流体动力学基础范文
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篇1
[关键词]流体动力学 教学内容 考核方式 改革 桥梁作用
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）06-0117-02
流体动力学的发展动力是生产的发展和需要，它的任务就是解决科学研究和工农业生产中遇到的有关流体流动的问题。因此，流体动力学涉及的技术部门较多，除了航空、水利之外，还涉及机械、动力、航海、冶金、建筑、环境等技术部门。[1]同样，流体动力学作为高等学校一门专业基础理论课程，所涉及的专业领域也较多，对各专业的多门后续课程的学习都有着重要的影响。流体动力学具有理论不易掌握、概念多而抽象、难以理解、易混淆、对高等数学知识要求高等特点。如果学生的高等数学知识薄弱，更容易造成“教师难教，学生难学”的现象。[2] [3]国内外学者在流体动力学课程教学方法改革方面做了较多的探讨和研究。[4] [5] [6] 而且，流体动力学理论性较强，但并非纯理论课程，它与工程实际是息息相关的。基于此，笔者根据流体动力学教学、设计及科研经验，就流体动力学教学内容及考核方法方面的改革进行了研究。
针对流体动力学课程的特点以及教学过程中普遍存在的问题，本文首先明确了流体动力学教学内容及考核方法改革的目标：各高校应该根据自身办学等条件，注意优化整合教学资源，注重理论教学融入实验教学的思想，在教学内容设计、教学方法手段、考核方式方面，应在一定程度上突出学生的主体作用，建立良好教学氛围，提高学生学习的主动性，培养学生热爱科学、积极创新的思想和素质，真正使流体动力学这门课程起到从基础理论到工程实际应用的桥梁作用，为学生后续的专业学习打下良好的基础。
一、教学内容
（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，其模块化形式如图1所示：
图1 模块构建示意图
从图中可以看到，“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
流体动力学的学习对于学生后续专业基础和专业课程的学习是非常重要的，作为一名优秀的教师，应该在教学实践过程中，不断地总结、反思所授的课程，而且要注意针对学生的特点，不断改进和完善教学方法，帮助学生学好课程，同时还应起到育人的作用。
[ 注 释 ]
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[6] 周滔.热能动力专业《流体力学泵与风机》课程改革的基本思路[J].电力职业技术学刊，2009（4）：41-42.
[收稿时间]2014-12-28
篇2
基础研究往往需要经历从原理到实验室技术实现再到工业化产品的漫长过程，最终才能造就重大创新。作为此次获得一等奖的基础研究项目，“纤维/高速气流两相流体动力学及其应用基础研究”便经历了化茧成蝶的漫长蜕变。该项目由东华大学纺织学院郁崇文教授及其团队潜心研究16年完成，16年磨一剑，为纺织技术创新固本强基。
自上世纪80年代以来，高速气流在纺织行业内逐渐得到广泛应用，但业内对纤维/高速气流两相流体动力学的基础研究还相对薄弱，难以为高速气流技术的纺织应用提供有力的支撑。在这种背景下，项目研究团队于1995年起，在国家自然科学基金委、教育部和上海市等科研计划项目的支持下，围绕纤维/高速气流两相流动力学开展了系统的研究工作。目前，该项目已通过评审验收，研究工作的总体水平达到国际先进，形成了数项自主创新成果，主要表现为以下4 个方面。
针对纤维/气流两相流动中的刚性圆柱杆和椭圆形颗粒模型无法体现纤维柔性和弹性特征的不足，构建与完善了基于柔弹性特征的“珠-杆”链式纤维模型和基于有限单元法的纤维模型，新模型不仅可合理描述纤维的位置与取向，同时可有效表征纤维的弯曲、扭转、拉伸等变形情况。
实现了纺纱喷嘴内高速气流场流动特性的数值模拟与实验测试。国内最早采用计算流体动力学（CFD）技术对纺织工艺中（如喷气纺纱喷嘴内）高速气流场特性进行数值模拟研究，并通过激光多普勒（LDV）技术和同粒子成像测速（PIV）技术以及高速摄影等实验流体力学方法进行了测试，获得的结果更加真实、可靠。
揭示了纤维在高速气流场中的耦合作用特性与运动变形规律。采用拉格朗日-欧拉法构建了纤维/气流的耦合动力学模型，在国际上首次实现了纤维在喷气纺、喷气涡流纺、气流减羽等喷嘴中运动的数值模拟，获得了纤维运动、变形特征及其与高速气流场的相互作用规律。
理论成果的应用研究。借助基础研究成果，对喷气纺与喷气涡流纺加捻成纱工艺进行了系统优化，并研究了气流喷嘴减少纱线毛羽的机理，实现了对成纱质量的预测，设计开发了具有自主产权的纺纱喷嘴；模拟了熔喷聚合物纤维在高速气流场中拉伸成形过程，并设计出新型熔喷非织造模头。
篇3
关键词：汽车；空气动力；计算流体力学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）20-0180-03
流体力学是人们在利用流体的过程中逐渐形成的一门学科，它起源于阿基米德对浮力的研究，由于数理学科和流体工程学科相互推动而得到发展[1]。现如今已经成为航空航天、车辆、机械、环境生物等工程学科的基础之一。通过对流体力学的基础理论的学习，结合汽车工况，发现流体力学在汽车设计中具有重要的应用。
汽车自19世纪末诞生至今，汽车工业以惊人的速度发展。当今21世纪科技突飞猛进，汽车工业已成为与人类生活息息相关的时代骄子。近年来，国家加大交通设施的投资建设，高速公路、高架桥等交通网络四通八达，不仅缩短了城市之间的距离，更极大地改善了人的日常生活。为减少汽车的能耗、汽车的操纵稳定性以及改善汽车的动力性，对汽车设计中的安全性、环保性提出了更高的要求[2]。为此，本文以流体力学基本理论，对汽车行驶时的空气阻力、汽车表面受到的压力、气动升力、气动侧力等不可忽视的关键因素进行理论分析，探讨流体力学在汽车研究方面的应用。
一、基于流体力学的汽车空气阻力分析
汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力主要分为摩擦阻力和压力阻力，期中压力阻力约占空气阻力的91%，成为汽车阻力的主要作用。空气作为流体，具有粘性，根据牛顿定律，粘性流体在流动过程中层与层之间存在相互作用，空气在车身表面产生的切向力即为摩擦阻力，这是合力在行驶方向的分力；而作用在汽车车身表面上的法向压力的合力称之为压力阻力，可分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。其中，形状阻力是压力阻力的主要部分，并与车身形状有直接关系，是影响空气阻力的主要因素；干扰阻力是车身表面凸起物引起的气流干扰而产生的阻力，只占压力阻力的14%；内循环阻力（12%）是空气流经车体内部时构成的阻力；诱导阻力（7%）也叫压差力，是由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度，使得车底的空气压力大于车顶，从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压力差[3，4]，如图1所示。
空气阻力是影响燃油消耗的重要因素。最大限度地减小整车空气阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同时也能减少排放并降低使用成本[5]。有试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。因此，减小空气阻力主要依赖于空气阻力系数的减小[4]。目前，汽车空气阻力的计算或仿真多以流体仿真为基础，从动力学理论出发，利用相应的物理模型，建立相关流体运动模型。采用的软件有PowerFLOW、FLUENT、CFD等。多年以来，PowerFLOW分析软件是汽车行业中空气动力学的重要工具。利用此软件可以分析整车的总体空气阻力数据外，也可以充分利用流场数据，研究环绕整个车身的空气流体动力学行为，研究阻力的细化、量化等，以此来指导汽车设计并优化[5]。
二、基于流体力学的汽车表面压力分析
汽车行驶时，前方气流首先与车身前部作用，使气流受阻，降低速度，在气流压力作用下，车头前部形成一个正压区，汽车周围的压强分布如图2所示。这部分气流分为两股，一部分通过发动机罩、前挡风玻璃、驾驶室顶向后流去；另一部分，通过车身下部，向车尾流去，如图2 b）中所示。流向上方的这股气流在流经车头上缘时，由于缘角半径相对较小，气流来不及转折，导致局部分离，所以在上缘角附近存在很大的吸力峰。随后，气流又重新附着在发动机罩上。
传统的汽车外形设计、压力分析等以风洞实验研究为主，实验成本极高[4，6]，对汽车外形的气动特性研究十分困难。计算流体力学（CFD）是流体力学的一个重要分支，以计算机科学、数值计算方法的发展为基础，是流体力学理论分析、计算科学及数值计算方法共同发展的产物。伴随着CFD方法的不断发展、进步，利用CFD软件分析汽车气动性能成为可能。采用这一软件对空气动力学的计算，能够较为精确地分析汽车三维外流场，准确的研究汽车表面压力，可以帮助工程技术人员直观、深入地分析汽车气动特性；更重要的是相对于实验分析，CFD软件研究可以缩短汽车设计研发周期、降低成本。
三、基于流体力学在气动升力分析中的应用
汽车气动升力的来源与机翼类似，由于汽车是在地面上行驶，地面效应是影响汽车气动升力的重要因素。汽车气动升力包括压差升力和粘性升力，其中压差升力占主要部分。压差升力一方面是由于汽车上下表面曲率不同，形成上下表面压差产生；另一方面是由于地面效应，汽车底部和地面之间形成了一个类似于渐缩喷管的气流通道，使得汽车底部形成负升力。
研究表明，当汽车速度超过70km/h，车身所受的气动力成为影响汽车性能的主要因素之一[7]。汽车在行驶中，气动升力随车速的提高，对汽车的稳定性和经济性有一定的影响。气动升力的存在降低了汽车轮胎对地面的压力，影响了汽车的动力性和制动性能；同时，气动升力的存在降低了轮胎的侧向附着力和侧偏刚度，从而影响了汽车的操纵稳定性[8]。
当汽车高速行驶时，气动力对汽车各性能的影响占主要地位。随着汽车速度的增加，汽车的滚动阻力受气动升力的影响逐渐减小；而汽车的气动阻力则随着车速的增加迅速提高。研究表明，当汽车车速为70km/h左右时，汽车所受的气动阻力和滚动阻力几乎相同。当汽车车速大于150km/h后，所受的气动阻力是滚动阻力的2―3倍。显然，汽车高速行驶时，气动升力的影响则更为显著。所以为了保证安全，对高速行驶时的气动升力提出了更高的要求[9]。
空气作为汽车受力分析中的主要流体，在流过汽车车身的整个过程都受流体质量守恒、动量守恒和能量守恒等流体力学的支配。计算流体力学就是通过这些基本的控制方程来分析汽车周围流场中空气的运动。在理论方面，对气动阻力和气动升力的研究是根据伯努利提出的“路径理论”为基础进行分析[10]，这一理论基础便是流体动力学，理论中要充分考虑雷诺数、流态等基本流体动力学要素；在数值计算上，也主要是基于气动力学计算的流体模型进行分析。当今社会，车辆的设计速度和公路允许的行车速度越来越快，所以解决高速行驶时发飘的问题是非常有必要而且是保障驾驶安全的重要举措。
四、流体力学在气动侧力分析中的作用
危险不一定来自背后，危险也会来自侧面。在高速下发生的交通事故，除了气动升力的作用外，还有相当一部分是由于气动侧力的作用。当气流与汽车的纵对称面平行时，是不存在气动侧向力的。但在汽车实际行驶中，气流不会总是与汽车的纵对称面平行，当气流与汽车存在横偏角时，汽车都会产生气动侧向力。也就是说侧向力的来源就是由于受到了侧向气流的作用。在实际h境中侧向来流的来源比较复杂，如自然界阵风、汽车驶过大桥、车辆超车等情况。
气动侧力对汽车性能影响的研究是一个较广泛的领域，而且对汽车主要性能有着不可忽略的影响[11]。汽车受侧向风时，在车身侧板处就会产生强烈的气流。这一气流的存在不但破坏了驾驶室与车身之间正常的小涡流状态，而且还会形成旋涡稠密气流区，增大车身正前方的阻力，使汽车相对原直线行驶方向发生偏移，造成潜在危险[12]，因此，气动侧力也是汽车设计中必须分析的一个重要因素之一。
自然界中的侧向风变化非常复杂，侧风的方向、波长的变化等都对流场产生重要影响，所以气动侧力的分析相对更加复杂。采用复杂的风洞实验方法可以对侧风进行研究，但利用风洞实验再现汽车遇到侧风的复杂工况是非常困难的。而采用计算流体动力学（CFD）方法研究瞬态侧风是非常有效的，且能够提供更多的瞬态变化信息，可对实际行驶过程中的汽车气动性能进行更深入的研究[13]。
五、结语
流体力学相关理论及对应的软件在汽车研究设计中的应用受到越来越多的关注，不但可以节约成本、优化设计效果，相关软件的使用也使设计更科学、安全、环保和人性化。现代汽车设计中，车辆的设计速度和公路允许的行车速度越来越快，空气阻力是影响车辆动力性、燃油经济性等汽车性能的重要影响因素，汽车的安全性能是当今人们高质量生活水平能得以保证的前提。充分利用流体力学在汽车空气阻力、压力、气动力等方面的应用来提高车辆各方面的性能。流体力学与汽车设计相关知识的交叉，将对汽车实车造型与分析评价产生重大影响，逐渐成为汽车产品开发、设计的主要理论知识。
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篇4
【关键词】理想流体 伯努利方程 稳定流动
一、概述
伯努利方程是理想流体作稳定流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流管中任意截面位置处的动压和静压之和为一个常量。这个理论是由瑞士数学家D.（Bernoulli，Daniel）在1738年提出的，当时被称为伯努利原理。后人又将重力场中欧拉方程在定常流动时沿流线的积分称为伯努利积分，将重力场中无粘性流体定常绝热流动的能量方程称为伯努利定理。这些统称为伯努利方程，是流体动力学基本方程之一。
对于重力场中的不可压缩均质流体，伯努利方程为：
式中p、ρ、v分别为流管中任一截面处流体的压强、密度以及流速；h为截面所处的高度；g重力加速度。
从能量的角度来理解伯努利方程，则上式等式左边从左向右依次表示为单位体积流体的压强能、动能和重力势能，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。显然，二、推导思路及注意的问题
（一）推导思路
从作功和能量的转换关系出发，结合图1，假设流体从左往右流（图1所示为从下往上）对伯努利方程的推导思路总结如下：
1.首先，需要对研究对象（一段流体）进行受力分析，如果用功能原理来推导，则重力当成是内力不需考虑，但若用动能定理来推导的话，则需要考虑重力，它是属于外力范畴的。很明显，除了重力以外，流体还受到了来自周围流体或管壁的压力及前后流体的压力作用。
2.接着在1的基础上，再对各力的作功情况进行分析，即在所有的外力中，哪些力是作功的，哪些是不作功的，由于功是有正负之分的，所以在作了功的外力中，还要分清楚哪些力是作正功的，哪些是作负功的。在图1中，重力作负功，周围或管壁所施的压力垂直于流管的侧面，因此是不作功的；来自后面流体的压力起到推动流体往前流动的作用，因此作正功，而前面流体起到阻碍流动的作用，因此其施加的压力在流动的过程中是作负功的。
3.接着在完成步骤2后，把每个外力作功的结果用数学表达式表示出来，即可得出“净功Δw”，注意它是所有外力所作功的“代数和”。
4.根据功能原理或动能定理写出最后的结果。
（二）需注意的一些问题
1.我们在理想流体流动的空间中取出一段流管，为什么假设流体是从下往上流而不是从上往下流的呢？因为如果取成从上往下流的话，很明显，由于流体是理想流体，在流动的过程中，流体之间是不存在摩擦力的，这样势必会存在一个往下的加速度，从而使得流体加速流动，也就是说，这样的结果是为：不能保证在同一个位置不同的流体粒子前后不同时刻经过该位置时，保持流速是不变的。换句话说，这样的流动并不是稳定流动。
2.运用动能定理的时候要注意，Δw=Ek2-Ek1，其中（Ek2-Ek1）表示的是该段流体末初两状态的动能差，图中所示的v2和v1分别表示的是y和x这两个位置处的截面处的平均流速，它们不能代表整段研究流体的总的末初两态的平均流速，所以不能直接利用动能的定义式 来表示该段流体所具有的初末两态的动能。但是（Ek2-Ek1）最终写成与 是相等时，而这里的m则表示的不是整段流体的质量，而仅表示为xx′或yy′段流体的质量，这两段流体的质量和体积都是相等的。
3.图中所示的h1和h2表示的是x和y两个位置截面所处的高度，它们并不能代表所研究的这段流体的初态和末态的重心高度。所以写重力作功表达式的时候得注意，不能直接利用重力势能的定义式mgh来表示初末态的重力势能。但重力所做的功的最终结果表示为（mgh1-mgh2），这里的m与上2中的意思相同。
三、结束语
伯努利方程在流体动力学中非常重要，虽然它的对象是针对理想流体的，是理想流体就需满足两个绝对化的条件：①绝对不可压缩；②完全没有粘性。而对于实际的流体而言，并不完全满足以上两个条件，但是在压缩性和粘性都很小的情况下，实际的液体或气体可近似看成是理想流体，当它们作稳定流动时，伯努利方程同样是可以用来描述其运动规律。文章针对伯努利方程的推导思路进行了分析总结，并从细节方面对需注意的地方进行了探讨。
参考文献
[1]徐爱英.伯努利方程的推导.科技信息
[2]陈燕黎.伯努利方程的原理及运用浅析.漯河职业技术学院学报
篇5
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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[关键词]混合时间 计算流体动力学 数值模拟 搅拌桨
中图分类号：F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0292-01
1.模型
随着计算机技术的发展，国内外许多学者利用计算流体动力学（CFD）的方法对液体的混合过程进行数值模拟[1]，研究混合池内混合液的速度场、压力场与混合时间。利用FLUENT软件中标准的k-epsilon双方程模型对均匀转速为300r/min搅拌桨混合由无机相与有机相组成的混合液的混合时间进行数值计算，分析层间距为131mm，133mm，135mm，137mm，139mm，141mm，143mm，145mm，147mm，151mm时混合池内液体的混合时间，确定混合时间最短时的层间距。搅拌桨如图1所示的双层桨叶结构，底层桨叶距混合池底部为40cm，上层平直桨叶长150mm，高70mm，厚度8mm，底层圆直径140mm，轴直径40mm，混合池的有效容积为150L。
2.模拟的方法
2.1 网格划分
运用FLUENT中的两相流模型，以水作为无机相与萃取剂P507作为有机相组成混合液模拟混合过程。P507是一种酸性磷型萃取剂，为无色或油状透明液体，分子式是（C8H17）2HPO3，分子量为306.4，燃点为228 C，低毒，密度（20C）=（930～960）kg/m3，粘度=36±3mPa.s。将整个模型计算域分为旋转流动的桨叶区域和静止的桨外区域，采用非结构化网格技术划分网格，设定网格单元（Elements）为Tet/Hybrid，划分方式（Type）为TGrid（四面体混合网格），桨叶区的网格间距大小（Interval size）为13mm，桨外区的为26mm。整个混合池的网格划分如图2所示。
2.2 加入示踪剂
模拟计算时通过测量某一个监测点的示踪剂浓度值达到最终稳定值的95%所用的时间来表示混合时间。用FLUENT模拟计算示踪剂浓度随时间变化的过程是一个非稳态问题，目前的计算方法有两种[2]：一种方法是在非稳态下同时求解所有的数值方程，这种方法的缺点是计算量大，占用内存和计算时间大；另一种方法是将动量守恒方程、能量守恒方程分开单独求解。这两种方法虽然计算过程有所不同，但所得到的结果却是一致的，本文考虑到第二种方法可以大大地缩短计算时间，所以采用第二种方法。具体的做法是：首先在稳态下解算流动场方程，待流动场稳定后，再锁定动量、湍流变量等数值方程，单独求解浓度场方程。一般情况下选取能与水互溶的NaCl或KCl[3]作为示踪剂，本文选取NaCl作为示踪剂。
2.3 条件与模型的设置
确定好示踪剂的加入点位置后，就可定义示踪剂的初始浓度，利用FLUENT软件初始化功能中的打补丁功能（Patch）。具体的做法是：定义球体内示踪剂初始浓度值为1，定义混合池内其余位置示踪剂浓度值为0。检测某一监测点的示踪剂浓度值变化，混合时间为当浓度值达到最终稳定值的95%所用的时间。
模拟混合过程时还要启用FLUENT软件中的物质传递模型（Species Model），激活组分运输项（Species Transport）计算示踪剂浓度随时间的变化，进行单纯的混合时不激活反应项（Reactions）。
2.4 收敛残差设置
在解算方程时，用残差表示模拟计算得到的近似值与精确值之间的误差，根据需要，设置示踪剂浓度的收敛残差为10-5。
设置好收敛残差后就可设置时间步长，根据混合过程模拟的需要选择合适得到时间步长以保证结果的准确性，步长太大会导致解算方程不收敛，太小则占内存且计算时间长。有许多学者的研究结果表明，时间步长与搅拌桨转速及混合液流动的循环时间有关，并且与搅拌桨转速的倒数存在一定的比例关系，一般小于转速倒数的1/10[4]。本次模拟混合过程时搅拌桨的转速是300r/min，因此时间步长取0.0002s。
3.结果分析
3.1层间距改变时混合时间比较
液体的混合过程是在完全湍流状态下进行强制对流的强制扩散过程，高速转动的搅拌桨叶轮把机械能传递给混合液，使混合液发生强制对流。强制扩散由三个过程组成：主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散。转动的叶轮带动液体形成全池范围内的“宏观流动”称为主体对流扩散。高速流动的液体通过静止或者速度比其较低的液体时，使分界面上的液体受到强烈的剪切，导致这部分液体速度变化非常快，形成大量的漩涡迅速向周围扩散，即涡流扩散。主体对流扩散和涡流扩散都不能使液体达到完全意义上分子的均匀混合，只有分子扩散才能使液体达到完全混合均匀的状态。
表1给出了搅拌桨不同层间距时在底部FB加料，P2检测时的混合时间。层间距的改变直接影响到液体的混合时间，层间距为141mm时，示踪剂扩散速率最快，混合时间最短，由此可以得到本次模拟所用的搅拌桨有一个对应混合时间最短的最佳层间距是141mm。需要指出的是，混合时间只是在特定条件下的模拟值，除了与搅拌桨转速有关之外还与模拟时所选的湍流模型、变量的离散方法等有关，用多重参考系法和标准模型模拟的混合时间比试验值大20%左右[6]。但是同等条件下的模拟结果还是能够反映搅拌桨的混合速率。
4.结论
本文利用FLUENT中的MRF方法和标准模型模拟研究了双层桨搅拌池内的混合过程，得到如下结论：
（1）模拟了10组层间距不同时双层桨的混合过程，模拟结果表明：层间距不仅能够影响池内液体的流场分布状态，而且对加入的示踪剂扩散速率也有很大影响，也就是说直接影响液体的混合时间。
（2）选取了层间距为131mm和141mm时的搅拌桨在同一加料点不同时刻同一时间点的示踪剂浓度分布图，从图中可以直观看到示踪剂在不同时刻的扩散状态。对比同一时间点两个桨池内的浓度分布图，可以直观地看到层间距为141mm时，示踪剂浓度扩散速率更快，混合过程更迅速。
（3）对比FLUENT模拟得到的几组数据可知：搅拌桨层间距为141mm时的混合时间最短，即最佳层间距为141mm，这个层间距的搅拌桨转动液体产生连接流，上下两层桨叶的干扰最小，液体混合效果最好。
参考文献
[1] 王福军.计算流体力学分析[M].北京：清华大学出版社，2006.14-34
[2] 张国娟，闵健，高正明.涡轮桨搅拌槽内混合过程的数值模拟[J].北京化工大学学报，2004，6
[3] 温文.搅拌釜式反应器计算流体力学模拟[D].江苏：江南大学，2008
[4] 杨锋苓.摆动式搅拌流场与混合过程的数值模拟[D].山东：山东大学，2007
[5] 毛德明.多层桨搅拌釜内流动与混合的基础研究[D].浙江：浙江大学，1998
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HyperWorks是Altair公司CAE核心软件，是一套杰出的企业级CAE仿真平台解决方案，它整合了一系列一流的工具，包括建模、分析、优化、可视化、流程自动化和数据管理等解决方案，在线性、非线性、结构优化、多体动力学、流体动力学等领域有着广泛的应用。作为平台技术，HyperWorks始终遵循开放系统理念的承诺，在其平台基础上坚持为客户提供最为广泛的商用CAD和CAE软件交互接口。同时，Altair获得专利的按需使用的灵活的软件授权模式，为用户增加软件使用的灵活性和投资价值。
目前，HyperWorks包含的产品模块主要有：HyperMesh/HyperView/HyperGraphHyper Crash、MotionView、HyperMath、solidThinking、SimLab、RADIOSS、AcuSolve、OptiStruct、HyperStudy、MotionSolve、HyperForm、HyperXtrude等。
1.HyperMesh
HyperMesh是全球知名的顶级CAE前处理工具，问世20多年来得到不断的丰富和完善，适应日新月异的硬件环境和日益增长的模型规模需求，其开放、灵活的特性受到广泛认可。现在，HyperMesh作为市场占有率最大的高端前处理工具，被汽车、航空航天、铁道、电子、船舶、重型机械、包装和土木工程等众多行业认可，同时也为生物医学、纳米材料乃至文物保护等基础研究科学提供了杰出的工具。
2.HyperView
HyperView是目前全球图形驱动速度最快的CAE仿真和试验数据的后处理可视化环境之一。它拥有全面的图形处理和数据处理功能，可以用于处理有限元分析、多体系统仿真和试验视频的结果可视化，并支持对实验及仿真等工程数据进行各类处理。其惊人的三维图形处理性能和开放的接口，为CAE后处理的速度和集成性建立了新的标准。
3.HyperGraph
HyperGraph是一款非常成熟的数据分析和绘图工具。其强大的工程数据分析和处理工具帮助用户从海量的仿真或实验数据中挖掘出最有价值的信息，并为其提供丰富的可视化报表。
4.HyperCrash
HyperCrash是一款专门为自动创建碰撞分析和安全评估中所需要的高精度模型而设计的前处理软件。通过流程驱动的工作流和自动化的模型检查和修正工具，提高了安全性仿真部门的工作效率和仿真结果的精度，帮助用户为最复杂的碰撞和安全分析建立高质量的模型。
5.MotionView
MotionView为分析师和设计者们提供了一个直观而强大的接口来研究机械系统。作为多体动力学仿真市场上唯一的独立于求解器的建模环境，其开放系统设计帮助最终用户简化了定制和自动化的工作，实现高度的自动化或交互式建模。
6.HyperMath
HyperMath是一个通用的数值计算环境，使用户方便地开发和执行定制的数值操作于不同的数据类型，包括与CAE前后处理相关联的数据。它包含一个强大的和灵活的编程语言，全面的数学和工具库，集成的代码开发环境，数据可视化和通用数据格式的直接支持。
7.solidThinking
solidThinking是一款专为设计师打造的三维设计/造型软件，它帮助用户轻松、快速、低成本地探索、评估新创意。目前它已被广泛应用于消费品、首饰配饰、产品包装、家具设计、建筑工程等领域。其中Inspire模块更是面向设计工程师的快速概念创新设计优化软件，其清晰的用户界面及优异的易用性使得几乎没有CAE背景的工程师可以快速掌握，被行业称为“绿色设计精灵”。
8.SimLab
SimLab是面向工作流程、基于先进的特征识别和映射技术的有限元建模软件，可以帮助用户快速而精确地模拟复杂几何体和复杂装配模型的工程行为，减少有限元建模中的人为错误以及手工创建有限元模型和解释结果中的巨大时间消耗。
9.RADIOSS
RADIOSS是精确而可靠的多学科求解器，为企业提品在真实使用环境下的性能虚拟仿真，帮助提升产品的刚度、强度、耐用性、NVH特性、碰撞安全性能、可制造性等，并降低物理实验的成本，提升整体研发效率和质量。RADIOSS融合了线性与非线性结构有限元求解技术、多体动力学仿真技术和流固耦合仿真技术。
10.AcuSolve
AcuSolve是一款领先的基于有限元的通用计算流体动力学（CFD）求解器。它以超凡的稳健性、快速和高精度著称。AcuSolve简单的操作界面，方便各层次研发人员使用，既可作为独立的产品使用也可以无缝集成到现有的设计和分析工具中。
11.OptiStruct
OptiStruct于1993年问世并在次年即获得《IndustryWeek》年度技术奖，随后在过去的近20年中不断证明了其在结构设计领域革命性的创新意义。在航空业，包括Airbus A380、A350、Boeing 787、Dornier 728和F35及国产商业飞机等最新机型的研发全部采用了该技术实现性能提升和减重及复合材料部件优化设计。在汽车、机械和轨道交通领域，OptiStruct则被广泛用于轻量化设计、强度提升、降噪和减振。在建筑与土木工程领域，OptiStruct则被用于寻找最佳的结构布局。在电子和消费品行业，其带来了更轻便和耐用的产品。
12.HyperStudy
HyperStudy是一个开放的多学科优化平台，以其强大的优化引擎调用各类FEA、MBD、CFD求解器，甚至Matlab或Excel等非CAE软件实现多参数的多学科全局优化。其应用领域极为广泛，上至“Aurora”火星登陆器，下至各类快速消费品和体育用品。它帮助工程师和设计师改进设计、进行“Whatif”研究、对试验数据进行相关性研究、优化复杂的多学科设计问题以及评价设计的可靠性和鲁棒性。
13.MotionSolve
MotionSolve采用一种新的具有革命性意义的多体动力学表述技术，代表着新一代的多体动力学分析系统。它为分析人员和设计者提供了丰富的建模要素，可以用最少的假设条件准确地建立复杂的机械系统模型。
14.HyperForm
HyperForm是功能全面的基于有限元的金属钣金冲压成型和液压成型仿真工具，其功能涵盖从工艺过程设计到模具和零件设计的整个过程。
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关键词：《液压传动》；教学；心得体会
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0202-02
《液压传动》是机械工程类专业的专业基础课，对该门课程的掌握情况将直接影响到学生对后续专业课程的学习以及毕业设计，对学生毕业后从事与机械相关的工作也有很大的影响，因此，本门课程在机械类专业课程体系中占有特别重要的地位。笔者在专业课教学、毕业设计、实习等教学环节中，常常发现很多学过《液压传动》的学生对《液压传动》的相关知识掌握地并不扎实，甚至有些学生对液压传动的基本概念都不清楚，学生普遍反应《液压传动》是一门比较难学的课程。其实，《液压传动》的理论基础就是流体静力学和《流体动力学，流体动力学相对难理解一些，但本科的《液压传动》教学涉及到流体动力学的地方很少，这部分内容课堂上一带而过即可，流体静力学的基础知识就是帕斯卡定律，学理工的学生都很容易掌握，所以《液压传动》应该说并不难学，学生之所以没学好，我认为是这门课程有一个显著的特点，即实践性强，而学生恰恰没有这方面的实际经验，导致理解困难，因而教师在教授这门课程时，必须要采用与课程特点相适用的教学方法才能让学生容易理解并提高对这门课程的学习兴趣[1]。下面分享几点笔者从事多年《液压传动》课程教学的心得体会。
一、讲好绪论
绪论这一讲开好头，对后续的教学有极大地促进作用，在这一讲要达到以下几点教学效果：（1）让学生掌握液压传动的基本概念和基本原理；（2）了解液压传动的特点、发展和应用；（3）提起学生对本门课程的兴趣。
在讲液压传动的基本概念和原理时，我首先告诉学生传动的三种类型，即机械传动、流体传动和电气传动。液压传动是流体传动的一种，是目前工程实际普遍应用的一种形式，这样学生对本门课程就有了一个总体上的概念，然后通过“液压千斤顶”这个简单的例子把液压传动的基本原理讲清楚、讲透。通过液压传动基本原理的讲解，引出液压传动的特点及其发展和应用，特别是在工程机械、智能机械等学生比较熟悉和感兴趣的领域的应用，同时结合自己的科研项目，指出机械产品机电液一体化的发展趋势。为了让学生了解液压产品的发展现状，笔者在课堂上登陆了力士乐、阿托斯等代表国际先进液压水平的知名厂商的网站，浏览其产品。由于学生对工程机械相对了解一些，便以工程机械的行走马达、操作阀等关键元件的国内外价格差距和质量差距为例，指出国内与国外先进液压技术水平的差距，激发学生的学习热情和兴趣。
二、注重实验和联系工程实际
《液压传动》是一门实践性很强的课程，而学生基本没有相关的实践经验，因而在课程教学中要尤其重视实验课，注重与科研和实际的结合，这样学生才能对所学内容有感性的认识，明白所学知识的用途。在讲“压力单位兆帕”时，为了让学生有一个直观的概念，给他们看了一个用10MPa高压水切割岩石和水泥的实验照片（如图1所示），并提醒学生在以后从事液压实际工作时，要注意安全，切记要先让系统卸压再维修。再比如，讲“滑阀中位机能”时，要让学生深刻理解不同种类滑阀中位机能的特点、作用及正确选用，因此举了一个滑阀机能选用不当导致液压元件损坏的例子：学院的实验室有一个液压马达驱动大惯量飞轮的液压实验系统，马达的换向和停止采用一个三位四通电磁换向阀，做了几天实验后发现液压马达漏油严重，刚开始还以为是马达的质量问题，后来才发现是因为换向阀选了“O”型中位机能，换向阀由左位或右位打到中位时，马达进出油口被封死，转动的大惯量飞轮也被迫停止，导致液压系统产生了很大的液压冲击，马达密封被破坏，发生了漏油现象。笔者所在学校――中国矿业大学的各专业都有很强的矿业特色，在讲“典型液压系统”时，一般都是结合自己的科研项目，补充两个典型煤矿机械的液压系统，以开拓学生的视野，同时为后续《采掘机械》等专业课程的学习和毕业设计打下基础[2]。
上实验课是学生能够见到液压元件实物并自己动手操作和验证所学知识的主要途径，因而要特别重视实验课的教学，作为任课教师必须至少要带一组实验。为了提高实验课的教学效果，我要求学生每次实验课前要认真预习实验指导书，对难点问题，在课堂上预先讲解，这样学生对实验步骤和实验原理就比较清楚了，否则在实验课上教师怎么说学生就怎么做，会使学生不知其所以然，实验课的效果就大打折扣了。每次实验结束后，要求学生及时做实验报告，通过批改，对实验报告中反映出来的共性和难点问题进行详细讲解，必要时把关键问题在下次实验课上再进行验证。回路组合实验是要求学生自己动手组装回路的实验，我要求每个学生都要动手，在做完实验后，谁的手上没粘液压油，则该次实验不合格，从而鼓励学生在实验室搭建并验证自己设计的液压系统。
由于本门课程是大约一百名同学的大班课，把课堂教学放到实验室不现实，而实验课学时又不充裕，为了让学生对所学知识有直观地认识，我每次讲新的内容时，都从实验室拿几件相应的液压元件到课堂上，课前让学生先观察，课堂上再对照具体实物进行讲解，有效弥补了实验课教学学时不足的问题。
三、有效利用多媒体教学手段
本门课程和工程实际结合紧密，因而在教学中要尽量的把所讲内容具象化。在讲“液压传动的应用”时，给学生展示各领域液压设备的照片，有的还播放了视频；讲“各种液压元件”时，我也会播放相应典型产品的照片和视频。
液压元件的内部结构和工作原理在课程中占有很大的比重，这部分内容讲不好学生会感到枯燥无味，难以理解。对这部分内容，笔者一般结合液压元件的结构图和工作原理动画来讲解，利用结构图总结出液压元件的主要结构特点，再结合动画讲解其工作过程和工作原理，这样学生就很容易理解了，而且也提高了讲课效率。
如果学生对液压基本元件部分的知识掌握地不够扎实，液压基本回路和典型液压系统这部分内容就不容易理解，即使有的学生对液压元件部分学地比较好，对于复杂液压系统各基本回路间的相互关系和元件动作过程也不容易搞清楚，这部分内容我都用Fluidsim进行了动画模拟。Fluidsim软件是由德国FESTO公司和PADERBORN大学联合开发，专门用于液压、气压传动教学培训的软件[3]。利用Fluidsim做的液压基本回路和典型液压系统仿真程序能够直观地显示液流过程和对元件的工作状态进行控制，这样，不管液压系统多么复杂，其工作过程和原理都能直观地展示出来，不需要学生再想象各元件的动作和状态，对所讲内容很容易理解。
四、考核方法多样，注重过程考核
要让学生学好一门课程，一方面要激发学生的学习兴趣，另一方面也要加强督促，公平、合理考核。本门课程笔者采用了结课考试、实验、小设计和平时成绩综合考核的方式。
为了引起学生对实验课的重视，提高动手能力，实验成绩的评定不仅仅看实验报告，还要看学生在实验课上的表现，比如对动手能力强、清楚实验过程、独自设计液压回路并组装和验证的学生的实验成绩要给高分。除了平时布置作业，我一般还会安排两次过程考核，作为平时成绩的主要组成部分，一次是在课程中期利用一节课的时间安排一次小测验，一次是在课程即将结束时布置一次小的课程设计。课程设计以分组的形式进行，一组一个设计题目，设计的内容一般结合科研和工程实际，要求学生课后查阅资料，按照要求设计好后做出PPT，课堂上以小组答辩的形式考核，这种方式增强了学生的学习主动性，很受欢迎。
五、结语
通过上述教学手段和方法在《液压传动》课程中的应用，培养了学生的动手能力，激发了其学习兴趣，使得学生能更加直观地学习本门课程的内容，理解得更深刻，学习不再感觉枯燥，在学好本门课程的同时，也为毕业后从事相关工作打下了坚实的基础。
参考文献：
[1]赖云英.液压传动课程教学方法浅析[J].中等职业教育，2012，（7）：40-42.
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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。
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篇10
Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.
P键词：CFD技术；液力透平；叶轮；综述
Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0106-04
0 引言
液力透平是针对高压余能进行能量回收并具有长远经济效益的节能装置。伴随国家经济飞速发展，由于存在能源利用率低下、资源消耗过渡的现状，节能装置的开发利用作用更较突显出来。近年来，伴随计算机技术的成熟和发展[1]，在能量回收领域关于液力透平设计的发展有了较大突破，得益于人们对CFD技术的借鉴和应用，人们已从原始数据测量和真机实验延伸到数值模拟和模型试验上，为水力设计带来更有效的研究手段。设计人员伴随CFD技术的进一步完善，可以通过流场特性分析得到的数据，针对液力透平特点进行有效修改，完善透平装置的设计和优化，丰富了液力透平设计的理论和办法。
1 CFD技术概述
1.1 CFD技术介绍
CFD技术是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称[2]，CFD技术的迅速崛起与计算机技术的快速发展密切相关，研发人员经过几十年的探索与开发，使得今天CFD技术已广泛应用到科学研究的诸多领域中，是一门在包含流体力学分析、数值计算方法和计算机图形处理分析的综合技术[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流体运动的基本运动规律的数值模拟。从而通过分析计算结果来近似模拟模型流动区域的流体流动情况。CFD技术由4部分构成，即：数值建模、网格划分、CFD求解和后处理。数值建模是CFD技术的基础，在液力透平设计中以基本参数为参考建立几何模型并计算分析模拟结果得到了直观的参数分析因素，能够真实模拟液力透平内部流场复杂的流动情况，并提供可视化效果，使其科研人员更方便的进行流场运动分析，完善设计中的缺陷。
在流体流动问题的研究中，新兴的CFD技术与过去传统理论分析分析方法、实验校核测量分析方法相结合组成一套完整体系[4]。理论分析方法计算结果虽具有普遍性，但通常是在经验公式和理论的基础上获得的结果，因此所得结果不能保证在各种情况下结果的准确性。试验测量方法通过实验数据结果验证问题，所得到的试验结果真实有效，从而为理论分析和数值方法的研究奠定了基础。然而，试验多受到外界条件限制，所得结果很难与实验理想目标相统一。而CFD技术恰好能有效的解决两者缺陷并在有效时间内完成实验结果的研究和分析，并能精确的描述设备与过程，解决了实验结果数据表现形式的单一性。
利用CFD研究流体运动，对液力透平内部流场进行分析和研究，是泵行业未来发展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且应用到工程实际中需要一定周期，因此开展此项工作必须建立在总结以往的设计方法、经验和科研成果的基础上，结合试验研究并理论联系实际，反复研究整理才能得到合理的设计理论和设计方法。
1.2 CFD技术商业性软件
近些年，CFD技术的迅速发展，使得其在流体力学中应用得到广泛应用，人们意识到在处理相关问题时，它的作用不容忽视。常用的CFD软件有两类，一类是以有限体积法为核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一类是以有限元法为核心，如FIDAP。还有的是将两类方法结合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理论的有限体积法。目前在水力机械中使用最广泛的CFD软件是FLUENT、CFX―TASCflow和STAR-CD[5]。
而CFD技术经过四十年发展，出现多种数值解法。FEM的并行是当前和将来应用的一个不错的方向。对于水力机械，还可计算得到任意两个过水断面间的水力损失、泵的扬程，预测叶轮上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技术精度问题一直困扰研究人员，准确判断其准确性和正确性是有待解决的现实问题。因在处理同一物理问题上所采用的建立几何模型和计算方法的不同，而得到不同的计算结果。
在处理流体流动问题上，商业软件的广泛开发应用极大的推动了针对泵技术研究和优化问题，有效的缩短在实验研究阶段因对泵内部流场分析数据手段不足而限制研究进度，进而增强设计研发人员的主观能动性。
1.3 CFD技术应用现状
目前对液力透平的研究，仍多以泵反转式透平为主，由于反转泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的结构优化显得尤为重要。国内学者杨军虎、袁亚飞等在泵反转做透平以及结合CFD技术对液力透平的研究为泵技术的理论成果提供了大量技术资料与经验，其中通过对叶片泵增加导叶和优化叶片等措施，实现了不同工况条件的液力透平效率的改善。国外学者则通过对水轮机的研究，利用CFD技术对比实验所得数据对液力透平及透平泵的改进提出了可贵意见。
由于CFD技术可以结合目前三维软件模型进行数值模拟，通过对三位实体模型的网格划分与求解，在CFD后处理软件中可以通过强大的数据分析与可视化操作，将液力透平的传统设计进行全新的系统升级，改善了以往实验型结果分析单一性，大大缩短了在设计过程中的时间与物力人力消耗。王福军在CFD软件原理与应用中详细介绍了CFD技术在当前各领域的运用与扩展。袁寿其、刘厚林等学者通过总结泵类流体机械研究进展与展望，对现代泵理论的研究具有重要意义[6]。
目前在湍流模型的选择中，FLUENT软件提供了标准的k～ε模型、k～ω模型、雷诺应力模型（RSM），不同的湍流分析应选择则合适的湍流模型[7]。而在流体分析计算中由于计算流体力学流场实验研究难度和耗费均比较大，因此在有些使用过程中不能对计算结果和计算精度做出深入研究，而是修正验计算结果，所以使CFD计算的准确缺乏可信度。另外在CFD使用过程中缺少认识和深入理解，无法针对软件缺陷提出可靠性建议，在软件二次研发上不能有所突破。目前使用的网格主要有结构化网格、非结构化网格以及混合网格等[8]。并且在划分网格的使用中，针对非结构化网格的流体粘性解决办法不能有效解决，是当前CFD技术应用面临的困难问题。
2 叶轮设计分析
2.1 建立方程和建模
第三步如图3所示进行网格化分，设置相关参数，其节点为120598，单元数有153386，并在ICEM CFD中进行边界设置，主要以进出口与壁面为主。
完成相关操作后，在FLUENT中进行计算求解，本模型选择稳定性好与计算精度高的标准k～ε模型，选择介质为清水，给定进口速度为4.5m/s，进口初始压力4.8MPa，出口压力为10MPa。
如图4所示设置求解参数，并选择SIMPLE算法，初始化流场参数，保存文件并进行迭代计算，观察分析结果并保存数据。
由以上迭代残差图分析可得，计算500步后各项数据大致趋于收敛。如图5～图7所示分别为叶轮内部速度大小与矢量，叶轮内部动压力和总压力分布情况。从图7中分析可得，叶轮内部流速均匀，未产生压力过大产生的涡流现象。
2.3 结论及建议
通过对高扬程液力透平叶轮数值建模分析，得出在设计高扬程液力透平过程中，需要对叶轮模型的叶片形状、进出口安放角、叶片厚度做出合理设计[11]，并通过改善液力透平模型的进出口角度以及叶轮转速调节液力透平回收效率，改善高扬程液力透平性能[12]。
进行液力透平设计必须要对内部流场特性进行分析，通过观测表明，水力机械内部流动在多数情况下处于湍流状态，流场由各种不同尺度的湍流涡叠合而成[13]。这些涡具有旋转结构，涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的[14，15]。由于湍流的复杂性，很难通过试验来掌握水力机械内部的湍流状态，而近几年快速发展起来的计算流体动力学（CFD）理论和方法，给我们认识水力机械湍流流动提供了一种新的途径，对揭示水力机械流场流动特性与结构动力特性间的复杂关系，具有潜在的优势。未来CFD技术发展格局，更多面向解决工程实际应用问题，优化计算系统，实现数值模拟和流体分析运算有机结合，实现计算结果的优化，完成对工艺设备的优化升级，在液力透平研究中，实现节能装置的产业信息化，提升二次能源利用率；建立高效、实用、精确、便捷的复杂网格化分技术，实现云计算在CFD技术中的有效应用，将是未来CFD技术的发展趋势；发展CFD集成技术，实现其与CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE无缝衔接，建立一体化平台，针对不同物理量的分析运算建立不同分析模块，提高应用效率；为了提高CFD技术在液力透平研究与设计的应用，应逐步建立评判标准体系。
3 结语
CFD技术发展趋于多元化、高精度、高适应性、集成化与模块化、建立统一的应用发展平台势在必行，在计算机飞速发展大势影响下，CFD技术工程实际应用在不断投入实践，是为社会实现高效、准确的科研实践提供有效措施，逐步带动实现信息化处理产业高速发展。通过对高扬程液力透平叶轮设计分析得出在针对特定工况要求下液力透平关键部件研究为改善能量回收效率及透平发电中有建设性论据，为流体分析计算提供良好的解决方案不断优化科研实践中难题。
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