流体力学实验与数值模拟仿真技术结合方法探讨

赵恩金　程飞　孙均楷　唐钺诏

摘要：流体力学实验为许多高等院校流体相关专业的必修课程。通过流体力学实验可以使学生加深对流体原理的理解，在物理层面上提高流体力学的教学效率。随着计算机的发展，数值模拟技术逐渐成为流体分析的另外一种工具。如何实现流体力学实验和数值模拟仿真的有效结合，一直是现在流体力学教学体系的关键点，文章从理论和实践两个方面论述了相应的结合方法，从而达到提高教学效果的目的。

关键词：流体;实验;数值模拟;教学方法;能力培养

中图分类号：G642.0     文獻标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0378-02

一、研究背景

流体一般包括液体和气体两类，与人类的日常生活及社会发展密切相关。流体力学具有典型的物理属性，通过实践能更好地加深对该门学科的理解。因此，现代流体力学教学中，流体力学实验成了流体力学这门课的典型配套课程。实验课程一般要求以学生为核心，确立学生在整个学习中的学习地位，教师起辅助作用，这种教学模式已经在国内的多数高校中持续了多年，并且起到了一定的积极作用。但是，随着科学技术的发展，流体数值仿真在科学研究、教育教学过程中得到了广泛的应用[1-2]，如何能将物理实验与数值模拟技术有机结合一直是现在教学研究中的一个热点，为了能在结合方面有所突破，应对流体力学实验和数值模拟仿真技术进行深入剖析，找到其共同点。除此之外，在教学方法上也应有所突破，提高学生学习的积极性。

二、流体力学实验分析

经过流体力学多年的发展，流体力学实验也有了完整的教学体系。流体力学实验遵循一定的物理规律，能够更直观地反映流体的变化情况。因此，流体力学实验是物理规律的重要体现形式，具有物理规律的课程应围绕着教学实验开展。在课堂上，教学模式一般是老师首先对实验进行演示性操作并进行原理讲解，学生根据已有的实验条件，按照规定的步骤完成基础实验，在基础实验的基础上，自己涉及实验条件并进行拓展操作得出结论。然而，在进行实验前，理论课部分，一些学生已经对实验结论进行了估计，实验只表现成了一种形式。这样实验教学并没有达到预期的实验设计效果。通过对开展实验的学生进行调查发现，在进行实验时发现存在着一些问题。教师操作太快，讲述不清，导致学生跟不上教学节奏;学生理论学习不扎实或对实验不感兴趣，遇到问题无法自行解决，不求甚解。由于长期进行理论知识的培养，学生对实验在思维上进行了淡化，而忽略了实验的真实意义，出现问题不能有效指出实验中的错误。

三、虚拟仿真分析

虚拟仿真技术主要指通过模拟的方法把一些物理现象虚拟显示的技术，关键在于在完全虚拟的系统上建立模拟的真实系统，并且该技术已经应用到了多种学科和领域[3-4]。在流体力学实验中实现虚拟仿真需要三个方面的步骤：第一，对流体力学的理论知识能熟练掌握，能够将一些理论公式进行编程，依靠计算机技术生成环境;第二，能够将计算的数据进行整合并可视化显示，能够对这种虚拟环境有一定的感知，使其具有高度逼真的特点;第三，能够通过一些方法实现参数控制，使模拟结果能够快速响应输入参数的同时，实时更新图像，显示结果。一般来说，虚拟仿真一种综合性的技术，能够将流体力学中的理论知识进行转化，利用较先进的信息技术进行实验的动态显示。在进行模拟时，需要建立一个用于仿真的真实工程文件，比如，某一种流体力学实验设备，然后，对数据进行模拟。一方面节省物力，另一方面，参数可调性高，进行实验的合理性及科学性高，不需要耗费过长的时间。针对流体力学实验的虚拟模拟涉及计算流体力学知识，主要用到的方法是对流体的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程的离散。

四、物理实验与数值模拟相结合的方法

为了提高教学实验效果，有必要在传统的物理实验的基础上结合现在的模拟仿真技术，实现物理实验与数值仿真的有效结合。

第一，教师应提前做好准备工作，理解学生现有的知识体系结构，尽量利用较多的授课方式吸引学生对流体力学实验的兴趣，营造活跃的课堂氛围，促使学生积极主动地学习新知识，同时，培养学生的主观能动性。

第二，教师在授课过程中，注意理论和实验的结合性，由浅入深地建立流体力学学科的教学结构，调节好每一次的教学步骤及实验方案，并保持这种物理学科的逻辑思维一致性，使整个实验课程的教学体系具有完整性及严谨性。

第三，学生应做好预习工作，掌握流体力学的基本规律是最基本的要求，注意理解流体力学物理规律中蕴含的科学方法，并能够利用这些规律解释流体力学的实验现象，做到理论与实验的有效结合。

第四，在学生进行物理实验时，仔细揣摩实验仪器的每个部件在实验操作过程中的作用，并按照流体力学实验指导书进行规范实验，一方面，观察实验现象，并总结实验结论;另一方面，对照流体力学的理论规律，能充分解释实验现象。

第五，在本科生阶段，学生难以完全建立真正的数值模型，需要借助已经搭建好的数值模拟平台进行流体力学实验的数值模拟。教师需要提前借助现有的一些软件或者程序布置好数值模拟的环境，并将一些流体力学的基本理论在计算中的模拟进行细致讲解，使学生能了解数值模拟后台运行的程序。教授学生一些程序或者软件控制的方法，能使学生自行建立模拟文件及参数控制。

第六，教师教授学生将生成的数值模拟文件进行后期分析及制作，实现数据文件的可视化，对比物理实验结果和数值模拟结果，在学生对流体力学掌握的基础上，提高学生的科研能力。并能借助数值模拟软件解决一些实际中的问题，引导学生的科研兴趣，端正科学态度和保持理性的科学思维。

五、总结

通过对流体力学物理实验及流体数值模拟仿真的研究，发现两者的共同点，利用该共同点，建立两者的关系，利用先进的计算机模拟技术实现对流体力学实验的数值模拟并可视化，对比实验结果和数值仿真结果，总结流体的现象并利用基本理论知识进行解释，提高学生的学习及科研能力。

参考文献：

[1]赵恩金，牟林，程飞，蒋浩宇，李健.基于虚拟实验的海洋工程专业大学生培养模式探讨[J].教育教学论坛，2018，386（44）：151-153.

[2]牟林，赵恩金，蒋浩宇，郑好.数值仿真技术在物理海洋课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2018，392（50）：118-120.

[3]蒋浩宇，赵恩金，程飞，牟林.海洋环境数值模拟在海洋工程专业研究生教育中的应用[J].教育教学论坛，2019，399（05）：147-149.

[4]赵恩金，牟林，蒋浩宇，李健，程飞.海洋发展新形势下海洋工程与技术学科的建设探讨[J].中国地质大学学报（社会科学版），2018，（增刊）：293-298.

Discussion on the Combination of Fluid Dynamics Experiments and Numerical Simulation Technology

ZHAO En-jin，CHENG Fei*，SUN Jun-kai，TANG Yue-zhao

（College of Marine Science and Technology，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan，Hubei 430074，China）

Absrtact：Fluid mechanicsexperiment is a compulsory course for many fluids-related majors in universities.Through the experiment of fluid mechanics，students can deepen their understanding of the principle of fluid and improve the teaching efficiency of fluid mechanics at the physical level.With the development of computer，numerical simulation technology has become another tool for fluid analysis.How to realize the effective combination of fluid mechanics experiment and numerical simulation has always been the key point of the current teaching system of fluid mechanics.This paper discusses the corresponding combination methods from both theoretical and practical aspects.

Key words：fluid;experiment;numerical simulation;teaching model;ability training

收稿日期：2019-07-17

項目资助：中国地质大学（武汉）研究生教育教学改革项目基金（编号：YJG2019201）;中国地质大学（武汉）本科教学项目基金（编号：2019A72，2019A48）;中国地质大学（武汉）教学实验室开放基金（编号：SKJ2019129）;中国地质大学（武汉）实验教材项目基金（编号：SJC201907）

作者简介：赵恩金（1986-），博士，讲师，主要从事海洋环境水动力等方面的教学与研究工作。

通讯作者：程飞（1987-），博士，副教授，主要从事勘探地球物理方面的教学和科研工作。