流体动力学模拟理论范文

导语：如何才能写好一篇流体动力学模拟理论，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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（一）理论教学内容

在理论教学内容设计方面，可以将理论教学内容分为基本理论模块、专业关联模块、理论拓展模块、创新素质培养模块四个模块。这四个模块分别具有以下的含义：（1）基本理论模块：由流体动力学这门课程中最基本的理论、技能构成，具有通识性。（2）专业关联模块：由流体动力学这门课程中与专业直接关联内容，或者与后续的专业学习相关联的，利用基础理论解决实际问题的理念和方法构成，是体现流体动力学这门课程，起到从基础理论到工程应用桥梁作用的主要模块。（3）理论拓展模块：由流体动力学这门课程中与本专业关联度相对较小，但是概念更抽象、难度更大，有利于拓宽学生知识面、培养学生抽象思维能力的内容构成。（4）创新素质培养模块：由流体动力学这门课程中有利于培养学生创新的思维、创新的技能、创新的理论研究方法，甚至有利于人文素质教育的内容构成。模块的划分应细化到每一个章节，并且明确在每个章节的权重，这样可使教师明确地把握每一个章节的教学目标和培养目标。同时，学生也能够掌握每一个章节的学习目标。如果学生在某一章节学习上出现问题，教师和学生能够及时发现是在哪个模块上出现了问题，这有利于教师及时改进教学方法，学生及时改进学习方法，及时解决问题，不至于出现问题堆积，影响学生对课程的学习的情况。而且，我们也应注意到，针对教材而言，每一章节的内容与内容之间都有着承上启下、相互关联的特点，当然，各章节之间也有一定联系，在理论以及涉及的概念的深度方面也是逐步递增的。因此，在讲授过程中，还应注意同一内容多模块化，以及模块与模块之间的关联性，明确模块之间的关联点，而不能将模块孤立化，往往造成只见树木、不见森林的不良后果，使学生对每一部分的内容都了解得透彻，但由于不了解相互之间的关系，从而限制本课程学习过程中的理论拓展。例如：在讲授“描述流体运动的两种方法”的过程中，涉及两个内容：拉格朗日法和欧拉法。基于本文的教学内容模块化思想。拉格朗日法”内容构成基本理论模块，而“欧拉法”内容具有两种模块形式：基本理论模块和创新素质培养模块。其构成的原因有：（1）“欧拉法”不研究个别质点的运动规律，而对流场进行分析和计算，它是流体动力学理论研究和工程应用的基础；（2）“欧拉法”的提出是创新思想的体现，因为它超越了常规的描述固体运动的思维方法，“欧拉法”是基于“拉格朗日法”的换位思考，而它的意义却远远超过了“拉格朗日法”。在这部分内容的讲授中，要注意模块与模块之间的关联性，明确“拉格朗日法”与“欧拉法”的关系，使学生能深入地理解“欧拉法”的思想以及相关的概念，为课程后续的学习打下良好的基础。另一方面，可以针对学生的特点，借助“欧拉法”的换位思考法，起到培养学生人文素质的作用，引导学生采用换位思考方法，正确地面对人生的问题，使自己的人生观和道德观得到升华。

（二）实验教学内容

由于流体动力学的研究方法主要有理论分析、实验研究和数值模拟三种，其中实验是学生应用理论解决实际问题，进一步加深对概念理解的重要环节。因此，在流体动力学的理论教学中，应注意融入实验教学的思想。基于此，将实验教学内容分为必做实验模块、选做实验模块、自行设计实验模块三个模块。这三个模块分别具有以下的含义：（1）必做实验模块：由传统验证实验构成。（2）选做实验模块：由教师设计的实验，或者与流体动力学课程相关的科研实验构成。（3）自行设计实验模块：由学生自行设计的实验构成。其中，在选做实验模块的实施过程中，关键是注意了解学校与流体动力学课程相关的科研实验台架和主要的科研实验内容，优化整合实验教学资源。针对大部分高校现有的条件，在自行设计实验模块的实施过程中具有一定的难度，但是可考虑利用先进的计算机技术，实现“虚拟实验”，或者采用针对个别学生实施这部分实验，然后再增加学生人数，逐步实现这一实验模块的教学。

二、教学方法手段

理论教学过程中以多媒体教学手段为主，多媒体课件的制作应结合本课程的教学规律，符合实际需要，将理论问题形象化，并注意将理论教学融入实验教学和数值模拟的思想。例如，“雷诺实验”这部分内容的理论教学中，多媒体的制作可采用动画的形式演示实验的基本过程和结果，将层流和紊流两种流态形象地表现出来。同时，可以借助实际工程中的数值模拟结果，更形象地反映这两种流态的特点和工程实际的应用。这样既说明了实验和数值模拟之间相辅相成，又将实验教学和数值模拟的思想融入理论教学中，由此起到培养学生科学研究能力的作用。

三、考核方式方法

由于考核的目的在于助学和改进教学方法。因此，本课程的考核应在一定程度能够发挥学生的主体作用，这样有利于良好教学氛围的营造，有利于师生双向的交流。具体的考核方式有多种，综合的考核方式应该更合理，但操作起来也更复杂，可以采用先试点后铺开的途径。目前，大多数高校主要采用平时成绩和期末成绩综合考核的方法。平时成绩通常包括考勤、作业、实验。平时成绩的考核应是考核中最重要的内容，它是教师及时了解学生对该课程学习状况、把握教学目标的关键。其中作业内容的设计和要求是不可忽视的，例如，可以采用必做题、选做题，不是盲目地采用题海战术，这有利于调动学生学习的主动性，同时使学生对每一章节的学习有的放矢。对作业中的解题步骤和图的绘制都应该有明确的要求，这样有利于工程师卓越素质的培养。总之，平时成绩的考核注重调动学生学习的主动性，培养工程师卓越素质，同时培养学生利用知识分析问题的能力和创新能力，在考核内容设计方面应该是考核目的的体现。

四、结语

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关键词：中国水墨画；流体动力学；数字水墨书画系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）07-1699-05

中国水墨画源远流长，有着朴素抽象、注重神似的画风，其影响至日本、韩国、东南亚一带，在东方乃至全世界都自成体系，可以说是东方文化的象征与瑰宝[1]。

西方的油画、水彩画等在绘制工具、表现技法上与中国水墨画有着本质不同。西方的绘画更理性，它遵循严格的透视原理及光学原理，以写实为主，追求“形似”。而中国水墨画在表现手法上往往不遵守客观规律，其更注重神似。正是由于这些差异，使得现有的关于西方绘画艺术的仿真方法无法直接应用于水墨画的模拟[2]。如何运用逻辑严谨规范的计算机技术对极为随意挥洒的中国水墨画进行仿真研究是极具挑战性的课题。

目前，对中国水墨画的仿真方法可分为两类：基于物理建模的方法和面向艺术效果的方法[3]。该文研究的是采用物理建模的方法对水墨画进行仿真。该文在Curtis[4]的研究基础上，提出了水墨画运移、传输的三层模型，并将流体动力学理论引入水墨粒子在浅水层、墨粒沉积层以及毛细作用层的运移和传输规律的研究，通过Helmholtz-Hodge 分解，求解基于Navier-Stokes偏微分方程组的水墨运动模型。以此作为理论基础，设计实现了一个交互式的数字水墨书画系统。

1 相关工作

水墨画的创作用具主要为笔、墨、纸。纸是水墨画的载体，所以纸的建模直接关系到水墨效果仿真的质量。关于纸张建模的研究工作可参考文献[4-6]。

在虚拟笔刷的建模及毛笔笔迹的模拟仿真方面，笔交互应用开始时就有研究者进行毛笔书法效果的模拟研究。1986 年，Strassmann[7]提出通过增加控制点连成矩形来填充毛笔笔迹的算法，1990年Chua[8]提出使用贝塞尔曲线来拟合毛笔笔迹，1991年Guo 和Kunii[9]提出了基于纸张纤维束的毛笔笔迹扩散模型，Pahm[10]提出了使用B 样条来模拟笔道的轮廓，中间使用四边形来拟合填充毛笔笔迹。

在水墨运动的物理建模方面，石[11]提出基于粒子系统的算法来仿真水墨扩散过程。王[12]将渗流力学引入水墨运移物理规律的研究。Nelson S.-H [6] 运用网格玻尔兹曼模型（Lattice Boltzmann methods）对水墨运移及传输过程进行仿真，并在GPU上实现了其算法。

2 基于流体动力学的水墨画绘制算法

本节给出基于流体动力学的水墨画仿真算法的定义、形式化描述及算法伪码。

2.1 水墨粒子运移、传输的三层模型

在Curtis的研究基础上本文提出水墨粒子运移、传输的三层模型。三层模型分别为：浅水层、墨粒沉积层、毛细作用层。三层模型相互作用，会产生不同的绘制效果。

浅水层用于模拟水墨在纸张表面的流动，主要模拟墨粒在水中浮起并被水传送到不同的区域这一过程。在浅水层中，水的流动被限制在湿区域内。

墨粒沉积层用于模拟墨粒在纸上被吸附和解吸附的现象，主要控制墨粒在浅水层和墨粒沉积层之间的转移。墨粒的密度、着色能力和粒度都会影响纸的吸附和解吸附能力[13]。

毛细作用层模拟水在纸张毛孔的迁移，将根据纸的水饱和度处理湿区域，在毛细作用层的作用下，湿区域会逐渐扩展。

2.2基于Navier-Stokes方程的水墨运动模型

本文采用Jos Stam [14]提出的Navier-Stokes方程作为模拟水流运动的物理模型，同时增加描述墨粒子密度因水流速度场变化而扩散的方程，两者一并构成水墨粒子在浅水层运动的基本物理模型。形式化定义为：

其中[??u=0]。公式（1）右边第一项表示速度场的自身平流，叫做平流项。第二项，称作压力项，代表了外力施加于水墨流体时，微观上所产生的不均匀的压力及加速度。第三项表示由于水墨浓稠度的不均匀所形成的阻碍，并由此造成了动量的扩散，同时影响了流体速度的分散。第四项是外力施加到水墨流体上而增加的加速度。

2.3 Helmholtz-Hodge分解定理

为求解以上方程，该文通过Helmholtz-Hodge 分解得到水墨粒子浅水层运移和传输算法[14]。

定义一个空间区域[D]，边界法线为[n]，标量场[p]。据Helmholtz-Hodge 分解定理有[D]上的矢量场[w] 能唯一分解为：

其中[u]是散度为零的矢量场（即[??u=0]），[p]为标量。把散度算子应用到方程（3）两边，有：

根据Helmholtz- Hodge分解定义一个投影算子[P]， 将矢量场[w] 投影到无源分[u]。应用到方程， （3）得到：

根据[P]的定义有[Pw=Pu=u]，固[P（?p）=0]，将此投影算子应用到方程（1）的两边有：

因为u的散度为0，左边的导数也是无散度的，同时[P（?p）=0]，有：

定义一个算子S，及各分量算子，平流A、扩散D、外力F、投射P， 整个求解过程变为：

从左到右进行运算，则整个求解过程，首先是平流，接着是扩散、外力和投射，即：

2.4基于流体动力学的水墨画浅水层运移和传输算法

2.4.1外力项

外力项由外界对水墨流体施加的力组成，并假设该外力在其时间步长内保持恒定，形式化定义为：

2.4.2平流项

平流项表示速度场沿着扩散方向传输自身和水墨粒子。这里使用隐式解法[14]，形式化定义为：

2.4.3扩散项

对扩散项的求解实际转化为对泊松方程的求解，形式化定义为：

可采用Gauss-Seidel法进行求解[14]。

2.4.4投影项

经过外力、扩散、平流运算后得到一个有散度的速度场w3（x），通过投影算子将其改变为无散度的速度场w4（x）。具体求解方法可参考文献[14]。对方程（2）的求解可参考以上所示进行。

3.4.5水流浅水层运移和传输算法伪码

详细的代码实现可以参考文献[15]。

2.4.6墨粒子浅水层运移和传输算法伪码

其中u， v为给定的水流速度场速度，diff为墨粒子扩散系数。更详细的代码实现可以参考文献[15]。

2.5水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法

在仿真的每一步，墨粒子都会被沉积层以一定数率吸附，同时也会以一定数率解吸附会浅水层。墨粒的密度[ρ]、着色能力[w]，粒度[r]和纸张的高度[h]都影响纸的吸附和解吸附能力。下面给出水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法的伪码。g为墨粒沉积层粒子密度，d为浅水层墨粒子密度。该文在Curtis的研究基础上，提出了水墨粒子墨粒沉积层运移和传输算法。

2.6水墨粒子毛细作用层运移和传输算法

当墨汁向正要变干但仍保持潮湿的区域进行扩散时会产生回吸现象。这个时候墨汁会被浅水层以一定的吸收率[α]吸收，同时向毛细作用层扩散。每个网格单元都会向其邻近区域传输墨汁，直到达到饱和容积率[c]。当饱和度超过[?]时，该网格单元被标记为潮湿区域。这样，由于毛细作用层的作用，就会形成不规则的分支形状，以此模拟水墨粒子的非规则扩散现象。该文在Curtis的研究基础上，提出了水墨粒子毛细作用层运移和传输算法。

3 实验结果

图1为运用具有不同浓稠度的水墨画笔书写的笔划（其扩散效果形态不同），图2为使用本文开发的数字水墨书画系统所书写的“蛇”字。图3为本文开发的数字水墨书画系统的用户界面。实验表明本文所设计的数字水墨书画系统能较好的仿真水墨书画的效果。

在当今数字娱乐产业蓬勃发展的时代，如何开发出具有实用价值，符合市场需求的数字水墨书画系统软件，是未来值得探索和深入研究的科学热点问题[16]。

参考文献：

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篇3

[关键词] CAD/CAE；流-固耦合；静力学分析；模态分析；仿真分析；冻干技术；FLUENT中图分类号：TB79 文献标识码：A 文章编号：2055-5200（2014）01-027-06

Doi：10.11876/mimt201401007

Application of Simulation Technology in the Design of Vacuum Freeze-drying Machine CHEN Wei， LU Hong-bin ，CHENG Peng

（Plant of Experimental Instrument，Academy of Military Medical Sciences ，PLA，Beijing 100850，China）

[Abstract] Objective：Research on application of simulation technique in the design of the vacuum freeze-drying machine. With the aid of the modern design method， the product development and the foundation experiment are supported， scientific experiments and test method were improved. Methods：According to design requirements of the freeze-drying machine，3D model of the vacuum freeze-drying case and the shelf were built.With CAE technology， the vacuum freeze-drying case were analysed，including statics analysis and modal analysis. Based on the result analysis which was achieved from the finite element model with considerations to constraint and boundary conditions， reliable basis datas for Structure optimization and dynamic characteristics were obtained. With FLUENT software， Using SIMPLE algorithms and standard κ-ε turbulence model analysed air flow field and outlet velocity distribution of the vacuum freeze-drying case in order to provide design datas of inlet channel. Fluid-solid coupling model of shelf temperature field was calculated， results were provided to further optimize the structure of shelf. Result：Flow field model and calculation method of the vacuum freeze-drying case and shelf were made the new attempt.The simulation results were obtained，which Provided the reference for engineering application and promoted effectiveness-cost ratio of development. Conclusion：Simulation as a scientific means of development is playing a positive role in promoting product performance and increasing design productivity.

1 引言

真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。冷冻干燥技术用途广，生产厂家较多，美国、英国、日本、德国等国的冻干机已经形成标准化、系列化的产品，其搁板面积从不到一平方米直至大到几十平方米， 形成十几种规格。

我国冷冻干燥机结构设计多采用材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。这种设计方法具有一定可靠性，但存在诸多弊端：首先，采用这种方法设计周期长，进行计算后，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大量时间，设计准确性不易保证；其次，结构组件冗余，用材质量大，传统设计在材料使用上偏于保守，比国外同种规格产品重量大，致使成本高、效益低，削弱了产品的竞争力。

国内外文献中， 对如何将现代仿真技术应用到真空冷冻干燥机设计中的文章不多见。 本文探讨仿真技术在真空冷冻干燥机主要组成部分设计中的运用。设计产品零件几何形状复杂，设计计算难度大，设计计算过程复杂，产品性能要求高时，需要经验丰富的高水平技术人员结合产品仿真分析才能完成[1]。

2 冷冻干燥机设计与分析的关键

目前制备型真空冷冻干燥机主要由冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统几大部分组成[2-3]。这几大部分的搭配、取舍可构成不同的设计方案。

冷冻干燥箱是一个能够制冷到-50℃左右，能够加热到+70℃左右的高低温箱体，也是一个能够抽成真空的密闭容器，它是冻干机的主要组成部件，其中的搁板是核心部件，它负责对制品的预冷、升温、干燥。制品的品质在很大程度与搁板的制冷温度、加热温度、干燥时的真空度三个主要参数紧密相关[4]。以上三个参数中，后两个参数比较容易控制，原因是搁板加热温度一般由电加热装置提供热量，硅油作为传热介质，电加热装置功率稳定可控，所以容易实现热量大小的改变，干燥时真空度的控制虽然较为复杂，但还是能做到较精确控制。比较难于理想控制的是第一个参数：制冷温度，这一参数主要通过搁板最低温度、搁板降温速率、搁板控温精度来综合评价。

基于以上原因，尝试对冷冻干燥箱和搁板设计。首先，在具体结构上借助三维CAD技术，完成三维造型、虚拟组装、工程图生成等工作；其次，借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静强度及模态分析计算，通过FLUENT分析显示冷冻干燥箱气体流场轨迹和搁板内温度场变化，发现存在问题，为设计提供参考，缩短研发周期，提高经济效益[5]。

2.1 冷冻干燥箱静力学分析

首先用Pro/ENGINEER做造型设计，然后利用其提供的数据接口把模型传递到ANSYS环境进行有限元计算，从而得到冷冻干燥箱的机械性能。

[C]―阻尼矩阵；

[K]―刚度系数矩阵；

{x}―位移矢量；

{F}―力矢量。

线性结构静力分析中，所有与时间相关的量都被忽略。于是，从（2-1）式中得到以下方程式：

[K]{x}={F} （2-2）

根据设计要求，对冷冻干燥箱结构采取从局部到整体的造型方法建模，冷冻干燥箱是由若干零部件焊接装配起来，用CAD软件造型，可以从标准结构件开始将相关结构体拼合即可得到整体结构模型。

在进行有限元分析时，各结构件可按焊接成一个整体处理。设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值，然后用Pro/ENGINEER进行辅助实体造型即可得到冷冻干燥箱体模型，整体完成后的分析用三维模型如图1所示。

通过仿真分析可以发现设计上的一些不合理地方，如有些部位应力水平颇高。尽管其中有未考虑焊缝而引起的应力集中的因素存在，但即使去除该因素，应力分布的不均性也不可避免地导致各部分疲劳寿命的差异以及材料使用不合理。为此，应考虑调整筋板的布置方式，在应力水平过高处适当增加加强筋板；同时为降低振动频率可调整布局方式。

2.3 冷冻干燥箱及搁板CFD分析

计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是多种领域的交叉学科，因具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点而在最近20年中得到了飞速发展[9]，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等，而最终体现计算流体水平的是解决实际问题的能力[10]。随着计算流体力学的发展，数值模拟已经成为了流体力学研究的重要手段[11-13]。

冷冻干燥机加热系统的关键在于如何节省能源，提高热效率。由于在真空状态下传热主要靠辐射和传导， 传热效率低， 所以近来出现了调压升华法。调节气压有多种方式， 英国爱德华公司采用充入干燥无菌气体的方法， 既提高了冷冻干燥箱的压强， 又不致增加冷凝器负荷， 是一种比较好的方法。

借助CFD仿真技术可以预测冷冻干燥箱内不同配气口充入干燥无菌气体气流分布详细情况，从而指导设计工作。首先，构建冻干箱底部进气和侧壁四点均布进气两种气流形式的三维分析模型，建立冷冻干燥箱内部气体流场分布计算模型，具体如图8、9。

由于FLUENT软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如：速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流畅的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案，只需计算一次就可以判断改进是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器对计算进行设置并进行求解。计算结果如图12、13。图12 底部进气流场云图 图13 侧壁进气流场云图

冷冻干燥箱结构合理可确保冻干过程的顺利完成，搁板设计能力的水平将直接决定整机性能，搁板上换热流路布局合理，用材合理，热惯性小，即能大幅度降低控制系统、制冷系统、加热系统等功耗负荷和故障率，又能实现一个最优的冷却速率，获得最高的细胞存活率、最好的产品物理形状和溶解速度。

为了使本设计的搁板热均匀性好，热惯性小，在设计中采用CFD技术构建热传导模型，在Pro/ ENGINEER中建立三维模型，建模如图14。构建流路有限元模型，如图15。

3 结论

（1） 将CAD、CAE等先进计算机仿真设计手段应用于真空冷冻干燥机研发，可以缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平，减少开发成本；

（2） CAE技术可以在设计之初发现设计中存在的问题，基于有限元的优化分析能够为设计提供改进的方向。通过数值仿真分析，得到应力应变分布情况，对关键结构尺寸予以调整，减小应力应变，以达到结构优化的目的。

（3） 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

（4） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。其进气方式优于底部单进气口设计方式。所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

（5） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

（6） CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

（8） 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学（CFD） 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

参 考 文 献

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篇4

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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引言

CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门通过数值计算方法求解流体控制方程组进而预测流体的流动、传热和化学反应等相关物理现象的学科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。进行CFD分析的基本思路如下：将原本在时间与空间上连续的物理场如速度场或压力场等，离散成有限的变量集合，并根据流体力学的基本假定，建立起控制方程，通过求解这些流体力学的控制方程，获得这些变量的近似值。

我国作为一个人口众多的发展中国家，巨大的能源消耗已成为亟待解决的问题。其中建筑耗能占到总耗能的19.8%，而室内空调的耗能占到了整个建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空气调节和建筑物内外空气流通等研究领域，采用CFD分析来替代传统的试验方法，可大大缩短研究时间并提高经济效率。而本文将着重就CFD在暖通工程节能中的应用来展开讨论。

CFD基本原理

CFD是通过计算机模拟和数值计算方法对流场进行仿真模拟，解决物理问题的精确数值算法。它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。CFD是继实验流体力学和理论流体力学之后出现的第三种流体力学的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究领域都扮演着重要角色。尤其是在暖通空调和室内外通风等研究方法，CFD成为了最为行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的应用

CFD在暖通空调中的主要应用领域CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：

1.提高室内空调效率

采用CFD分析方法可以预测气流在房间中的流动情况，在充分考虑室内环境、各类边界条件与扰动的影响后，可全面地反映室内的气流分布情况，通过进一步的优化设计可以得道一个合理的气流分布方法，使空调的使用效率最优。

2.建筑周边环境分析

建筑周边环境对居民日常生活起着举足轻重的作用。对居民小区的风环境和热环境进行预测，是CFD分析的又一重要应用领域。采用CFD方法，在建筑设计阶段即可对建筑周边环境进行分析和优化，对规划设计的效果进行验证，使建筑通风和自然采光达到最佳效果，是小区居民生活品质的重要保障。

3.室内环境状况分析

采用试验方法分析室内环境状况，需要耗费大量的时间与经费，而采用CFD方法进行分析不仅可以节省时间，同时也能精确预测利房间内的风速、温湿度、污染物分布等指标，计算出通风效率、毒害物扩散效率和热舒适等，进而对室内环境状态做出一个合理的评估。

4.暖通设备性能评估

暖通空调工程使用的大部分设备，如风机、水槽、空调等，其运行状态都受流质运动的影响，空气或水的流动情况是评价设备性能的重要指标。通过CFD分析设备工作时的流场分布情况和流质流动情况，可有效地预测设备的工作状态。进而选择设备最佳工作状态，降低设备能耗，节省运行费用。

暖通空调领域中CFD的求解过程

暖通空调领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节无外乎包括以下几个方面：建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。

1.建立数学物理模型

建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本数学模型有：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ为流体密度（kg/m3），t为时间（s），u为速度矢量（m/s），ui为速度在i方向上的分量（m/s），p为压强（Pa）Fi―――体积力（N），T为温度（K），cp为定压比热，ST为粘性耗散项。

2.求解过程

（1）确定边界条件与初始条件

初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。

（2）划分计算网格。

网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。

（3）建立离散方程并求解。离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。

CFD在暖通空调节能应用情况

随着我国经济迅速发展和人民生活水平大幅提升，城市生活对化石能源的需求量越来越大。但今年来一系列能源危机提醒我们应当注重能源安全问题。在建筑工程领域，采用 CFD分析模拟，可有效减少建筑能耗，并能提高暖通设备的运行工作效率，我国暖通工作者已认识到CFD计算在研究和设计中的重要地位。

1.我国CFD在暖通空调节能应用现状

目前，我们已开始采用CFD对暖通空调节能的相关因素进行整体的系统模拟分析。通过在CFD模拟中改变设备参数，就有可能优化设备组合，改进系统性能。国外已把CFD用于室内空气流动与建筑能耗祸合模拟，我国清华大学也用CFD对空间气流组织设计与空调负荷的关系进行研究，这对建筑节能有重大意义。目前，我国在采用CFD解决建筑节能方面的研究还不是很深人，因而应进一步加强研究和推广的力度。

2.我国CFD应用存在的问题

我国研究机构很早就开始CFD模拟技术的应用研究，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。所以，从总体上看，我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面：

（1）还要建立在考虑辐射条件下计算室内空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型。

（2）将已有的CFD模拟技术方法进行简化，能够在微机上较准确地计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。

（3）考虑实际空调管道连接带来的风口出流特性变化，从而使室内空气流动模拟更加准确等。

（4）CFD技术在CAE工程中已表现出巨大的优势，如果将与CAD及CAM乃至AI技术有效地结合在一起，将显示其强大的生命力。

结语

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关键词: 城市轨道交通; 环控系统;计算流体动力学

城市轨道交通中的地下车站和区间隧道是一个大型、狭长、与外界联系面较小的地下空间。密集的乘客、列车和各种机电设备的运行，以及连续的照明都会产生很大的热量，不及时排除就会导致地铁内温度逐年上升。此外，地铁内各种设备及列车运行引起的噪声、有害气体、列车活塞效应对车站空气环境的扰动，以及隧道内因潮湿造成的霉烂气味等都会使地下环境不断恶化。同时，当人流密集、空间狭小、密闭性高的地铁内发生事故、火灾时，人员的安全疏散和烟气的排除也是非常重要的问题。鉴于以上各种因素，必须设置环控通风系统，对车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、噪声以及事故、火灾情况下人员安全疏散措施等进行全面控制。其中，有效、可靠的环控通风系统对保证地铁乘客的安全、舒适和确保设备运行及寿命是十分必要的。

地铁系统是一个由车站、隧道、出入口等构成的复杂的三维网络。地铁系统的环控模拟，主要是研究地铁内的不稳定空气动力学和热力学方面的问题，即地铁车站正常工况下的三维温度场、气流场分布、污染物浓度分布、平均空气年龄、人体舒适性的模拟研究以及地铁车站和隧道事故、火灾工况下的三维温度场、气流场分布、烟气流动状况等的模拟研究。目前国际上广泛认可使用、相对成熟、用于地铁环控模拟计算的软件是Subway EnvironmentSimulation，简称SES。该程序是由美国交通部于1975年开发的世界上第一个地铁环控计算机模拟软件。1976年，SES修改后被应用到公路隧道通风分析中；1985年，又增加了火灾的动态模拟。现在，SES已经从DOS版本升级为WINDOWS版并形成目前的第4版。该软件作为设计计算工具，可以模拟地铁内多列列车运行时车站、隧道和通风井的温度、湿度、风速以及车站的空调负荷。它允许用户模拟一定数量列车的动力与刹车系统；不同的环境控制系统（包括强制通风、车站空调与车轨排风）；设定的地下隧道与车站和通道连接所形成的空间内的空气流动；所希望的列车运行次序(包括由不同运行特性和发车间隔的列车的混合编组)；各种稳定与不稳定状态的热源；列车停在区间的紧急状况时机械通风与热浮力共同作用下所形成的空气运动；特别是能够模拟系统投入运行多年后热库对隧道的影响。对一个有大量列车运行的地铁，SES计算机模型提供动态的模拟过程，它允许对通过任何车站、区间、通风井和风机的空气速度、温度、湿度的连续读值，或在设定的时间获得空气参数的最大值、最小值、平均值。

SES软件主要由4个既独立又互相关联的子程序组成：列车运行子程序(Train Operation)，空气动力子程序(Aerodyanmic)，温度／湿度子程序(Thermodyanmic)，热壑／环控子程序(Heat Sink and ECS)。列车运行子程序可以计算列车的速度、加速度、位置及系统中所有列车的发热；空气动力子程序依靠这些列车参数再加上系统的几何组成与通风状况数据，计算所有车站、区间、通风井中的空气流量和气流速度；温度／湿度子程序利用空气动力学子程序得出的空气参数与列车运行子程序计算出的列车发热数据来计算系统中的显热与潜热，从而得到各处位置的温度和湿度。最后，列车运动子程序按气流速度推算列车附近活塞风作用。这些子程序计算出的地铁通风与热负荷数据同室外每日与年度气象条件参数一起，被热壑／环控子程序用来计算地铁内空气与隧道结构、周围土壤之间长期的热传导作用，同时也可以得到为使某些区间温度达到设计条件而所需的冷量。通过SES软件可以验证设计者所设定的地铁环控通风系统构成方案及系统运行模式的合理性，以便完成地铁环控通风系统的设计。需要注意的是该软件本身也存在着一定的局限性，例如SES的模拟原理是伯努利方程，这就决定了它无法反映车站及隧道内场分布的详细情况，只能将地铁系统简化为一维模型进行处理，只能计算某一点的气流速度大小，而具体的变化情况诸如方向和具体流动情况则无法反映，所以SES软件的最终输出结果是一维的，它只能从数据上计算特定断面的一些参数。而地铁系统中的车站及隧道部分显然是三维模型，因此，如果想了解地铁车站及隧道中空气的温度、速度等具体详细的分布情况就必须考虑借助使用其它的研究方法和手段来实现。

CFD(Computational FluidDynamics，即计算流体动力学)是现代模拟仿真技术的一种，是近年发展较快的一种计算机辅助设计技术。其作用是对各种工况下气流组织的温度、速度场等的模拟仿真。暖通空调制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一，我国暖通空调制冷行业已有不少专家对CFD的应用研究开展了大量的工作，并取得了许多重要成果。自20世纪70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究机构开始CFD技术的应用研究，20年来已取得许多重要的成就，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题。近些年来，随着CFD计算技术的突飞猛进的发展，许多工程领域都有了成功利用它作为模拟评价、优化设计手段的实例。在隧道、地下铁道的通风工程中，CFD应用也成绩斐然。国内部分高等院校也开始利用CFD技术对地铁区间隧道及车站内各种工况下的空气流动和分布情况进行模拟研究。对于地铁环控通风系统设计，会有多种可选方案，所以计算机模拟的功能之一就是对多种方案的比选优化；对于正在筹建的地铁系统，其运营后的气流场与温度场无法进行现场测试，所以计算机模拟能够有效而可靠地对未建成的地铁系统进行预测；对已经建成的地铁系统，由于客流量较大，为了保证正常运营，有时在列车附近无法进行现场测试，但可以通过计算机模拟来进行计算分析。同时可以对一些过去没有经过理论计算的感性认识进行验证，例如隧道风的变化情况、排烟量对火灾温度场的影响等，过去只是通过一些想象进行推断，但是对具体变化情况及具体数据缺乏理论计算及科学论证，利用CFD方法，以上问题均可以得到解决和落实。采用CFD方法可以对地铁车站及隧道的温度场、气流场、污染物的浓度分布及排放、人体舒适性以及火灾情况下的通风模式、烟气流动状况及此情况下的温度场和气流场进行三维可视化仿真模拟。CFD的功能十分强大，它经过一次完整的计算后，就可以得到任意一个断面的任意方向上的温度、湿度、压力、平均空气年龄以及PPD（预期不满意百分率）与PMV（预期平均评价）等随时间的连续变化值。并且模拟得出的计算数据经处理后的可视化结果是十分直观形象的，因此，它所模拟出的结果较SES软件更加直观，得到的结果也更加具体，能够为地铁环控系统设计提供充分的依据。

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论文摘要：根据环境工程专业特点，分析了该专业技术基础课“工程流体力学”和主干专业课“水污染控制工程”在教学中存在的问题，文章从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出了“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学改革思路。

论文关键词：环境工程专业；工程流体力学；水污染控制工程；教学改革

“工程流体力学”是研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中应用的一门科学，是力学的一个独立分支，有其自身的理论体系，其基础理论主要由三部分组成：流体静力学、流体运动学和流体动力学。“水污染控制工程”是关于控制水体污染途径以及各种废水处理方法（包括物理处理方法、化学处理方法、生物处理方法等）的基本理论、工作原理及设计计算的一门科学。“工程流体力学”是环境工程专业的重要技术基础课，“水污染控制工程”是环境工程专业的核心专业课，这两门课程在环境工程专业本科教学中有着举足轻重的作用，同时两者之间也存在着重要的相互理论关系。

“工程流体力学”是水利、环境、能源、土木、机械、动力等学科的一门技术基础课程，该课程的教学内容纷繁丰富，其特点是理论性和综合性比较强，概念抽象，难于理解。“水污染控制工程”课程内容与“工程流体力学”内容结合相对比较紧密，如城市排水沟道系统、各种污水处理构筑物等的设计计算，以及在构筑物中的生化反应、化学絮凝反应中水力条件的控制等均是工程流体力学理论知识在水污染控制工程中的实际应用。目前，在环境工程专业教学方面，“工程流体力学”和“水污染控制工程”课程正面临着比较尴尬的局面：一方面课程内容趋于复杂和广泛；另一方面在课时量逐渐压缩的情况下，“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学内容没有起到应有的相互衔接，教学内容彼此脱离。由此形成环境工程专业“工程流体力学”教学内容与专业课衔接不够，在教学过程中学生感到内容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教学过程中，学生感到工程流体力学基础理论知识不扎实，不能够熟练应用工程流体力学基础理论解决水污染控制工程方面的实际问题。

针对目前环境工程专业课程设置及教学内容的状况，本文从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学改革，提高教学质量，培养学生综合能力。

一、改革教学内容

对“工程流体力学”教学内容进行改革，结合环境工程专业特点，重构环境工程专业的“工程流体力学”课程，对该课程中的主要内容进行优化设计，紧密结合后续专业课“水污染控制工程”的内容进行改编，为“水污染控制工程”的讲授奠定基础理论知识。“工程流体力学”教学内容主要包括理论教学和实践性教学两部分，其中在理论教学内容部分，如“工程流体力学”中涉及到的流体粘滞性、流体内摩擦定律等内容，结合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流态所需要的雷诺数内容为实例进行教学内容改革；“流体静力学”中绝对压强、相对压强、真空度等概念、理论在水污染控制工程中虹吸滤池、脉冲澄清池以及沉淀池、污泥浓缩池重力式排泥所需要的静水头压力等实际工程中的应用为实例进行教学内容改革；流体运动学中基本理论对“水污染控制工程”中的数学模式的建立为实例进行教学内容改革；“流体动力学”中压力损失理论在水污染控制工程中的水力计算，水射器理论在水污染控制工程中的计量作用、加药作用、射流曝气作用为实例进行教学内容改革等。其次，“工程流体力学”实践性教学内容部分，改革传统的实验教学内容，除验证性实验之外，增加工程应用性实验，如文丘里流量计、三角堰流量计、巴氏计量槽、毕托管测速仪、虹吸管、孔口与管嘴的工程应用等内容，既加强了动手操作能力，也培养了学生将基础理论知识转化为现实生产力的综合分析与应用能力，不仅使教学内容丰富，也提高了学生学习的热情和积极性。

对“水污染控制工程”教学内容进行改革包括理论教学内容改革和实践性教学内容改革，强调“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的应用。在理论教学内容方面，“水污染控制工程”中的污水沟道系统水力计算、水处理构筑物中水力参数的确定、污水在构筑物中的最佳流态、各水处理构筑物之间高程布置、混合反应池中搅拌强度的确定、过滤池中配水系统的设计及其滤速确定等一系列涉及工程流体力学问题的相关内容进行必要教学改革，加强学生对“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的工程应用有一个更清晰的认识，理解“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的重要性，使学生既掌握了“水污染控制工程”应用设计方法、设计原则、计算方法等知识，也加强了学生对“工程流体力学”基础知识在水污染控制实际工程的应用。在实践性教学内容方面，加强工程性应用实验教学内容，从不同的工业企业和居民生活区采集不同的废水水样，根据化验所得废水水质，确定所采用的处理技术和处理工艺，并通过实验验证在各种废水处理工艺中所选择的工程流体力学水力参数，基于“工程流体力学”基础理论知识分析废水处理工艺水力参数的合理性。

二、改革教学模式

“工程流体力学”特点是理论性、综合性、系统性较强，概念抽象、逻辑结构严谨。目前传统的教学模式基本上是教师讲、学生听，“授—受”型单一模式，尽管在学的过程中采用了多种形式的多媒体教学方式，但仍没有改变学生在学习过程中的被动地位，学生缺乏主动性和实践性。改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的创新教学模式，结合水污染控制工程中的实际问题，以工程实例为背景，应用工程流体力学基础知识解决实际工程问题，诱导学生积极思考，在教学过程中形成教学互动，调动学生学习的主动性和参与性。根据教学内容性质，“工程流体力学”教学内容可以分为基础理论和实际工程应用两个部分。在流体静力学、流体运动学和流体动力学三个基础理论部分，采用形象化的多媒体演示、软件模拟、小型实验相结合探究式、启发式教学模式，鼓励学生课堂讨论；在实际工程应用教学部分，如孔口管嘴、有压管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程实例为背景，采用适量的实际工程图片，丰富教学信息量，刺激学生的感官，激发学生的学习兴趣，拓宽学生的思路，开阔学生的视野，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。

“水污染控制工程”特点是实践性、工程应用性强，因为不同的废水水质达到处理要求所采用的处理技术、处理工艺不同；即便相同的废水水质，如果污水量不同，所采用的处理工艺也不同；一个废水处理工程，即废水水质、水量数据相同，也可以采用不同的处理技术和处理工艺，工程流体力学参数的选择是确定不同废水处理技术、工艺的主要影响因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教学过程中，改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的实践教学模式，以工程实例为背景，通过开放性的实践性实验正确选择工程流体力学参数，并通过实验研究对参数的选择、废水处理效果等进行科学验证。通过工程实例和实践性教学改革，使学生既对废水处理工程设计过程有一个清晰的思路，又能达到举一反三的效果。

三、优化师资配置

师资队伍优化，一靠资源，二靠制度，师资队伍优化也是一个相对的渐进过程，优化的标准和措施与所处时代、社会背景及其自身所处发展阶段和学科特色有关。环境工程专业特点要求师资队伍结构合理、质量可靠。“工程流体力学”与“水污染控制工程”是本专业的主要技术基础课和主干专业课，两门课程在讲授过程中存在着千丝万缕的必然联系，这就对师资配置和师资队伍建设提出了更高的要求。首先，建立高质量的师资队伍，定期或不定期对教师进行专业培训和实践工程训练，要求讲授“工程流体力学”和“水污染控制工程”两门课程的教师对两个学科均有一定的研究，或者承担一定量研究科研工作，洞悉当前“工程流体力学”和“水污染控制工程”发展的最新前沿理论和技术；其次，在师资配置方面，要求讲授“工程流体力学”的教师对“水污染控制工程”有一定的研究或承担相关科研项目，讲授“水污染控制工程”的教师对“工程流体力学”有扎实的理论研究或承担相关的科研项目；第三，建立教师研讨会制度，讲授“工程流体力学”的和讲授“水污染控制工程”的教师定期或不定期举行教学研讨会，避免两门课程的讲授内容出现彼此分裂现象。如果在师资配置中，讲授“工程流体力学”的教师毕业于力学专业，即使讲授“工程流体力学”的教师对力学有很高的造诣，对该门课程的讲授有声有色，但如果该教师对环境工程专业“水污染控制工程”专业理论知识或实践工程知之甚少，那么在教学过程中，必然不能够将“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学内容相结合，对环境工程专业学生来说，这样的师资配置，必定不是最优化的师资配置。

四、改革考核方式

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Abstract: Traffic problem is one of rigorous problems which society faces at present. It is of great practical and theoretic significance to the research of traffic-flow problem. In this paper, a new microcirculation linear car-following model for urban traffic flow is established by combining micro models and macro models of traffic flow, based on the ideas of the car-following models and fluid dynamical models. An example on traffic-flow microcirculation is designed for the application of the new model. The new model is verified and applied by numerical simulation for the example. The results show that the new model can simulate some important fundamental properties of the practical traffic-flow microcirculation better.

关键词： 交通流模型；随机扰动；交通流微循环；数值模拟

Key words: traffic flow models；random disturbance；traffic-flow microcirculation；numerical simulation

中图分类号：O29 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）34-0197-02

0引言

当今社会，不论是发达国家还是发展中国家，不管是国际大都市还是中小城市，都面临着一个共同的交通问题，所以对交通流问题的研究具有重要的现实意义。目前关于交通流模型的研究主要有车辆跟驰模型，基于流体比拟的流体力学模型和元胞自动机模型三种[1-4]，这些模型都从不同的方面反映了现实交通流的一些规律和特征，但是由于上述这些模型主要是根据国外交通流的特点建立的，所以在应用中往往不能很好地反映我国实际交通流的情况。同国外交通情况相比，我国的交通情况有诸多不同，主要表现为以下的一些特点：机动车与非机动车混合运行，城市车道过窄，行人与自行车流量较大等。所以呈现出车速普遍偏低，容易出现交通拥堵，事故频繁的现状。事实上，城市道路交通系统是由人、车、路及含有许多随机因素的交通环境构成的开放的动态的巨系统，道路上的交通流具有不确定性、随机性的特征，交通流中的不确定现象是由随机因素造成的，“任何”确定型的模型都不能完全解释这一现象[5]。实际交通流中的随机扰动因素很多。例如,行人横穿公路对交通流的干扰；公交车停靠站台或从站台启动对交通流的干扰；运行过程中某一车辆的突然加速或减速对交通流的干扰；交通事故与道路施工对交通流的干扰；红绿灯的交替变化对交通流的干扰等。因此要想在交通流建模过程中能更好地再现实际交通流，更为准确地捕获交通流的实际现象，考虑含有随机时空扰动因子的建模方法是必要的。在Weits模型中，引入了交通流随机扰动因素，并对交通密度的变化进行了随机分析[5]。在文献[4]中，作者指出把微观和宏观相结合的方法建立交通流模型可以更好地推进交通流理论的发展，文章主要分析车辆跟驰模型和流体动力学模型的特点，建立新的模型并应用于交通流微循环动力学行为的研究中。

1模型的建立

在交通流模型中主要考察三个最基本的参数，即交通流量q、车流密度ρ、车流速度v。它们都是时空变量，并且同时受到多种随机扰动因素的影响。交通流中的不稳定现象正是由这些随机扰动因素造成的，为确保车辆安全行驶的前提下，在考虑城市交通流微循环线性跟驰模型的建立时着重分析了随机扰动因素对交通流的影响，建立含随机扰动因素的城市交通流微循环线性跟驰模型。

在文献[6]中，已经建立了如下的线性跟驰模型

v（x，t）=（1+δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（1）

在该模型中，若考虑随机扰动因素对跟车速度的影响，引入微循环随机控制变量R，用该变量来调节在车辆进入微循环车道跟驰行驶和从微循环车道分流过程中对跟车速度的控制。当头车进入微循环支道时，启动微循环随机控制变量R，决定是跟随头车进入微循环支道行驶还是与头车分流行驶；当头车从微循环支道进入主（次）干道十字路口红绿灯时，启动微循环随机控制变量R，决定是跟随头车直行通过红绿灯路口还是与头车分流并入主（次）干道行驶；当与头车在微循环车道跟驰行驶时，启动微循环随机控制变量R，将车速控制在微循环支道所允许的安全行车速度范围内。于是，由模型（1）得到如下的微循环线性跟驰模型

v（x，t）=（1+δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（2）

模型（2）就是所建立的含随机扰动因素的城市交通流线性模型。

2模型分析

城市交通流系统中存在着主干道与次干道，次干道与次干道，次干道与微循环支道，微循环支道与微循环支道等彼此之间的分流和并道等复杂的车辆跟驰行为。应用微循环可以解决以下两方面重要的交通问题：

2.1 应用微循环解决主干道上的“左转”问题。如（图1）所示的办法，通过三次微循环支道“右转”来解决车辆主干道上的“左转”问题．在该“左转”过程包括两次通过主干道红绿灯交叉路口，一次主干道分流，一次次干道并流与分流以及两段微循环支道跟驰行驶。

2.2 应用微循环解决主干道上的“分流”问题。如（图2）所示，该“分流”的交通行为包括一次主干道分流，一次微循环支道与次干道红绿灯十字路口，一次三段微循环支道跟驰行驶并入次干道。

下面来分析影响微循环随机控制变量R的相关因素。首先，经过主、次干道上红绿灯十字路口时，微循环随机控制变量R的选择与绿灯放行的时间τ密切相关。其次，当头车经过主、次干道分流或并流时，不论跟车与头车是同向行驶还是分流行驶，跟车的微循环随机控制变量R都与该车道车流密度ρ的变化密切相关，若分流行驶，那么主、次干道车流密度ρ减小，跟车微循环随机控制变量R随之正向变化；若并流行驶，那么主、干道车流密度ρ增大，跟车微循环随机控制变量R随之反向变化。再次，若车辆在微循环支道上跟驰行驶，则主要考虑头车速度的变化对跟车的扰动，此时跟车的微循环随机控制变量R完全退化。

综合上述的分析，可以将跟车的微循环随机控制变量R表示为R=R（τ，ρ）。于是，模型（2）就表示为

v（x，t）=（1+δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（3）

的形式。

3模型在交通流微循环中的应用

【实例模拟】“跟车行驶”的交通流微循环动力学行为模拟。

城市交通流微循环中，不论是主干道上的“左转”还是“分流”问题，都离不开主、次干道以及微循环支道上的“跟车行驶”行为。而“跟车行驶”所考虑的相关因素主要涉及到路段的车流密度ρ，路段的限速要求vf，某一时刻通过该路段头车的初始速度v0（x，t）以及该路段上的随机时空扰动因素等。应用模型（3），可以模拟车辆在主、次、支道上城市交通流微循环的“跟车行驶”动力学行为，模拟结果如（图3）所示（程序genchexing1.m）：

该结果表明，路段上各辆车的速度变化规律，即随着时间的变化，路段上各车辆的速度跟随头车速度随机波动。在该交通行为中，若对车速不加限制或车速控制不当，很容易发现交通流中“激波”的产生，从而有发生交通事故的危险．所以，应用城市交通微循环支道来解决主干道上的“左转”和“分流”问题，可以有效地降低主干道上的车流密度，减小主干道上的交通压力，提高主干道上的行车速度，从而避免或减少交通流中“激波”的产生，有效地控制城市交通“拥堵”的问题。

参考文献：

[1]王殿海，严宝杰.交通流理论[M].北京：人民交通出版社，2002，11：47，56，20.

[2]李进平.交通流的流体力学模型与数值模拟.武汉理工大学硕士学位论文，2003，2：5.

[3]吴正.低速混合型城市交通流的流体力学模型[J].力学学报，1994，3，26（2）：149-157.

[4]吴清松，姜锐，李晓白等.微观宏观方法相结合推进交通流理论新发展[J].交通运输系统工程与信息，2005，6，5（3）：108-115.

篇9

关键词：CFD技术；教学改革；创新实践；能力培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0064-02

一、现状及存在的问题

随着制造技术的进步和发展，人们对产品的性能提出了更高的要求。一方面，要求产品品质高、价格低，且具有创新性；另一方面要求产品设计开发及生产周期短，以节约人力、物力和财力。国内外研究表明：CFD技术是解决这一要求的最好途径。实际上，CFD技术是解决工程中复杂流动和传热问题的一种有效手段，同时也是一门新型的独立学科。让广大设计人员学习掌握CFD技术，是提高其设计水平的具体途径。目前，国内有多所高校为本科生开设CFD技术课程，集中讲授20世纪直至本世纪CFD技术方面的最新成就，具有理论性和实践性的双重特点。我们在近五年的教学过程中深深体会到：学生要学习掌握CFD技术，一方面要学好CFD技术的基本原理，另一方面还要进行大量的自主实践。更重要的是，要在自主实践过程中培养大学生的创新能力。而在目前的教学中，大多强化基本原理的讲授，缺少对实际问题的分析和处理，从而造成大学生解决生产实际问题能力的欠缺。针对这种现象，我们认为构建CFD技术平台，提高大学生的实践与创新能力具有重要的现实意义。

二、构建CFD技术平台

基于CFD技术课程教学中发现的问题，我们提出构建CFD技术平台。具体内容包括：组建教学团队，组织教师编写教材、建设软件平台以及引导学生参与科研实践等四个方面。对于组建教学团队，这是构建CFD技术平台最为重要的一件事情。通过各学科方向教师自愿报名，教研室推荐，学院公开选拔的方式，组建一支高水平、高素质的教学团队。这样就可以确保承当CFD技术课程的教学工作的各位教师是学院各个学科专业方向的优秀教师。因为大家知道，只有高水平高素质的教师，才能更好地引导和培养学生的实践与创新能力。对于教材的编写，现有的关于计算流体动力学方面的教材有很多种，但大多以介绍基本原理和计算理论为主，缺乏相关软件的应用及实例的介绍，不能满足学生自主学习的需要，不利于培养学生的实践与创新能力。对此，教学团队需要重新制定CFD技术课程大纲，广泛收集国内外CFD技术的最新科技成果，编写反映科研与教学相结合的特色，重点、难点突出，并具有自身特色的教材。对于软件平台的建设，教学团队应根据能源动力类各专业方向所使用的CFD软件情况，从众多商用CFD软件中挑选出适合能源动力类本科生学习和使用的软件，同时建设一个可容纳30人以上的计算机机房，并通过局域网络连接建立一个交互式的软件平台，供广大学生进行自主学习和自主实践。软件平台由学生实行自主维护、自主管理，教学团队只需安排任课教师不定期通过软件平台引导和指导学生实践创新。对于科研实践，教学团队需要安排任课教师组织优秀学生参与到科研实践中来，让学生通过科研实践的锻炼，提高自身的实践与创新能力。让学生参与基础研究，可以从深度方面提高学生对所学知识的理解能力，为培养学生的原始创新能力作铺垫、打基础；让学生参与应用研究，则可以从广度方面提高学生对所学知识的应用能力，为今后在实践中进行技术创新奠定基础。

三、利用CFD技术平台培养大学生的实践与创新能力

目前，教学团队已经成立，分别由来自五个学科方向的、具有一定教学经验的优秀教师组成，他们集中代表能源动力各学科的发展动向。教学团队定期召开教学会议，对构建CFD技术平台和培养学生实践与创新能力过程中出现的各方面问题进行研讨，大家共同协商，寻找解决方案。与此同时，教学团队已经编写了一本适用于能源动力类本科生的教材《计算流体动力学及其应用》，该教材最大的特点是理论与实践并重。该教材不但讲述CFD技术的基本理论，而且还提供了大量的CFD技术应用实例，帮助学生进行自主实践。该教材已于2011年1月由华中科技大学出版社正式出版发行。在编写教材的同时，教学团队还利用学院现有的计算机机房（拥有50台电脑），建立了一个CFD技术软件平台，该平台拥有多种CFD软件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，现已成为广大学生自主学习和自主实践CFD技术的优良场所。教学团队根据学生的需求，安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑，引导学生实践创新。与此同时，教学团队还组织优秀学生参与到科研实践中来，培养学生的实践与创新能力。比如，引导学生将CFD技术应用到大学生科技创新项目中，优化设计叶片翼型，模拟计算小型垂直轴风力机的气动性能，使得风力机输出功率和效率大为提升。同时，该项目荣获2010年第三届全国大学生节能减排科技创新作品一等奖。再比如，学生在教师指导下进行自主创新，应用CFD软件对水力涡轮结构进行优化，使原来的水轮机组效率提高1%，每年增加的直接经济效益达数百万元之多。还有，学生在教师的引导下研究格子Boltzmann算法，将之与IP算法、DSMC算法对比，分析不同算法之间的优劣，对格子Boltzmann算法进行改进。具体成果体现在，学生以第一作者在能源动力学科领域国际顶级期刊上发表学术论文2篇。

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。大学生不仅需要扎实掌握专业知识，更要具有较强的创新意识和创新能力。目前，高等学校在大学生创新能力培养方面还有待加强，为此，本文提出了通过构建CFD技术平台培养学生实践与创新能力，并给出了实施过程中的一些具体措施和经验。

参考文献：

[1]王永生，屈波，刘拓，等.构建本科生科研训练与创新实践的长效机制[J].中国高等教育，2010，（6）：21-25.

[2]刘欣，唐庆蜂.科研创新培养创新人才的有效模式[J].中国科教创新新导刊，2008，（11）：83-86.

[3]张新荣.实验教学在教学改革中的作用[J].中国科教创新导刊，2010，（9）：95-97.

[4]潘云霞.培养大学生创新精神与实践能力的几点思考[J].中国科教创新导刊，2009，（11）：17-18.

[5]刘光复.加强工科大学生的工程实践能力培养[J].中国青年科技，2005，（3）：18-19.

[6]夏玉颜，王责成.高校工科专业人才创新素质现状调查与思考[J].高校教育管理，2010，（2）：79-83.

篇10

关键词CDIO；流体力学；能力培养；教学改革

1引言

“流体力学”作为理工科的一门专业基础课和必修课，它的重要性是众所周知的，作为力学分支，其在安全工程专业有着广泛的应用，与泄漏、火灾、爆炸、通风等有着密切的关系，是后续工业通风、消防工程等专业课程学习的重要基础。近年来流体力学学科发生深刻变化，对流体运动认识加深，测量手段更为先进，对流体运动分析和处理的能力空前强大，与工程应用结合更加紧密。然而“流体力学”这门课程概念抽象、数学公式多，在以往课程教学过程中更多重视理论知识的传授，人才培养过程中存在着过分偏重理论知识学习，缺乏对学生工程能力的培养等不足之处。因此，本文借鉴国际流行的CDIO工程教育理念，拟对安全工程专业“流体力学”课程进行教学改革，使理论知识服务于后续的安全知识学习及工作实际，将知识教育和能力培养有机地结合起来，增强学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，使学生专业理论知识的学习真正地更好地融入之后的安全工作中。

2CDIO工程教育理念

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Imple-ment）和运行（Operate）的简称。“C”构思指系统性的构想、思考，明确产业需求。“D”设计是把将要被实现的计划通过视觉的形式描述出来的活动过程；“I”实施是执行、施行实际的行为，指把设计转变为产品的过程；“O”运行是指产品实现之后（即实施之后）使用其来达到想要的价值的过程。从构思、设计、实施到运行的全过程就是产品的整个生命周期，用它来代表工程的范畴[1]。CDIO教育模式提倡培养具有较高专业理论水平和符合产业需求的综合性应用能力并重的高等工程教育专业学生，这种模式在安全工程专业领域具有一定的借鉴意义[2]。CDIO强调在系统和产品构思、设计、实施、运行的真实工程实践环境中培养学生的工程能力，通过引导学生以主动的、实践的、知识之间有机联系的方式培养学生的工程能力，使学生在创新思维能力、终生学习能力、团队合作能力和工程实践能力等方面得到全面的训练和提高。

3基于CDIO理念的流体力学课程实施

3.1优化教学内容

在教学时，教材的选取是非常重要的，首先要选择一本好的教材，然后围绕教材的内容，进行全方位的内容设计。湖南工学院安全工程专业选用的教材为蔡增基、龙天渝主编的《流体力学泵与风机》，该教材详细介绍了流体力学及泵与风机的基础知识，并配有丰富的习题供学生课后练习巩固，另围绕教学大纲，每章设置了思考题。但教材内容多是从供热通风空调类专业角度出发，内容较多。按照安全专业职业能力与素质需求为导向，结合我校安全工程专业对该课程课时安排较少，学生文科生多，理科基础薄弱的特点、安全工程专业需求及其与后续专业课程之间的关系，课程教学内容分为四部分：（1）流体静力学。掌握流体平衡的规律，对其中与安全工程关系不大的小节进行删除。（2）流体动力学。研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等。（3）有关流体静力学和流体动力学在生产和生活中的应用，如孔口与管嘴恒定流、管道恒定流等。注重与工业通风、消防、安全工程中常见的泄漏等问题相结合。（4）泵与风机工作原理及运行知识，重点掌握如何选择泵与风机。由于课时有限，其他知识可通过学生自主学习来完成。内容设置注重培养学生的创新能力、学习能力和分析解决问题的能力，不因课时少而删除其物理背景、力学建模和求解过程等方面的学习，只讲授结果、计算公式、图表等这种短视的做法培养出来的学生只是现成公式的计算机器，面对新的问题将束手无策，学生没有创新能力，没有利用所学知识解决实际问题的能力。只有掌握正确的基本概念和流体运动一般规律，才能认识特殊规律，才能有分析实际问题的能力，才能正确应用和处理流体力学商业软件。

3.2转变教学方法

在课堂教学中注重学生综合思维、系统思维和工程能力的培养。结合传统的教学方法，采用以问题学习的形式，要求学生基于问题学习。（1）首先要讲授该门课程的性质及作用，让学生掌握该课程在整个专业培养中的作用以及工程实践中的具体应用价值，以及该课程与其他课程之间的关系，从而在学生的整体知识架构中建立起清晰的课程逻辑联系[3]，培养学生的系统思维能力。（2）各知识点的教学过程采用启发式教学法，先由老师设置问题，让学生带着问题进行学习；学完之后让学生思考学了什么，有什么用；除了基本的教学过程外，在课程中设置一些小专题讨论，培养学生分析问题、解决问题的能力。（3）传统的教学模式由于缺乏对知识的应用，学生通常将通过考试作为学习目标而专注于记忆考试内容。因此在教学中注重相应知识点的讲解的同时，注重对各知识点的应用和拓展，各知识点多方面地与安全工程专业相结合（如在讲述孔口管嘴出留时与危险化学品物质泄漏进而导致火灾、爆炸、中毒事故相结合；讲述流动阻力时与工业通风管道设计、消防水管道设计相结合），强调其对专业的支撑作用，要求理论知识必须服务于安全工作实际，将知识教育和工程能力培养有机地结合起来。

3.3实验教学改革

实验环节是CDIO模式下教学环节的非常重要的组成部分，学生工程能力的培养和综合应用能力的提高，有赖于此环节[4]。实验教学方面通过建设流体力学实验室，将实践教学贯穿于学生的整个学习过程，实现对学生的动手实践能力、技术应用能力、研究创新能力的培养。实验模块分为基础验证类实验模块、综合性实验模块和开放性实验模块。基础验证类实验主要包括雷诺实验、能量守恒验证实验、沿程阻力实验、局部阻力实验、文丘里管实验、流量计实验、离心泵实验等[5]。这些实验过程简单，能帮助学生更好地理解流体力学的基本原理和定律，但缺乏创造性，没有与安全工程专业实际相结合。综合性实验如与工业通风课程相结合，设计一个通风除尘管道模型，学生通过流体力学知识制定实验方案，使用仪器测量风速、压强等相关参数计算通风阻力。让学生把流体力学知识更好地与安全工程专业相结合，解决专业实际问题。综合类型的实验相对较复杂，采用团队协作的方式，通过互相交流讨论解决实验过程中遇到的问题，发散思维，实验结束后进行汇报，培养学生的团队协作能力和沟通能力。开放性实验模块通过建设开放性实验室，为学生参加各类学科竞赛、科技创新活动、自主实验、参与大学生研究性与创新性实验项目、参与教师科研项目提供实践平台。如学生可进行计算机虚拟流体力学实验、利用flunet软件模拟火灾发生时烟气流动过程。开放性实验可锻炼学生创新能力。

4结论

1）安全工程专业“流体力学”课程作为一门学科基础课，其教学改革应以专业能力需求为导向、学生能力培养为目标，引入CDIO理念进行教学改革，可提高学生创新思维能力、系统思维能力、和工程能力的培养，提高学生的工程意识及大工程观。2）基于CDIO理念的“流体力学”课程教学改革应注重学生主体作用的发挥，以学生为主体、教师为主导，采用问题学习的形式进行教学，培养学生用基础理论分析、解决实际问题的能力。3）在“流体力学”课程教学改革中，应注重实验教学环节，实验教学除了基本的基础验证类实验外，组织学生做一些综合性、设计性、开放性实验，教学中注重学生团队协作能力，人际交往能力和创新能力的培养。

参考文献

[1]顾佩华,等.重新认识工程教育一国际CDIO培养模式与方法[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]张景钢.基于CDIO的创新型安全工程培养方式研究[A]//安全科学理论与创新[C].郑州:郑州大学出版社,2016:92-96.

[3]赵庆贤,葛秀坤,毕海普,等.“变焦式”教学法在专业基础课程教学中的应用[A]//第26届全国高校安全工程专业学术年会论文集[C].北京:气象出版社,2014:262-265.

[4]王海江,彭静,杨玲,等.CDIO模式下的信号处理课程群建设[A]//2009年中国高校通信类院系学术研讨会文集[C].北京:电子工业出版社,2009:593-596.