与流体力学相关的现象范文

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关键词：流体力学；教学理念；内容调整；教学方法；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）04-0041-02

流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门科学，是力学的一个重要分支，已广泛应用到国民经济的各部门。工程流体力学课程在哈工大是机械类、材料类、仪器仪表类、航空航天类、建筑工程类、热能动力类、流体动力工程类等专业必修的技术基础课程，既有基础学科的性质，又具有鲜明的技术学科的特点，既与高等数学、大学物理、理论力学等课程有紧密的联系，又是专业课的基础，是一门理论性和工程实际意义都较强的课程[1]。哈工大流体力学教研室成立于1956年，历来重视教学研究及教学质量，不断积累教学经验，改进教学思想，在基础教学与实验设施、师资队伍建设、教学质量、教学研究与改革等方面都取得一系列成果，居于国内领先水平，并于2009年被评为国家精品课程，目前正在进行国家精品资源共享课程的升级。虽然取得了一系列的重要成绩，但是仍然存在一些问题，需要进一步转换观念，从当前社会的实际需求出发，深入进行教学模式和教学内容等方面的研究和探索。

一、改革教学理念

课程建设的目的是提高教学质量，归根到底是提高学生培养的质量，而学生质量的衡量标准则是其综合素质及能力。工程流体力学课程的特点是抽象概念多，数学分量重，理论性较强，许多复杂的流动物理现象难以用言语和具体图像清晰地表述[2]。工程流体力学课程中有很多较难的知识点，例如流体微元运动的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流体的运动微分方程、边界层基本方程及近似计算等，这些知识点包含了大量的数学推导，往往要占用很多课时，同时这些理论知识的讲解又是空洞和死板的，无法激发学生的学习热情。即使是多数教师能够本着负责的态度将这些知识难点讲解清楚，也往往并不能使学生对这些难点留下深刻的印象。这种教学过程是事倍功半的，容易引起学生对这些知识做机械的符号记忆或者陷入对推导严密性的过度钻研，无法建立起流体力学的全局思维方式，进而也不能提高学生的综合分析应用能力。因此，教师在授课过程中要不断引导学生梳理所讲授的知识，使学生能够运用流体力学知识进行综合分析。要让学生明白，流体力学的学习不是背定理、记公式，而是要通过学习这门课程，掌握一门新的科学知识，了解它的人文背景，学习它的思想和方法，掌握它的原理和应用。学生是课程学习的主体，在教学过程中需要注意教与学的同步，授课时关注学生的反映，根据学生的反应对授课进行调整，必要时放慢节奏或变换讲解方法，也可以让学生参与讨论。学生有必要参与到深层的学科知识应用中，因此可以让同学参加与学科相关的科学研究，引导同学应用流体计算模拟软件，实现模拟实验[3]。教师对学生的实践引导可以消减同学对流体力学公式繁多的苦恼，而在实践能力不断提高的过程中，学生的创新意识和能力将得到很大的锻炼。实践证明，学生可以完成适当的工程流体力学课程内容的拓展研究，实现课程与科研工作的相互促进。在积极开展第一课堂的同时，还应该引导学生参加第二课堂活动，激发学生创造热情，培养学生科学素质和创新精神，提高学生获取知识、运用知识的能力和创新能力。例如科技创新和节能减排大赛这样的大学生科技活动是开展素质教育的重要平台，为学生提供了施展才能、张扬个性的舞台，使学生得以将课本所学知识充分的运用，并从制作和创新过程中学到了比课本更多的知识，提高了其知识综合运用能力、实践动手能力。流体力学教师应该充分利用流体力学知识应用面广、基础性强的特点，引导并指导学生参与此类科技活动。另外，流体力学教师还应该经常举行科技讲座，丰富学生的专业和学科知识，培养学生的科研意识和科学精神。

二、课程内容调整

目前所使用的工程流体力学课程内容包括了流体静力学、流体动力学、漩涡理论基础、理想流体平面势流、粘性流体动力学、相似理论基础、流动的阻力与损失、管路的水力计算、粘性流体绕物体流动、气体动力学基础、机翼及叶栅理论、流体要素测量等内容。总的来说涵盖了流体力学工程应用的多数情况，但是结构仍然需要进一步调整。首先，工程流体力学课程内容较多，多年未更新，有些知识也趋于老化，应适当地对内容进行增减。2006年专业调整后，能源与动力工程本科教学按一级学科制定教学内容，在这种体系下，工程流体力学课程应在主体结构保留的情况下，对于涉及到工程热力学和空气动力学的内容进行删减，避免不同课程的内容重复，使课程之间的界线更加明晰。这样的好处就是，学生利用有限的课时可以将流体力学主体结构体系学得更好。另外，由于工程流体力学更多的应该涉及流体力学的工程应用，所以关于漩涡理论、理想流体平面势流及粘性流体绕物体流动章节内涉及的较多理论性知识且与工程应用关系不大的应该适当精简，减少课时占用。其次，工程流体力学课程内容应适当增加与工程应用相关的内容。美国著名的流体力学教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）选取了贴近工程实际的管道流动、叶轮机械流动、环境流体力学等内容，作为经典流体力学主题内容的有机补充[4]。哈工大工程流体力学课程也应该针对学校定位及专业设置，在广泛调研开课专业的需求基础上，适当增加有普遍性、代表性的工程应用知识。最后，工程流体力学课程内容应更新与近期科技发展紧密联系的内容。由于教材不可能年年更新，教师应该在教材内容基础之上，适当增加与科技进展相关的内容，例如流动的虚拟实验、流体参数的现代化测量、流体力学的发展现状、流体力学的最新应用情况等，让学生了解到流体力学的科技前沿，开拓学生视野，增强其学习流体力学的热情和兴趣。

三、改革教学方法

关于教学方法，哈工大流体力学教师较早地采用了不完全教学法、潜科学教学法、社会探究法、问题教学法、角度教学法等创新性教学法，将教学内容、教学媒体、教师活动、学生活动等课堂教学要素有机组织起来，发挥整体的最大效能。强调学生通过主动探求问题解决的途径和方法，培养能力，以展素质；并将多媒体技术的运用与传统教学手段、教学形式的改革统一起来，突出重点，突破难点，从而充分调动和激发学生的学习兴趣和积极性。目前多媒体教学在高等教育中的应用越来越广，在如何正确使用多媒体教学的问题上目前还有一些争议和讨论。工程流体力学课程知识点多，公式推导多，难度大，对于具体的知识点利用板书详细推演在课堂教学中占用了大量的课时，同时也会影响到学生对流体力学整体思维的把握。由于工程流体力学课程的特点，很多流动现象概念比较抽象，难以用板书表达清楚，很显然传统教学方式达不到理想的教学效果。利用多种媒体手段可以更好地创设教学意境，变抽象为具体，变静态为动态，变黑白为彩色，变无声为有声，通过丰富的图例、连贯的动画以及真实的实验录像，可以使枯燥、乏味的内容变得趣味盎然，使抽象、晦涩的内容变得直观生动，同时也丰富了学生的信息量，可以更好地激发学习兴趣[5]。另外，流体力学的特点是数学分量重、理论性强，所以又不能过多依赖多媒体教学。对于涉及到重要理论公式推导的内容，简单地将推导过程搬到课件上去，并不能使学生了解重要理论公式的来龙去脉，也难以加深学生对这些关键知识点的理解程度。这个时候需要收起屏幕，用板书认真书写每个符号，推导每个关键公式，并解释其中的物理概念和意义。多媒体和板书都有各自的优缺点，因此我们可以取其长而避其短，采用两者兼顾而又两者不弃的原则，交互使用，相辅相成。

四、更新考评制度

哈工大工程流体力学课程作为技术基础课，目前采取了综合性的考评方法，总成绩由作业、实验、考试三部分组成，学生共计要完成60题左右的作业，由教师进行判分并作为总成绩的10%；共计要完成11项左右的实验，根据学生对每个实验原理和操作技能的掌握及实验报告的质量情况分为优、良、及格、不及格来评定成绩，若有两次不及格或者缺席者必须重做否则不得参加期末考试。实验课成绩占课程总成绩的10%。期末考试为闭卷，占总成绩的80%。流体力学考试的组卷与课堂教学内容息息相关，课堂教学如果注重内容的应用性、灵活性和综合性，则在组卷时应适当减少客观题，丰富试题类型，加大理解性和综合性题目的分量，避免记忆性成分所占比重较大，而学生临近考试加班加点应付考试的现象。另外，根据课堂教学和课外科研实践的特点，对于偏重于工程应用的专题，可以探索利用撰写科技论文、提交科研作品的方法进行考试，与传统考试成绩综合来建立起更合理、更具实践意义的考评制度。

工程流体力学课程是面向工程应用人才的课程，所以教学核心始终应该是学生知识应用能力的培养。为此，在教学中贯穿流体力学思维模式和综合分析解决问题能力的锻炼，使学生学有所成、学有所用，是工程流体力学课程改革的一个长期方向。

参考文献：

[1]陈卓如，金朝铭，等.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]赵超.“流体力学”课程教学方法探索.中国冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李岩，孙石.《工程流体力学》课程教学改革与实践.科教文汇[J].2008，（11）：88-89.

[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.

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[论文摘要]结合学习主体所处的时代环境变化和流体力学知识体系的学科跨度大以及对数学基础知识要求很高的特点，分析了流体力学教学中存在的问题和难点，提出大量采用实验模型和实例教学以加强流体流动现象的观察理解对提高流体力学教学效果的必要性和重要性。 

 

前言 

流体无固定形状，即使受到的剪切力再小，只要持续存在，其变形便会随时间持续增大，不像固体那样，一定的受力只能产生一定的变形。流体力学的基本理论非常严密，描述流体流动现象的数学方程非常复杂，高度非线性[1]，因此学生对流体力学敬而远之的现象比较严重。此外由于因特网及电子计算机的普及，各种虚拟现象泛滥，在这样的环境下成长的学生接触和感受实际发生的各种流体流动现象的机会大大减少，对自然现象的观察和理解能力很弱。很多学生在接受流体力学教育之前所受的应试教育的影响下[2]，学习只是为了在短时间内对给出的试题做出接近正解的答案获得高分，这种教育具有多大的意义，近年来许多学者从教育学的角度提出了疑问[2]。只有直面实际的流体流动现象，抓住问题的本质，才能诞生真正的学问和研究。笔者基于对本科和研究生的流体学教学中存在的难点和问题，指出了重视流体流动现象的观察和理解对提高流体力学的教学效果的必要性和重要性。 

 

一、流体力学教学面临的问题 

 

（一）新形势下学生所处的社会环境变化 

学生从小利用电脑打电子游戏的玩耍时间和机会大大超过了自己亲自动手制作道具及模型的体感玩耍时间，通过体感玩耍接触和观察自然现象的机会大大减少。 

因特网的普及使得在短时间内获得大量的信息或实时获得信息成为可能，近年来出现学生过度依赖因特网的倾向，疏远了纸质图书及相关文献这些知识比较系统逻辑性也有保证的传统信息载体。但因特网上除了正确的信息外，还有很多不准确甚至错误的信息，即使是正确的信息，各信息段之间也缺乏系统性，因此学生仅通过因特网难以建立系统的知识体系的。 

手机在学生中的普及也使得学生们在实际问题时，不是自己独立分析问题，找出问题发生的原因，而是直接利用手机询问他人求得答案，这样很难培养独立制定计划，对可能事态进行预测，独立进行解决问题的能力。这恰恰是对一个未来走向社会成为一个优秀的技术人员的必经的磨砺之道。 

（二）流体力学教学面临的问题 

流体流动的力学模型及其运动的物理意义难以理解[3]。流体粘性产生的模型与牛顿粘性定律之间的对应关系就是最好的一个例证。大多数学生虽然能够使用牛顿粘性定律进行计算，但对运动的流体为何会产生粘性却不能正确的理解。的确，对于涉及到流体力学的某些技术或产品设计，只要懂得一定的计算即可，但是对于开发和设计全新的产品，如不能准确把握所涉及到的相关流体流动的物理本质，有时会产生完全错误的设计结果。 

流体的运动状态繁多，流体力学融合领域广，要求学生掌握更多的学科预备知识，尤其对数学知识的要求更高，使部分学生觉得流体力学是难以接近的一门课。同一流动现象常常可以从多个角度进行解释，容易使学生产生混乱。比如对翼型的流体力学工作原理，可以从流体流动的动量变化、伯努利方程、压力积分、流线的曲率变化等几个方面进行解释，解释方法之多反而会使学生产生混乱，但每一种解释方法都是正确的，解释的都是一个本质，只有完全理解各种解释方法所依据的理论，才可以解除认识上的混乱，将学到的知识条理化、系统化。 

描述流体流动的数学方程高度非线性化，数学上求解比较困难。描述流体流动的纳维斯方程和能量方程是否可以求解以及数学解的唯一性的证明需要微分方程、偏微分方程、多元积分等很深的数学功底，但近年来学生的数学和力学基础存在下降的趋势。 

学生在进入大学前所接受的应试教育的影响很大，以考试成绩自评学习效果的认识根深蒂固[4]。实际的流体流动现象往往没有单纯的标准答案，有时甚至存在多个解，重要的是抓住流动现象的物理本质，系统的理解流体力学的基本原理。 

二、教学方法对应 

 

解决上述问题的根本方法，笔者认为只有从流体力学教学上，直面涉及流体的各种现象，使学生准确的把握物理本质。为此在流体力学课堂上，广泛采用流体模型教学和实例教学，增加学生观察理解各种流动现象的机会，唤起他们对本门课的兴趣的同时，让他们形成为探究流动现象背后的物理本质进行思考的习惯，这对解决流体力学教学所面临的问题至关重要。 

使用电吹风斜向上吹一个让学生事先准备好的气球模型，没经验的学生会意外的发现气球会向斜上方飘起。这一流体流动现象可从风从气球上部通过时，由于气球表面的影响风的流向会产生变化，也就是流线产生弯曲，根据风的动量变化必然产生使得气球浮起的升力得到解释，还可以从物体绕流边界层效应得到解释。从这一简单的模型教学，还可以解释飞机的机翼通过改变空气的流向进而获得升力的流体力学上的工作原理。 

在一个装满水的塑料瓶内分别放入密度大于水和小于水的钢球和泡沫小球，然后放在一个可移动桌面上，使桌面等直线加速运动，可发现钢球运动较慢留在瓶底，而泡沫球运动较快停在瓶嘴附近。观察这一个现象引导学生：泡沫球运动得较快是因为等加速运动瓶内流体的静压在运动方向上递减形成压力梯度，小球的前进方向的压力大于等加速运动产生的惯性力，因此小球相对于塑料瓶向前运动；而作用于钢球的前进方向的静压力虽然与泡沫小球相同，但惯性力大于前进方向的静压力，因此钢球相对于塑料瓶向后移动。这一模型教学比一般教科书上关于流体等加速直线运动流体的静压分布的例题更容易使学生抓住问题本质，且能培养学生独立思考之习惯，使学生体会到透过流体流动现象来正确观察和理解把握流体力学基本规律的乐趣。 

经常使用立式洗衣机的人都知道，洗完衣服后，衣兜总要被翻过来，假如原来兜里装有硬币等硬物，也会被掏出来[5]。把这个实例在课堂上讲出后，学生们甚有兴趣，追问其中的奥秘，当教师根据伯努利定律做出解释并介绍伯努利这位集物理学家、数学家、力学家及医学家于一身的瑞士的大科学家的基本情况后，学生们顿时对这位科学家充满了崇敬之情，通过大量这种实验模型及实例教学，学生们对学习流体力学这门课更有了兴趣和信心，教学效果的提高自不待言。 

 

三、结语 

本文详尽的分析了计算机、因特网、手机等现代化通讯工具普及后对学生产生的影响，由于流体力学课程知识体系的特点，这种影响产生的负面问题很多，尤其是教授成长在应试教育体制下走入大学的学生，更需要转换认识，改变教学观念，在课堂教学中广泛植入实验模型教学和实例教学，让学生直面实际存在的各种流体流动现象，通过实际的流体流动现象的观察和理解，达到生动及形象的把握这些流动现象背后的流体力学的基本定理，有效提升教学效果的同时，通过简单实验模型的制作还可提高学生的动手能力，这对学生走向社会成为一个具有创造性思维能力、独立思考的优秀技术人员也是一个必不可少的雏形磨砺。 

 

[参考文献] 

[1]黄卫星.工程流体力学[m].北京:化学工业出版社,2008. 

[2]李丹,杨斯瑞.应试教育与创造性人才的培养[j].继续教育研究, 2009, 25(2): 180-185 

[3]向文英,程光均.流体力学教学与实验创新[j].重庆大学学报(社会科学版),2003,18(4): 21-26. 

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关键词：《流体力学》课程；实验教学；教学改革；建筑环境与能源应用工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0225-02

一、前言

我校的学生培养定位是：“立足内蒙古，面向全国，服务国家基础工业和地方经济建设，培养岗位适应性强、工作作风踏实的应用型人才”[1]。

建筑环境与能源应用工程专业的培养目标是：“适应社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、具有创新意识和工程实施能力的建筑环境与能源应用工程专业应用型高级技术人才”。毕业生能够从事工业与民用建筑室内环境与暖通空调、通风除尘、采暖供热、燃气供应、建筑给排水等公共设施系统、建筑热能供应系统的设计、安装、调试、运行、管理以及建筑自动化系统的方案制订，并具有初步的应用研究与开发能力，能够在设计研究院、建筑工程单位、物业管理公司及相关的科研、生产和教学等单位从事技术与管理工作。

《流体力学》是建筑环境与能源应用工程专业的一门主要技术基础课，也是我校重点建设课程之一，是该专业工程技术人员必须掌握的知识。同时，该课程也是我校环境工程、热能与动力工程、矿物加工工程、采矿工程、机械设计与自动化等工程专业必须开设的课程。通过本课程的学习，学生应掌握流体力学的基本概念、基本理论以及水力计算的基本方法。流体力学实验是流体力学课程的重要组成部分，流体力学实验是发展流体力学理论，验证流体力学假说，理解流体力学现象，解决流体力学工程问题的一个重要手段，该课程实验教学质量的好坏影响到学生对知识的了解和掌握，以及动手实践能力的培养，甚至影响到他们就业后对专业知识的灵活运用。

二、当前实验教学存在的问题

1.实验教学现状。流体力学实验是《流体力学》课程的重要环节。实验基本目的要求是：使学生观测流动现象，验证所学理论，掌握实验的方法和操作技能，训练学生整理实验资料、编写实验报告的能力，培养学生严格的科学作风。目前我校《流体力学》课程开设的主要实验项目有：雷诺实验、伯努利方程验证实验、圆形管道沿程阻力实验、圆形管道局部阻力实验、一元流动量方程验证实验、气体紊流射流实验等[2]，全部是传统的验证型实验，由于实验室房间、实验器材、指导教师人数等方面的条件有限，综合型、设计型实验不能开出。不同专业、不同学时的《流体力学》课程的学生进行完全相同的实验。在实验课堂上，实验指导教师从实验原理、实验目的、实验仪器设备、实验操作步骤、实验注意事项、实验报告格式要求等方面进行讲解，之后学生分组进行实验操作，观察实验现象，采集实验数据，出现问题在指导教师的指导下进行处理，教师根据实验报告的书写完成情况和质量来评定成绩。虽然实验项目开设的比较全面，基本覆盖了课程的主要内容，也有利于增进学生对理论知识的理解，但没有激发学生的积极性，学生做实验的主动性和热情没有体现出来，只是被动的完成了实验教学过程，不能培养学生的创新性。

2.实验教学效果。近年来伴随着我国教育体制的改革发展和招生规模的扩大，给学校的发展带来了机遇，使学校的发展取得了长足的进步，但不可回避的是学生质量在不同程度上有所下降，基础知识不很扎实，给后续教学工作带来了困难，也是摆在全校师生面前的难题。另外还有相当一部分学生是通过调剂专业而来的，不是他们所钟情和喜爱的专业，因此，学习积极性也不高，疲于应付，学习目的不明确，态度不很认真，缺乏学习的热情和动力，只求考试及格过关了事，流体力学实验课的学习也是如此。

近年来，学校也做了很大努力，在改善实验条件方面投入不少，但由于学生人数众多，实验仪器设备台套数较少，实验小组人数偏多，亲自动手操作的次数不是很多，感性认识不够，尽管实验指导教师想尽一切办法，尽可能多的创造机会，但收效甚微，实验效果不理想，有的甚至连最基本的测试仪器，如毕托管的工作原理、使用及注意事项等都不清楚。另一方面，由于小组人数多，实验测试数据相同，实验报告抄袭现象严重，没有进行数据的处理、分析、结果的讨论，因此对实验的感悟不深，对所学理论知识的理解、体会起不到作用，同时给实验成绩的考核带来了不便。

三、课程实验教学改革内容

1.实验课的地位。实验是《流体力学》课程非常重要的组成部分，但是在教学实践中，往往更多强调的是理论的重要性，而忽视了实验对流体力学理论学习的帮助。因此要充分重视流体力学实验的地位，实验在流体力学教学中和理论课具有同样的重要作用，流体力学实验是验证理论、数值计算结果的唯一途径，是学生获得流体力学感性知识的主要方法，有利于学生对抽象知识的深入理解，促进学生进一步思考，培养他们的扩散思维，调动他们学习的积极性。另外，要树立重视实验教学、热情服务学生的观念。首先要重视实验室建设，无论从政策倾斜还是人力、物力以及资金投入等方面都予以高度重视；其次要尊重实验教师的地位和实验教师的劳动，吸引具有一定操作技能和设计构思能力的教师充实到实验教师队伍中。

2.优化实验教学内容。《流体力学》是建筑环境与能源应用工程专业的技术基础课，其内容贯穿了建筑环境与能源应用工程专业的所有领域，如采暖供热中的热媒介质（水）的流动，空调工程中空气、冷冻水、冷凝水的流动，通风除尘中空气以及粉尘粒子的流动，锅炉中的烟气、水、蒸汽、粉尘粒子的流动等，所有这些流动的参数测试分析类似于流体力学实验，因此流体力学实验应该与工程实践紧密结合。而目前《流体力学》课程开设的实验全部是传统的验证型实验，也是非常经典基础的实验，虽然实验项目开设的比较全面，基本覆盖了课程的主要内容，也有利于增进学生对理论知识的理解，但是，和专业工程实践脱节，联系不密切，学生学习的兴趣和积极性不高[3，4]。

在完成传统经典基础验证型实验的之后，指导组织学生自行完成一次设计研究型实验，把原有单一的实验内容组合到新的设计实验中，如具有一定规模的管网设计实验，并对设计管网系统进行运行调试，分别测定不同工况下的运行参数，如流量、流速、压力等，这样既把流体力学知识和专业课的知识结合在了一起，由于是按照自己的意愿设计的实验，因而增加了学生的学习兴趣，又提高了学生的操作运行技能，同时，在解决出现问题的过程中，使学生学到的知识得到了综合应用。因此笔者以为，传统经典基础验证型实验固然重要，可以使学生所学知识得到加深巩固和理解，综合型设计性实验则是对学生综合能力得到锻炼和提高的有效途径。在实验教学过程中，优化现有实验资源，在完成传统经典验证型实验的同时，加强了设计性实验的开出。

3.教学手段与方法。为了达到应有的实验教学效果，在实验教学过程中，要打破传统的实验指导教师讲解学生听的模式，指导教师与实验学生采取互动的形式，共同探讨实验的目的、意义、背景、对应知识点以及和相关知识的联系、完成实验测定的技术路线等，使学生处于主体地位，积极参与，主动进行。方法可以灵活多样，教学手段可辅助以教学录像、多媒体等，对于实验过程中出现的问题应让学生互相讨论，从中获得答案，指导教师予以补充。实验成绩的考核不拘泥于实验报告，应根据学生对实验目的意义的感悟、对知识联系的理解、实验动手操作、问题分析讨论、实验报告质量等综合评价[3，4]。

四、结语

《流体力学》是建筑环境与能源应用工程专业的一门主要技术基础课，也是我校重点建设课程之一，同时也是环境工程、热能与动力工程等专业必须开设的课程。流体力学实验是该课程非常重要的组成部分，实验不仅可以提高学生的学习兴趣，还可以有意识的培养学生观察事物的能力、分析解决问题的能力和相互协调合作的能力。因此要转变观念，重视流体力学实验教学，整合流体力学实验资源，进一步补充完善实验教学内容，改革流体力学实验教学方法和手段，不断研究流体力学实验发展趋势，不仅要使学生完成经典基础的实验项目，更重要的是要放手让学生开发设计型、研究型实验，突出学生的主体性，提高学生学习的主动性和创新性，使每一个完成流体力学实验的学生从中得到锻炼和提高，为培养综合型建筑环境与能源应用工程专业人才奠定扎实的基础。

参考文献：

[1]内蒙古科技大学教务处组.内蒙古科技大学本科专业培养方案（2014版）[Z].

[2]陈俊俊，李义科，牛永红，庞S佶，刘素霞.新版《流体力学》课程教学大纲修订及思考[J].科学管理研究，2011，（2）.

篇4

从中国科技馆获悉，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师、中国科学院院士、力学研究所学术委员会主任李家春日前在中国科技馆开办主题为“身边的流动”的讲座，通过唐代诗人李白和张继的名诗《早发白帝城》和《枫桥夜泊》解释古人观察到的流动现象。探寻日本“3・11”海啸与福岛核泄漏、2011年极端气象灾害和美国航天飞机退役等事件当中的流体力学的原理。

我们身边存在着很多流体现象，也许看不见、摸不着，然而它们就像空气和水，是一种重要的存在，影响着我们的生活。气象灾害、日本海啸、美国航天飞机的退役等均与流体力学有着密切的关系。由此可见，身边的流体现象无处不在。日前，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士李家春来到了中国科学技术馆与广大市民面对面，为我们详细讲解“身边的流动”。

李家春说，2011年，人们遭遇了众多极端事件：日本海底地震导致海啸和福岛电站核泄漏；澳大利亚飓风、我国干旱与洪水灾害等异常气候问题，而它们的预测、预警都是流体力学的前沿问题。同样是在这一年，美国航天飞机历经30年，共飞行130余次，而后全面退役。在其退役的种种原因中，防热系统不可靠等安全问题，成为流体力学工作者需着力解决的重要课题。

日本海啸与流体有关

“日本‘3・11’地震海啸灾害伤亡惨重，并导致了福岛第一核电站的核泄漏。海啸灾害的发生需要几个条件，其中包括6.5级以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板块垂向运动等。传播到浅海海湾和海滩地区，因水的积聚和涌升而致灾，在夹带杂物以后冲击力更强。利用地震波与海啸传播的速度差，可以预警防灾。”李家春说，“为什么日本这次没有做好呢？原因有两个，一个是震源很近，离海岸线仅133公里，时间差很短；第二在于日本没有预见到九级地震会造成如此大海啸，防波堤设计标准低。如果核电站建在西海岸就要好得多。”

气候异常缘于大气环流非常不规则

2011年气候的异常使人类遭受很多损失。澳大利亚百年难遇的“雅斯”飓风；韩国首尔百年一遇的暴雨；包括北京城区内洪水也相对严重。气候异常究竟缘由何在？李家春对此解释：“由于海陆分布、地形高低、植被覆盖、土壤干湿等因素，还有诸如地球自身的公转和自转、日地关系、太阳活动、火山爆发等自然原因，大气环流是非常不规则的。近百年来，还有温室气体排放等人类活动的干扰，导致全球变暖，大气活动增强，表现为平均值缓慢上升，在平均值上下幅度的变化也增大。”

美国航天飞机退役，因为防热系统没有设计好

美国航天飞机退役原因也是瞩目的焦点之一。我们知道，航天飞机的好处是运送量大，把人和物资运到空间站去，所以人能够长期地在空间站进行科学活动；可以多次往返，似乎可以节省费用；还有一个好处就是回地落点比较准确。李家春说：“航天飞机退役最重要的原因是，防热系统没有设计好，维修费用很高，失事率高。两次失事，一次是挑战者号，一次是哥伦比亚号，牺牲了14个人，这样就不经济、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号最终退役。两架失事，三架放到博物馆。”

诗词里的“流动”

有谁想到古人的诗词中蕴藏着丰富的流体现象呢？在讲座上，李家春先以大家耳熟能详的七言绝句《早发白帝城》为例，“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。”这首诗将诗人遇赦后愉快的心情以及江山的壮丽多姿融为一体，描写的淋漓尽致，而“轻舟已过万重山”这顺水行舟的流畅轻快则体现出了一种流动现象。

李家春说：“为什么三峡建成前后，船的航速不一样？没建三峡之前可以轻快如飞。三峡工程建成以后，‘高峡出平湖’，流速就大大减缓了。实际上，这是由于河道的比降不同，也就是说水面的坡度不同所致。河水流动的动力，来自于重力沿着底坡的分量，比降大，该分量也大，所以流速也就增加了。”

此外李家春还举出《枫桥夜泊》里的一句“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”从表意来讲，是说苏州城外的寒山古寺，半夜敲响的钟声传到了诗人的船头。那为什么晚上寒山寺的钟声能传过来？“这里面反映了一个科学原理，”李家春说，“声波在大气当中的折射现象。到了晚上，大气的密度处于稳定层结，上轻下重，这样声音就会全反射回来，而白天的分层情况不同，所以可能听不到钟声。”

延伸阅读

现代流体力学具有先导作用

什么是流体力学？在讲座上李家春通过解答流体和固体的差别、流体的相态以及流体运动的表现形式等问题，说明了流体力学是研究流体介质的对流、扩散，以及相伴的物理、化学、生物过程，导致质量、动量、能量输送的现象。

流体力学既是一门经典学科又是一门现代学科。在17世纪，牛顿基于前人的天文观测和力学实验，发明了微积分，并总结出机械运动三大定律和万有引力定律，发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书。由于原理是普适自然与工程各个领域的规律，从而使力学成为自然科学的先导。

自20世纪60年代以来，由于超级计算机、先进测试技术的发展和应用，力学进一步凸显宏微观结合和学科交叉的特征，并进入现代力学发展新阶段。李家春说：“现代流体力学在航空航天、海洋海岸、环境能源、生物医学、材料信息等诸多工程领域都发挥着不可或缺的作用。因此，现代流体力学不仅是一门重要的基础学科，而且在同国家经济、社会发展相关的各个工程技术领域仍具先导作用。”

流体力学的发展历程

流体力学历史悠久，它发展的过程可以分成四个阶段：基于实践经验的古代流体力学，基于严密数学理论的经典流体力学，基于物理洞察力的近代流体力学，以及基于现代高新技术的现代流体力学。

西方的古代力学，最早的有阿基米德的浮力原理和提水机，达・芬奇的扑翼机和降落伞，以及哈根・泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学，而且西方关于定量化的研究做得好，并上升为规律和理论。经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表，主要推广到连续介质――就是像水、空气这样的介质。李家春说，经典力学可以得到很多理论公式，但是也面临困难，比如说解决不了飞机的问题。而近代力学靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡数学会上提出了边界层理论，解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论，到现在为止，我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。

“中国古代的流体力学有很多好成就和贡献，最重要的一个贡献，就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春说，“鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量，飞沙堰溢洪道控制洪水量，宝瓶口起着一个水库的作用，这些都是流体力学原理。”

专家答疑

疑问：要解决比如说航天、海洋、能源、环境问题，是用数学模式、物理思想、现代的超级计算机，还是兼而有之？

李家春：关于研究手段，比如气候预报，需要的计算量非常大，单纯靠手算是不现实的。100年以前曾有一位天文学家预测一个天体运动，推导了100多项，后来发现计算错了，结果算了一辈子都白算了，所以没有计算机不行。但是现在有另外一种趋向，就是年轻人不爱学数学、物理，单单学计算机，而且公式不推了，程序也不编了，为什么啊？因为有软件。人家编好程了，他只需要输进去数据，结果就能出来，挺不错啊，就是他不了解里边的含义，错了也没法改，这是不行的。只有学习了数学、物理中基本的知识以后，才能了解算出来东西对还是不对，了解里边的规律是什么，才能做到创新。

疑问：如果某些力学问题解决了，它能够带动哪些技术，解决人类的哪些问题？

李家春：我举个例子――湍流，这是一个百年的难题。湍流是1883年雷诺发现的，实际上在我们周围到处都是，水流里边、大气里边到处是湍流现象。但解决它又非常难，因它是无规则运动。20世纪以来有很大进步，第一条，就是把它的发生原因、转变过程、统计规律以及它的结构弄清楚了，但现在要预测它，对飞行力学、空气阻力、传热这些现象十分重要。另一方面，因为它的尺度非常小，计算机能力还不行，现在十的七次方已经很多了，它可能要算到十的十五次方，现在做不到，所以还要靠大脑的智慧。大家要知道，不必要把所有物质都分辨到原子、分子，这不可能，只有依靠物理思想对小尺度的现象建立模型，进行简化，计算量就大大减少了。所以还要学普朗特的精神。如果这个问题解决了，实现了减阻，每年都能省很多石油，可以把环境污染问题做得更好。

另外，污染处理问题。流水不腐，户枢不蠹。水流动起来了就不会发生污染，这是非常简单的原理。但是处理污染事件时，做环境的人往往只用化学的方法，或者只用生态的方法，而不用流动的办法。实际上处理苏州河的时候，做流体力学就考虑利用潮水涨落把污染物带出去，这能提高效率、节省费用。昆明的滇池到现在为止也没有解决好。所以光靠化学不行，一定要用流体力学原理，利用或产生流动，使得水活起来，污染就可以治理好了。

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论文关键词：工程流体力学；教学研究；改革探索

“工程流体力学”课程在能源动力类工科专业中占有非常重要的地位，主要研究流体（液体和气体）的平衡、运动规律及其实际工程应用的技术科学，是力学的一个重要的分支学科。通过本课程流体力学的基本概念和基本原理的学习，学生掌握分析和解决本专业中涉及流体力学问题的能力，为后续专业课程学习奠定基础，然而当前的教学效果并不理想。自然界和人类生活中，以及工农业生产的各行各业中均广泛存在流体流动现象，但是由于缺乏对生活的观察，学生很难做到对课本讲授内容形成直观映像。此外，自然界中的流动现象往往包含多种流动方式，在理论分析与公式推导中涉及许多复杂的数学理论与方法，经验公式多，且不易理解记忆，给学生的学习带来很大困难，导致教师难教、学生难学，实践与应用起来更是难上加难，教学效果不理想，教学目的难以实现。还对后续专业课的学习造成很大影响，进而影响本科教学的整体质量。因此，“工程流体力学”教学改革势在必行。

一、“工程流体力学”教学调查研究

“工程流体力学”课程通常是开设于热能动力工程专业二年级阶段。对扬州大学的学生的问卷调查显示，多数学生对“工程流体力学”课程的评价是“难学”。为何会有这样的评价，通过分析发现，存在几个方面的原因。

1.研究对象比较抽象

“工程流体力学”课程本身研究对象是流体，没有一定的形状和具有流动性，这是流体区别于固体的本质特征。这一特征决定了流体力学研究理论比较抽象、经验公式繁多且推导过程复杂不易理解、易混淆，进而导致了本课程教师难教、学生难学，教学效果不够理想。因此，能否将前面学习过的对“固体”平衡和运动物理规律的分析方法通过比拟的方式移植到“流体”上，并使其形成正向的学习迁移是学生能否很快的掌握本门课程学习方法、学好本课程的一个很重要的方面。

2.教师与学生

“教学”包括“教”与“学”两个方面的内容，忽视任何一个方面都有可能造成教学效果的不理想。理论课教学是工程流体力学课程教学的主要方面，是进行实验指导和应用于工程实践的基础。某些任课教师为了自己的方便省事，教材和教学内容仍然是多年前的老教材，对现阶段流体力学的发展方向和研究成果，以及本学科的最新科技前沿理论及工程应用进展不能做到及时更新，教学内容与实际应用严重脱节。

教学方法单一呆板，无法吸引学生的兴趣。经常看到这样一种现象：教师在讲台上只顾着自己滔滔不绝地讲，忽视了课堂教学的互动性和学生的主观能动性，学生了无兴趣的在座位上睡觉、开小差、玩手机，基本上是教师在向学生单方面地传授知识，这样的教学效果是很低的。

本专业本科生新的培养方案中课程设置有这样一个特点：课程增加，课时压缩，总学分保持不变。“工程流体力学”课程理论课学时从64压缩到48学时，在教学内容总量不变的情况下，每堂课教授的内容，即学生需要接受的信息量就大大增加了，严重增加了学生的负担。“浮躁”是当代很多大学生所普遍具有的心理特征，导致的直接结果是学生自制力差、怕吃苦，上课前不预习、课后不认真复习、作业普遍抄袭。

二、教学改革的目标

围绕当前“工程流体力学”课程教学中存在的问题，以提高课程教学质量、实现教学目标为目的，进行了如下方面的改革：改变教育理念，以课程改革与教学适应新时代的要求为目的；加强教学方法与教学手段的改革，提高“教”的质量；加强课程的应用性，解决基础理论课程的知识教育、应用能力与创新能力的培养，全面提升学生的综合素质；加强课程教学评价与考核体系改革，引入全程教学评价与考核机制。

三、“工程流体力学”教学改革探索

从上面的分析可知，“工程流体力学”课程教学效果不理想存在很多方面的原因，因此，教学改革也要同时从多方面入手才可以起到事半功倍的效果。以下是笔者在扬州大学热能与动力工程专业本科生课程教学中进行的探索与尝试，取得了较好的效果。

1.教学方法的探索与实践

（1）俗话说“良好的开端是成功的一半”，第一堂课的重要性也就不言而喻了。兴趣是学生学习的直接原动力，能否在开始就激发学生对“工程流体力学”课程的学习兴趣是学好本课程的关键。运用多媒体技术，通过生动的视频和动画向学生展示生活中随处可见的流体力学现象。如，男孩子喜欢足球、乒乓球的比较多，可以用“香蕉球”和“弧圈球”现象的流体力学解释来吸引他们的注意力，还有其他的现象如高尔夫球表面的凹坑设计依据，飞机机翼能够产生巨大升力，跑车外形设计成流线型又是什么道理等等。此外我国正在实施的“南水北调”工程同样涉及很多流体力学相关知识，以上这些事例都是学生所非常熟悉而又在学习之前无法用理论来解释的现象，很容易引起学生的注意力和想要探索的兴趣。

（2）合理使用多媒体。在流体力学的教学过程中，采用多媒体有利于学生对流动现象的感性认识，加深对概念的理解，提高学习兴趣。但是，采用过多或华丽的多媒体也会产生一些负面作用，如多媒体教学替代板书节约了时间，增加了授课容量，但相应的讲课速度也就比较快，学生不易吸收和消化，容易造成学生“跟不上”进度，产生厌学情绪。因此，传统板书与多媒体有机结合的教学方式可以充分利用各自的优点，达到最佳教学效果。当然，不同教学方式之间的比例分配的“度”是需要关注的问题。

2.教学内容的选择

“工程流体力学”课程是机械、能源、化工、动力、建筑、生物、航天等专业的重要的专业基础课，这些专业具有不同的特点，对流体力学知识需求的侧重点也不同。因此，教材的选取要有针对性，即根据本专业特点和要求、学生层次来选择教材。此外，教师要能够跟踪掌握现阶段流体力学最新的发展方向与研究成果，不断更新和补充教学内容，做到课程内容的与时俱进。

3.重视实验教学

实验教学是“工程流体力学”课程教学必不可少的组成部分，属于实践教学环节。通过实验对理论进行验证，从而加深对课程基本概念和理论的理解和掌握。在基础实验外增加设计性实验、建立开放性实验室，锻炼学生的动手能力，培养学生发现问题、分析问题和综合运用所学知识解决实际问题的能力。

4.课程评价与考核体系

对于“工程流体力学”课程来说，学习要达到的目的是学生运用所学知识对实际工程问题的进行分析和解决的能力，而不是对课本理论知识和大量复杂公式的记忆能力。因此建立合理、公正、客观的课程评价与考核体系非常重要。针对学生普遍存在的平时不努力、考前几天突击考试的现象，摒弃“一考定成绩”的考核方式，采用灵活的、全程考核方式取得了很好的教学效果。具体做法是：提高平时成绩所占最终成绩权重，包括出勤率、课堂互动和讨论、小测试、作业质量等平时学习各方面的表现；期末考试成绩权重减少，采用闭卷方式，但考题中所涉及的公式、图表等会在试卷中集中给出，并增加一些干扰公式进去，既避免了学生花大量时间去记忆毫无规律可言、而又易忘的经验公式，同时也达到了考核学生选取基本理论和公式去分析、解决实际问题的能力，实现了教学目的。

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关键词 工程流体力学 教学效果 教学手段

中图分类号：G424 文献标识码：A

To Investigate the Effect of Improving the

Teaching of Engineering Fluid Mechanics

GUO Liping

（School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）

Abstract The characteristics and teaching practical engineering fluid mechanics courses， combining the current teaching problems arise on how to improve teaching effectiveness programs were studied. Can take advantage of advanced research tools aided teaching to enhance students 'interest in learning， using a combination of multimedia and traditional teaching methods to improve classroom teaching through innovative practices to improve students' ability to apply knowledge and innovation.

Key words engineering fluid mechanics； teaching effects； teaching approach

1 工程流体力学教学现状

1.1 课程难于学习

工程流体力学以高等数学、线性代数、大学物理、工程力学、工程热力学等多门课程为基础，通过本课程的学习培养学生具有初步对工程问题的简化能力，具备一定的分析与计算能力，是学习有关后继课程和从事专业技术工作的基础。由于该课程中的理论推导部分应用了较多微积分、微分方程等数学知识，再加上大多数学生没有实际的工程概念，在实际教学过程中，大部分学生反映：该课程的理论知识抽象、难于理解，概念和方程占的比例较多，对高等数学、线性代数知识要求较高，理论知识与工程实践结合难度较大。①总而言之，在传统的注入式教学模式下，对大部分学生来说，“工程流体力学”是一门非常不好学的课程。

1.2 理论知识与实际应用脱节

在大部分工科院校的工程流体力学课程教学中，课题主要教给学生讲授本课程的基本概念、基本理论及公式推导，这些在教学实际过程及考核时基本都可以完成。这种指导思想下完成的教学效果是，学生可能只会对考核中出现的知识点做机械的符号记忆，如果在后续专业课的学习时或工程生产实际中，涉及到工程流体力学的相关知识，学生们会无从下手，找不到合适的解决问题的方法。

1.3 传统教学方式的缺陷

传统的板书教学模式已有悠久历史，教学理论非常成熟，已经积累了大量的教学经验。在传统教学过程中，一般是通过教师的生动、形象的讲述，学生相对易于接受，老师与学生之间也可以面对面地探讨一些疑难问题。而对于工程流体力学这门课程而言，教学内容不可避免地会涉及到一些类似数学公式的推导，传统的板书教学方式能够留给学生更多的思考时间，同时，也能够加深学生对公式推导过程的理解，加强记忆。由于传统的教学模式主要是依靠粉笔与黑板的教学条件，教师是教学模式的主体，教师表达能力的好坏、知识的丰富程度严重影响教学效果，与此同时，教学效率也非常低下，在有限的学时，很难使教学内容丰富，由此也扼杀了学生创意的产生和个性的发挥。②

1.4 多媒体应用的弊端

多媒体是一种把文本、图像、视频、动画和声音等信息的媒体集成在一起，并通过计算机综合处理和控制的一种信息技术。多媒体教学具有教学形象、生动、具体、信息量大、易于理解的优点。在各高等院校专业课的教学过程中得到了广泛应用，给教学工作带来了极大的方便。一方面，借助于多媒体教学不仅可以在一定程度上吸引学生的注意力，减轻教师板书的劳动量，另一方面是可以将一些复杂的、难于形象描述的流体流动现象和工程实际的图像资料清晰地展现给学生，使教学内容直观明了。同时，课堂气氛动静结合、增强互动性。与此同时也存在一些弊端：③由于大学课程教学内容进程快，信息容量大，一环紧扣一环，即使是传统的教学模式下，在中、小学课堂上出现的活泼、互动的启发式教学场面，在大学课堂教学时很难出现。

2 如何提高工程流体力学课程教学效果

2.1 充分利用先进的科研手段辅助教学

工程流体力学这一课程中涉及到的流场描述等知识点理论抽象、方程较多，仅借助于多媒体演示等手段教学，效果并不很好。如果将先进的科研手段辅助教学，例如将先进的激光粒子测速技术（PIV）应用到“工程流体力学”的教学过程中，④比如可应用拉格朗日描述流体流动和欧拉描述流体流动、紊流和层流流动的特点、圆管中流体紊流和层流轴向速度分布特征等相关章节中，借助于先进流体流动测试技术，能够使学生对抽象的理论进行深刻的理解，同时可激发学生对课程内容进行深入探索、从事科学研究的兴趣。

2.2 传统教学方式与多媒体教学手段相结合

多媒体教学技术的发展并不意味着必须摒弃一切传统的教学手段和方法，如果将传统教学方式与多媒体教学手段相结合，扬长避短，发挥各自的优势，提高课堂教学效果。对于工程流体力学这门工科专业基础课程，在进行复杂的理论公式推导教学时，经验证明：如果教师使用板书的教学方式，在黑板上一步一步推导，而不是使用多媒体，打出一系列的数学符号，这样既可以给学生更多的思考时间，又能够使学生理解公式推导过程，使学生的记忆加强。而对于一些基本概念和特定的流体流动现象，可以借助于多媒体教学手段，加深学生对基本概念和流体流动现象的理解与认识。

2.3 构建学生创新实践操作平台

工程流体力学是一门建立在实验研究基础上的学科，也是一门实验科学。很多流体力学理论都是通过实验研究建立起来的，一些理论分析得出的结论也需要实验来证实，而实验又必须在理论分析所得出结论的指导下进行。因此实验是工程流体力学课程的必不可少部分，是非常重要的教学环节。它不但可以验证理论研究结果，同时，在帮助学生学好工程流体力学这门课程的基础上，培养学生进行科学探索、创新能力和独立工作重要环节。虽然目前大多数高校都把实验教学列为工程流体力学课程教学的一部分，贯穿于课程始终。但大多以验证性实验为主，实验教学方法单调，又有师资力量、实验课时和实验设备等多种因素的制约，学生实际可选择的范围很小，在很大程度上限制了学生独立思考、分析问题、解决问题的能力，不能很好实现工程流体力学实验教学的目的。因此，建立学生创新实践操作平台，在完成课程基础理论验证实验的基础上，结合不同专业学生知识体系和将要从事的领域，开设创新实验，以此来激发学生的学习兴趣，培养创新能力。

3 结束语

为提高工程流体力学课程的教学效果，可以通过利用先进的科研手段辅助教学来提高学生学习兴趣，采用传统教学与多媒体教学相结合方式进行“教”，通过学生创新实践来提高学生对知识的应用能力和创新能力。

注释

① 黄芬霞.石油工程专业流体力学课程的教学改革探讨与实践[J].考索・探微，2013.12（1）：231-232.

② 陈晓珊，洪文鹏等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报，2003.6（3）：54-56.

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关键词：计算流体力学；求解；基本原理；化学工程；应用

化学工程在我国具有较长的研究与应用历程，并在实际的生产与生活中取得到巨大的应用成效，不仅能够供给正常的生活需求，同时根据新材料的开发，能够满足现代型环保材料的使用。在化学工程中，较多的反映环境和反应机制都是在溶液中进行的，具有质量守恒和热量守恒定律的应用。而这种质量与能量的关系正是计算流体力学的主要原理。通过对实际应用环境和原理的分析，能够优化工程设计和工艺改进，提高化学工程的生产效率。

1计算流体力学在化学工程中的基本原理

计算流体力学简称CFD，是通过数值计算方法来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。

2计算流体力学砸你化学工程中的实际应用

2.1在搅拌中的应用分析

在搅拌的化学反应中，反映介质之间的流动性比较复杂，依据传统的计算形式根本无法解决，并在化学试剂在搅拌中存在不均匀扩散的特点，在湍流的形式中能量的分布状况也存在着空间特点。若是依据实验手段测得反映中物质、能量和质量的变化规律，其得出的结构往往存在较差时效性，实验骗差加大。通过对二维计算流体力学的应用，能够对搅拌中流体的形式进行模拟，并进行质量、能量等数据的验证。但是流体的变化，不仅与化学试剂的浓度、减半速度有关，还与时间、容器的形状等有着之间的联系，需要建立三维空间模拟形式进行计算流行力学。随着科学技术和研究水平的提高，在通过借助多普勒激光测速仪后，已经对三维计算形式有了较大的突破，这对于化工工程中原料的有效应用和工程成本的减低具有促进的作用，但是在三维计算流体力学中还存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不断的完善。

2.2CFD在化学工程换热器中的应用分析

换热器是化学工程中主要的应用设备，通过管式等换热器、板式换热器、冷却塔和再沸器等的应用，能够有效的控制化学试剂在反应中的温度变化。其中根据换热器的形式不同，计算流体力学的方式也就不同。在管式换热器中主要是通过流体湍流速度的改变，增加换热速率的。在板式换热器中是通过加大流体的接触面积，提高换热效率的。而在冷却塔和再沸器中，热量交换的形式更为复杂，但是却群在重复性换热的特点，增加了换热的时间，提高了换热的效果。从总体上分析，计算流量力学中，需要对温度变化、流体的速度变化、热交换面积变化和时间变化进行分析。通过CFD计算流体力学的应用，能够计算出不同设备的热交换效果，并根据生产的实际需求进行换热器的选择使用。

2.3在精馏塔中的应用

CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。Vivek等以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。Larachi等发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。

2.4CFD在化学反应工程中的应用研究

在化学反应工程中，反应物和生成物的化学反应速率与反应器、温度和压力等有着较大的联系，在实际的反应中可以利用计算流体力学进行数据的获取。但是这数据的获取具有一定的温度限制，当反应中温度过大，就会造成分子的剧烈运动，其运动轨迹的变化规律就会异常，在利用计算流体力学的模型计算中，计算数据与实际情况会发生较大的偏差。由于高温中分子的运动轨迹和运动速度难以获取，在计算流体力学的实际计算中，就要借助FLUENT进行三维建型，并利用测速反应器进行速度的测量，通过综合的比较分析，利用限元法进行数据的计算。可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。

3结束语

计算流体力学对于化学工程的应用具有实际意义，并在经济效益的提高上具有重要的价值，在近几年，化学工程技术人员不断的计算流体力学中展开研究，以二维空间计算和模拟为基础，不断的完善三维空间的流量计算，并得出了一系列的流体流动规律。根据计算流体力学在化学工程中的广泛应用，在今后的化学工程发展中，应加强此类学科的教学与延伸，提供出更有效的反应设备和工艺操作。

参考文献

[1]余金伟,冯晓锋.计算流体力学发展综述[J].现代制造技术与装备,2013(06).

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关键词：1+1维流体动力学；快度分布；研究

引言

近年来椭圆流现象在实验中被发现，由于这些椭圆流的运动具有集体性，所以研究集体流对了解高能重离子碰撞演化发展过程中所产生的核物质性质有很大的作用。已有的实验显示高能重离子碰撞中产生的物质以近乎理想流体的形式扩张。椭圆流是集体流中较重要和最受人们关注的一种各向异性流之一。而流体力学研究的正是集体运动并且理想流体动力学可以很好的解释方位各向异性，因此越来越多的人致力于用流体动力学来研究高能重离子碰撞中产生的粒子的运动。流体力学模型描述高能重离子碰撞有一定的优势，最重要的优点是一旦指定状态公式与物质的初始条件，系统演化也随之确定。

核-核初始碰撞阶段理想流体动力学不起作用，当两碰撞原子核互相渗透，它们最初动能一部分用来创造新物质。对于碰撞最后阶段流体动力学也不适用，此时扩张物质变得如此稀疏，相互作用成分少，局域不平衡，平衡状态被打破了。流体动力学模型需要初始条件（早期的量子动力学演化的结果导致的初始热化）和最终条件（系统冻结时从流体局域热化过渡到无相互作用的强子的自由流的系统的描述）。

我们从高能重离子碰撞中的实验数据中可以发现带电粒子的快度分布呈现的是一近似高斯分布形状。朗道流体力学模型[8]与实验结果符合地很好。理想流体动力学假定瞬时局域热平衡，系统始终保持理想化状态。液体的状态完全由能量密度ε、重子密度n、流速uu和状态公式p描述。RHIC的相关实验数据提供了关于流体力学的有效性，人们通过定量研究最终获得了成功。流体动力学不适应低能状态，流体动力学机制可以分为纵向扩张和横向扩张两部分。由于横向扩张远弱于纵向扩张，我们只考虑流体在纵向方向上的扩张，可把流体作为1+1维流体处理。因此我们研究的是1+1维流体动力学。

1 Khalatnikov势相关的流体动力学末态带电粒子的快度分布

2 结束语

文章中的流体被作为1+1维流体处理。熵流是关于1+1维相对论流体动力学的温度函数，且熵的快度分布由流体动力学演化决定并不由重离子碰撞初始条件决定。我们由熵的快度分布得到了高能重离子碰撞中带电粒子数密度的快度分布理论公式，理论结果与Brahms合作组得到的实验结果拟合得很好。

参考文献

[1]Belenkij S Z，Landau L D.Nuovo Cimento Supplement，1956，3（1）：15.

[2]Heinz U.Journal of Physics G：Nuclear and Particle Physics，2005，31（6）：S717.

[3]Beuf G，Peschanski R，Saridakis E N.Physical Review C，2008，78（6）：064909.

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【关键词】矿井通风；基本概念；理论基础；分析

一、矿井通风基础理论概念问题分析

对矿井通风基础理论概念进行分析的过程中，会涉及到以下几方面的理解难点：

第一，理想气体的性质是属于理想流体还是完全气体。在矿井通风、热力学与物理化学等方面所理解的完全气体与理想流体、气体差异。

第二，在特定条件下，能量方程和动量方程的共性问题。微分型运动方程的成为与积分型动量方程为何存在差异[1]。

第三，利用热力学的第一定律和流体力学能量方程来描述流体流动的特性具有哪些共性。

二、完全气体、理想流体与理想气体关系

（一）理想流体和真实流体

理想流体就是无粘性流体，而真实的流体都具有粘性。但是，因为利用数学描述并处理粘性流体的难度较大，所以，针对像空气和水等粘性比较小的流体，在实际的过程中是将其当作理想流体来研究的，这样可以更好地体现出流体主要的运动特性，再根据所需来对粘性影响因素进行考虑。所以，理想流体只是为了方便研究现实问题而将真实流体简化并抽象后存在的[2]。

（二）完全气体和真实气体

完全气体所满足的热力学参数关系为：

（1）

其中，P是气体压力，R是气体常数，d为气体的密度，T则是气体的温度，而e代表的是单位质量气体的比内能，cv是气体比定容热容。

在公式（1）中的前一公式表示的是完全气体状态，而后一公式表示的则是完全气体热量状态，不符合公式（1）热力学参数关系的气体就是真实气体。

（三）完全气体、理想流体与理想气体区别

现阶段，矿井通风的相关技术与研究工作人员在理想气体的界定方面存在较多疑问，满足公式（1）的参数关系就是理想气体，还是符合无粘性流体理想流体是理想气体？

在各个领域中，理想气体的界定都存在差异，所以，很容易导致完全气体、理想流体与理想气体在概念上混淆[3]。在矿井通风与热力学等著作中将理想气体定义为符合公式（1）的完全气体，主要原因就是热力学的研究范围就是以气体的状态变化特性为重点。但是，在大部分的国外矿井通风以及流体力学的著作中是把符合公式（1）的气体定义成完全气体，并将理想气体当作理想流体中的一部分，所以，理想流体的特性就是无粘性气体。主要的原因就是在流体力学的领域中，经常使用理想流体作为总称，并不会将理想气体独立出来介绍。

三、数学描述矿井风流流动规律

流体是物质运动状态中的一种，所以同样遵循物质运动的规律，并且物质运动的规律还可以对流体运动的规律进行描述。

（一）系统与控制体

系统，主要是涵盖确定不变的物质集合，而在流体力学中，主要指的就是确定流体质点所组成的流体团。与此同时，系统的边界会随着流体的运动而运动，通常情况下利用拉格朗日法来对流体团形成的系统流动规律进行分析[4]。然而流体质点的运动比较复杂，所以进行数学分析比较困难。

控制体，就是相对于某一固定不变的坐标系，物体所流过的体积，并且其边界也是始终固定不变的。

（二）欧拉型基本方程

1.微分型运动方程

流体流动过程中的时变加速度与位变加速度的数学公式可以表示成：

（2）

公式（2）是利用牛顿第二定律来描述流体流动规律的。

2.积分型动量方程

积分型动量方程的单位就是动量对于时间的变化率，也就是控制体内的动量对时间变化率是作用于控制体内流体上合外力和单位时间经过控制面流入流体动量的和，具体的方程关系式为：

（3）

3.微分型运动方程和积分型动量方程共性分析

将公式（1）与（2）进行对比，公式（2）主要是对流体运动特性进行描述的微分型，也就是分析描述单位质量的流体，其动量对于时间变化率和单位质量流体内部受力关系。L、T、M分别代表距离、时间与质量量纲，则公式（2）中的右边量纲就是 ，也就是加速度量纲，因此被叫作运动方程。而公式（3）所描述的则是流体运动特性的积分型，可以将公式右边量纲表示为 ，所以被称作动量方程。

四、热力学第一定律和能量方程关系

流体在实际的流动过程中，会产生热能与机械能的转换现象，同时由于流体温度的变化会使流体的密度与阻力等发生变化[5]。因此，流体流动的规律需要使用热力学第一定律或者是流体力学的能量方程来表示与分析，因为它们的理论基础相同，也就是能量守恒定律。在单位时间内传入控制体内的热量、经过控制面流入流体总能量与外界对控制体内的流体所作功的总和与控制体内的流体总能量相对时间变化率是一致的。所以，热力学中的第一定律与能量方程都可以描述涉及热现象流体的宏观流动过程。

结束语：

综上所述，在热力学与流体力学等基础理论的发展过程中，积极地推动了矿井通风动力学的发展与进步，然而，在实际的矿井通风安全工作中，技术工作人员始终很难把矿井通风的动力学与热力学以及流体力学等基础理论相互联系起来，并且在实际的应用过程中，会混淆不同领域基础理论的公式。并且，流体流动基础理论和矿井通风理论的严重脱节也会导致其他基础理论在矿井通风动力学中的实际应用效果。但是，通过文章对各基础理论的分析与矿井通风基本理论的联系，强化了两者间的理论联系。

参考文献：

[1]陈宁，陆愈实.基于GIS的矿井通风预警信息系统研究[J].中国矿业，2012，21（3）：111-113.

[2]黄俊歆，王李管，熊书敏等.矿井通风系统三维联通巷道建模算法及其应用[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（8）：3173-3179.

[3]杨茹馨，谢贤平，韩孟微等.应用层次分析法确定矿井通风系统评价指标的权值[J].河南科学，2012，30（10）：1525-1529.

篇10

[关键词]石油天然气 工程流体力学 教学改革

一、“工程流体力学”教学中存在的主要问题

在石油天然气专业“工程流体力学”这门课程的教学中常听到学生有这样的评价——“这门课难学”，之所以难学，笔者认为有以下两方面的原因。

（1）随着高等教育由“精英教育”向“国民教育”的转变，石油天然气专业招生规模的扩大以及各地区基础教育发展的不平衡，造成学生个体差异不断扩大，这对教学提出了更高的要求。这主要在于：传统教育所实施的“齐步走”教学模式，无视学生个性差异对教学的不同需要，而现在学生个体差异的加大使得“吃不饱”和“吃不了”现象在同一个教学班并存。另外，正值青年的学生间的相互影响造成了大量同学学习上不肯下工夫、课堂自制力差不能集中思想认真听课、课后不能自觉复习和完成作业，这就造成了课堂和课后的恶性循环。

（2）工程流体力学涉及知识面较广，是一门综合学科。它主要涉及学科包括：大学物理、工程热力学、高等数学等，其内容抽象，大量的微分方程和积分方程的简化和推导使学生理解起来相当困难。这是同学们认为工程流体力学难学的主要客观原因。

二、“工程流体力学”教学的分析、探讨与对策

（1）调动学生对该课程的兴趣

在绪论阶段，石油天然气专业大多数同学对工程流体力学缺乏感性认识，这时，需要老师通过多媒体教学（包括：图片、视频）展现工程流体力学在工程和生活中的成功应用从而激发学生的学习热情丰富同学们的感性认识。例如，向学生讲诉高尔夫球外形设计原理、轿车的外观演变等。通过这些生活中显而易见的流体力学知识，使学生知道工程流体力学能解决哪些实际问题。这使得在这门课程的一开始，学生学习的兴趣就被充分调动起来了。在课堂教学中，教师采取把问题预先提出来，给学生思考的时间，然后给出答案。采取这种教学方法，有助于学生将注意力集中在问题的思考上，不仅活跃了课堂气氛而且训练了学生的思维能力，同时还调动了学生学习的主观能动性。例如，在讲授油品的表面张力时，首先，应提出表面张力的概念和物理意义，随后向同学们提问“日常生活中哪些现象能表明流体具有表面张力？” 此时，同学们都会积极地思考和回答问题，最后以水滴在水龙头悬而不落、酒杯中的酒满而不溢为例向大家说明。通过这样的互动式教学，能够把学生的注意力最大限度地集中在教师所讲述的知识点上。

（2）恰当地举例

在给石油天然气工程类专业学生教学中，教师需要结合石油天然气专业学科的知识点生动的举例，来形象描述抽象疑难的问题，给学生留下深刻的印象。例如，在讲到原油粘度随温度变化规律时，可以用猪油为例，讲授其在冬季与夏季时的不同形态以阐述原油的粘温关系。这样，既生动又不容易忘记。又比如，在讲到当地加速度和迁移加速度知识点时，由于这两种概念的抽象性，学生很难理解，这时可以结合原油输送中的稳定输送和停泵起输的工况对这一知识点加以阐述。这样，同学们既对两种加速度的概念有所掌握又对石油天然气中的相关知识点得以加深和巩固。

（3）多媒体与传统教学方式相结合

①多媒体与传统教学方式的对比

随着现代科学技术的发展，计算机技术被应用到了现实生活的方方面面，尤其在课堂中的应用，给我们传统落后的教学设施和教学手段注入了新的活力。对于讲授“工程流体力学”这种课程，需要采取多媒体与板书相结合的教学手段以达到最佳教学效果。多媒体教学可以将一些工程实际的图像资料、以及一些结构图、原理图非常清晰地展现给大家；但其弊端在于输出的信息量过大，没有提供给学生充分的思考时间，有些重难点知识不能长时间的再现于学生的大脑，学生即使想做笔记却很难跟上课件页面更换的频率。换言之，就是部分基础较薄弱的学生的思维还没有被激发和唤醒，课件就已经进入了下一个环节或页面，在一定程度上削弱或阻断了部分学生的学习兴趣，从而使课堂教学走向了一个与我们当初设计课件教学的意愿相反的层面。而传统教学的板书模式由于充分协调了教师的主导作用和学生的主体作用，板书手段朴素而简便，对教师的教学行为束缚小，板书书写与教学进程同步推进且有机配合，具有即时、灵活的特点，教师可以根据课堂教学的实际需要，及时调整自己原有的课前预设方案。而且板书内容在板面上保留时间较长，有的可以贯穿课堂始终，当一堂课结束时，黑板上的板书内容仍赫然在目，便于学生总结归纳、复习巩固。而现代教学的屏幕板书，则显然没有这种优势。课堂教学若离开了板书而完全依赖于课件，难免会让学生有一种模糊混乱、一堆乱麻的感觉，由于缺乏条理性，学生如坠云里雾里，懵懵懂懂。这时就需要教师在使用多媒体教学时还必须同时使用传统教学方式，推导每个关键公式，并讲解其中的思想和意义。这非常有助于教师将学生的注意力集中在所传授的知识上，并且对强化学生理解记忆该知识点十分有益。

②如何让课件与板书优势互补

首先，明确多媒体课件、板书两者在课堂教学中所处的地位和应该发挥的作用。课件的使用是为了增强教学的丰富性、生动性。板书的设计及展开是多媒体课件的必要补充，板书的价值在于赋予繁难内容以推导过程，增强教学的深刻性。总的来说，课件要服务、服从于教学；板书是课件的点睛之笔；两者相互配合，相得益彰。

有经验的教师，在精心设计、制作课件的同时十分注重板书的设计。做到：一、利用课件，生成板书。二、利用板书，突出重点，提高课件在课堂教学中的实效性。三、利用板书，弥补课件处理课堂教学生成的劣势，让课堂教学走近学生，使课堂教学更显生机。

鱼儿离不开水，再精美的课件都不能完全取代板书。当然，板书也不能游离于课件之外。在教育现代化的今天，在使用课件的同时千万别忘了传统的板书。应让板书与课件相得益彰，提高课堂教学的实效。

（4）积极开展工程流体课外科技实践

石油天然气学科在各类石油企业的资助下有大量的课外科技实践项目，比如：全国石油工程设计大赛、石油本科创新基金、结构设计大赛等。这些都是利用学生课余时间，借助所学知识，动手参与或设计解决实际生产问题。这一活动能够使学生专业知识的学习情况和灵活运用能力得以综合检验，从而锻炼了学生实际动手能力，并培养学生工程实践意识，是促进学生全面成才的一条有效途径。对于石油天然气类专业本科生来讲，可利用课余时间组织学生应用流体力学知识制作一些工程实际需要的小发明和创新。比如：运用伯努利方程的原理制作井下采油用射流泵、利用达西-魏斯巴赫公式改进输油管线中的减阻剂等。有了这些课外科技活动，既丰富了学生的课余生活，又巩固了教学内容，同时还培养了学生的创新能力。

三、结束语

当今的高等教育已从精英教育走向国民教育。怎样根据当代大学生的特点进行教学，真正在教学过程中始终贯穿“以学生为本的教学理念”，这对于当代的大学教师来说是十分重要的。我们应该与时俱进地在教学改革中做一些有益的尝试。现如今的社会处处强调以人为本，对于教学过程来说，教育的对象是学生，教育的目的是要让学生掌握一定的知识与技能，教师应该尽可能地站在学生的角度来思考教学过程，确实做到“以学生为本”，从而实现师生思维同步互动。