工程流体力学教学中引入相关技术的探讨

2010-10-09李贺松

赤峰学院学报·自然科学版 2010年4期

关键词：惯性力数据处理流体

李贺松

（中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙 410008）

工程流体力学教学中引入相关技术的探讨

李贺松

（中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙 410008）

工程流体力学对工科学生来说是一个重要的专业基础课，但其较强的理论性及涉及到的宽广的知识点使这门课的教与学都存在较大的困难.本文针对这一特点，把与流体力学教与学有关的相关技术引入工程流体力学的教学中，这些技术包括网络技术、数据库及数据处理技术、高速摄影技术、数据模拟技术、相似理论及教学科研成果.这些技术的引入可使课堂内容丰富化、形象化，同时可提高学生的理解能力及创新能力.

教学改革；课程建设；创新精神；实践能力

工程流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律.正因为如此，工程流体力学在各种学科中都起着非常重要的作用，尤其对工科学生无疑是专业基础课中重要的一环，是工业自动化专业、热动专业、制冷专业以及化工、石油、冶金等专业都必须学习的一门重要的专业基础课.但尤其工程流体力学应用了较多的高等数学的知识，再加上一些学生没有接触过的工程概念，所以本科生要想很好的接受并能灵活应用工程流体力学的知识并非易事.针对以上情况，工程流体力学的教学工作对任课老师来讲是一种不小的挑战，同时要求老师要具备与流体力学相关的技术知识和与教学活动有关的相关知识，这样才能很系统地给学生讲解各种综合知识点.本文主要针对工程流体力学教与学过程中所涉及到的相关技术知识进行较为全面的介绍，以便给任课教师一个比较明确的技术框架，要想更深一步了解相关理论，可按本文的思路进行相关的查询工作即可.

1 网络技术

1983年，ARPA和美国国防部通信局研制成功了用于异构网络的TCP/IP协议，美国加利福尼亚伯克莱分校把该协议作为其BSDUNIX的一部分，使得该协议得以在社会上流行起来，从而诞生了真正的Internet.1989年，由CERN开发成功WWW，为Internet实现广域超媒体信息截取/检索奠定了基础.Internet目前已经联系着超过160个国家和地区、4万多个子网、500多万台电脑主机，直接的用户超过4000万，成为世界上信息资源最丰富的电脑公共网络. Internet被认为是未来全球信息高速公路的雏形.

网络技术的发展不仅为工程流体力学的发展提供了技术支持，也为这门课的教学工作提供了诸多方便，主要体现在四个方面：课件的制作、教师讲解、学生学习和教师与学生的交流.

1.1 课件的制作

在教师制作课件的过程中，传统方法都是对照几本参考书进行编写，或者添加一部分教师科研工作中所能体现知识点的科研成果，这样可使教学内容形象化.但这些都有很大的局限性，主要体现在课件缺乏生动的图片和视频，比如介绍流体静力学时，如果在课件中加入三峡大坝的图片，可使课件生动活泼，同时可以调动学生的积极性；这些图片和视频的获取都可以通过网络来实现，如果教师熟练掌握网络的检索技术，可使课件内容更加形象，使学生更加有兴趣学习工程流体力学这门课.

1.2 教师讲解

教师在上课时，如果只按预先制作的课件来讲解，缺乏和学生的沟通，如果学生要求老师讲解课件之外的相关技术，教师可以通过两种网络途径来和学生交流：超星数据库和FTP服务器.

1.3 学生学习

学生课下预习和复习时，如果仅仅根据老师所提供的教材和课件，很难对知识做系统的学习，如果也能利用网络上提供的超星数据库中提供的书籍进行学习，也能利用教师提供的FTP服务器上提供的资料进行学习，可以提高文献的查阅能力.

1.4 教师与学生的交流

如果在课外学生师和教师探讨问题，可以通过网络提供的各种交流平台进行交流，这些交流平台包括：QQ群、FTP服务器的文件共享、E-Mail、小型网站论坛等.通过这些平台，教师可以发布上课、调课和留作业的相关信息，学生可以发布问题求助、要求上课方式的调整等信息，这些可以增加教师和学生之间的互动，弥补由于上课时间限制所带来的不足.

2 数据库和数据处理技术

数据处理技术是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输等.数据处理对数据（包括数值的和非数值的）进行分析和加工的技术过程.包括对各种原始数据的分析、整理、计算、编辑等的加工和处理.比数据分析含义广.随着计算机的日益普及，在计算机应用领域中，数值计算所占比重很小，通过计算机数据处理进行信息管理已成为主要的应用.这些数据处理可以应用到学生的实验上，教师在学生做完实验课之后，把这些先进的数据处理技术给学生做简单介绍，可以帮助学生进行一定数量的数据处理.用的比较多的数据处理软件应该是Matlab和Spss统计软件，要求学生课下一定要掌握其中一种软件，可以增加学生的数据处理能力.尤其是针对流体力学中数据量比较大的习题可以有针对性地采用这种处理方式.

3 高速摄影技术

高速摄影在流体力学教学里具有独特的表现功能，可以显示肉眼看不见的瞬间动作：如层流向紊流过渡期的运动状态；两相流的扩散现象和界面现象：一滴乳液落进乳汁里产生的优美的涟漪和两流体界面的波动情况；高速射流也要采用高速摄影拍摄才能得到流体的流动状态；高速摄影技术在湍流混合规律研究中也有应用[1]；利用高速摄影技术还可以观察单水滴在不同空气速度和水滴孔径情况下的运动规律[2]，可以向学生演示雾化水滴的蒸发过程；利用高速摄影技术可以观察喷嘴的雾化效果[3]，并可看到气/液界面的Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性会对喷嘴的正常工作带来的影响；利用高速摄影技术来观察水中气泡的运动规律，具有直观、低费用的优点[4].

4 数值模拟技术

国内曾有人[5]对CFD在工程流体力学教学中的应用进行过研究，主要体现在压强分布彩图、速度分布彩图、流线簇图、速度矢量图、绕流圆柱旋涡演进图、水平面速度矢量图，这些研究都是通过一个具体的算例来说明流体力学中一些基本的概念和理论，这些计算结果通过图形的形式显示出来，可以增加学生的形象思维能力，对知识点的认为更加具体化和形象化.

另外数值模拟技术还可以给出求解流体流动微分方程的一个具体步骤，比如首先建立物理模型，并对其进行离散化（网格化），然后施加边界条件，利用求解器进行求解，最后用图形的形式把计算结果给显示出来.同时为学生学习流体力学的数值计算部分的讲解提供了实例，故起到双重作用.如果学生能在课堂外完成这些计算工作，可达到增强学生的使命感、磨练学生的创新意志、培养学生广泛的兴趣、激发学生的创新意识的良好效果.