学”课程自身特点，结合专业建设目标，探索出一套新的适合各专业培养目标的流体力学教学模式具有非常重要的意义。本文结合工科院校学生的实际情况及笔者教学实践与体会，从教学内容、教学方法及考核方式三方面对流体力学教学模式改革进行了深入的探析。
一、教学内容
1.教学内容的选择
教学内容的选择对于提高教学质量、改善教学效果具有重要的意义。根据教育心理学理论，[1]在教学中应把课程中具有广泛迁移价值的科学成果作为教材的主要内容，从而可实现利用已有知识来同化现有知识的作用，提高学生的接受能力。“流体力学”作为大学工科专业的一门课程，虽然其内容相对比较陌生，但其所包含的基本知识却贯穿于中学相关课程之中。如流体力学中的速度、压力、压强、质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等，学生均在中学物理中均学过，因此在讲述相关内容时可以将其与中学内容相联系，从而提高学生的理解能力。又如在讲述管路的串联与并联特性时，其流量、阻力及阻抗特性正好与中学物理中电学的串联与并联电路的电流、电阻特性一致，如果在讲述之前引出中学的电路串并联原理，则可大大加强学生对管路串并联水力特性的理解能力。因此，根据学习迁移理论，将相关内容与学生已有知识进行对接，并阐述其相互之间的关系，不仅可以有效发挥学生利用所学知识来同化现有知识的作用，而且对于改善教学效果具有积极作用。
2.教学内容的编排
要合理编排教学内容就必须使教材结构化、一体化，以使构成教材内容的各要素具有科学、合理的逻辑关系。目前，国内“流体力学”课程的教学体系一般包括流体静力学、流体动力学（理想流体流动与实际流体流动）、流动阻力损失、孔口管嘴管路流动及特殊流动现象等。每部分内容既独立，同时各部分之间又有相互的联系。为了使学生容易学习，可以按照流体力学实际应用路线由简单到复杂的方式来编排教学内容。如可以从最简单的流体静力学部分开始，因为静力学部分中学物理中已讲授，生活中很常见，学生容易接受。由于静止是相对的，运动才是绝对的，自然界流体应用中更多的是运动着的流体，让学生明白这个道理后很自然将教学内容过渡到流体动力学部分，从而可提高学生继续往下学习的兴趣。在讲述流体动力学部分时，先从简单的一元理想流体运动部分着手，然后逐步过渡到多元理想流体流动及实际流体运动。在讲到实际流体运动时，由于能量方程中出现了阻力损失项，这样就很自然将内容过渡到流动阻力损失计算这一部分内容。由于生活中的复杂管路往往是由简单管路串联与并联而构成，因此，复杂管路的水力特性（流量、阻力等）需要确定，这样就可以根据流体力学实际应用需要将内容由阻力损失部分转移到孔口管嘴管路流动部分。最后，根据各专业培养需要，选择适合的特殊流动现象内容进行讲解，以加强流体力学的实际工程应用。这种以流体力学实际应用路线由简单到复杂作为主线的教学内容选择模式，内容组织层次感较强，讲起来更加引人入胜和重点突出，教学过程相对简化。
3.教学内容的弹性化
教学内容弹性化有两个方面的含义：一方面要根据每届学生不同的知识背景和不同的定位要求，采用不同的表达方式，以满足学生多样化的学习需要。另一方面是要根据时代的发展，不断更新教学内容，以适应最新科技发展的需要。[2]例如在“流体力学”教学过程中，为了让学生更容易接受，可以删去大量的数学公式推导，如流体连续性方程、动量方程、能量方程的推导等，这些内容对于学生是否掌握流体力学基本知识并无影响。又如，对于不同的学生群体，应根据学生今后的定位不同选择适当的教学内容，对于高职高专的学生，由于其毕业后大多数要走出校门从事实际工作，因此，在讲述时应侧重于流体力学实际应用方面的知识。而对于普通本科院校的学生而言，毕业后有相当一部分的学生要继续从事相关的研究工作（如考研等）。因此，应加强学生流体力学理论方面的教学与培养，以提高学生将来的研究能力。随着时代的发展和计算机的普及，将计算机用于求解流体力学问题的计算流体力学已越来越显示出其重要的作用。所以，流体力学教学中，适当介绍当今常用的计算流体力学商业软件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以扩充学生的知识视野，为今后有意继续深造的学生提供铺垫。
4.教学内容与工程实际相结合
兴趣是最好的教师。教育心理学[1]的研究表明：当学习内容与学生已有的知识和生活实际相联系时，才能激发学生学习和解决问题的兴趣。因此，在流体力学教学过程中，应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景，引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。如在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时，可以介绍1998年特大洪水灾害长江决堤事件等；在讲到流体静力学中平面总压力计算时，可以适当引入长江三峡水坝闸门的设计与计算；在讲到沿程与局部阻力损失[3]时，可以讲述如何选择水泵，并以每天生活用水管道供水为例来分析等；在讲到动量方程应用时，引入如何确定弯管及分叉管路中水流对管道的冲击力，从而可计算出管道支墩所受的推力；在讲述毕托管时，可讲述如何测量风管的风量与风压，在讲述倾斜式微压计时，可与毕托管一起讲述如何利用两者来测量正压与负压风管段的动压、静压及全压等。任课教师在平时授课过程中，结合专业培养目标适当穿插讲述一些发生在我们身边的与流体力学有关的实例，使学生认识到流体力学在生活及工程中的重要性，激发其学习兴趣，以提高教学效果。
二、教学方法
目前课堂授课中常用的教学方法主要有传统教学模式与以多媒体技术为代表的现代教学模式。传统教学模式是指教师通过口授、板书完成特定教学内容的一种课堂教学形式，该模式学生容易接受，可以达到预期教学目标。但缺乏创新与探索知识的功能，尤其是在当今知识快速更新的年代，更是面临严峻的挑战。现代教学模式是指在课堂教学中引入多媒体技术，通过形象逼真的动画的运用，生动形象地展示教学内容，从而可以充分发挥学生学习的积极性，使教学方式形象生动，有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力。
考虑到传统与现代教学模式各自的优缺点，在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来。如在讲述相关理论公式时，就以传统的板书教学为主，对公式的推导和例题的讲解，用板书的方式条理化，通过板书一边写、一边对学生提问，一边推导相关公式，让学生参与到教学中，从而可以加强学生与教师间的互动，激发与调动学生的学习积极性。而在流体力学理论的工程应用部分则较多地采用多媒体课件，例如在讲授层流与紊流[3]这部分内容时，单纯地板书讲解其概念很抽象，用多媒体课件展示雷洛实验讲解则直观生动，容易理解。在讲解孔口管嘴管路流动及虹吸现象时，用生动动画显示其流动全过程，可说明其流动过程中截面收缩及可能出现的真空现象，从而给学生留下深刻的印象。
三、考核方式
考核的作用主要是了解教师教与学生学的情况，及时发现问题以便改进。考核方式的合理性不仅能激发学生学习的兴趣，同时还可以提高教学效果。“流体力学”作为一门理论性极强的基础课程，传统的考核通常采用平时考核与期末闭卷考试相结合的方式，两者所占比例通常为30%与70%。平时考核主要是学生的出勤率与作业完成情况，而期末考试主要是卷面所取得的成绩。这种考核方式存在一定的问题，不仅不能激发学生的学习热情，在某种程度上还会使学生产生抵触心理。由于流体力学中有大量的经验公式和图表，如阻力系数计算公式与莫迪图、纳维-斯托克斯方程等，若采取闭卷考试，则势必要求学生背熟这么多的公式，容易陷入死记硬背的怪圈。
事实上，这部分内容的教学要求是让学生能熟练应用这些公式和图表解决工程实际问题，而不需要死记硬背。因此，在考核方式中可以尝试平时开卷考核与期末闭卷考核相结合的考核方式。即将不适合闭卷考试的一些无法记忆而又要求学生掌握与应用的内容，放在平时教学中进行开卷考核，而将一些基本原理、基本概念、基本计算方法的考核放在期末闭卷考试中。这样，一方面，通过平时不定期的考核能提高平时学生的出勤率，另一方面，通过平时考核也可以激发学生平时的学习兴趣，提高学习效率；此外还可以通过考核及时发现问题，改善教学方法。通过这样的考核方式，既能激发学生平时的学习兴趣，同时还可以提高教学效果，考试结果能较真实地反映学生对本课程知识的掌握和应用能力。
四、结语
教学不仅是一门科学，也是一门艺术。每一种教学模式都有其特定的适用范围和条件。流体力学作为工科院校相关专业的一门主干技术基础课，由于其理论性强、概念抽象、经验公式多，给其教与学带来难度。如何根据专业特点将其与各专业培养目标进行有机结合，通过教学模式的探索使其教学融入到各专业人才培养中，将是“流体力学”教学模式改革的进一步目标。
参考文献：
[1]谭顶良.高等教育心理学[M].南京：河海大学出版社，2006.
[2]刘立平，师少鹏.传热学课程教学的改革探索[J].高等农业教育，
流体力学的研究方法范文5
Abstract： Hydromechanics is a course combining theory with practice and has abstract concept. The traditional teaching method is difficult to achieve good teaching effect. Based on the practice and exploration in the teaching process of Hydromechanics， this paper proposes some suggestions and measures for the teaching reform.
关键词：流体力学；过程装备与控制；教学改革
Key words： Hydromechanics；process equipment and control；teaching reform
0 引言
《流体力学》课程主要描述自然环境中的流体运动的一般规律及特定条件下流动机理。其内容涉及基本概念的理解、公式推导、计算方法等。考虑到大二学生尚未接触实际工程问题，因此教学双方对流体力学的学习过程均存在困惑。本文针对流体力学课程的特点及教学过程中遇见的问题，对《流体力学》教学改革进行相关探索，总结教学过程中积累的经验，提出相应改进方案。
1 合理运用现代化教学手段与技术
首先，以《流体力学》教材中所采用的大量流场图片为例，对流场理解的正确与否决定其学习流体力学的兴趣与积极性，传统的教学方法多采用授课教师手绘流线等方法来说明流体的流动过程，在讲解的过程中，由于流场仅仅是枯燥的曲线静态分布，无法有效吸引学生注意力，使学生对流动机理有进一步深刻认识和理解，从而降低教师的教学效率和教学效果。
在《流体力学》教学中采用多媒体课件，通过制作一些流体运动的Flash动画演示把流动的特性形象地展示在学生眼前，表现形式相对新颖、活泼、再加上图文并茂的效果，使学生可以直观地观察有趣的物理流体现象，通过这一环节的改进，可以主动改变沉闷的教学过程，创造出生动活泼的教学场景，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。
其次，《流体力学》教材中涉及了大量的基本概念、假设、原理及公式推导等，据统计大量公式的推导过程占据板书时间的较大比例，这有可能造成教师无法在有效课时完成教学大纲规定的教学内容，降低教学效率。在《流体力学》教学中的应用PPT多媒体技术，复杂繁琐的公式推导可以较形象地展现在学生面前，对学生理解公式有较大好处。一旦形成这样的教学场景，那么在规定的课堂时间内必将可以细致透彻地完成教学任务，达到事半功倍的教学效果。
灵活采用各种PPT制作技术在一定程度上可以避免“多媒体”变成“单媒体”，在《流体力学》教学中对多媒体的使用多集中于流体运动学与动力学基础、圆管流动、薄厚壁孔口出流、缝隙流动及气体动力学基础等。
此外，考虑到多媒体教学蕴含的信息较大，合理分配PPT播放时间对教师的课堂教学掌控能力是一个挑战。如果“整个教学过程从头到尾充斥着大量复杂的信息、不停转动的画面，而没有充分考虑学生的思维水平和思维速度，像电视或电影画面那样一闪而过，不断向学生灌输，这样的‘填鸭’式教学形式会引起学生的‘消化不良’，扼杀了学生创作的机会”。
2 建立新的教学手段模型，提高考试成绩
本文所建立的教学模型如图1所示，为提高教学效果及学生考试成绩，采用立体式的教学手段。该模型包括以下四项内容：情景式启发，多媒体技术，工程实例讲解，动态视频辅助。
情景式启发属于现代教学论范畴，创造一定的“休闲、放松、特色”的学习环境。通过营造启发式学习的氛围，让学生获得更加美好的学习体验。这种方式能充分调动学生的学习积极性，对激发学生的学习热情和学习需要能够产生有效的激励作用。
工程实例讲解是以学生常见的工程问题作为引入点，但同时大部分同学对该类问题理解不深或是出现偏颇。结合该类问题，解释其中所蕴含的流体力学定理，加深学生对该问题及相关定理的认识，无疑有利于学生学习流体力学。
动态视频辅助是一些在实际生活中难以见到，但又属于流体力学理论范围的现象再现，通过这些视频可以加深学生对流体力学相关理论的理解。
最后可以发现：采用先进教学手段的班级，无论是考试的优良率还是平均分数均比采用传统教学方法讲解的班级高出约15%左右，从而达到提高教学效果的目的。
3 重组教学内容，调整知识布局
根据《流体力学》课程的教学大纲，借鉴国内外对本课程改革的成果，按照当前教学改革发展的要求对教材内容进行调整，以流体的流动为主线，将相关内容有机地融合在一起最终形成能够相互促进的教学模式，如图2所示。
课程体系分为三个部分：第一部分是不动的液体，主要讲述流体基本概念与流体静力学内容；第二部分是运动的液体，使学生掌握流体运动学及动力学规律，对简单的管道流动及缝隙流动有定性及定量的认识；第三部分是运动的气体，可以把这章内容采用视频播放加师生互动方式讲解，来培养学生独立自学的能力。
4 加强实践教学，提高学生认知能力
《流体力学》实验是学生职业技能培养的重要环节，因为它的实验课题是以流体运动为背景的，如毕托管测速实验，雷诺实验等典型实验。通过选取典型的实验现象给学生展示实验结果，加深学生对流动原理、流场结构特点等信息的了解。同时教师在指导流体力学实验过程中可对部分操作手段进行相应改进，也可设计并提出一些新的实验内容。合理利用已有条件培养学生理论与实践相结合的能力，做到学以致用。
5 结束语
《流体力学》教学改革是一项艰巨、长期的工作，本文从合理运用现代化教学手段与技术，建立新的教学手段模型，提高考试成绩，重组教学内容调整知识布局、加强实践教学，提高学生认知能力等三个方面论述了相关经验和具体的实施手段。虽然在一些方面探索出若干经验并取得了一定的效果，但还相对薄弱。改进教学手段，引入多种教学方法，因材施教等均可提高学生的学习和接受能力，为以后学习专业课及工作奠定坚实的基础。
参考文献：
流体力学的研究方法范文6
关键词:农林高校;热工基础及流体力学;课程教学;实践创新
当前，在“绿色发展理念”深入人心的时代背景下，农林类高校迎来了很好的历史发展机遇;同时社会和企业对农林类专业人才的需求更加重视质量，对人才的知识深度、广度和对专业基础课、专业特色课核心知识的实践运用能力，均提出了更高要求。提高机械设计制造及其自动化专业学生林业装备系统总体及其子系统技术的掌握程度，拓展学生在林业装备系统上运用专业基础课、专业特色课中核心知识的科研能力，是农林类高教工作者面临的共同课题［4］。
1课程教学剖析
1．1课程内容
“热工基础及流体力学”这门课程是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业基础课，是后续液压与气体传动、泵与风机、林业机械等专业及特色专业课的重要基础。课程目标包括:掌握工质的热力学性质、热力学第一定律、第二定律、热工转换的规律和理想气体的热力学过程，学会基本的理论分析与计算方法;通过对热量传递的三种基本方式、导热基本理论、对流换热基本规律、黑体辐射基本定律等内容的学习，使学生具备对基本的传热学问题进行分析和总结的能力;掌握流体的主要物理性质和流体静力学的基本理论知识，学会流体上的作用力分析，能够推导流体动力学方程的连续性方程和伯努利方程，针对黏性流体，能对管内流动状态进行判断;能够对“传热学”“工程流体力学”的实验结果进行分析和解释，通过实验数据综合分析工程中的现象及问题，并得到合理有效的结论。总体来看，本课程讲授内容包括工程热力学、传热学以及工程流体力学三大板块的内容，是在高等数学、大学物理、理论力学、材料力学的基础上进行深化学习，拓展到实际的工程问题，所以本课程不仅理论性强，而且工程应用性也很强;与机械设计制造及其自动化专业其他课程相比，该课程涵盖了本应三门独立开设的课程内容，知识难点聚集、微积分公式众多、三大知识板块思维跨度大、学生融会贯通掌握难。但是，学生对课程内容的掌握程度直接影响后续专业特色课程的学习情况。
1．2教学思路
目前，本课程总学时为48学时，理论授课42学时，实验授课6学时。三大板块的教学内容多，理论授课课时较少，矛盾突出:(1)学生由固体学科切换到流体学科的学习需要较长适应期;(2)课程中较多章节内容抽象，且涉及大量公式推导及专业的概念铺垫，加之为了跟上教学进度教学内容更新较快，学生普遍反映课程难度较大;(3)教学内容和后续专业及特色专业课内容衔接性不够紧密;(4)从内容的充实性和课程的结构上来看，“热工基础及流体力学”这门课程的教学内容已经满足要求，但是对接林业机械领域最新技术，强化学生创新思维方面，当前的课程建构仍无能为力;(5)由于本课程的学习不涉及具体的机械装备系统，使得同学们对本课程在专业中的地位认知不足，学习积极性欠佳，这些现状使得提升教学效果难度较大。针对上述课程特点及教学现状，结合农林类高校“机械设计制造及其自动化”专业的实际情况，制定了如下教学思路:(1)授课时，使学生从机电系统、固体力学等学科的思维中切换出来，将空间观测法跟同学们探讨透彻，基于空间观测法开展“热工基础及流体力学”的课程教学。(2)在教学大纲中删除过于抽象、应用面较窄的教学内容，深入讲解与后续“液压与气体传动”“泵与风机”“林业机械”等课程关联度较深的内容，为专业及特色专业课的学习做好扎实铺垫。(3)结合在林业机械领域与“热工基础及流体力学”紧密关联的科研经历，探索寓教学于科研、科研反哺教学的授课模式，强化同学们对“热工基础及流体力学”在“机械设计制造及其自动化”专业里占有重要地位的基础认知，显著提升同门们自愿学习、自主学习的热情。(4)注重思维方式、终身学习意识的培养。教学过程中注重切入问题角度的讲解，使得同学们在明白问题的同时更养成学习思考问题方法的习惯;从固体学科到流体学科是一个较大的跨越，在跨越的过程中，使同学们树立终身学习意识，为以后培养同学们提出、解决林业机械领域学科前沿性、热点性问题的能力打下坚实基础。
2课程构建探讨
在“碳达峰、碳中和”的硬性发展要求及“绿水青山就是金山银山”的发展理念加速推进的浪潮之下，农林高校“机械设计制造及其自动化”专业的毕业生在高等教育系统中的地位不断提升，所以基础专业课程构建更需获得与之地位匹配的重视。一方面，基础专业课课程构建要体现基础知识的深度和广度;另一方面，内容要很好衔接并服务于核心专业课、特色专业课，为学生后期毕业设计、研究生科研深造做好铺垫。
2．1课程内容深度衔接核心专业课
“林业机械”是南京林业大学“机械设计制造及其自动化”专业的核心专业课，内容涵盖林业动力、整地、清理、苗圃、造林、抚育、保护、防火、采伐、采摘、智能化等机械。其中，和“热工基础及流体力学”专业基础课相关的包括动力、清理、保护、采摘等板块。林业动力机械(包括泵、风机)涉及“工程热力学”中热能和机械能之间的转化问题，同时也涉及“工程流体力学中”可压缩混合气体压强、温度变化和装置的动力匹配问题;林业清理机械涉及“工程流体力学中”不可压液态水在管道内部的流动，在雾化器内的流态分布、出口后雾化粒径分布等复杂多相流问题，如图1所示;林业保护机械中喷雾射程、喷雾穿透涉及“工程流体力学中”可压缩流体空气的外部流动及耦合风场、雾滴的多相流动问题，如图2所示;林业采摘机械中，基于负压的采摘系统涉及可压缩流体空气的管内流动问题。从衔接核心专业课的角度来看，一方面，农林类高校“热工基础及流体力学”这门专业基础课程应该深耕“工程热力学”和“工程流体力学”，而“工程流体力学”应该是重点中的重点;另一方面，也好兼顾课程内容的完整性，“传热学”也要适度调整。
2．2匹配三大板块关系，优化课程结构
建议协调、平衡三大板块的课时占比，同时明晰课程内容的内在逻辑关系，在此基础上进一步优化课程结构。在“工程热力学”(热能的间接应用)板块中，我们将实现热力学能向机械能转化的媒介称之为“工质”，媒介一般是“单一气体”或者“混合气体”，热力学第一定律、热力学第二定律、工质热力学性质及理想气体的热力过程等课程内容和专业核心课程林业机械吻合度较好。“工程流体力学”中，对流体的终结性定义是“抓不起来的物体”，一般性的定义是“气体和液体”的总称，但课程内容中流体基本概念的铺垫、流体静力学、流体运动学、流体动力学及黏性流体等课程内容都是基于不可压的液体，同为流体，但气体和液体的性质及研究重点相差甚远，“气体”这种流体相关课程内容的缺失为后续专业核心课程的学习带来很大知识结构缺陷。“传热学”(热能的直接应用)中，对导热、对流传热(混合传热，主要是流体和固体之间)、辐射传热的基本原理、工程应用等课程内容做了比较详细的讲解，但是后续专业核心课程对传热学中的知识需求很少，仅仅在脉动燃烧技术这一研究领域有所涉及。总体来看，不管是“工程热力学”中的“工质”，还是“工程流体力学”中的“气体”，再或者“对流换热”中的“流体”，其中“气体”是课程的“最大公约数”，也是和林业机械这一专业核心课程相关的“最大公约数”。鉴于此，“工程热力学”教学内容总体上可以维持不变，部分章节可以简化，不重要的知识点减少不必要的推导，侧重理论、公式概念的理解和应用，这样可省出一部分课时。总课时不变的情况下可以合理缩减“传热学”的课时，对辐射传热只做一般性介绍;考虑到相似原理在流体力学的试验研究中也有重要应用，可以在这里对相似准则进行深入讲解，省出较多课时。将“工程流体力学”放在最突出的位置，省出来的课时分配给这一部分;增加可压缩流体“漩涡势流理论”“相似理论中的量纲分析法”、包括气体动力学中“扰动在外空间流场中的传播”及“管内气体的流动”等内容，以匹配林业机械核心专业课。
2．3树立自主学习、终身学习意识
目前，流体力学板块中关于可压缩流体的课程内容匮乏，教学中会鼓励同学们在MOOC上寻找优秀资源进行线上学习，使同学们树立自主学习意识。通过工程流体力学板块，我们在体力学的范畴内将研究运动的方法由拉格朗日法提升到欧拉法，这是一个显著的改变，也是重要的进步，通过这一步，有助于培养同学们的终身学习意识。
结语
