《流体力学》课程教学内容计算机仿真教学改革探索.pdf

刘会勇，赵青：流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革探索081流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革探索刘会勇1，赵青2（1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025）摘要：流体力学课程涉及机械、材料、结构、数学、力学和物理等课程的知识点，导致学生普遍感觉基本概念抽象、学习难度高、学习兴趣不浓厚、学习内容理解不深等。本文分析了流体力学课程教学内容的教学现状，阐述了流体力学课程教学内容计算机仿真教学的原理，探索了流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革措施，以期为流体力学课程教学内容的教学改革实践提供参考依据。关键词：流体力学；理论课教学；计算机仿真；教学改革基金项目：贵州大学一流课程培育项目流体力学（XJG2021036）。作者简介：刘会勇，男，博士，贵州大学机械工程学院教授。赵青，女，博士，贵州大学土木工程学院副教授。随着世界各国科学家和研究机构对于工程领域和现实生活中的流体力学现象所蕴含的流体力学本质的持续不断深入研究，流体力学理论已经得到了不断发展和完善，并且已成功应用于工程实践。据不完全统计，流体力学现在已经被广泛应用于航空航天、水利、采矿、交通土建、石油化工、机械冶金、环境、气象和生物等领域，如图 1所示1。世界各国相继出台了工业振兴规划、农业振兴规划、太空探索计划等，研究维度已经涵盖海、陆、空及外太空，研究尺度已从常规尺度的流体流动转向受限空间内的流动，研究深度已深入到微/纳流控，研究方向已从常规的牛顿流体转向非牛顿流体。由此可见，流体力学已经成为多学科交叉和科技创新的桥梁和纽带。082 Academic and Practise 学术与实践流体力学是以流体（气体、液体、牛顿流体、非牛顿流体）为研究对象，研究流体平衡（静平衡、动平衡）和运动规律的科学，涉及机械、材料、结构、数学、力学、物理学等多个学科，具有流体计算数学公式抽象、理论分析复杂不易掌握、概念和方程推导较多且易混淆、对学生高等数学知识以及多学科知识综合应用分析和处理问题能力要求较高等特点，是一门理论性和工程性都较强的课程2-8。世界各国的理工类高校基本上都已将流体力学设置为本科生/专科生的专业必修课9-14。因此，开展流体力学课程的教学方法改革对于提升该课程教学质量和培养学生综合创新及实践能力具有重要意义。本文分析了流体力学课程教学内容的教学现状，阐述了流体力学课程教学内容计算机仿真教学的原理，探索了流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革措施，以期为流体力学课程教学内容的教学改革实践提供参考依据。一、流体力学课程教学内容的教学现状分析近年来，流体力学课程教学内容的教学取得了较大进步，授课教师在流体力学课程教学内容的教学实践中逐步积累了较为丰富的教学经验，但是在流体力学课程教学内容的教学中依然存在一些问题，制约着课程教学内容的教学发展，主要包括以下三个方面。1.教学方法不够生动流体力学课程的教学，主要是采用图 1流体力学应用领域1刘会勇，赵青：流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革探索083较为传统的借助 PPT 电子课件的课堂教学方法。PPT 电子课件是授课教师和学生进行教学信息交流的主要载体，授课教师是流体力学课程教学活动的主要组织者，学生是流体力学课程教学活动的主要接受者。2.教学素材不够形象授课教师按照流体力学课程教材编排先后顺序来讲授教学内容，因此，流体力学课程各个知识点的教学为单向传授式，学生对流体力学课程的教学内容往往缺乏思考，只是被动地接受。授课教师在结合 PPT 电子课件授课时，电子课件大多仅停留在静态画面，不能够形象地演示相关流体力学现象，不利于学生理解和掌握流体力学现象背后的本质。3.教材内容知识点抽象由于流体力学课程的学习中有不少内容涉及机械、材料、结构、数学、力学和物理等课程的知识点，因而学生普遍感觉基本概念抽象、学习难度高、学习兴趣不浓厚、学习内容理解不深，大多数学生也只能做到课后照搬公式做题，而对后续专业课学习中碰到的新问题无法做到归纳分析，最终不能有效提升运用知识解决实际问题的能力。二、流体力学课程教学内容计算机仿真教学原理针对流体力学课程涉及机械、材料、结构、数学、力学和物理等课程的知识点，导致学生普遍感觉基本概念抽象、学习难度高、学习兴趣不浓厚、学习内容理解不深等不足，提出流体力学课程教学内容计算机仿真教学方法，其基本原理是基于计算机硬件平台，借助计算机仿真软件，拟在后续教学中开展计算机仿真教学，其基本原理如图 2 所示。首先，根据流体力学课程教学内容，选取工程实际或现实生活中具有代表性的能够体现流体力学现象的典型实例，分析流体流动的现象和基本原理。然后，采用建模软件如 SOLIDWORKS,CATIA,UG等建立典型实例的二维或者三维几何模型。之后，将所建立的几何模型导入网格划分软件如 GAMBIT 等，对二维或者三维几何模型进行网格划分，并且指定入口和出口及壁面，然后输出网格文件。接下来，将网格文件导入流体力学求解程序 FLUENT，CFX 等，设置边界条件和求解参数，并且进行求解计算，通过后处理程序演示计算结果。最后，结合计算结果详细讲解理论课教学所需讲授的知识点。084 Academic and Practise 学术与实践三、流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革探索授课教师在实践教学过程中，可以结合流体力学课程教学内容，建立相关的流体力学计算实例，采用计算机仿真教学方法，进行流体力学课程教学内容计算机仿真教学，建立工程实例模型并且进行求解计算，将结果进行演示和分析，从而激发学生学习积极性和主动性。以冷热水混合器为例，上端为热水入口（D=0.02m，V=10m/s，T=350 K），右下端为冷水入口（D=0.02m，V=10m/s，T=290 K），左下端为冷热水混合出口（D=0.02m），现分析该冷热水混合器内部的压强、速度、温度15。这是一个典型的流体力学现象，建立的几何模型和网格划分及入口/出口指定（如图 3 所示），设定边界条件和求解参数并进行求解计算之后，可得到冷热水混合器内部的压强、速度、温度（如图 4、图5、图 6 所示）。图 2 流体力学课程教学内容计算机仿真教学原理刘会勇，赵青：流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革探索085授课教师在流体力学课程实践教学环节中，可以结合生活常识，首先分析冷热水混合器的工作原理，让学生了解流体（水）在冷热水混合器内的流动情况，建立冷热水混合器的二维几何模型，进行网格划分并指定入口、出口和壁面，然后导出网格文件。求解程序读取网格文件之后，设置边界条件和求解参数进行求解，然后通过后处理程序演示冷热水混合器内的压强、速度和温度分布情况，再进一步结合教学内容讲解授课知识点，将有助于提升学生的学习兴趣，激发学生的学习积极性，进一步加深学生对所学知识点的理解和掌握。图 3冷热水混合器几何模型及网格图 4冷热水混合器内部压强分布图 5冷热水混合器内部速度分布图 6冷热水混合器内部温度分布086 Academic and Practise 学术与实践四、结语流体力学课程在本科生教学中占有重要地位，开展教学改革对于提升教学质量和培养学生创新能力具有重要意义。本文分析了流体力学课程教学内容的教学现状，阐述了流体力学课程教学内容计算机仿真教学的原理，探索了流体力学课程教学内容计算机仿真教学改革措施，以期为流体力学课程教学内容的教学改革实践提供参考依据。参考文献：1 孔珑.工程流体力学：第四版 M.北京：中国电力出版社,2018:2.2 段慧玲,吴新.启发引导式教学方法在流体力学教学中的应用 J.中国教育技术装备,2018(10):83-84,87.3 李 德 玉,李 嘉 薇,陈 更 林.工 程 流 体 力学课程的立体化教学体系建设 J.教育教学论坛,2017(8):150-151.4 谢海英,黄远东,邓保庆,等.工程流体力学课程问题探究式教学模式初探和思考 J.教育教学论坛,2017(4):223-224.5 张蕊,王泽生,张殿新,等.以互溶、互通为原则的流体力学理论与实验教学一体化体系的构建与实践 J.科技经济导刊 2018,26(22):144,146.6 吴迪,宋维源,孙可明.以工程实例为导向的流体力学教学模式改革初探 J.科教导刊,2017(15):93-94.7 张 龙,田 祖 安,郑 安 节.应 用 型 大 学 流体力学课堂教学方式改革探索及实践 J.科教导刊,2017(15):101-102.8 郑平.以“卓越工程师”培养为核心的工程流体力学课程改革实践 J.化工高等教育,2017(2):24-26.9 李栋.工程流体力学课程教学模式的探索与实践 J.大学教育,2017(10):60-62.10 李宝宽,荣文杰,刘中秋,等.在工程流体力学教学中引入 CFD 工程案例的探讨 J.力学与实践,2018,40(1):93-95.11 樊艳红,李兴莉,杨雪霞.浅谈流体力学实验教学的改革 J.教育现代化,2018(27):77-78.12 刘雪岭,王悦.流体力学课程虚拟仿真教学资源库平台开发 J.高教学刊,2017(4):76-77.13 杨小平,王文豪,马远琼.流体力学教学中局部阻力的 CFD 分析和应用 J.东莞理工学院学报,2018,25(1):112-115.14 顾建农.流体力学教学中的情景教学法 J.科技经济导刊,2018,26(21):63-64.15 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用 M.北京:北京理工大学出版社,2010:27.