CFD技术应用于环境工程流体力学教学探析

鲍超明 胡俊明 张代雨

摘  要  在新工科建设背景下，高校教学应及时更新教学内容、引进先进教学方法。流体力学是环境工程专业的一门学科基础课，计算流体力学（CFD）技术已经在环境工程中有了长足发展。通过项目式教学法将CFD技术引入环境工程流体力学教学，有助于提高学生的学习和研究能力。

关键词  环境工程流体力学；项目式教学；CFD技术

中图分类号：G642.41    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）20-0031-04

0  引言

目前国家正大力开展新工科建设，以培养和造就一批具有交叉创新能力、基础扎实、素质卓越的复合型工程技术人才[1]。在这种新需求、新理念下，高校人才培养应该及时更新教学内容、引进先进教学方法，使得学生能够适应当下及未来的产业发展。

项目式教学是一种以学生为中心的教学方法，通过要求学生个人或团体合作完成一系列项目任务，自主查找必要的参考资料，选择和学习有效的工具，以解决现实生活中的实际问题，在这个过程中锻炼学生获取知识和解决问题的能力。项目式教学融入CDIO理念，即一般分为构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四步骤[2]，整个过程由学生和教师共同讨论完成，学生将由被动接受转变主动参与。

1  环境工程流体力学

环境工程流体力学是流体力学在环境工程专业中的应用。众多的环境污染问题都涉及流体运动的问题。环境一般都包括大气环境、水环境和生态环境。由于工业的发展和人类的集中生活，大量有害于人类和其他生物的工业废物和生活废弃物被排放到大气、河流、湖泊等流体环境中，并随着这些流体的扩散转移而扩大影响范围。环境工程主要研究不同形式排放的污染物进入环境流体的污染特征及变化规律，为环境污染的控制管理及污染事故做出准确预报，为拟建设的水利工程等环境影响评估提供科学依据[3]。各类环境污染问题中，通常以有害固气体和颗粒物等为特征污染物，这些污染物在环境流体中的运动涉及流体力学中复杂困难的多相流问题，包括分层流和颗粒流等两相流，以及更加复杂的三相流问题。

传统环境工程流体力学本科教学主要是教师向学生传授流体力学经典理论知识，没有将现代的流体力学研究方法和发展成果应用到实际教学中，一些教学方式和模式没有适应新技术的发展。而且由于交叉学科的不断涌现，既有的一些知识体系滞后于市场需求。如在现实生活中，环境污染问题常涉及复杂的流体多相流问题，而环境工程专业的教学对这方面也涉及较少。这些理论知识内容深奥、数学推导复杂，学生难以学懂并往往认为学而无用。

计算流体力学（Computational Fluid Dyna-mics，CFD）是建立在经典流体力学与数值计算方法基础上的一门学科，它通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到求解物理问题的目的[4]。作为一种研究流体运动规律的有效工具，CFD能够形象地展示流场内部结构，从机理的角度解释相应流动的特点。传统的流体力学教学注重传授基础理论知识，只能对一些简单模型进行流场分析，与实际情况相差甚远。而CFD技术具有简单易操作、可视化等诸多优点，与环境工程流体力学本科教学紧密联系，可以取得较好的教学效果，加深学生对流体力学理论知识的理解。本文以环境工程流体力学教学为例，基于项目式教学理念，探析CFD技术在流体力学教学中的应用。

2  课程目标

“中国工程教育专业认证标准”中毕业要求第一条就是能够将数学、科学、工程基础知识以及某个特定专业的工程知识用于解决复杂工程问题[5]。新工科人才培养应该使学生掌握更先进的知识，包括自然科学、数学、工程科学、人文社科、专业和学科等方面的知识[6]。流体力学是环境工程专业的一门重要专业基础课，是水污染控制工程和给排水管网系统课程的共同基础。通过流体力学课程教学，学生应该掌握场论等数学基础知识，了解流体运动的数学表述形式并能够利用数学方法进行分析，掌握支配流体运动的基本物理定律及基本方程的数学表达形式，培养分析和解决实际问题的能力，为后续课程学习以及未来从事专业工作和科学研究工作打下数学理论基础。通过课堂教学环节，学生需要掌握的流体力学基础理论知识有：

1）掌握流体力学中的一些基本概念，以及描述流体运动的基本方法和基本方程；

2）理解和应用粘流理论、边界层理论等内容；

3）掌握压力、速度和流体动力的测量方法；

4）对管道中的一般流动问题具有分析和计算的能力；

5）一些与环境密切相关的流体力学理论内容，比如扩散理论。

新工科教育模式下，还需要有先进的教学内容。CFD已经进入工业应用和科学研究时代，已经迅速成为现代工程应用中解决复杂问题的一种常用方法，成为一门与环境工程息息相关的交叉学科。CFD技术预测会成为解决环境问题的核心技术，如程昊淼等[7]利用CFD商用软件Ansys-Fluent对研究范围的污染物全时空扩散进行数值模拟，考察城市住区规划中平面布局、竖向设计与建筑选型等方面对街区通风条件和大气污染物消散的影响。CFD能够结构设计的初期阶段，在不建立实际物理模型的前提下，利用数值方法对结构的各项性能进行分析，优化设计方案。

本门课程应养成学生自主学习的习惯，能主动利用网络资源、仿真软件等自主学习计算流体力学和实验流体力学的入门知识，包括CFD分析流程：前处理、求解器以及后处理。教师也要将CFD技术应用到流体力学基础理论知识的教学，通过将典型流动利用CFD方法进行数值模拟，在教学中对软件调试过程进行演示，引导学生对数值结果进行分析，在这一过程中加深对流体力学概念的理解。如对圆柱绕流进行数值模拟，帮助学生理解流线、漩涡、边界层分离以及卡门涡街等流体知识。

3  教学方法

根据新工科教育模式的需求，教学方法需要整合各个方面的教学资源，将与时俱进的先进教学方法整合到传统教学中，及时吸取新的教学经验和手段，创新教学和学习方法。本课程强调理论与实践相结合，通过理论学习、实践运用、课堂讨论、课后动手，使学生获得知识运用能力、实验分析能力和工程设计能力。教师在教学中应注重工程实例的引入和分析，引导学生独立思考和自主分析，并因材施教；应结合授课内容，适当安排不同难度的复习思考题（建议分成基本、提高、综合三个层次）或实践项目题（贯穿整个教学过程，分阶段检查推进）。本课程建议采用以下教学方法。

3.1  传统教学的课堂讲授

引入新概念或新实例，讲解重点和难点，以便学生课后学习；习题课上，通过课堂练习检查学生的学习效果，回答学生的问题；结合所学知识对环境工程领域与水动力学相关的工程问题进行调研，学生汇报交流。

3.2  基于项目的学习

教师从实际问题出发，带领学生一步步解决问题、化解矛盾，在这一过程中训练学生的逻辑思维能力及解决问题的能力。通过利用CFD软件解决实际问题，培养学生学习软件的兴趣。通过对软件的实际操作，让学生熟练掌握软件的使用方法。

3.3  自主学习

让学生利用公开课、微课、MOOC等网络教学资源以及仿真软件自主学习相关内容，预习、复习课堂教学内容，完成思考题和实践项目等。互联网上存在大量的学习资源，学生可以根据自己的兴趣主动搜索相应学习材料。

4  教学反馈

经过新工科模式下的学习，学生除了应该掌握流体力学基础知识，也应该学会利用商用CFD软件解决实际问题。为了达到这个目标，教师应该对学生的学习情况有所掌握，引导学生根据自身学习情况及时反馈学习进度。教师可以根据教学活动的不同阶段，采取不同方法，加强与学生的联系。教师在了解学生的学习效果后，可以通过各种渠道积极修改教学计划。

1）学生可以采用邮件、QQ等形式及时将学习情况反馈给教师，教师应相应地及时调整和灵活应对学生的学习需求。

2）每次作业批改后，教师应及时反馈学生的作业情况，并提出适当的意见。作业应至少评分 1/3的学生，每个学生应至少评分一次。

3）根据每次教学研讨会的实际情况，教师认真分析研讨会计划和每个小组中其他团队成员的积极参与程度，总结每个学生的优缺点，找出每个学生感兴趣的知识点，在课堂上积极引导并适当拓展相关知识点。

4）教师认真纠正学生提交的综合实践项目的大型作业，总结分析计算方法的合理性、计算结构的准确性、设计图纸的标准化、设计报告的完整性等，找出学生的知识薄弱环节，适当修改教学安排， 并专注于解释。

5）教师应采用课堂练习等适当形式，分阶段检查学生的学习效果，并适当调整教学安排。定期检查应不少于2次。

教学结束后，教师应仔细分析教学活动的课程目标实现情况，特别是不同评价方法下的不一致之处，并在下一轮教学活动中继续改进。此外，对学生在后续课程学习和下班后利用本课程知识解决相关工程问题的能力进行适当跟踪，关注与本课程相关的社会需求和技术发展，并将其用于本课程的持续改进，及时修订教学大纲和教学计划。

5  教学考核

目前的流体力学课程注重理论知识传授，通过卷面考试进行考核。在新工科建设背景下，单纯的卷面考试方式已经不能满足考核学生思考并解决实际环境工程问题能力的要求。基于项目式教学方法，本课程需要解决传统流体力学考核仅局限于教材的问题，应该思考调动学生自主学习、团队协作和积极创新的能力，并提出合理的考核标准进行评估。所以，在传统的卷面考试考核基础上，还需要制定针对项目式教学的评估方法。

流体力学的基本概念和知识是学习CFD的重要基础。课程考核由过程考核（30%）+期末考试（70%）组成，加强过程考核。在过程考核中应注意学生个体差异，适当制定个性化评价方式，并适时进行评价。期末考试采用闭卷笔试形式，时间120分钟，满分100分；试题难度等级分为基本题、应用题和设计题，大致比例为2∶3∶5。其中，基本题考查学生的基本理论、基础知识掌握情况；应用题考查学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力；设计题考查学生的系统设计能力。题量应保证中等水平学生可以2小时内做完，并有时间复查。试卷内容应充分支撑课程目标要求，各教学单元的主要考查知识点如表1所示。

针对项目式教学，教学阶段可以查找利用CFD技术处理环境问题的论文，让学生利用CFD软件进行还原，以此培养学生的收集资料能力、团结协作能力以及协作能力。课程考核可以让学生分组，多个学生组成一个项目团队，各项目团队主动去发现感兴趣的环境问题，利用CFD软件完成环境工程数值模拟分析并形成报告。组内学生应说明为完成项目报告所完成的任务，包括提供选题、查阅资料、数值模拟、撰写报告以及初稿修改等工作，每个小组还应确定成员各自的贡献度。教师通过审阅报告质量、成员贡献度以及日常记录等进行评价。

6  结束语

在国家大力开展新工科建设背景下，高等院校人才培养应紧跟产业发展需求。环境工程流体力学是流体力学在环境工程中的应用。要将现代的流体力学研究成果和教学方法应用到实际流体力学教学中，采用项目式教学方法，以学生为中心，通过利用CFD技术解决一系列项目任务，并引入流体力学教学活动中，加深学生对流体力学基础理论知识的理解，掌握利用商业CFD软件解决实际问题的方法，有利于提高学生的学习和研究能力，以适应当下及未来的产业发展。

参考文献

[1] 吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J].高等工程教育研究，2019（1）：1-7.

[2] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[3] 黄河清.环境流体力学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2013.

[4] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：9.

[5] 李宁杰，解庆林，黄亮亮.基于2015版工程教育认证标准对环境工程专业毕业要求的制定与评价过程的思考[J].教育教学论坛，2017（8）：205-206.

[6] 顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[7] 程昊淼，姜智文，张培浩，康天放.基于CFD模拟的城市住区形态参数对大气污染物扩散影响[J].北京工业大学学报，2021，47（12）：1377-1387.

[8] 王燕，郑健.新工科背景下流体力学课程项目式教学与考核评价体系研究[J].高教学刊，2021，7（28）：9-12.

作者：鲍超明、胡俊明、张代雨，江苏科技大学船舶与海洋工程学院，讲师，研究方向为流体力学、船舶水动力性能（212100）。