以应用为导向的化工流体力学讨论课的开展

王 娟

(中国石油大学化学工程学院，北京 102249)



以应用为导向的化工流体力学讨论课的开展

王 娟

(中国石油大学化学工程学院，北京 102249)

为了帮助学生更好的学习《化工流体力学》这一课程的理论知识，并将其运用到科学研究实践中，笔者引入了以学生为中心的教学理念，以工程应用为学习导向，开展了相关的专题讨论课，取得了良好的教学效果。学生学习该课程后，对后续的学术研究具有很大的帮助，快速的将本课程的基本理论应用到研究课题中，提高学生利用流体力学知识解决工程实践问题的能力。

流体力学；化学工程；工程应用；专题讨论

流体力学是研究流体平衡和运动规律、流体与所接触物体之间相互作用的学科，是力学的一个重要的分支，对于解决实际工程问题具有重要的理论指导意义[1]。化工生产过程中都要涉及到流体或包含固体的两相或多相流体的流动过程，如固-液、气-液、气-固、气液固等各种多相体系。运用流体力学的基本原理和规律，探讨化工设备中流体运动规律及其对化工过程的影响，从而为化工设备的设计、放大、强化奠定理论基础，这是化工流体力学的主要内容和目的[2]。

1 化工流体力学课程的教学定位

化工流体力学是一门流体力学基本理论与化工工程实践紧密结合的课程，是化工类研究生必选的一门课程，与学生后续的学术研究、学术论文内容也密切相关。学习该课程的目的是为了后续学术研究服务。学习过程中，大多数学生被深奥的理论、繁杂的概念和高阶偏微分方程所难倒。这就要求学生必须要有扎实的高等数学知识、灵活的综合分析问题和处理问题的能力[3]。因此，在教学过程中，既要求学生掌握流体力学的基本原理和知识，又要强调学生充分利用所学的知识去解决学术研究中可能面临的工程实践问题。确定了明确的学习目标，辅以高效的学习方法，才能使学生在进入学术课题研究阶段以后，快速的开展学术研究。

2 以学生为中心的教学理念

“高等教育需要转向以学生为中心的新视角和新模式”，早在1998年联合国教科文组织在高等教育大会宣言中提出。近年来，国内外的高等教育学者们试图把学生及其需要作为教育教学改革的目标，以学生为中心的新理念得到了广泛的重视和传播。

2.1 “新三中心”与“老三中心“的比较

以学生为中心包括：以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心三大基本内容。老三中心则是：以教师为中心、以教材为中心、以教室为中心，即教师在教室里讲教材。新三中心不是指教师与学生角色、身份、地位的高低，而是指教学理念、管理方式、教学方法、评价手段的转变[4]。

2.2 以学生为中心的教育理念内涵

华中科技大学赵炬明教授在文献[5]中详细阐述了传统教学模式的缺陷和以学生为中心(SC)的新教学模式的概念和发展历程，并指出了我国高等教育可以学习美国的以学生为中心的教学改革的同时，还需要吸取经验教训。新三中心教育理念的内涵可以概括如下：

以学生发展为中心：以学生当前状态为基础，以促进其发展为目的，完成特定发展任务，发掘学生潜力，促进全面发展。

以学生学习为中心：把学生学习作为教育的中心，教师要设计教学活动，营造良好的学习环境，辅导学生完成学习任务。

以学习效果为中心：强调学习效果，包括直接效果和间接效果，重视及时反馈和效果评价，及时调整学生学习和教师教学工作。

3 化工领域的流体力学与工程实践问题的结合点

化工领域离不开设备。典型化工设备内的流体流动规律、设计、优化、放大、强化等工作都离不开流体力学基础知识的指导。化学工业处理的流体不只是水和空气，还涉及到各种有机、无机溶液、悬浮液、泡沫等多相流体体系。多相流体流动体系在各种类型的化工设备中运动，现象复杂，影响设备性能的因素众多。同时，化工设备中的流体流动常伴有传热、传质以及化学反应，它们对流体流动都具有一定的影响。此外，化工设备如分离设备、混合器、反应器等种类繁多，几何形状复杂。从流体力学的角度，分析上述化工设备内的流体流动规律都具有很大的难度，也是化学工程研究中的一个重要领域。下面以化工领域典型的反应器设备为例，说明反应器内部的流体流动特征。

3.1 搅拌槽反应器中的流动问题

搅拌槽反应器的基本结构包括槽、叶轮、挡板等，内部的流体流动属于内外边界同时存在的流动问题。影响流动的主要参数有：叶轮的形状、尺寸、数目；槽的形状、尺寸；挡板的数目、宽度等。其中最主要的影响因素是叶轮直径和槽的直径之比。

3.2 鼓泡塔反应器中的流动问题

鼓泡塔的基本结构比较简单，但局部流动、湍流、持气量之间存在复杂的相互作用。鼓泡塔的结构尺寸不同，流动特征不同。鼓泡塔内涉及气泡的聚并与破碎、液体循环、轴向混合和横向分布不均匀等复杂的两相流问题。

3.3 固定床反应器中的流动问题

固定床反应器中流体流动特征是多孔介质流动。该反应器的功能与作用是化学反应器或干燥器或分离器。采用工程简化方法，可以将固定床反应器内的流体流动问题简化为：管流内部流动问题(将空隙串接起来形成虚拟的管道)和外部问题(将颗粒孤立，流体绕过颗粒)。

3.4 流化床反应器中的流动问题

流化床反应器内大多为气液固三相流动，流动特征更为复杂。当床层静止时，即为固定床反应器。反应器中的三相流动伴随着传递、反应、混合的耦合作用。影响流化床反应器操作的主要因素包括外形和内部构件形状。

综上所述，化工设备中的流体流动，还不能简单的用外部问题和内部问题这两大类进行全部概括，更多的是同时具有内外边界的流动问题。此外，计算流体力学在化学工程中的应用已相当普遍。在传递过程(计算传热、计算传质)以及反应器(计算反应工程)方面尤为突出。

4 教学过程中专题讨论课的开展与实践

笔者对以学生为中心的教学理念进行了调研，并在化工流体力学研究生课程中进行了尝试。设计了学生主讲、与科研课题紧密结合的专题研讨课教学活动，将流体力学的基础知识与工程实践有效的结合，指导学生快速进入学术研究工作。在专题讨论课的开展过程中，教师提前征集和发放研讨题目、研讨任务和具体要求，学生结合课上所学流体力学知识，利用课余时间充分进行文献调研和总结，在课上进行学习交流和讨论，将流体力学与化工应用实例相结合的工程案例展现在老师和同学面前，拓展学生的知识面，提升工程意识。研讨的题目以学生今后可能从事的学术研究为导向，比如包括催化裂化沉降器、旋风分离器、水力旋流器、固定床加氢反应器、悬浮床加氢反应器、换热器、离心泵、搅拌槽反应器等化工设备内的流体流动问题、特征、规律及发展的前沿动态。将研讨课堂发展为一场小型学术交流会议，拓展学生的学术视野，调动学生学习化工流体力学的积极性，强化工程应用的导向，提高学习效果。

5 结 语

笔者以化工类研究生《化工流体力学》理论课程的教学改革为核心，引入“以学生为中心”的教学理念，以工程应用为导向，开展了紧密结合工程实践的专题研讨课，拓宽学生的学术视野和学习兴趣，提升教学效果。

[1] 袁恩熙.工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,2002.

[2] 戴干策,陈敏恒.化工流体力学[M].北京:化学工业出版社,1988:678-681.

[3] 刘起霞,邹剑锋,王海霞.实际工程中的流体力学[J].力学与实践,2006,28(6):90-92.

[4] 吴绍芬.实践以学生为中心提升本科教学质量[J].中国大学教育,2012(15):50-51.

[5] 赵炬明.论新三中心:概念与历史—美国SC本科教学改革研究之一[J].高等工程教育研究,2016(3):35-56.

Development of Application-oriented Chemical Fluid Mechanics Course Seminar

WANGJuan

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In order to help students to better understand the theoretical knowledge of course of Chemical Fluid Mechanics and apply it to the practice of scientific research, the student-centered teaching idea was introduced taking the engineering application as the learning orientation, good teaching results were achieved. After the students studied the course, it will have great help to the following academic research, apply the basic theory of this course to the research topic quickly, and improve the students’ ability to solve the engineering practice problem by using the knowledge of hydrodynamics.

fluid mechanics; chemical engineering; engineering applications; thematic discussions

王娟(1977-)，女，副教授，主要从事过程装备与控制相关的教学和科研。

G642 0

A

1001-9677(2016)024-0163-02