流體力學基本原理精選(九篇)
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第1篇：流體力學基本原理范文
化學工程在我國具有較長的研究與應用歷程，并在實際的生產與生活中取得到巨大的應用成效，不僅能夠供給正常的生活需求，同時根據新材料的開發(fā)，能夠滿足現代型環(huán)保材料的使用。在化學工程中，較多的反映環(huán)境和反應機制都是在溶液中進行的，具有質量守恒和熱量守恒定律的應用。而這種質量與能量的關系正是計算流體力學的主要原理。通過對實際應用環(huán)境和原理的分析，能夠優(yōu)化工程設計和工藝改進，提高化學工程的生產效率。
1計算流體力學在化學工程中的基本原理
計算流體力學簡稱CFD，是通過數值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內的動量、熱量、質量方程等流動主控方程，從而發(fā)現化工領域中各種流體的流動現象和規(guī)律，其主要以化學方程式中的動量守恒定律、能量守恒定律及質量守恒方程為基礎。一般情況下，計算流體力學的數值計算方法主要包括數值差分法、數值有限元法及數值有限體積法，其也是一門多門學科交叉的科目，計算流體力學不僅要掌握流體力學的知識，也要掌握計算幾何學和數值分析等學科知識，其涉及面廣。針對計算流體力學的真實模擬，其主要目的是對流體流動進行預測，以獲得流體流動的信息，從而有效控制化工領域中的流體流動。隨著信息技術的發(fā)展，市場上也出現了計算流體力學軟件，其具有對流場進行分析、計算、預測的功能，計算流體力學軟件操作簡單，界面直觀形象，有利于化學工程師對流體進行準確的計算。
2計算流體力學砸你化學工程中的實際應用
2.1在攪拌中的應用分析
在攪拌的化學反應中，反映介質之間的流動性比較復雜，依據傳統(tǒng)的計算形式根本無法解決，并在化學試劑在攪拌中存在不均勻擴散的特點，在湍流的形式中能量的分布狀況也存在著空間特點。若是依據實驗手段測得反映中物質、能量和質量的變化規(guī)律，其得出的結構往往存在較差時效性，實驗騙差加大。通過對二維計算流體力學的應用，能夠對攪拌中流體的形式進行模擬，并進行質量、能量等數據的驗證。但是流體的變化，不僅與化學試劑的濃度、減半速度有關，還與時間、容器的形狀等有著之間的聯系，需要建立三維空間模擬形式進行計算流行力學。隨著科學技術和研究水平的提高，在通過借助多普勒激光測速儀后，已經對三維計算形式有了較大的突破，這對于化工工程中原料的有效應用和工程成本的減低具有促進的作用，但是在三維計算流體力學中還存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不斷的完善。
2.2CFD在化學工程換熱器中的應用分析
換熱器是化學工程中主要的應用設備，通過管式等換熱器、板式換熱器、冷卻塔和再沸器等的應用，能夠有效的控制化學試劑在反應中的溫度變化。其中根據換熱器的形式不同，計算流體力學的方式也就不同。在管式換熱器中主要是通過流體湍流速度的改變，增加換熱速率的。在板式換熱器中是通過加大流體的接觸面積，提高換熱效率的。而在冷卻塔和再沸器中，熱量交換的形式更為復雜，但是卻群在重復性換熱的特點，增加了換熱的時間，提高了換熱的效果。從總體上分析，計算流量力學中，需要對溫度變化、流體的速度變化、熱交換面積變化和時間變化進行分析。通過CFD計算流體力學的應用，能夠計算出不同設備的熱交換效果，并根據生產的實際需求進行換熱器的選擇使用。
2.3在精餾塔中的應用
CFD已成為研究精餾塔內氣液兩相流動和傳質的重要工具,通過CFD模擬可獲得塔內氣液兩相微觀的流動狀況。在板式塔板上的氣液傳質方面,Vi-tankar等應用低雷諾數的k-ε模型對鼓泡塔反應器的持液量和速度分布進行了模擬,在塔氣相負荷、塔徑、塔高和氣液系統(tǒng)的參數大范圍變化的情況下,模擬結果和現實的數據能夠較好的吻合。Vivek等以歐拉-歐拉方法為基礎,充分考慮了塔壁對塔內流體的影響,用CFD商用軟件FLUENT模擬計算了矩形鼓泡塔內氣液相的分散性能,以及氣泡數量、大小和氣相速度之間的關系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一種用塔內典型微型單元(REU)的流體力學性質來預測整塔的流體力學性質的方法,對每一個單元用FLUENT進行了模擬計算,發(fā)現塔內的主要能量損失來自于填料內的流體噴濺和流體與塔壁之間的碰撞,且用此方法預測了整塔的壓降。Larachi等發(fā)現流體在REU的能量損失(包括流體在填料層與層之間碰撞、與填料壁的碰撞引起的能量損失等)以及流體返混現象是影響填料效率的主要因素,而它們都和填料的幾何性質相關,因此用CFD模擬計算了單相流在幾種形狀不同的填料中流動產生的壓降,為改進填料提供了理論依據。CFD模擬精餾塔內流體流動也存在一些不足,如CFD模擬規(guī)整填料塔內流體流動的結果與實驗值還有一定的偏差。這是由于對于許多問題所應用的數學模型還不夠精確,還需要加強流體力學的理論分析和實驗研究。
2.4CFD在化學反應工程中的應用研究
在化學反應工程中，反應物和生成物的化學反應速率與反應器、溫度和壓力等有著較大的聯系，在實際的反應中可以利用計算流體力學進行數據的獲取。但是這數據的獲取具有一定的溫度限制，當反應中溫度過大，就會造成分子的劇烈運動，其運動軌跡的變化規(guī)律就會異常，在利用計算流體力學的模型計算中，計算數據與實際情況會發(fā)生較大的偏差。由于高溫中分子的運動軌跡和運動速度難以獲取，在計算流體力學的實際計算中，就要借助FLUENT進行三維建型，并利用測速反應器進行速度的測量，通過綜合的比較分析，利用限元法進行數據的計算?？梢缘贸霾煌h(huán)境下的反應器的流線、反應器內部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟件預測反應器的速度、溫度及壓力場，可以更進一步理解化學反應工程中的聚合過程，詳細、準確的數據可以優(yōu)化化學反應中的操作參數。
結束語
計算流體力學對于化學工程的應用具有實際意義，并在經濟效益的提高上具有重要的價值，在近幾年，化學工程技術人員不斷的計算流體力學中展開研究，以二維空間計算和模擬為基礎，不斷的完善三維空間的流量計算，并得出了一系列的流體流動規(guī)律。根據計算流體力學在化學工程中的廣泛應用，在今后的化學工程發(fā)展中，應加強此類學科的教學與延伸，提供出更有效的反應設備和工藝操作。
參考文獻
[1]余金偉,馮曉鋒.計算流體力學發(fā)展綜述[J].現代制造技術與裝備,2013(06).
第2篇：流體力學基本原理范文
根據流體力學課程的性質、特點，結合自身的工程實踐經歷和教學體會，文章從優(yōu)化教材內容、提煉講授方法、發(fā)揮傳統(tǒng)教學模式優(yōu)勢、挖掘多媒體教學潛力、培養(yǎng)學生科研能力等方面，探討了流體力學課程教學改革的具體措施和成效，提出了有益于學生理解流體力學重點內容的教學方法。此研究對改善流體力學課程的教學效果、探索大專業(yè)背景下的專業(yè)基礎課教學模式有一定的參考意義。
關鍵詞：流體力學； 教學改革； 實踐教學； 創(chuàng)新能力
中圖分類號：G420 文獻標志碼：A 文章編號：
10052909（2013）04004103
流體力學是關于流體機械運動規(guī)律及其應用的一門學科，是力學的一個分支。中國各高校的土木工程、流體機械、農林、石油化工等專業(yè)均開設了流體力學課程，它屬于專業(yè)基礎課。
該門課所涉及的基本原理和基礎理論對專業(yè)課的學習、課程設計、畢業(yè)設計以至解決工程實際問題等起著非常重要的理論支撐作用和指導意義。尤其對于工科學生，他們畢業(yè)后大部分在生產一線從事技術管理工作，必須具備一定的專業(yè)基礎、技術應用和現場協調能力。這就要求流體力學課程教學將理論知識與實踐能力培養(yǎng)相結合，將課堂教學與實踐教學相結合，不斷改進教學方法，積極探索適應工科學生專業(yè)設置和就業(yè)主導方向的課程教學新模式。蘭州交通大學在土木工程、環(huán)境工程、市政工程、建筑環(huán)境與設備工程、熱能動力工程等專業(yè)均開設了流體力學課，在長期的教學實踐中積累了一些該課程的教學體會。
一、優(yōu)化教材內容，課堂講解力求深入淺出
流體力學課程體系的主要內容包括基本理論和實驗兩大部分。由于流體力學學科的快速發(fā)展以及社會對各專業(yè)學生知識結構要求的不斷變化，有些在用教材已不能滿足教學要求。因此，教師在備課時要盡可能多地參閱質量高、實用性強的教材，力求對同一個問題進行多角度分析。教學中應將不同教材版本的不同提法告訴學生，讓學生課后獨立思考并提出自己的見解。在制定教學計劃時，應該從課程內容的系統(tǒng)性和完整性出發(fā)，將教材原有章節(jié)順序重新調整，便于學生對相關知識的理解。比如，在講解流體運動學基礎、動
力學基礎時，先從粘性流體三維不可壓縮流動的運動微分
方程（即N-S方程）入手，對實際流體的流動特征進行描述，學生就可獲得流體動力學的基本輪廓，進而了解只要該方程中粘性力項為零就可得到理想流體運動微分方程。在此基礎上，再令加速度項為零（即流體處于靜止狀態(tài)或相對平衡狀態(tài)），就可得到流體平衡微分方程（即歐拉方程）。通過這一調整，省去了許多推導過程，而且也能讓學生對流體質點運動的力學機制有更明晰的認識。
在課堂講解上，教師要力求做到深入淺出。流體力學中的一些公式或方程的推導過程很繁雜，教師過多地羅列推導內容會導致學生的厭學情緒，甚至有些聽不懂的干脆就放棄學習。比如，在講解流體微團運動分析時，可以將多數學生兒時玩的“泥球沿坡面下滾”游戲作為例子來講解，因為大部分學生有過這樣的親身體驗，他們很容易理解泥球在滾動的同時將伴隨變形和旋轉，這樣后面的推導就容易被學生接受了。在講解管嘴出流時，可以學生每天接觸的水龍頭用水的例子。比如在12∶00-13∶00期間用水，12∶00時流出水龍頭的水流速度很大，隨著鍋筒內水位的逐漸下降，到接近13∶00時用水，在同樣的水龍頭開度下，水龍頭內的水流速度明顯要比12∶00時的流速小，學生由此很容易理解有效作用水頭與排水量的關系。
二、發(fā)揮傳統(tǒng)教學模式的優(yōu)勢
傳統(tǒng)教學模式即教師以講解、板書的形式將知識傳授給學生的一種教學方法。該方法在不同層次的教學活動中發(fā)揮了積極的作用。教師生動、形象的描述以及肢體語言能使學生有身臨其境之感，這種教學模式有利于教師主導作用的發(fā)揮，教師可以根據課堂上學生的反應來適時調整講解速度和思路，并以板書的形式突出重點和難點。流體力課程中有相當一部分內容是力學知識和數學知識的綜合，只有通過嚴密推導或作圖才能比較透徹地講清其基本原理。比如連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、（N-S）方程等是流體力學中的經典理論，也是難點所在。只有通過板書推導，學生才能理解其物理事實，明確其解決工程問題的一般思路和步驟。流體微團運動分析一節(jié)是運動學中的核心內容，許多學生很難理解流體微團能同時具有“平動、變形（線變形和角變形）、旋轉”三種運動趨勢。這就要求教師從介紹速度分解定理入手，通過理論推導和對流體微團運動變形的圖示兩種方法來講解。水擊現象中伴隨管道中壓力和流速交替變化從而引起壓力波的“順向”及“逆向”傳播過程，如果不通過在黑板上逐步圖示的方法，學生很難明白水擊發(fā)生的物理實質。另外，傳統(tǒng)教學方法也能展示教師的板書和繪圖功底。如果教師的書法很漂亮，徒手繪圖效果好，能增加學生對教師的敬重感，從而激發(fā)他們對流體力學課程的學習興趣。
三、深挖多媒體教學潛力
隨著科技的飛速發(fā)展和國家對教學投資力度的加大，現代化的教學手段在提高課程教學質量上發(fā)揮了重要作用。在流體力學課程教學中，通過播放課件、視頻、教學片等，能讓學生很直觀地理解流體流動的具體特征。比如，漩渦的形成、管嘴出流時真空區(qū)的形成、兩個相鄰局部阻礙之間的干擾等現象，這些內容用枯燥的文字描述是很難理解的，但利用多媒體演示，學生從動態(tài)的、形象逼真的圖像中就很容易理解流體力學現象。紊流是一種高度復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、有旋流動。對其流動規(guī)律的研究一直是流體力學學科領域的熱點和難點。紊流中，存在高流速層的流體質點進入低流速層，并與低流速層質點發(fā)生動量交換，以及低流速層流體質點進入高流速層與高流速層質點發(fā)生動量交換的過程。過去教師通過板書圖示講解之后，仍有近70%的學生不理解雷諾應力與紊流脈動的因果關系。但是，通過動漫形式顯示具有不同初速度的流體質點進入另一流層后對兩個流體質點速度在不同方向的影響過程，使這一復雜問題簡單化，學生也容易接受。另外，利用教學錄像，學生對流體力學現象尤其是大海的潮起潮落、龍卷風運動、橋墩后尾流變化，以及1940年美國塔科馬海峽大橋由于風振而坍塌的整個過程印象深刻。多年的經驗表明：多媒體在教學中的運用對于激發(fā)學生學習流體力學的興趣、增強求知欲、開闊視野起到了積極的作用。但是，多媒體教學潛力的開發(fā)取決于教師的前期投入，也就是說，授課前教師必須投入大量的精力制作多媒體課件，使其包含豐富的教學內容，同時還能調動學生積極的參與意識[1]。只有這樣，作為傳統(tǒng)教學方法輔助手段的多媒體教學，才能在幫助學生理解難點、掌握重點、提高學習效率上發(fā)揮越來越重要的作用。
四、加強科研實訓，開闊學生視野
引導學生參與科研活動，在科學研究中增長學生的專業(yè)知識，開闊學生的學術視野。教師在完成課堂教學任務之后，就課內某一知識點引導學生查閱相關文獻，開展科學研究，培養(yǎng)學生的科研意識，提高其認知水平。學生以書面形式定期反映自己在查閱文獻和學習研究中的收獲。教師根據學生書面總結的完成情況給予評價。此外，教師也鼓勵學生主動參與校內外的科研活動，并定期寫出自己的體會交指導教師評定[2-3]。學生參與的科研內容即使與其所學專業(yè)的學科領域有一定距離，也將得到支持，因為參與科研活動對學生能起到開闊視野、激發(fā)科研熱情、訓練科研思維的作用[4]。同時還將進一步密切科學研究與專業(yè)學習之間的關系，為學生進入更高層次的學習和工作打下堅實的基礎[3]。
流體力學是一門系統(tǒng)性和理論性都較強的課程，它既體現了經典力學的基本思想，也反映了數學、物理、機械等多學科在現代工程中的交叉應用。在學分制教學管理體制和大專業(yè)背景下的人才培養(yǎng)模式，根據學生的基礎和專業(yè)培養(yǎng)目標來尋求合適的教學方法，構建有創(chuàng)新特色的流體力學課程教學改革體系，是一個艱難而漫長的過程，還需要在今后的教學工作中作出更多的努力。
參考文獻：
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[4] 馬寶峰，李巖， 郭輝，等.基于科研問題的力學綜合實驗教學研究與實踐[J].力學與實踐， 2012，34（1）： 103-105.
Investigation and practice on multiangle teaching method of fluid mechanics
WANG Yea， LI Yaningb
（a. School of Environmental and Municipal Engineering； b. School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Gansu 730070， P. R. China）
Abstract：
第3篇：流體力學基本原理范文
論文關鍵詞: 流體輸配管網 時間安排 教學內容 學習方法
論文摘要: 《流體輸配管網》是建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)的一門主干課程，但目前卻存在著授課時間安排不合理、授課內容急需調整等突出問題。因此。合理安排授課時間、對授課內容進行調整、使學生掌握科學的學習方法等是擺在任課教師面前的一項重要任務。
《流體輸配管網》是建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)一門主干課程，該課程將《空調工程》《燃氣輸配》《通風工程》《建筑給排水》《鍋爐及鍋爐房設備》《建筑消防工程》《工廠動力工程》等課程中的管網系統(tǒng)原理抽出，經提煉后與《流體力學泵與風機》中的“泵與風機”部分進行整合、充實而成。如何講授好本課程，處理好本課程與其他專業(yè)課程之間的銜接問題，進而提高學生的學習興趣和學習質量，是任課教師急需解決的難題。
一、授課時間安排方面存在的問題
以往，《流體輸配管網》課程曾安排在第二學年第二學期，也有安排在第三學年第一學期與第二學期的。有學者與教師認為，這門課程是專業(yè)課程 ，應安排在第四學年第一學期 ，這樣可以讓學生在學習過各專業(yè)課程之后集中學習管網理論知識 ，達到使學生融會貫通并激發(fā)學生的想象力與創(chuàng)造力的目的。
l將本課程安排在專業(yè)課程學習之前存在的問題
《流體輸配管網》包括“泵與風機理論基礎知識”“管網系統(tǒng)組成”“管網系統(tǒng)設計理論”及“管網系統(tǒng)調節(jié)理論基礎知識”等主要內容。將本課程安排在《流體力學》課程之后、相關專業(yè)課程之前，與專業(yè)基礎理論課程《傳熱學》《工程熱力學》與《熱質交換設備》等放在同一學年授課，優(yōu)點是提前學習“泵與風機理論基礎知識”“泵與風機和管網的匹配”等主要內容，可以為后續(xù)的專業(yè)課程學習帶來方便 ，因為學習專業(yè)課程需要學生具備一定的泵與風機理論基礎知識。
將本課程安排在專業(yè)課程學習之前存在的問題是，在講授 “流體輸配管網系統(tǒng)類型及裝置”“流體管網水力特征與水力計算”等內容時學生普遍反映，雖然課程理解起來不難．但要將課程前后內容聯系起來達到融會貫通卻十分困難，原因主要有兩點：一方面，學生對管網系統(tǒng)還十分生疏，沒有前期專業(yè)課程的鋪墊便突然要學習管網類型、裝置及管網系統(tǒng)知識，對學生來說顯然有困難，因而達不到預期的教學目的；另一方面，目前《流體輸配管網》的授課主線不太突出，學習時需要學生具備一定的專業(yè)基礎知識。
2．將本課程安排在專業(yè)課程學習之后存在的問題
針對學生反映的問題．筆者所在的教研組及時修正了教學計劃，將該課程安排在第三學年第二學期 ．從教學效果上來看還是很好的．但在其他專業(yè)課程授課過程中有部分學生反映 ．由于缺少“泵與風機理論基礎知識”．在學習“管網系統(tǒng)水力工況分析”與“系統(tǒng)工況調節(jié)”等內容時有一定的難度。根據這些問題，筆者所在的教研組決定將《流體輸配管網》課程安排在第三學年第一學期，與專業(yè)課程同時講授，并對其中部分章節(jié)的順序和內容進行調整 實踐證明，這種安排的優(yōu)點比較突出。
3．對本課程授課時間安排的一些想法與建議
《流體輸配管網》為專業(yè)課程，其目的就是讓學生在學習過各專業(yè)課程之后集中學習管網理論知識，以使學生融會貫通，激發(fā)學生的想象力與創(chuàng)造力，提高學生的創(chuàng)新能力。因此筆者認為，本課程應該安排在專業(yè)課程學習之后，也就是應該安排在第四學年第一學期，然后將本課程內容靈活分為兩大部分，分別在不同學年講授，其中一部分是“泵與風機理論基礎知識”．可以安排在第二學年第二學期專業(yè)課程學習之前或與專業(yè)課程同時講授：另外一部分就是“管網系統(tǒng)及管網設計與管網工況調節(jié)理論知識”，可以安排在第四學年第一學期專業(yè)課程學習之后。
二、授課內容存在的問題
提高學生的學習興趣，合理安排教學內容，對學生掌握本課程理論知識、提高解決實際工程問題能力具有至關重要的作用。因此筆者認為，本課程的授課主線與 目的必須突出、明確，與專業(yè)課程的銜接必須恰當。
1．對本課程授課章節(jié)順序進行調整
本課程是在專業(yè)基礎課程學習完之后開始講授，或與主要專業(yè)課程的學習同時進行，或在主要專業(yè)課程學習完成之后進行，其主要基礎知識是流體力學，流體力學內容已經包括了簡單管路、復雜管路及環(huán)狀管路組成與水力計算基礎理論部分，學生對管網知識已有了初步的了解。因此．可以結合其他專業(yè)課程的需要，對授課章節(jié)順序進行相應調整 ，以使授課主線與目的更加清晰 、明確 可以將第五章“泵與風機理論基礎”、第六章“泵與風機與管網的匹配”、第七章“枝狀管網水力工況分析與調節(jié)”中第一節(jié)“管網系統(tǒng)壓力分布”等內容放在前面講授．一是因為學生已經具備了掌握這些知識的能力，二是因為開設的其他專業(yè)課程需要學生首先具備這些專業(yè)理論基礎知識。這樣調整之后 ，有關管網類型、裝置，枝狀、環(huán)狀管網水力計算與工況分析調節(jié)等內容即可放在專業(yè)課程學習之后或與專業(yè)課程同時講授。從筆者這幾年的教學實踐來看，這種調整具有一定的優(yōu)勢。
另外，有學生反映，第二章“氣體管網水力特征與水力計算”中第二節(jié)“流體輸配管網水力計算的基本原理和方法”應單獨列為一章，因為這一節(jié)的內容是氣體與液體管網水力計算的基礎理論知識，而這也是流體力學的主要內容。筆者認為這個意見提得較好，調整后可以使本課程授課主線更加突出與明朗。但筆者建議 ，可以將“流體輸配管網水力計算的基本原理和方法”“枝狀管網水力共性與水力計算通用方法”和“環(huán)狀管網水力計算的基本原理與方法”相結合，列為單獨的一章，這樣設置更合理，也使授課主線更突出。
2．對本課程授課內容進行調整
《流體輸配管網》是從各專業(yè)課程中將管網系統(tǒng)原理抽出經提煉后形成的課程，因而不可避免地會造成各門課程之間的沖突。筆者認為，本課程中“管網類型及裝置”可在專業(yè)課程中講授．“管網的水力工況分析及調節(jié)”應在本課程中講授．這樣可以更好地突出管網的水力工況分析與調節(jié)共性，使學生掌握不同管網設計、管網水力分析與調節(jié)的基本規(guī)律。
三、學習方法的問題
《流體輸配管網》課程實踐性、應用性較強，管網系統(tǒng)千差萬別。因此 ，要想提高學生的學習興趣 ，使學生牢牢掌握管網系統(tǒng)設計、管網系統(tǒng)調節(jié)基本原理和方法 。學習方法尤為重要。
有學生反映，這門課程理解起來并不難，但要將課程前后內容聯系起來達到融會貫通卻十分困難。筆者認為原因有兩點：一方面，盡管管網系統(tǒng)千差萬別，但管網系統(tǒng)水力特征、水力計算及管網調節(jié)理論分析卻是流體力學的基本知識，都主要是一元穩(wěn)定流動能量方程的運用 ，學生對這個基本規(guī)律的運用可以說是得心應手，無論是動力確定還是壓力分布等都難不倒學生，因此“理解起來并不難”：另一方面 ，授課時間安排不合理 ，學生沒有見過這個系統(tǒng)，分不清系統(tǒng)形式與系統(tǒng)裝置的區(qū)別 ，這就使得學生上課時能夠理解，下課后就忘記了。要想解決這個問題。筆者認為應加強兩項主要教學工作：第一是加強學生對基本概念 、專業(yè)術語的掌握。第二就是加強實踐教學，做到理論聯系實際、實踐與理論結合、課堂與實踐結合。傳統(tǒng)的實驗臺實驗滿足不了教學要求，因此教師在授課時應加強實踐教學內容。如安排2~4學時或課后時間讓學生參觀不同類型的管網系統(tǒng) ．繪制管網系統(tǒng)圖，找出系統(tǒng)設計合理 、不合理之處，校核泵 、風機與管網是否匹配。有條件的話還可以讓學生自己動手調節(jié)管網流體參數，在管路系統(tǒng)中安裝調節(jié)閥。通過實踐 ，將課本知識上升到理論分析的高度 ，這樣就能有效提高學生的學習興趣和學習效率。
參考文獻
第4篇：流體力學基本原理范文
關鍵詞：MATLAB；流體力學實驗；雷諾實驗
作者簡介：郭煒（1975-），女，湖北荊州人，北京石油化工學院機械工程學院，講師。（北京102617）劉鋒（1974-），男，湖北荊州人，中國船級社質量認證公司體系認證部，助理工程師。（北京100006）
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）14-0106-01
流體力學實驗涉及的實驗數據較多，數據處理工作量較大，兼有作圖，有的要多次重復使用一個或幾個公式計算。在傳統(tǒng)的實驗教學方式下，學生把主要時間花在煩瑣的數據計算方面，從而不再關注實驗中的現象，整個實驗沒有充分發(fā)揮出實驗教學應有的效能，學生沒有通過實驗加深對理論的理解和運用理論思考實驗中的現象。其次，實驗作為對理論知識掌握程度的一種量度，在傳統(tǒng)的實驗教學形式下其反饋周期過長，學生只有在實驗報告返回之后才能知道實驗過程是否操作正確，不能在實驗過程中考慮錯誤實驗數據的問題出現在哪里。因此，對傳統(tǒng)實驗教學進行創(chuàng)新成為提高實踐教學質量的有效方法。
MATLAB是美國Math Works公司于1984年推出的科學計算軟件，它以矩陣的形式處理數據，將高性能的數值計算和可視化集成在一起，提供了大量的內置函數，從而廣泛地應用于科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領域的分析、仿真和程序語言設計工作，使繁瑣、枯燥的數值計算變成一種簡單、直觀的可視化操作過程，能較準確地標記樣本數據點和繪出擬合曲線，已成為國際公認的最優(yōu)秀的科技應用軟件。其主要特點如下：語言簡潔靈活，庫函數豐富；運算符豐富，兼有結構化語句和面向對象編程特性；程序限制不嚴格，自由度大，可移植性好；圖形功能強大，數據可視化簡單；有功能強大的學科工具箱和功能工具箱，內部函數豐富；開放性強的源程序，用戶易于構建自己的工具箱。
基于上述MATLAB的功能及其特點，在流體力學實驗中引入MATLAB軟件，以上問題不但可以得到解決，而且可以提高學生應用計算機處理數據的能力。根據流體力學實驗的教學內容，結合MATLAB軟件的特點與功能，我們在流體力學實驗教學中進行了實驗設計。以流體力學中的雷諾實驗為例，簡要介紹了MATLAB語言在數據輸入、數值計算以及圖形可視化方面的功能，展示了MATLAB在流體力學實驗數據處理中簡潔、快捷與直觀等特點。
一、MATLAB在雷諾實驗中的應用
在流體力學的教學中，為了使學生理解和掌握流體運動的兩種主要狀態(tài)――層流和紊流的判別，雷諾實驗占有很重要的地位。
1.實驗原理
實際流體的流動會呈現出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流。它們的區(qū)別在于：流動過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現象。在紊流流動中存在隨機變化的脈動量，而在層流流動中則沒有。圓管中恒定流動的流態(tài)轉化取決于雷諾數，d是圓管直徑，v是斷面平均流速，是流體的運動粘性系數。
圓管中定常流動的流態(tài)發(fā)生轉化時對應的雷諾數稱為臨界雷諾數，又分為上臨界雷諾數和下臨界雷諾數。上臨界雷諾數表示超過此雷諾數的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。有實際意義的是下臨界雷諾數，表示低于此雷諾數的流動必為層流，有確定的取值，圓管定常流動的下臨界雷諾數取為Re=2300。
2.實驗數據處理
在實驗中把顏色水注入實驗臺管內，為了測量下臨界雷諾數，將實驗臺調節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關小調節(jié)閥使流量減小。當流量調節(jié)到使顏色水在全管剛呈現出一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)。整個實驗過程，調節(jié)閥門，水流速度由大到小，紊流狀態(tài)測2次水量和時間，下臨界狀態(tài)測1次水量和時間，層流狀態(tài)測2次水量和時間，每個狀態(tài)均用體積法測定流量。5次實驗數據記錄表如表1。
在雷諾的實驗中，編寫簡單的MATLAB的* . m 文件，對實驗數據進行處理，求出雷諾數，并做出雷諾數與流量的關系曲線圖如圖1所示。
二、討論
從上面的程序可以看出，用MATLAB語言編寫應用程序處理實驗數據比C及Fortran更加簡單易用，編程如同列算式一樣，不易出錯，且利于調試和修改，數據和處理結果可視化。因此可成為高效的處理流體力學實驗數據的幫手。從實踐效果看，利用MATLAB軟件進行流體力學實驗教學對于學生理解和掌握課程的基本原理內容是非常有幫助的，同時隨著該軟件計算功能的進一步增強和課程實驗設計的深入開展，充分利用以MATLAB為代表的計算軟件包進行專業(yè)課程的輔助實驗教學不但提高了學生的學習積極性，加深了學生對實驗原理的認識，而且十分有助于對專業(yè)課程課堂理論教學內容的理解和掌握，對學生熟悉和應用MATLAB軟件也起到一定的積極作用。
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第5篇：流體力學基本原理范文
關鍵詞：CAI；流體力學；雷諾實驗
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0265-02
一、引言
實驗是理論聯系實際的重要環(huán)節(jié)。它不僅是為了傳授學科知識、驗證學科理論、掌握實驗操作的基本技能，更著意于培養(yǎng)學生的設計思維、開拓意識、創(chuàng)新和動手能力。為適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，如何在現有基礎上，擺脫煩瑣的實驗數據計算，提高學生的學習興趣，加深學生對理論的理解，深度挖掘學生運用理論解決實際問題的潛在能力，努力探索創(chuàng)新型的教學方法成為大學實驗改革的重點[1]。流體力學是一門專業(yè)基礎課，該課程覆蓋了海洋漁業(yè)科學與技術、海洋環(huán)境、海洋技術、熱能動力工程、環(huán)境工程等專業(yè)。為了配合相關實驗課程的順利開展（包括針對部分專業(yè)的獨立實驗課程），各高校添置了多種類、多套數的多功能流體力學實驗裝置，確保完成流體力學的本科實驗教學任務[2]。與此同時，傳統(tǒng)的實驗教學方法存在許多不足之處，有待改進創(chuàng)新。例如，實驗效率低下、數據處理煩瑣且易出錯、學生掌握情況無法及時反饋、教師工作量大且重復性高等。這些都使得實驗教學效果大打折扣，不僅學生滿意度降低，而且教師的付出并未得到有效的產出回報。盡管設備的“硬件”實力已經加強，但落后的“軟件”卻制約著實驗教學效果的有效提升，無法達到事半功倍的理想效果?；诖朔N情形，本文在2015―2016學年第二學期的實驗教學中，以“雷諾實驗”為例，采用計算機軟件輔助計算與分析。通過對2個專業(yè)3個班級共125名學生的調查問卷與數據統(tǒng)計，新型方法的應用，可以提高課堂效率40%以上，學生綜合滿意度達到95%。
二、雷諾實驗
英國科學家雷諾（O.Reynolds）在1883年經過實驗研究發(fā)現，在黏性流體中存在層流和湍流這兩種截然不同的流態(tài)。實驗發(fā)現，流動由層流至湍流的D捩不僅僅取決于管內的流速，而且與以下四個物理量：管內的平均流速V、圓管直徑d、流體密度ρ及流體的動力黏度μ（或者運動粘度ν）組成的無量綱數有關，即雷諾系數Re。
由層流轉變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數稱為臨界雷諾數，小于臨界值流動為層流，大于臨界值流動為湍流。實驗得出，臨界雷諾數為2300，用它來判斷流態(tài)是十分簡便的，只要計算出圓管中流動的雷諾數，便可確定流態(tài)。雷諾實驗的裝置如圖1所示[3]。
雷諾實驗的教學目的是通過改變水在管內的速度，觀察流體流動過程的不同流態(tài)及其轉變過程，建立“層流和湍流”兩種流態(tài)的感性認識，測定流態(tài)轉變時的臨界雷諾數。雷諾實驗的特點是數據量大，計算煩瑣。在傳統(tǒng)的實驗教學方式下，學生把主要時間都花在了數據處理方面，讓很多學生失去了學習流體力學的興趣。
三、雷諾實驗課程的CAI教改方案
CAI，被廣泛譯為“計算機輔助教學”，已基本得到教育界的認可。CAI為學生提供一個良好的個人化學習環(huán)境。綜合應用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術，克服了傳統(tǒng)教學方式上單一、片面的缺點。它的使用能有效地縮短學習時間、提高教學質量和教學效率，實現最優(yōu)化的教學目標。
在傳統(tǒng)的雷諾實驗過程中，學生只是被動地觀察流動形態(tài)，簡單地記錄數據，然后花費大量課堂時間進行計算以驗證雷諾數，沒有時間和老師主動探討實驗原理，積極分析問題和解決問題，容易挫傷學生的學習積極性。本文從兩個方面對雷諾實驗教學進行改進和創(chuàng)新。
1.教學模式改革。教學模式的改革服務于課程核心目標從“使學生了解并掌握雷諾實驗基本概念”轉變?yōu)椤笆箤W生能夠觀察實驗、理解實驗和研究實驗”的根本目標，為實現這個目標將實驗內容的結構調整為雷諾實驗基本概念、雷諾實驗搭建和雷諾實驗測試三部分，每部分提出若干問題，編制《雷諾實驗指導書》，以指導手冊為基礎指導學生進行“基于問題的學習”。課程教學時間分為視頻教學和實踐教學并行的兩部分，視頻教學時間以教師講授與小組討論的方式梳理學習內容的結構；實踐教學時間學生帶著問題進入，搭建實驗和測試雷諾數，驗證理論、提煉理論。
2.教學工具改革。在傳統(tǒng)的實驗教學方式下，按照實驗報告冊上的既定步驟，學生可以在無須對理論知識了解很多的情況下就完成實驗和利用既定公式計算整理出實驗報告；其次，傳統(tǒng)實驗讓學生把主要時間花在煩瑣的數據計算方面，而不是放在加深對理論的理解和運用理論解決實際問題方面；再次，實驗作為對理論知識掌握程度的一種量度，在傳統(tǒng)的實驗教學形式下其反饋周期過長，不利于教師及時把握教學效果和教學進程。因此，本文充分利用現代計算機技術，以上問題可以得到有效的解決：在硬件建設方面，所需要做的只是為實驗室添置一臺微機和多臺計算機終端，在軟件方面，利用計算工具創(chuàng)建雷諾實驗的數據庫管理系統(tǒng)。編制該CAI時，本著形象、直觀、易操作的原則，只要輸入有關的測量數據，屏幕上便顯示出雷諾數的大小和管道中流體的流態(tài)。圖2和圖3分別是測量數據的輸入窗口和雷諾數的校準圖。
四、CAI在雷諾實驗課程中的教學效果
1.鼓勵和指導對實驗感興趣又學有余力的學生進入更深層次的實驗，實現理論與實驗課程的電腦化教學，可通過電腦觀看預習教學錄像，實驗課程講義，給學生提高動手能力和創(chuàng)新能力創(chuàng)造了條件。
2.運用先進的實驗設計手段，通過CAI對雷諾實驗進行模擬仿真，再進行實驗的搭建和調試，讓學生更好掌握軟硬件結合設計實驗的流程和方法，提高了學生的學習興趣和熱情。
3.計算工具的改進。通過CAI將學生從煩瑣的數據計算中解脫出來，可以快速理解實驗原理，準確校準實驗數據，便于教師快速掌握學生實驗測量和計算情況。
參考文獻：
[1]曹桂萍，孫杰，潘亮，閆亭亭.雷諾實驗的創(chuàng)新性教學[J].高師理科學刊，2011，（3）：110-112.
第6篇：流體力學基本原理范文
摘 要 “弧線球”往往是一場足球比賽中的看點，看過本文的分析，只要多加練習，您也可以射出精彩的弧線球。
關鍵字 力學 伯努利 弧線球
在英超聯賽中精彩的弧線球射門場景讓人記憶猶新，作為一名體育工作者，在感嘆球員的精彩球技時，更應關注其中蘊藏的科學道理。在本文中，我將依據自己有限的流體力學知識，分析精彩射門中的力學原理。眾所周知，當人給球力的有個角度（0
一、伯努利原理
要弄清楚這個問題，就得先了解一下伯努利原理。伯努利原理認為：“在流水或氣流里，如果流速小，對旁側的壓力就大，如果流速大，對旁側的壓力就小。”足球隊員用腳踢球時，只踢球的一小部分，把球“搓”起來，球受力，就發(fā)生旋轉，而當球在空中高速旋轉并向前飛行時，它屬于剛體的一般運動，它包括了剛體的平移、定軸轉動、定點運動等。根據伯努利原理，球就受到了一個橫向的壓力差，這個壓力差，使球向旁側偏離，而球又是不斷向前飛行著，在這種情況下，足球同時參與了兩個直線運動，便沿一條彎曲的弧線運行了。
二、伯努利方程式
伯努利方程式：ρv2/2+ρgz+p=常量，實際上是流體運動中的功能關系式，即單位體積流體的機械能的增量等于壓力差所做的功。必須指出，伯努利方程式右邊的常量，對于不同的流管，其值不一定相同。由方程可知，流速v大的地方壓強p小，反之，流速小的地方壓強大。在粗細不均勻的水平流管中，根據連續(xù)性方程，管細處流速大，管粗處流速小，所以管細處壓強小，管粗處壓強大。從動力學角度分析，當流體沿水平管道運動時，其質元從管粗處流向管細處將加速，使質元加速的作用力來源于壓力差。
三、伯努利原理在足球中的應用
（一）伯努利原理是流體力學中的基本原理，流體運動速度越快，壓力越小，且中的壓力又是往各個方向都有的。
（二）形成弧線球的力學條件有二：1.踢球作用力（合力）不通過球體的重心――使球體產生轉動；2.有一定位移――在空氣作用下，旋轉的球體發(fā)生軌跡改變?；【€球的受力分析：當運動員踢球時，作用力F通過球體重心：球體不發(fā)生旋（作用力方向即法線方向）轉并沿直線方向運行，獲得100%的出球力量，即F1=F×100%。此力不能產生旋轉。
當運動員踢球時，作用力F不通過球體重心：與法線成α1=30度時，偏心距X1=5.55cm（足球競賽規(guī)則規(guī)定，正式比賽）用球圓周為68-77cm，切線分為F2將產生力矩作用，使球體沿著以F2為切線的方向旋轉。擊球時的力矩值為：M1=F2×r=2×F×r（M為力矩，F2為切線分力并F2=F/2，r為球體半徑。法線分力F1決定出球方向和遠度，且F1=86.6%×F，它使球沿F2方向以較小的弧度運行（理論上計算其弧度數值為π/3）。
當踢球作用力與法線成α2=60度時，偏心距X2=9.6cm。切線分為F2將產生力矩作用，使球體沿著以F2為切線的方向旋轉。其力矩值為：M2=F2×r=0.8663F×r（式中M2為力矩，F2為切線分力并F2=0.8663F，r為球體半徑）。法線分力F1決定出球方向和遠度，且F1=50%×F，它使球沿F2方向以較大的弧度運行（理論上計算其弧度數值為2π/3），其運行遠度較小。
當踢球作用力與法線成α2=90度時垂直于法線時，只產生力矩使球旋轉，而不能使球位移，故不能構成腳背內側弧線球。
運動員踢球作用力F不通過球體重心，我們把這作用力分解為法線分力F1和切線分力F2。法線分力F2作用的結果，是使球體產生移動前進，且前進速度為V1；切線分力F2作用的結果是使球以ω為旋轉速度進行旋轉。根據動力學的基本公式，經推導得：
F×t=m×V V=Ft/m，即球的前進速度ω。
F×t×x=J×ω ω=Ftx/J，即球的轉動角速度。
因為球的質量和轉動慣量均為常量所以，作用于球體的力F和力的作用時間t的值越大，則球體的前進速度V和轉動ω角度速度就越快；反之，作用于球體的力F與力的作用時間t的值越小，則球體的前進速度V和轉動角速度ω就越慢。而作用力的力臂X的值大即踢球角增大，則轉動角速度ω就加快；反之，力臂X的值小即踢球角減小，則轉動角速度ω減慢。如果我們把這兩種不同的運動按照合成規(guī)律（平行四邊形法）則組合起來，不難看出：前進速度V和轉動角速度越快，那么球體的運行速度越快，且側旋弧線曲率也增大；反之，球的前進速度V和轉動角速度越慢，則足球運行速度也越慢，弧線曲率也減小。
分析結論：踢球作用力F與法線所成角度α增大時（0
依據側弧線球形成的力學條件，即有一定的旋轉速度，又要有一定的位移，所以一般認為在踢定位球時，α角在30度左右到60度之間將產生側旋弧線球。理想的弧線球多是借助于來球力量、重力和風力等因素，運用不同的腳法以及巧妙的技術動作形成的。
第7篇：流體力學基本原理范文
關鍵詞 食品工程原理；教學質量；提升途徑
中圖分類號 G42 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）20-0289-02
食品工程原理是食品科學與工程專業(yè)的基礎課程，主要任務是研究單元操作的基本原理、典型設備的構造及工藝尺寸的計算（或選型），目的在于培養(yǎng)分析和解決有關單元操作各種實際問題的能力[1-9]。本課程內容涉及學科多，理論性強，與工程結合緊密，課程難度大，在食品類專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要的地位和作用，如何提高課程教學質量就成為授課教師探索的重要目標。筆者從事食品工程原理課程教學多年，結合長期積累的經驗，通過舉例法對如何提高本課程教學質量進行了有益探索，以期為承擔本課程教學任務的教學工作者提供有益參考和借鑒。
1 形成宏觀意識，樹立工程觀念
食品工程原理是一門實踐性、工程性很強的應用基礎課程，教學過程中應注重建立學生的宏觀意識，樹立工程觀念，培養(yǎng)學生的工程思維，提高分析與解決工程問題的能力。例如，流體力學中把大量流體分子構成的集團稱為流體微團或流體質點，流體就是由無數個微團或質點組成的連續(xù)工質。流體力學就是研究流體流動宏觀規(guī)律的一門學科，涉及的流體不僅有牛頓流體，也有非牛頓流體。有了流體微團或流體質點的概念，研究流體運動規(guī)律時就不必考慮復雜的分子運動而從宏觀上來研究流體流動所遵循的規(guī)律，這在工程上是許可的。
2 更新教學大綱，優(yōu)化教學內容
教學大綱是教師進行教學的主要依據，包括教學目的、教學要求、教學內容和學時分配等，也是檢查和評定學生學業(yè)成績和衡量教師教學質量的重要標準[2，8-9]?，F代食品工業(yè)科技發(fā)展迅速，技術更新快，已成為我國工業(yè)快速發(fā)展的推動力量。食品工程原理涉及章節(jié)多、難度大，而學時有限。因此，教師應該根據專業(yè)或學科特色進行合理取舍，不斷更新教學大綱，及時優(yōu)化教學內容，只有這樣才能及時跟上時代的步伐。例如，畜產品加工與貯藏方向應側重流體力學、傳熱、冷凍、膜分離、蒸發(fā)和干燥等單元操作，農產品加工與貯藏方向應側重于粉碎、篩分、攪拌、吸收、蒸餾和吸附等單元操作。
3 轉變教學方式，改進教學方法
教學方式是教師在要求學生獲取知識，提高能力，獲取學習方法的過程中所采用的方式，包括談話式、討論式、歸納式、講授式、互動式、總結式和實踐活動式等。教學方法是教師為了實現教學目標和完成教學任務，在教學過程中運用的方式與手段的總稱[4，9]。食品工程原理涉及各個單元操作的基本原理、典型設備構造、物料衡算和能量衡算等，若按傳統(tǒng)的教學方式和手段進行組織教學，學生學習積極性不高，學習興趣不強，重難點不易掌握和理解，學習效果較差。因此，在食品工程原理教學過程中，教師需不斷轉變教學方式，改進教學方法，提高教學質量和水平。例如，傳熱這一單元操作，教師可從古人利用冰窖貯藏食物、世界能源短缺、全球氣候變暖、能量傳遞和利用、傳熱學發(fā)展簡史和熱力學三大定律入手，激發(fā)學生的學習興趣和學習動機，使學生主動求知和自主學習，加強師生相互交流，這樣就可提高教師教學質量和增強學生學習效果。
4 加強師資建設，提升教師素質
教育大計，教師為本。教師是教育事業(yè)發(fā)展的第一資源，教師在教學過程中起引導和主導作用，教師素質與教學質量密切相關。加強教師隊伍建設是食品工程原理課程教學改革和發(fā)展規(guī)劃中一個十分重要的方面。加強教師隊伍建設包括以下方面：一是建設高素質教師隊伍，采取引進高層次人才和自己培養(yǎng)相結合的方式，不斷提高教師隊伍水平；二是加強師德師風建設，使一切教育工作者具備相應的道德觀念、情操和品質，在言傳身教過程中起著十分重要的示范作用；三是提高教師業(yè)務能力和水平，采取主講教師定期與不定期培訓學習的方式，校內與校外鍛煉的方式，以此來提高教師的業(yè)務能力和水平，提升教學質量；四是加強教師獎懲制度建設，對長期從事本課程教育教學、科學研究和管理、服務工作并取得顯著成績的教師和教育工作者，可授予相應榮譽稱號，頒發(fā)相應的獎章和證書，給予一定的物質獎勵，以此來激勵教師努力工作、勇于奉獻。
5 強化實踐教學，培養(yǎng)創(chuàng)新意識
當前高等學校面臨的一項重要任務是轉變教育思想，更新教育觀念，實施創(chuàng)新教育，培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的新時代大學生。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。教育部曾提出：“要大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力?！奔訌姼咝嵺`教學有助于提高高校教育質量、培養(yǎng)高素質人才，適應我國社會的發(fā)展。實踐教學內容包含課程實驗、課程實習、課程設計、生產實習、畢業(yè)設計和畢業(yè)論文等，是理論教學的延續(xù)、補充、拓展和深化，有助于培養(yǎng)學生理論聯系實際的實踐能力、增強動手能力、提高分析問題和解決問題能力、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神等[6-9]。食品工程原理是一門實踐性很強的應用性課程，應該以改革創(chuàng)新為動力，以強化學生實踐創(chuàng)新能力為目標，堅持教學與科研結合、課內與課外結合、校內與校外結合，優(yōu)化實踐教學體系，建設實踐教學平臺，提升實踐教學隊伍水平，完善實踐教學管理，創(chuàng)新實踐育人模式，提高人才培養(yǎng)質量，為服務食品工業(yè)輸送大批勤奮踏實、基礎扎實、知識面寬、實踐創(chuàng)新能力強的創(chuàng)新型和應用型人才[10]。
6 激發(fā)學習動機，培養(yǎng)學習興趣
教學過程是由教師的教和學生的學2個方面構成的統(tǒng)一活動過程。教學質量不僅與教師的教學態(tài)度、教學內容、教學方法和教學效果等有關，還與學生的學習態(tài)度、學習方法和學習效果有關。學習效果的好壞與學習動機和興趣密切相關。因此，教師在教學過程中要激發(fā)學生的學習動機，培養(yǎng)學生的學習興趣，以達到預期的教學目的，提高教學質量。例如，流體力學基礎這一章，可從大禹治水、都江堰水利工程入手，提出應用了哪些流體力學的原理，以此引起學生的注意，激發(fā)學習動機，培養(yǎng)學習興趣。
7 參考文獻
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第8篇：流體力學基本原理范文
作為一門研究生專業(yè)基礎課，計算流體力學（CFD）涉及到離散數學、數值分析與算法、非線性偏微分方程等方面的知識，具有較強的理論深度及抽象性[1-3]。如何采用合理的教學手段，取得良好的教學效果，使研究生理解掌握CFD的基本原理及方法，是從事該課程教學的老師需要面對的一個重要課題。不同層次的研究生，其認知特點存在差異，因此教學手段和方法上也應該有所區(qū)別。筆者總結自己幾年來的教學實踐，對如何提高普通“211”高校的CFD教學效果，提出了自己的一些看法。
1 了解掌握授課對象的認知特征
知名高校的研究生，由于本科大多來自知名高校，或者是普通高校里面拔尖的，其理論基礎相對比較扎實；而像南京師范大學能源學院這類層次的研究生培養(yǎng)單位，其研究生除少數來自本校外，其他基本來自普通二本或三本院校，其數學基礎及計算機編程等基本功普遍較差，對流體力學、傳熱學專業(yè)基礎知識的理解也不夠深刻。
這種認知結構的差異，要求授課教師針對性地采用相應的教學手段與教學方法進行該課程的教學。作者幾年的教學實踐表明，直接采用知名高校的教學內容、教學素材及教學方法進行本單位的CFD教學是不合適的，無法適應本單位研究生的認知水平和認知能力，無法取得滿意的教學效果。應根據本校研究生的認知特點進行CFD教學體系的建設。
2 合理設置課程教學方法
2.1 基于完整的理論體系開展教學
CFD是以計算機以依托，以編寫程序為基礎的一門學科，因此具備計算機編程能力是CFD特殊性的一部分。計算機程序只有在源代碼完整、規(guī)范、正確的情況下才能進行正確的運算。因此，無論針對什么層次的研究生，在進行該課程教學時，都必須做到內容周到、完整。
質量守恒方程、動量方程和能量守恒方程等三大守恒方程，以及模擬湍流流動的時均N-S方程及其封閉模型，是CFD的理論基礎，研究生必須理解掌握[4]。CFD采用的離散方法主要有有限差分法和有限容積法，目前主流的商業(yè)軟件都采用有限容積法，而有限容積法是在有限差分法基礎上發(fā)展起來的，因此需要深入地講解有限差分法和有限容積的基本離散原理。必須讓學生掌握擴散和擴散―對流兩種條件下的離散格式，掌握各種條件下控制容積節(jié)點系數和邊界系數的求解模型極其物理意義。三對角陣算法（TDMA）、交替方向隱式方法（ADI）等是CFD的重要內容，因為在內迭代層次上，需要對離散的線性代數方程組進行求解。對于對流―擴散問題，由于質量守恒方程與N-S守恒方程之間是非線性的關系，因此需要學習掌握SIMPLE―經典的分離式求解方法―的基本原理和方法。邊界條件的處理雖然相對比較簡單，但若處理不當，亦會導致程序無法運行，計算結果不正確，因此這部分內容也需重視。動量方程、能量方程、湍動能方程、湍流耗散率方程的邊界處理各有不同，其相應的處理方法，都需要學生理解掌握。
2.2 突出教學重點
實踐表明，CFD的理論基礎，即質量守恒方程、動量方程和能量守恒方程等三大守恒方程，尤其是方程中非穩(wěn)態(tài)項、對流項、擴散項和源項的物理意義，必須花費大量時間進行充分的講解。原因在于，這部分內容物理概念抽象，涉及諸多非線性偏微分方程，難度較大，學生不易掌握，導致很多高校在本科教學中很少講或者不講這部分內容；對于本單位的研究生，專業(yè)基本功稍差，因此在學習這部分內容時普遍感覺有難度，看不懂、聽不明白。但對研究生而言，尤其是將來可能從事數值研究的研究生而言，掌握這部分內容是必須的，因為三大守恒方程是CFD的理論基礎。并且，只有充分理解和掌握守恒方程中各項的物理意義，才能應用有限容積法或有限差分法對偏微分方程進行數值離散，才能在此基礎上學習模擬湍流流動的基于時均N-S方程的經典模型。
有限差分法和有限體積法是CFD課程的核心內容之一，它將無法求得解析解的非線性偏微分方程數值離散成線性代數問題，從而獲得數值解。對本校層次的研究生而言，在理解和掌握有限差分法中以差分代替微分、差商代替微商的思想和有限體積法中的控制體積分的思想方面，存在一些困難。非線性偏微分方程及其定解條件的離散方程的相容性證明，數值解的收斂性及穩(wěn)定性證明，對研究生而言，也存在理解上的困難。
以上兩部分內容是CFD的重中之重，對于本校層次的研究生而言，需要重復講解，一遍講解之后，了解研究生理解上的盲點，再針對盲點，有的放矢地進行第二遍講解，力求達到教學目的。對于這部分內容，務必從數學層面上、物理意義上，對其來龍去脈，進行深入講解，不能怕麻煩。
2.3 培養(yǎng)學生編程能力
對于知名高校的研究生而言，由于其編程基本功相對較好，在本科階段也學過數值分析與算法等課程，因此，在進行教學時，可以將重點放在基本原理的講解上，編寫CFD計算機程序可以由他們自己去完成。但對于本校層次的研究生而言，普遍存在由于編程基本功較差，無法應用所學CFD理論知識編寫程序，哪怕是最簡單的計算擴散問題的程序；反過來這又影響他們對CFD理論知識的理解和掌握。CFD作為一門基于計算機的新型獨立學科，能夠應用CFD理論進行流場計算程序的開發(fā)是基本能力與素質。并且，在科研及工程實踐中，很多時候需要對商業(yè)軟件進行二次開發(fā)（udf）[5-6]，以滿足特定的模擬需求。因此，培養(yǎng)研究生的編程能力，是該課程教學的一項重要內容。作者在教學過程中，強制要求研究生必須自己動手編寫程序，從最簡單的擴散問題開始，先看別人編寫的程序，再在此基礎上自己學著寫，個人獨立完成。這作為他們課程考核的一部分。事實上，這樣做也確實取得了一些良好的效果。研究生在編寫程序的過程中，從無從下手到不斷發(fā)現問題，在摸索中不斷增強其對CFD相關知識點的理解和掌握，編程能力也大大提高。
2.4 結合FLUENT等CFD商業(yè)軟件
隨著FLUENT等CFD商業(yè)軟件的不斷發(fā)展，一些常見的、成熟的流體力學問題的模擬都可以基于商業(yè)軟件完成。CFD商業(yè)軟件平臺的背后就是CFD理論，因此，結合FLUENT等CFD商業(yè)軟件的具體使用，可以幫助研究生理解CFD的相關概念如SIMPLE算法、亞松弛因子、迭代、網格生成等。事實上，有些研究生在本科階段參加一些科研創(chuàng)新項目或畢業(yè)設計的時候也會一定程度上接觸到FLUENT等商業(yè)軟件，但他們僅會按圖索驥，卻不知其里。因此在課堂或課后安排研究生使用CFD商業(yè)軟件模擬具體的流體力學問題，再結合CFD相關知識點，解釋分析他們在使用軟件中遇到的困惑或不解，將能夠非常有效地幫助他們理解CFD相關知識點。與此同時，掌握了CFD理論知識，也能夠幫助他們更深入地了解商業(yè)軟件，從而更充分、高效地使用商業(yè)軟件，更好地拓展商業(yè)軟件的使用范圍。比方說，掌握CFD相關理論原理及知識和足夠的語言開發(fā)能力，研究生能夠對基于udf對FLUENT商業(yè)軟件進行程序的二次開發(fā)。
第9篇：流體力學基本原理范文
關鍵詞：創(chuàng)新能力；TRIZ理論；教學環(huán)節(jié)
作者簡介：曹賀（1978-），女，遼寧昌圖人，黑龍江科技學院機械工程學院，副教授；劉訓濤（1975-），男，黑龍江雞西人，黑龍江科技學院機械工程學院，副教授。（黑龍江 哈爾濱 150027）
基金項目：本文系黑龍江省高教學會“十二五”規(guī)劃課題“TRIZ理論在本科教學中的應用與大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究”（項目編號：HGJXHC110906）、黑龍江省教育科學規(guī)劃課題“基于卓越工程師培養(yǎng)的本科畢業(yè)設計改革的研究與實踐”（項目編號：GBC1211109）的研究成果。
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）31-0027-02
高校推行教學改革進行素質教育，構建新型人才培養(yǎng)模式，必須重點突出創(chuàng)新，必須堅持知識、能力和素質的辯證統(tǒng)一。專業(yè)知識的傳授是教育的主要內容之一，但知識不等于能力，更不等于綜合素質。理論教學包括基礎課和技術基礎課等一系列課程，實踐教學包括各類實驗、實習、課程設計、畢業(yè)設計等。[1]為適應新時期應用型人才培養(yǎng)的要求，必須要使創(chuàng)新能力培養(yǎng)貫穿于教學的每個環(huán)節(jié)。即將理論教學與實踐教學很好地融合，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)貫穿其中。
一、大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有規(guī)可循
聯合國教科文組織叢書《教育——財富蘊藏其中》指出：“在社會和經濟迅速變革的世界里，可能更重視想象力和創(chuàng)造性。”大學生是創(chuàng)新人才的主力軍，蘊藏著強烈的創(chuàng)新潛能，需要去培養(yǎng)開發(fā)。大學生精力旺盛，朝氣蓬勃，樂于接受新事物，不愿意固守陳規(guī)，他們思想活躍，精力充沛，善于學習，創(chuàng)新欲望強。大學生這些積極的特點需要愛護并正確引導，培養(yǎng)、開發(fā)和挖掘大學生的創(chuàng)新潛能。
人的創(chuàng)造性是隨著人的大腦進化而進化的，其存在的形式表現為創(chuàng)新潛能，將創(chuàng)新潛能轉化為顯能，也就是創(chuàng)新能力，這就是創(chuàng)新的可開發(fā)性，即創(chuàng)新能力是可以激發(fā)和提升的，創(chuàng)新思維是可以通過訓練培養(yǎng)的。
TRIZ是解決發(fā)明問題的理論。TRIZ理論是前蘇聯阿奇舒勒等研究人員在分析研究了全世界250萬件專利的基礎上所提出的發(fā)明問題解決理論。TRIZ理論認為發(fā)明問題的基本原理是客觀存在的，發(fā)明問題具有可預見性。TRIZ研究人員發(fā)現，在一個工程領域中總結出的技術系統(tǒng)進化法則、發(fā)明原理及解決方案可在另一工程領域實現。[2]正是在進行這些研究的基礎上，形成了解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法——TRIZ理論。其中的進化法則、40個發(fā)明原理、矛盾矩陣、物-場模型分析、76個標準解法、ARIZ等發(fā)明創(chuàng)造模型成為了開啟創(chuàng)新之門的“金鑰匙”。應用TRIZ理論時，首先要將待解決的問題抽象轉化為TRIZ問題，然后利用TRIZ的發(fā)明原理、標準解等工具，得出該TRIZ問題的解決方案模型，最后再通過類比應用轉化為該問題的最終解決方案。[3]
大學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和開發(fā)可以借助TRIZ理論這個系統(tǒng)化的創(chuàng)新工具，將TRIZ理論融入到教學的各個環(huán)節(jié)當中，形成基于TRIZ理論的創(chuàng)新訓練框架。如圖1所示。
二、理論教學中結合TRIZ理論
創(chuàng)新能力是靠教育、培養(yǎng)和訓練激勵出來的。在課程教學中引導學生進行自我訓練，有意識地觀察和思考一些問題，如“為什么”、“做什么”、“應該怎樣做”、“是不是只能這樣”、“有沒有更好的方法”等。依托與日常生活及各行業(yè)聯系緊密“工程流體力學”和“液壓與氣壓傳動”等專業(yè)基礎課，在教學過程中引導學生思考現實生活中的各種現象，啟發(fā)學生根據需要提出問題，并采用發(fā)散性思維解決實際問題。[1]讓學生在課堂中用TRIZ理論進行思考、討論，拓展學生分析和解決問題的思路，激發(fā)創(chuàng)新意識，進行創(chuàng)新思維訓練。比如，在“液壓與氣壓傳動”課程中，適當地加入訓練學生發(fā)散思維的環(huán)節(jié)，請學生運用TRIZ中的發(fā)明原理及技術矛盾解決矩陣來設計某些液壓元件的改進形式，或改變回路的布置方式來實現同樣的功能。從而使學生更加深入透徹地了解和掌握課程內容。又如，在“工程流體力學”課程教學中，流體力學的現象很多，在講授流體力學現象的時候，不按常規(guī)的方式去解釋現象及其原理，而是采用科學發(fā)現的方式，通過現場實驗或flas直觀展示流體現象的整個過程，引導學生觀察和思考，從而解釋現象，揭示其原理，這比灌輸式的教學方法更能使學生印象深刻，同時鍛煉了學生分析和解決問題的能力。
三、實驗教學中引入TRIZ理論
綜合性設計性實驗主要是用來培養(yǎng)學生綜合運用所學理論分析問題和解決問題的能力。[4]這些實驗不同于驗證性實驗，需要學生充分發(fā)揮創(chuàng)新思維能力對實驗進行設計和分析。比如，在液壓傳動綜合實驗的教學中，首先由學生自擬實驗方案，選取實驗元件，設計回路。其次在液壓系統(tǒng)仿真軟件Automation Studio下進行系統(tǒng)模擬，該軟件具有對液壓系統(tǒng)虛擬設計、模擬、測試、分析等功能，通過模擬可以進一步完善、修改液壓系統(tǒng)的設計及分析等工作。最后在我校力士樂液壓實驗臺上安裝、調試系統(tǒng)，并進行相關參數測試。在綜合性設計性實驗的教學中引入TRIZ理論，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維來完成實驗內容。同時，鼓勵學生找出現有實驗方法的不足，怎樣利用這些不足？這樣可以幫助他們發(fā)現有價值的內容，提出改進的方向，增加系統(tǒng)的理想度，指導學生應用TRIZ理論中消除矛盾的規(guī)律找出可行性方案。
四、課程設計和畢業(yè)設計中應用TRIZ理論
