计算流体力学的特点

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计算流体力学的特点范文第1篇

由于搅拌槽内的流场的流动具有复杂性，目前对搅拌槽等混合设备的设计和经验成分也采用理论计算的方式，在化工领域中，化工工业规模的反应器存在不均匀性等特点，不均匀性随规模扩大而加重，因此，对搅拌槽内部流场进行研究是非常有必要的。虽然许多化学家对化工领域中的搅拌机槽内的流场进行了分析研究，如Harvey等人采用二维模拟计算搅拌槽内流场的流体，但随着技术的不断改革与发展，计算流体力学的引进，改变了以二维模拟的计算方式，计算流体力学的方法不仅可以节约化工研究成本，采用实验手段不能获得的数据，计算流体力学方法也可以获得。Sun等人利用计算流体力学中的湍流模型计算了搅拌槽内的气液两相流动，并且对其进行了三维模拟，通过实验研究表明，计算流体力学的数值模拟能有效的计算搅拌器上部的气体部分，但是，CFD数值模拟也存在一定的缺陷，不能有效模拟搅拌器底部区域。计算流体力学CFD与多普勒激光测速仪LDV有效结合，可以对搅拌装置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光测速仪测量的数据可以准确验证计算流体力学CFD计算的结果，同时多普勒激光测速仪测定特定点的速度也可以作为计算流体力学计算的参考条件。

2.CFD在化学工程换热器中的应用分析

换热器是化学工程中使用最多的设备，通过计算流体力学的计算方式，不仅可以精确、详细的测量换热设备内流场的流动，也可以预测换热器的性能，经济可靠的换热器对化工工业具有重要作用。对于化工中的管壳式换热设备，其内部的几何形状设备结构复杂，利用计算流体力学模拟管壳式换热设备的壳侧流场，进而充分了解管壳式换热设备的壳侧在瞬间变化中的温度场、速度场，CFD的应用有利于分析研究换热器的基本原理和结构构造。

3.CFD在化学反应工程中的应用研究

计算流体力学的特点范文第2篇

关键词 工程流体力学 成人教育 教育对象 互动教学

中图分类号：TB126-4 文献标识码：A

流体力学的研究对象包括液体和气体两大物质形态，流体力学的基本任务是建立描述流体运动的基本方程，确定流体经各种通道及绕流不同物体时速度、压强的分布规律，探求能量转换及各种损失的计算方法。在实际工程的许多领域里，流体力学一直起着十分重要的作用。就某种意义而言，也正是在流体力学的研究工作不断取得成就的前提下，才促进了这些工程领域的大力发展。工程流体力学是在阐述流体力学的基本理论基础上，重点阐述和研究流体力学在工程上的应用，工程流体力学广泛应用于动力、水利、机械、化工、石油、土建、冶金、航空、航海、气象、环境等众多领域，是这些领域相关专业的主干技术基础课程。

1教材与教学内容选取

“工程流体力学”教材种类繁多，但是目前为止还没有一本针对能源类本科成人教育《工程流体力学》教材，笔者通过对多种教材的研读，以及往年成教上课的经验，根据各教材所涵盖的基本理论，及描述流体特性表达式推导过程的深度和难度、教材内容的广度，最终选用杨建国等人编著的《工程流体力学》（北京大学出版社，2010年1月第1版）作为成教热能专业的临时教材。

“工程流体力学”的内容繁杂、学科综合性强，流体力学内容很抽象，偏微分方程几乎贯穿全部课程。流体力学欧拉方法的思路与物理及其它力学不同，学生理解、掌握起来有困难。鉴于成人教育对象数学基础和力学基础相对薄弱的特点，在授课中应尽量避免大量的数学公式的推导和微元的受力分析，把第七章相似原理与量纲分析作为自学内容，在讲解动量定理、动能定理和质量守恒定理时，把输运定理作为主要的公式推导工具，着重强调基本概念和基本原理的学习和掌握。

2授课目标及教学方法

2.1 明确教育目标的职业性和教育内容的实用性

成人教育是以提高社会从业人员的履职能力和适应职业变化能力为目标的教育，其教育内容与职业需求联系紧密，以补充、改善成人的职业知识和技能为目的，实用性较强。

对于成人教育一定要明确教育目标的特点，做到有的放矢，才能起到事半功倍的效果。成人教育对象（以下称为“成人”学生）的特点可以归结为以下几点：

（1）“成人”学生职业性强；

（2）“成人”学生都有固定的工作岗位，有着丰富的实践经验，在某些方面的认识和能力要强于授课老师；

（3）“成人”学生专业基础课，例如数学和物理等的基础知识比较薄弱，很难理解深度较高、难以理解的原理和公式推导；

（4）“成人”学生渴望获取知识，尤其是能帮助其解释工作中遇到的实际问题的理论知识。

总之，授课内容的实用性是教学的关键问题之一，授课内容实用“成人”学生才爱听，效果才好。

3教学手段和教学方法

3.1加强理论知识的讲授

成人教育的对象多数为参加工作多年和未受过正规高等教育的成年人，即“成人”学生，他们又有着丰富的实践经验。从笔者实际函授授课的经验来看， “成人”学生专业基础课尤以高等数学的基础最为薄弱，然而流体力学的主要工具就是数学。

3.2采用导学+启发式方法授课

实行“导学式”教学模式。即，贯彻“学生为主体、教师为主导”的教学理念，在教学中实行启发式教学，充分发挥现代教育技术在提高教学效率和教学质量方面的重要作用。所谓互动式教学，是在教学中教与学双方交流、沟通、协商、探讨，在彼此倾听、彼此接纳、彼此坦诚的基础上，通过理性说服甚至辩论，不同观点碰撞交融，激发教学双方的主动性，拓展创造性思维，以达到提高教学效果的一种教学方式。这种讲课的方式，不是老师一个人讲，而是启发学生思考。

“工程流体力学”基础理论讲解比较枯燥，为了提高教学效果，经常在课堂上提出问题和例题，鼓励学生积极回答，激发学生的主观能动性，从而加深理解。在教学中要把握“成人”学生的独特特点：那就是有自己固定的工作岗位，有着丰富的工作经验，对设备的结构和运行了如指掌，对设备处于非常规运行时有自己的处理方法，但是为什么这么处理他们并不清楚。

4结语

针对热能与动力工程专业“成人”学生的特点，对“工程流体力学”的教学进行了探讨，使课程更适合“成人”学生的特点，扩大了他们的知识面，增强了其主动思考的能力。在今后的教学过程中要进一步探索新的教学方法和手段，不断提高自身的综合素质和专业理论知识，立足学校特色优势，继续努力进行“工程流体力学”课程的建设和探索，以期积累更多的经验和取得更大的成绩。

参考文献

[1]陈卓如等.工程流体力学[M].北京：高等教学出版社，2006.

[2]杨建国，张兆营等.工程流体力学[M].北京：北京大学出版社，2010.

[3]孙恒朱，鸿梅，舒丹.“启发―联想式”教学方法在流体力学教学中的应用[J]. 中国电力教育.2010，（5）.

[4]黄裕华.成人教育要突出“成教化”特色[J].福建信息技术教育，2005，（7）.

计算流体力学的特点范文第3篇

关键词：流体力学；多元化；课堂教学模式

作者简介：张明辉（1972-），女，河北沧州人，山东科技大学机械电子工程学院，副教授；陈庆光（1969-），男，山东临沂人，山东科技大学机械电子工程学院，教授。（山东 青岛 266590）

基金项目：本文系山东科技大学省级机械电子工程品牌专业建设项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0064-02

“流体力学”课程是我国高等院校工科各专业的一门主干专业基础课。该课程是联系前期“高等数学”、“理论力学”等基础课程和后续专业课程的桥梁和纽带，在学生能力培养和知识体系构建过程中起着“承上启下”的作用。[1]当前的“流体力学”主要以经典理论或实验内容为主，教材中包含大量的计算公式及理论推导，这就要求学生具备一定的高等数学知识及较高的综合分析和处理问题能力。但由于大多工科学生数学知识相对薄弱，再加上学生自主学习的能力较差，导致教师难教、学生厌学成为较普遍的现象。如何提高学生的学习兴趣，让学生正确理解和掌握流体力学知识，使“流体力学”课程的教学水平迈上一个新台阶，是教育工作者的责任和使命。许多文献[2][3]为了提高流体力学的教学效果，在课堂教学模式、教学手段、实验教学等方面进行了探讨和研究。通过多年来在“流体力学”教学中的若干思考和实践，笔者提出了构建多元化教学模式的教学理念，即将启发式教学、对比分析法教学贯穿课堂教学中，以加深学生对理论知识的感性认识。同时，为了适应个性化发展和高素质教育，培养学生创新能力，在引导他们熟练掌握基本分析方法的同时，还要教会学生多视角、多层次的分析问题和解决问题。另外，为了提高教学效果，课堂教学中还运用多媒体技术作为辅助教学手段，工程图片、计算机动画和视频素材等各种教育信息使得教学更加生动、直观和多样化，开阔了学生的视野，激发了学习兴趣。

一、启发式教学模式

启发式教学就是让学生充分运用他们拥有的知识和能力去正确比较、分析、综合、判断、概括、归纳和解决问题，探索结论。一方面可以使学生开动脑筋，积极思维，另一方面也能够开发学生的智力，培养学生的能力。笔者在教学过程中将启发式教学贯穿始终。例如，流体微团运动分析是流体力学中的一个难点问题，很多学生对微团运动过程中发生的角变形很困惑。为了让学生更好地理解角变形的原因，笔者将矩形流体微团四个角点的速度全部写出，如图1所示。然后分别用红笔标出C、D点和A、B两点X方向速度的第三项，让学生观察两者的差别，学生很快发现D点比C点、A点比B点在X方向的速度大，这势必产生一个与垂直方向的夹角。接着，笔者又用蓝色笔标出，C、B点和D、A两点Y方向速度的第二项，让学生观察两者的差别，学生很快发现B点比C点、A点比D点在Y方向的速度大，这势必产生一个与水平方向的夹角。这样，学生很自然就画出了流体微团的角变形图，如图2所示。最后，笔者又把问题引申到三维，让学生写出其他两个方向上的角变形公式。这样学生在学习过程中，在理解和接受理论知识的基础上，学会了发现、解决和总结。除了在分析问题时采用启发式教学外，也可以启发学生对所学的概念、理论、公式进行对比，在加深理解的同时找出它们的内在联系和区别。譬如，在推导伯努利积分方程时先让学生回忆流体静力学基本方程。这样学生很快发现两者之间仅相差动能项。从而明白在流体静力学中满足势能守恒，而在动力学中转换为机械能守恒。通过对比分析，学生不但很容易地理解了伯努利方程的物理意义，也对静力学基本方程加深了印象。

二、对比分析法教学

由于“流体力学”课程涉及的知识比较广，如材料力学、大学物理、线性代数、工程热力学、高等数学等多学科的知识，再加上“流体力学”比较抽象，理解起来相当困难。在教学中“流体力学”这门课教师难教，学生难学。为了便于学生掌握流体力学的概念和基本原理，在讲授流体力学知识时，笔者经常采用对比分析教学法，让学生通过思考与对比增强所学知识的连贯性，提高学习效果。由于流体力学是力学的分支，因此力学的定律也适用流体力学，但流体的特性决定了流体力学在与固体力学有千丝万缕联系的同时，又有它独有的一些特性。所以，笔者在授课时会让学生先回忆相关的固体力学知识，再将固体力学定律引申到流体力学当中，让学生轻松地理解和掌握流体力学中的概念和原理。例如在讲授流体静平衡微分方程这一章节时，笔者就会问学生：在理论力学中，如果物体处于平衡状态应满足什么样的条件？学生很自然地想到要所有的合外力为零。然后笔者又会引导学生流体力学的研究对象为流体质点，而流体质点在空间上是很小的，需要对微元体建立平衡方程。换句话说就是微元体要保持平衡，其所受的合外力也需要为零，由此就可得到流体静平衡微分方程。这样静平衡微分方程的物理意义就很直观地展现在学生面前。除了将流体力学和固体力学进行对比分析外，笔者还会将流体力学中的一些概念通过列表的方式进行对比，让学生了解这些概念的异同点。比如，笔者在讲到流体运动学这一章节时讲解两种描述流体运动的方法，就给出了表1。学生借助表格一目了然地看到了拉格朗日法和欧拉法各自的特点。通过对比分析法不但有助于学生理解和掌握流体力学知识，还能让学生将所学知识融会贯通，提高分析问题、解决问题的能力。

三、多层次多视角分析问题

现代教育观念认为，高等教育应当融知识的传授和能力的培养于一体。[4]为了适应个性化发展和高素质教育，培养学生创新能力，在引导他们熟练掌握基本分析方法的同时，还要教会学生多视角、多层次的分析问题和解决问题。为此，笔者除了讲授基本方程、基本定理的推导，还会将问题进一步深化、演绎，将枯燥乏味的理论知识点进行归纳整合，建立学生的哲学思维观。例如，在学习静止流体对平面的总压力这一节时要求学生能够计算总压力大小、方向和作用位置。讲授首先从求解矩形水平面的总压力入手，再延伸到求解矩形垂直面总压力，再到求解矩形斜平面总压力，最后求解任意平面的总压力，如图3所示。这种层层剥茧的讲授让学生不知不觉中掌握了求解总压力的方法和技巧。逐层分析的方法教会了学生如何将一个复杂问题分解，然后再借助已有的知识进行求解，达到触类旁通的效果。同时，为了让学生更加深入、全面地了解平面所受的静压力，讲授时又分别采用了解析法和压力图法进行求解。通过这一章节的学习，学生明白了解决许多工程问题可以从多个侧面、多个视角分析，尽管采用的方法和理论不尽相同，但都可以获得正确的结果，殊途同归，增强了创新意识。

除了在教学过程中改变传统的教学方法，构建多元化的课堂教学模式以外，为了提高教学效果，运用多媒体技术为基础的立体化辅助教学手段也非常重要。随着计算机技术的发展，工程实际图片、动画和视频素材使各种教育信息的表达更加生动、直观和多样化，能很好地刺激学生的感官，激发学生学习的兴趣，开阔学生的视野，可以收到纯板书教学所无法达到的效果。因此，“流体力学”教学过程中对于难以理解的概念，如势流与旋流、流线与迹线的概念、流场的演示、流态的判别和波的传播、边界层的形成等内容均利用计算机动画给学生进行演示，起到了画龙点睛的作用。

四、结束语

多元化课堂教学模式是一个先进的教学理念。本文提出的启发式教学、对比分析和多视角教学模式将原本抽象的概念、复杂的理论推导直观地展现在学生面前，让学生在分析比较与思考中学会将固体力学遵循的原理定律融会贯通到流体力学中，寻求概念之间、知识点之间和章节之间内在的关联性，举一反三，把原本杂乱的概念形成清晰的知识体系。这种多元化的教学模式在很大程度上提高了学生的学习兴趣和学习积极性，培养了学生分析、解决工程实际问题的能力，改善了教学效果。

参考文献：

[1]王发辉，桑俊勇，等.“流体力学”立体化教学体系的构建[J].中国电力教育，2009，（12）：102-103.

[2]孙恒，朱鸿梅，舒丹.“启发—联想式”教学方法在流体力学教学中的应用[J].中国电力教育，2011，（5）：81-82.

计算流体力学的特点范文第4篇

关键词：流体力学；多媒体课件；学习理论

作者简介：宿程远（1981-），男，河北晋州人，广西师范大学环境与资源学院，讲师；黄智（1972-），男，壮族，广西桂林人，广西师范大学环境与资源学院，教授。（广西　桂林　541004）

基金项目：本文系新世纪广西高等教育教改工程项目（项目编号：2011JGB018）的研究成果。

中图分类号：G642.1?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）34-0088-02

“流体力学”是环境工程专业一门重要的专业基础课程。其主要任务是通过各教学环节运用各种教学手段和方法，使学生掌握流体运动的基本概念、基本原理、基本计算方法；培养学生分析、解决问题的能力和实验技能，为学生学习后继课程、从事工程技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。该课程具有较强的理论性和工程实际意义，具有理论不易掌握、概念和方程较多、对学生高等数学和物理知识要求较高等特点。在实际教学过程中，如果只借助于书本、教师的语言和板书这些方法难以实现良好的教学效果，学生也会因枯燥的理论及公式推导而产生厌学的现象。因此，本文提出了基于“情·知·感”理论的“流体力学”多媒体课件的制作与开发。

一、设计理念

本课题以“情·知·感”为支撑，以认知学习理论、建构主义学习理论、人本主义学习理论等学习理论为指导，将身边问题、工程实例、教学科研成果等有机的融入到“流体力学”多媒体课件的制作和开发过程中，同时注意“流体力学”多媒体课件和实验教学的有机结合，重视“流体力学”多媒体课件制作的简约美、和谐美与立体美。以“情·知·感”为支撑的多媒体课件的制作为“流体力学”教学提供了先进的手段，为加强学生的自主学习提供了现实可能，可以充分发挥学生学习的主动性，培养学生“乐学”、“会学”的能力；[1，2]同时向学生展示教学情境，使学生“闻其生、见其形、入其境”，更快、更准、更深地把握“流体力学”教学的重点和难点。

二、实施措施

1.“情”——以多种学习理论为指导

在设计制作“流体力学”多媒体课件时，充分运用多种学习理论为指导，制作出既适合学生自主学习，也适合“流体力学”课堂教学使用的多媒体课件。[3]

（1）基于认知学习理论的观点，组织“流体力学”多媒体课件内容与目录导航设计。制作“流体力学”多媒体课件时，将流体力学基本教学内容划分为四个模块：流体的物理性质及分析方法、流体静力学、流体运动学和流体动力学。这种结构以图示的方式在课件中显示，使学生对课件内容形成清晰的概念，养成“流体力学”课程的思维图式。学习流体力学的关键是理解和掌握核心的基本的概念、原理、态度和方法，抓住它们之间的联系，形成一个有联系的整体。如在讲解等压面时，可以将等压面的基本概念、特征及应用紧密联系在一起，形成一个有机的整体，以加深学生的认识。

（2）基于建构主义学习理论的观点，在设计课件时，提供丰富的多媒体情境资源以支持学生的学习。在制作与开发“流体力学”多媒体课件时，将北京奥运会“水立方”水面扰动时产生的阻力情况、中央电视台记录片《水问》以及“神舟七号”飞船的资料等，以优美的文字、活灵活现的画面、动听的声音进行展示，能使教师轻松地授课、学生愉快地学习。而且能够将教学重点和难点化难为易，向学生展示教学情境、提供丰富感知、激发形象思维，使学生闻其声、见其形、入其境，让学生更快、更准、更深地把握教学的重点和难点，能够起到很好的教学效果。

（3）基于人本主义学习理论，设计与表达流体力学知识的价值与文化。人本主义学习理论重视学生学习时的情感需求，主张教育的目的不只限于教授学生知识或谋生技能，更重要的是针对学生的情感需求，从而培养其健全的人格。[3]在“流体力学”多媒体课件制作中，增加其人文色彩、文化意味，以适时地向学生传达人生哲理，开启他们的心智。在绪论部分，可用古代的诗词引出学生对流水的思索，“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”，“问君能有几多愁，恰似一江春水向东流”，“抽刀断水水更流，举杯消愁愁更愁”；在讲授虹吸原理时，可向学生讲述宋代苏轼《东坡志林》卷四中，四川盐井中用唧筒把盐水吸到地面的故事等，这样我们的课堂教学就被赋予了灵气。

（4）基于行为主义学习理论的观点，在课件中设计练习模块。在“流体力学”多媒体课件中设计练习模块，以提供覆盖重要知识点的习题及反馈。让学生的学习有了一个循序渐进的过程，给学生留有思考余地。同时也突出了“流体力学”课件的交互性，将更能促进学生的横向思维，延长课件的生命周期；同时设计了部分流体力学的英语题目，实现了双语教学理念的渗透。

2.“知”——以“三引入”与“一结合”为指导

为了结合课程内容有效地实施素质教育，培养学生的兴趣，激发学生的思维与创造力，在“流体力学”多媒体课件制作中强调“三引入”与“一结合”，以突出“流体力学”教学的宽泛性、时代性和应用性。[4]

（1）将身边问题引入多媒体课件。在“流体力学”多媒体课件制作时，结合具体课程内容，设计具有新颖、独特、能够牢牢抓住学生注意力的问题，力争做到在每一章的“流体力学”课件开讲前都提出一个问题，启发学生的思维，避免平铺直叙地讲授。同时在教学中注意收集身边有趣的流体力学问题，比如一滴牛奶的流体力学问题，让学生认识到其实流体力学离我们并不遥远。

（2）将工程实例引入多媒体课件。为了将所学的理论与实际相结合，扩大学生的知识面，增加学生的学习兴趣，增强学生运用流体力学知识解决问题的能力，可将工程实例引入多媒体课件。如在讲授液体作用在平面上的总静压力和恒定总流动量方程时，补充三峡水坝的视频，让学生对恒定总流动量方程有更为深刻和直观的认识。

（3）将教学科研成果引入多媒体课件。在多媒体课件制作时，适时地介绍一些教师的研究成果以及正在开展研究的工作，一方面可以调节课堂教学气氛，另一方面也会极大地提高学生学好课程的积极性，让学生对当前相关学科的热点问题有一定的了解，从而引发学生的思考，激起他们对科研的浓厚兴趣。正如张爱玲所说“出名要趁早”，对于学生科研素质的培养，也要趁早。

（4）注意多媒体课件和实验教学的有机结合。实验教学是学习流体力学不可缺少的重要环节，贯穿于课程始终。采用多媒体方式如录像、Flas等增加演示性实验，既丰富了实验内容、扩展了学生视野，又可达到意想不到的教学效果。特别是在讲解流体力学最重要的“伯努利方程”时，除了传统的公式推导之外，可辅以实验、Flash等多种教学手段，从而实现教学重点与难点的突破。

3.“感”——以美学理论为指导

教学是一种艺术，课件也应是教学与艺术的完美结合。要实现“流体力学”多媒体课件中科学性和艺术性的和谐统一，关键在于设计中美学的运用。[5]

（1）“流体力学”课件制作的简约美。“流体力学”多媒体课件开发时，背景画面的设计要做到：简单大方，清新淡雅，不能分散学生的注意力；同时“流体力学”多媒体课件的文字内容应言简意赅，简明扼要。

（2）“流体力学”课件制作的和谐美。首先背景图片应服务于课件内容，不能喧宾夺主，在色调处理上应保持统一性，不出现突跃；其次应根据各种字体的表现力，选择一种与课件内容相和谐的字体；再次应选择与背景色协调的文字颜色；最后应注意文字经投影仪投影后的效果。

（3）“流体力学”课件制作的立体美。图像所表现的内容应围绕课件内容展开，通俗易懂，可将水利工程、航天工程等工程图面以及身边的流体力学图面有机的穿插到多媒体课件中，简洁明快地使学生认识、理解和掌握主题。首先动画设计在构图上要做到布局合理，造型优美，以求达到最佳的视觉效果。其次动画构图要形象且具有鲜明的直观效果，并符合学生的视觉规律，如在雷诺实验、伯努利方程的讲述中，应合理运用动画技巧，以扩大课件的表现力。

三、结语

以“情·知·感”为支撑，以认知学习理论、建构主义学习理论、人本主义学习理论等学习理论为指导，将身边问题、工程实例、教学科研成果等有机的融入到“流体力学”多媒体课件的制作和开发过程中，同时应注意“流体力学”多媒体课件和实验教学的有机结合，重视“流体力学”多媒体课件制作的简约美、和谐美与立体美。以“情·知·感”为支撑的多媒体课件的制作为“流体力学”教学提供了较为先进的手段，为加强学生的自主学习提供了现实可能，将充分发挥学生学习的主动性，培养学生“乐学”、“会学”的能力；同时向学生展示教学情境，提供丰富感知、激发形象思维，以促进“流体力学”教学。

参考文献：

[1]张婷婷.情·知教学理论指导下的网络课程之情感设计[J].现代教育技术，2008，18（10）：47-51.

[2]赵青.多媒体教学软件的研究[J].中国现代教育装备，2008，（2）：153-155.

[3]叶涛，刘传明，章战士.基于多种学习理论的多媒体课件设计实践探讨[J].中国医学教育技术，2009，23（2）：157-159.

计算流体力学的特点范文第5篇

【关键词】研究型教学模式 流体力学 数值模拟

【中图分类号】G423 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）17-0042-04

所谓研究型教学，就是以先进的教学理念为先导，运用与教学内容相关的实际问题作为载体，让学生在教师的组织和指导下有目的地、相对独立地进行探索研究，在整个学习过程中，注重在探索和研究的教学过程中激发学生的求知欲和学习兴趣，从而促进学生思维水平的发展，提高学生运用知识解决实际问题的能力。相较传统的教学模式，研究型教学模式更重视学生思维模式和能力的培养，强调教学与现代科技和社会的发展以及学科发展相关联，以此保持教学内容的新颖性和增强学生的创新性；更突出教学与训练方法的科学研究特色，强调师生之间的互动，培养学生的批判性思维与探索精神。

现代大学的职能，特别是高水平的研究型大学，强调教学和研究的相互渗透，在教学活动中，教师的作用是启发、引导、指导学生，强调引导学生探索研究自己感兴趣的未知领域，培养学生的观察、阅读、分析、讨论和推理判断能力，实践证明，研究型教学模式有助于学生积极参与教学过程，激发学习兴趣。

流体力学是知识体系庞杂、以大量实验为基础且对实验技能和实验条件要求较高的新兴综合性学科，也是一门重要的基础课程，它已经发展成为一门深入各个科学研究领域的重要学科，特别是随着航空、航天、航海以及能源利用等行业的发展，迫切需要解决许多有关流体力学的问题，这也极大地促进了流体力学学科的发展。流体力学在动力工程类各专业的课程设置中，起着从《高等数学》、《理论力学》、《机械设计》等基础课程到相关专业课程，譬如《发动机原理》、《流体机械原理》的桥梁作用，也是深入研究热能与动力机械的专业基础课。笔者在流体力学的教学过程中，就研究型教学模式进行了探索和实践，在课程设置中，针对某一授课主题，准备流体与流体运动科学中一系列生动的案例，让学生对生活中这些看似熟悉却又非常模糊陌生的现象有清晰的了解，在教学进行中，以具体实例为研究对象，引导学生利用所学的基础知识，并结合现代的研究手段，进行逐步深入的探讨与研究，并对研究结果进行合理的分析。在整个教学活动中，将现代科学研究方法与内容引入课堂，努力激发学生的学习兴趣，加深对基础知识的理解，培养学生从事科学研究的思维模式和严谨的科学态度，引导学生在主动探索、主动思考、主动实践中发展探索能力、实践能力和创新能力。

一 工程流体力学课程研究型教学模式实施方法

1.研究题目的选择与引入

开展研究型教学，对于研究选题有比较高的要求，既要有一定的工程背景，又要符合课程大纲的要求。由于是课堂教学，受时间所限，研究题目要求清晰易懂，又有一定的科学内涵和深入研究的背景。流体运动的连续性方程是工程流体力学课程中最为重要的内容之一，该部分逻辑性较强，对学生的数理推导能力有一定的要求。在教学活动中，拟结合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟，采用循序渐近、逐步推导、深入分析的教学方法。

为激发学生的学习兴趣，培养学生分析问题、解决问题的能力，将通过以下两个现象来认识流体连续性方

北京理工大学第十批教育教学改革研究课题

程的物理本质：

第一，黄河壶口瀑布。壶口瀑布，是黄河上唯一的黄色大瀑布，也是中国的第二大瀑布，号称“黄河奇观”，其奔腾汹涌的气势是中华民族精神的象征。那么黄河壶口瀑布是如何形成的呢？

图1 黄河壶口瀑布

第二，乌鲁木齐开往阿克苏5807次列车失事。列车被风吹翻，看似是个笑话，但却实实在在地发生了。2007年2月28日凌晨2时05分，乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车在行至南疆线珍珠泉至红山渠间42千米处时，遭遇13级飓风，风速达到37～41.4米/秒，造成机车后9至19位的后部车厢全部脱轨，导致南疆线被迫中断行车，那么其中的原因该作何科学解释呢？

图2 5807次列车失事图片

黄河壶口瀑布及列车被风吹翻现象中均蕴含着流体动力学连续性方程的物理本质。问题提出后，首先引导学生根据自己对于问题的理解，通过教学过程中的情境创设，利用流体力学基本原理进行理论分析和解释。根据对上述现象进行物理问题简化，提出一元流动连续性方程的推导过程。

设想有一根管道，流体在由入口断面A1、出口断面A2和管壁（三者构成控制面）围成的流域（控制体）内流动，如图3所示。

图3 一元流动连续性方程推导示意图

假设流体是不可压缩的均质流体，意味着流域内的

质量不变，且密度ρ为常数，则 。又

因沿管壁没有流体的流入与流出，有：

得到不可压缩流体流动总流所必须满足的连续性方程：u1A1=u2A2。

由于假设入流断面和出流断面的速度都为匀速（断面平均速度），故这也是一元流动的连续性方程，表明总流沿任意过流断面的流量是相等的。

在这一部分的教学中，强调教师选择教材内容、案例或课题，学生利用案例资料，独立思考，自主发现新知识，掌握内在规律，从现象中发现物理本质问题，从而获得新的感悟。在整个教学过程中，要特别注意引导学生去理解和分析问题，并采用不断提出问题的方式，吸引学生注意力，并激发学生进行深入探索的兴趣。

2.数值计算模拟仿真在教学中的应用

把现代研究工具与理念融入到日常教学中，是研究型教学模式的重要内容和任务。传统的流体力学教学内容与方法，基本上是基于理论的教学，并辅之以部分简单的实验，教学内容比较抽象和单一，不能反映当前流体力学学科发展的趋势。计算流体力学CFD技术，是解决工程中复杂流动的一种有效手段，也是一门新型的独立学科，它以经典理论和数值计算为基础，通过计算机的数值计算和图像显示，从空间和时间上定量描述各种场变量，从而达到对物理问题研究的目的。将CFD数值计算模拟方法和部分简单应用的实际上机练习引入到教学中，既可以开阔学生视野、生动课堂，增强学生对流体力学知识的理解，培养其解决实际问题的能力，又可以激发学生学习流体力学的兴趣，有助于学生养成善于尝试和探索规律的习惯。

为了使学生加深对流体运动连续性方程的理解和应用，在课程设计上，将设计以下CFD算例“喷管内二维流动”，问题的描述如下：空气在一个大气压的作用下通过平均背压Pexit=0.9atm的缩放型喷管。通过对流域的建模、计算和后处理，对本问题进行了流动过程的数值模拟仿真研究。对这一部分教学内容，应该对流场的边界条件、边界类型、湍流模型和计算方法等进行较详细的介绍和讲解。鉴于大学本科教学内容和流体专业知识的限制，可对流场的边界条件和边界类型多做一些讲解，例如速度边界、压力出流边界等；对湍流模型的来源及其应用做简单介绍，而对诸如SIMPLE、PISO算法等仅仅介绍一下怎样选取和使用即可。通过计算可以得到可视化的流动结果（速度矢量图和压力分布图等）。

（a）速度矢量分布图 （b）压力分布云图

图4 喷管内流动的CFD计算结果

将这些计算结果直观地呈现在学生面前，引导学生基于连续性方程的基本物理内涵去对计算结果进行分析，

由速度矢量图可以清晰地看出：在喷管喉口处，速度较大，这是由于此处流通截面积较小。对于喷管内的一元流动，通过喷管内通流界面的流量是相等的，流体的流速与管内通流截面积成反比，因此，在喉口处的速度最大。另外，在计算中，我们还可以通过检查质量流量的连续性来检查通过区域的质量流量是否满足质量守恒定律。通过在软件中进行相关的设置，我们可以看到进、出口质量流量的差异，在理想状态下，进口处的质量流量应该恒等于出口处的质量流量，考虑到计算误差，这一误差保证在总流量的1%即可。

图5 进、出口质量流量的差异

这一部分的教学，要求学生不仅掌握流体力学的基础知识，还要学会利用所学知识去分析工程实际问题。教学中要特别注重引导学生去不断地提出问题，并利用所学的知识去进行解释。这是进行研究型教学过程的关键。另外，如果有条件，最好采用师生互动，共同进行仿真计算和研究的方法。教学和训练方法要表现较强的科学研究特色，注意培养学生的批判和探索精神。

通过前面的教学，使学生对数值模拟这一现代研究手段及研究过程有了初步的了解，达到了将现代研究方法引入课堂的目的。为了更加有效地掌握教学内容，在介绍完数值模拟平台的使用，并对问题进行了初步研究之后，还必须引导学生进一步思考和研究。具体到本次教学，可进一步引导学生去思考课前所提出的两个问题，解释“黄河壶口瀑布形成原因”，以及“列车被风吹翻的原因”。

二 工程流体力学课程研究型教学中需注意的问题

在工程流体力学课程研究型教学中，既要照顾到流体力学课程的基本原理，又要反映现代计算技术在流体力学中解决实际问题的新发展。在教学实施过程中，根据笔者的实践和体会，需要注意以下几个问题：

1.坚持教学与科研相结合

要培养具有创造能力的人才，必须将教学与科研有机结合起来。教师只有通过本专业及有关学科的科研活动，才能加深对本专业本学科的理解和认识，更新教学

手段，丰富知识结构，激发学生的学习和研究热情。实施研究型教学作为一种趋势，已经得到了全球教育界的认可，这种人才培养模式的收效显著、发展前景可观，是一种值得我们研究与使用的教学模式。

2.教学题目的选取和教学过程的实施必须有针对性

采用研究型教学模式进行教学，应以讲解研究方法和研究过程为宗旨。其中题目的选取至关重要，一般来说，题目应来自于工程实际，有工程背景和深入研究的空间。同时也要注意题目不宜选得过于复杂，且与课程的教学内容结合得比较好。在实施过程中，可针对不同专业、不同需要的学生，建立不同的教学体系。例如与流体接触密切的专业，如流体机械及工程方向的学生，设置的CFD 部分理论和上机实验内容可略多。而对于车辆工程、机械设计及工程等普通工程类专业的学生来讲，可少讲理论，主要参与简单的工程实际流动问题的模拟解决实验。上机实验的内容也可以根据专业特点来选定，结合不同专业进行不同的案例计算和分析。

3.进一步确定学生在教学过程中的主体地位

注重在以探索和研究为基础的教学过程中培养学生的研究能力和创新能力。譬如在数值计算中需要正确地设置边界条件和初始条件，合理地选择数学模型，恰当地划分网格和进行迭代计算，最后还需要判断计算结果是否可用，并进行必要的调整和修改。因此，要求学生对问题的发生、发展直至达到平衡的全过程进行认真思考和分析，形成独立思考的习惯和能力。此外，通过改变边界条件或初始条件等因素，低成本、高效率地求得在不同条件下的计算解。因此，数值模拟为多角度、多方位地分析问题提供了进行各种尝试的机会，有助于学生养成善于尝试和探求规律的习惯，树立创新意识。