基于工程应用的流体力学教学探讨

【摘要】在流体力学教学过程中，因为理论知识抽象、公式推导繁琐，所以导致了学生学习积极性和主动性都不高。为了解决这个问题，以钱学森技术科学和应用力学方法论为基本教学指导思想，在教材的选择、理论联系实际需注意的问题、多媒体和CFD软件的使用等方面提出了建议，目的是提高学生学习流体力学的热情，以培养学生分析问题和解决问题的能力。

【关键词】流体力学 教学方法 工程应用

【基金项目】南平市科技计划项目，编号：N2013X01-4。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）12-0255-01

流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体现象以及相关力学行为的科学。流体力学理论知识抽象，公式推导过程复杂，故学生不易理解。教学过程中如果只重视课本知识本身的传授将很难吸引学生的兴趣，也难以实现对学生分析、解决工程实际问题能力的培养。实际上在流体力学发展的早期有理论流体力学和实验流体力学之分，20世纪初普朗特提出的边界层理论将理论流体力学和实验流体力学统一起来，从而使流体力学在工程实际中的应用得到了空前的发展，因此流体力学是理论性和实用性都很强的一门学科，在机械、土木、水利、船舶等工程领域有着广泛的应用[1]。在提倡培养应用型人才的大背景下，教学当中如何更好地将理论知识与工程实践相结合，以提高教师教学质量及学生学习积极性是本文探讨的问题。

1.流体力学课程教学的指导思想

钱学森曾指出“自然科学与工程技术相结合并形成技术科学是历史的必然”，因为技术科学一头连着自然科学，另一头连着工程技术，所以是一个关键性的领域。同时，钱学森还指出“力学发展到现在，主要是应用力学”，应用力学是最能体现技术科学特点的学科之一。例如普朗特于1904年建立的边界层理论就是用应用力学方法解决工程问题最典型例子，该理论解决了长期困扰流体力学界的固壁绕流阻力问题，连同稍后创立的机翼升力线理论，直接导致了飞机性能的重大突破。钱学森的技术科学思想和应用力学方法论是流体力学课程教学的基本指导思想，應用力学研究的基本方法是：在掌握力学基本理论和熟悉工程技术问题的基础上，针对工程问题建立力学与数学模型，并用应用数学方法求解模型，而后用实验检验理论结果，最后将理论结果应用于工程实际，授课时需紧紧围绕这一中心开展。

2.教学的具体实施

2.1 教材难度及选择

教材的选择是提高教学质量的重要保证。流体力学教材种类繁多，如果所选教材过于强调基本理论，大量的公式及数学推导会让学生望而生畏，而教师则需要花费很多的时间和精力给数理基础相对薄弱的学生介绍其中涉及的准备知识[2]。如果教材在工程应用方面涉猎较少，那么教师对于如何将基本理论应用于工程实际问题的分析和解决将难以把握，教师对实践的指导也就十分有限。数学要求高而工程应用少的教材不利于学生学习兴趣的调动，教师也难以取得良好的教学效果，所以在注重通用理论知识的基础上，应采用一些与工程学科专业相关的教材，不仅要难易适中，而且要有较多的工程应用实例。

2.2 理论联系实际需注意的问题

根据钱学森的技术科学思想和应用力学方法论，流体力学的教学应将理论与工程实际密切结合，因此教师在讲授抽象理论的同时，一定尽可能地将相关专业知识或工程实践一并讲解，这不仅能够提高学生学习兴趣，也可开阔学生的视野。例如在讲解连续性方程时，可以引入液压管道截面设计的例子；为了使学生容易理解伯努利方程中位置水头、压力水头和速度水头的概念及相互的关系，可以列举汽油发动机的化油器、球类比赛中的“旋转球”等工程或实践中的例子。由于流体力学在工程中应用广泛，所以实例的选择需要注意取舍，尽量做到与本专业相关，同时在教学过程中还注意需要说明什么样的工程问题可以做什么样的简化。

2.3多媒体的使用

多媒体教学有着传统教学方式所不具备的许多优点，如形象生动、新颖直观、效率高、省时间、课件规范有序、减轻教师劳累和减少污染等。采用多媒体技术除了可以将复杂的流体流动图像直观地展示给学生外，在讲解工程实际问题时也可借助图片、FLASH动画、影片等进行授课。例如，在讲解流体静力学中的壁面受力问题时，可插入相关实例图片，使学生能够直观地了解壁面受力计算在工程实际中应用；在介绍管路系统阻力损失时，可插入世界上最长的输油管路图片，使学生对管路系统能量损失建立起感性认识；对于局部阻力和沿程阻力计算的问题，则可插入产生局部阻力和沿程阻力的FLASH动画[3]；在介绍气蚀现象时可播放手枪虾用高速水流攻击对手和跨洋轮船螺旋浆消损的记录影片，使学生更容易理解气蚀现象产生的原理。

2.4 CFD软件的应用

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，它采用数值计算方法求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况，相当于“虚拟”地在计算机上做实验。目前市场占有率较高的CFD软件有CFX、STAR—CD、FLUENT等，其中FLUENT软件以其强大的流体力学问题求解分析能力及良好的界面功能得到了广泛应用。在教学过程中不仅可以应用FLUENT软件对欧拉法中的流线、圆管中层流和湍流流速的分布、局部阻力损失的流场等进行模拟，而且也可通过FLUENT对一个实际工程流体力学问题进行求解分析。采用CFD软件求解时涉及到了课程中的大部分概念，如边界条件、层流、紊流模型、定常非定常流动、可压缩不可压缩、有旋无旋、物性参数、速度场、压力场、温度场、涡等等[4]，因而可直观地向学生展示各种流动现象，使原本理论性较强的内容形象化，这有助于激发学生的求知欲，同时也加深了学生对基础理论的理解。

3.小结

流体力学既有较强的理论性又有较强的工程实际意义，是一门重要的专业基础课，但多年来的教学主要注重于介绍基本概念、推导基本方程、分析经典流体力学现象及求解流体基本问题等，学生普遍感觉课程内容抽象、枯燥难学，因此学习积极性和主动性都不高，如何最大程度的激发学生对所学知识的兴趣是教学成败的最关键因素。为此，笔者以钱学森的技术科学思想和应用力学方法论为基本的教学指导思想，在教材难度选择、应用实例引入方法等方面进行了探讨，目的是为了提升学生学习热情，并培养学生分析问题和解决问题的能力。

参考文献：

[1]张国强，吴家鸣.流体力学[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]杨小林，杨开明，赵琴.《流体力学》教材内容体系改革的探讨[J].高等教育研究，2007，24（2）：41-42.

[3]于靖博，张文孝，李广华.工程流体力学课程教学改革与实践[J].装备制造技术，2011，11：205-207.

[4]郑捷庆，邹峰，张军等.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国现代教育装备，2007，10：119-121.

作者简介：

兰自志（1978—），男，福建长汀人，讲师，硕士，主要从事流体力学的教学研究工作。