CFD技术应用于本科生“气体动力学”的探讨

孙振生 强洪夫 罗 雷，查柏林 朱杰堂

摘要：针对本科生“空气动力学”课程具有概念多，公式抽象、枯燥等特点，本文提出将先进的CFD技术引进到“空气动力学”的教学研究过程中，生动地、形象地展示出相关的物理概念，使得抽象的理论变成形象的画面展现出来，一方面，加深学生对课程内容的理解情况和掌握情况;另一方面，激发学生的学习兴趣和创造性思维，进而达到提高教学质量的目的。

关键词：气体动力学;CFD技术;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）18-0156-02

引言：

“气体动力学”是在连续介质的假设情况下，研究可压缩、有加热、加功效应且含有化学反应的气体介质的运动规律，以及气体与固体之间有相对相对运动时相互作用力的学科。它是飞行器动力工程、航天/航空工程、兵器工程等专业非常重要的一门专业性基础课程，对学生整体的专业素质培养和后续专业课程的学习有着至关重要的作用。但是，学生普遍感觉到这门课程比较不容易懂，是不好啃的“硬骨头”。主要原因是“气体动力学”课程中应用的数学知识比较多，相关的概念又比较抽象、枯燥、不容易理解，公式推导比较复杂，这些原因使得学生常常感觉到理论比较高深，从而产生了一定的畏难心理。

20世纪60年代之后，伴随着高速电子计算机的出现和计算方法的不断创新，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）已经成为了一个独立的学科分支。它主要是以运用计算机作为数值模拟的手段，运用一定的计算技术来寻找出一个满足定解条件的各种复杂流体力学问题的数值解，并通过进一步分析数值结果，获得相关的流动规律或解决工程实际问题的。CFD的一大优势就是可以通过流动显示技术来将计算结果进行直观的显示，将抽象的概念、理论变成了形象的画面展示出来。因此，CFD技术在“气体动力学”课程教学和研究中的作用和地位得到了不断的提升，现在已经有一些教学工作者正在尝试将CFD技术运用到“流体力学”、“传热学”等课程的教育教学当中，并且取得了比较好的教学效果。

为此，我们认为结合“气体动力学”课程的发展趋势，在本科生“气体动力学”课程教学中引进CFD技术，调整改革部分教学内容，对教学质量的提高将有着非常重要的意义。

一、“气体动力学”课程，引入CFD教学的目的

“气体动力学”课程包含的内容可以用理论分析、实验测量、数值模拟等的方法来进行研究。但是在传统教学的过程当中，过于偏重理论的分析，教学内容比较单一，不能表现出现代气体动力学的最新研究进展。在“氣体动力学”课程的教学中引入CFD技术，目的就是将气体动力学的最新研究成果带入到课堂当中去，来拓宽学生的视野，激发学生的学习热情，具体分为以下几点：

1.加深学生对重要物理概念的理解。气体动力学概念比较多、公式抽象、逻辑性强、公式推导比较繁杂，相关概念的引入如果能够结合CFD的图像显示，便会符合学生从感性认识上升到理性认识的认知规律，能够促进学生对基础理论的深刻理解。例如，激波是超声速气流中特有的现象，是“气体动力学”课程中一个非常重要的概念。气流经过激波时，气体参数在极短的距离和极短的时间之内发生了巨大的变化，是一种不可逆的绝热过程。激波因而可以看成是一个非常薄的“间断面”。初学者往往对“间断”这一概念难以理解。CFD则克服了概念抽象的特点，可以使激波以图像的形式形象地展现在学生的面前，从而有利于加深学生对激波本质的理解和认识。这样的例子在气体动力学中是有很多的，比如“风阻”问题也可以通过汽车的CFD模拟来展示，“音障”问题可以通过飞机的飞行模拟来展现。这些CFD的具体实例不仅能较好地引入抽象的物理概念，而且还可以展现出气动与生活的联系，消除学生面对复杂公式的畏惧感，从而提高学生学习的自信心。

2.开展研讨式教学，激发学生的主动性和创造性，培养学生综合分析习惯，提高学生解决问题的能力。气体动力学是一门与实验联系十分紧密的科学，实验是课程的重要组成部分，CFD作为一种“数值实验”，具有一些传统的物理实验所不可比拟的优势，其结果可以在课堂上当场演示出来，不需要专门开设实验课，这样，可以大幅度减少学时数，提高教学效率。同时，利用CFD技术解决具体问题的应用实例，引导学生进行实践创新，这一点也与传统的灌输式教学方式不同。例如，对同一个问题，稍微改变问题的边界条件或者初始条件，即有可能得出完全不同的计算结果。利用CFD技术可以将这一现象高效地呈现出来，进而可以引导学生思考并分析发生这一现象的原因，帮助他们培养良好的思考习惯。还可以进一步启发学生从反面思考问题，即若要达到某一预先设定的结果，应该如何设定边界条件和初始条件。事实上，CFD技术的引入为学生全方位、多角度地思考和分析问题提供了多种高效地尝试机会，对于培养学生的创新意识有着极其重要的意义。

3.可以使学生近距离地接触实际问题，培养他们的科研思想和工程概念，为他们下一步的学习和工作打下良好的基础。作为本科生，学生在理论上创新的可能性很小，但利用所学的基本知识来解决一些工程实际问题还是可以实现的。CFD成熟商业软件的出现和在工程应用领域的广泛应用，为我们提供了一个很好的平台。利用这些软件讲解具体的实例并让学生进行相关的探索，可以使学生深刻地感受到所学理论与具体工程之间的联系与区别，对他们以后进行科学研究或者参与解决具体的工程问题是一个很好的锻炼。

二、课程改革方案

根据“气体动力学”课程的特点，综合考虑各方面的因素，既要注重核心内容和基本知识的传授，又要通过CFD技术的引入来增加前沿性的内容和实践环节，从而带动课程教学模式的转变。具体有以下几点措施：

1.课程内容和结构的调整。可以考虑根据课程标准和人才培养方案，重新合理安排教学计划，将课程分为既相互关联，又有一定独立性的两个部分。第一部分为基本的核心内容，第二部分以应用为主，通过选取实例开设研讨课以及上机实践课。

2.构建以CFD技术为核心的创新实践平台。教学团队根据专业特色，从多种CFD软件中挑选出适合本专业学生学习和使用的软件，同时编写上机模拟实验的讲义或者教材，设计部分简单的“气体动力学”课程实验来供学生上机实践，同时利用“问题驱动式”教学法来鼓励学生不断进行尝试。CFD的数值模拟一般包括网格划分、离散方法的选取、边界条件的设定、数据的后处理几个步骤，而这些过程中参数的选取与计算的物理问题有着十分密切的关系，不同的计算参数可以得到大相径庭的结果。学生通过创新实践平台进行相关的实验，并对计算结果进行深入分析，可以深化对物理问题的认识。

3.开展研讨式教学。教师根据学生精心挑选的1～2个与“气体动力学”课程相关的实例，让学生在课堂上现场进行讨论并且进行上机实践，这种教学方式虽然教师的工作量比较大，但是学生的学习目标明确，积极性自然也就比较高了，这样不仅能够激发他们的学习热情，还能够锻炼他们运用所学知识综合分析问题的能力，还有可能取得意想不到的效果。

三、需要注意的问题

把CFD技术引入到“气体动力学”的课堂教学中，是一个新的尝试。没有现成的经验可以供我们借鉴，为了充分发挥其长处，避免其弊端，笔者认为有以下几个方面的问题需要注意：

1.课堂教学时间的合理设计与控制。比如，如果在课堂教学中直接引入CFD模拟的现场演示，而CFD模拟根据算例的不同需要占用一定的时间，如何合理利用好这一段时间是教师需要精心考虑的问题。比如可以用来进一步介绍问题背景、复习所用的相关知识等。

2.要精心选择教学案例。教学案例的选取既要贴近实际，又要能突出“气体动力学”课程的重点与核心内容，此外案例的难度要适中，本科生能够理解和接受。同时，教学案例的选择要结合相关专业，多选取与专业精密相关的案例，这样，不仅能调动学生的学习积极性和主动性，还能够为他们毕业后尽快融入相关工作奠定基础。

3.要注重课堂教学与课外的实践相结合。课堂教学时间毕竟有限，对CFD的相关内容只能简单介绍，更深入的学习只能由学生课后完成。教师可以在课堂演示案例的基础上进一步延伸，供学有余力或者有興趣的学生在课后进一步研究。这样一方面可以巩固课堂的知识，另一方面可以培养学生的科研创新精神。

四、结语

总之，笔者认为，将CFD技术引入“气体动力学”的课堂教学中，可以使抽象的理论变为形象的画面，便于学生理解一些抽象的概念，有利于学生深入理解一些物理概念的本质。同时，这种方式进一步拓展了传统意义的多媒体教学，是一个教学改革有价值的研讨方向。但是，此种教学方式要求教师熟练掌握CFD的基础理论知识与常用软件，同时，教师需要花费更多的时间和精力去备课，因而对教师提出了更高的要求。

参考文献：

[1]谢翠丽，等.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨[J].力学与实践，2013，（35）：91-93.

[2]杜敏，等.CFD技术在“数值传热学”教学中的应用[J].中国电力教育，2012，（33）：58-59.

[3]郑捷庆，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.

[4]张师帅，等.构建CFD技术平台培养能源动力类本科生的实践与创新能力[J].教育教学论坛，2012，（40）：64-65.

[5]王福军，等.计算流体力学课程教学改革与实践[J].高等农业教育，2005，（11）：63-64.