《紊流数值模拟》研究生优质课程建设探索与实践

李琳 赵涛 牧振伟 谭义海

摘要：随着我国大、中型水利工程建设迅速发展，准确快速预测水流现象愈来愈受到工程技术人员的重视，将《紊流数值模拟》课程建设成适应现代水利工程前沿技术的发展需要的优质课程尤为迫切。本文以新疆农业大学水力学及河流动力学、水利工程专业硕士学位课——“紊流数值模拟”为对象，采用全面调查、综合探讨等方法，采用重考核过程、多阶段形式组合的考核评价方式，满足研究生全方位课程学习的要求，提高课程教学质量、培养学生解决实际问题的能力和创新能力。

关键词：新疆农业大学；紊流数值模拟；研究生优质课程；课程建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0182-02

一、引言

《紊流数值模拟》的研究对象是自然界和水利工程中的各种类型的水流现象和伴随着水体流动发生的热输运和物质输运。在水利建设和国民经济其他领域中，水流和伴随着水流的热输运、物质输运，具有极其重要的意义。为了兴水利、除水害，作为水资源综合利用的第一步，必须探明水流运动的规律和伴随水流发生的热输运、物质输运的规律。为了建设水利枢纽，必须预测建造水工建筑物以后上、下游水流的运动规律、泥沙运动规律等，从而选择最好的设计方案。为了防治水污染，必须预测河流、湖泊中的水流规律和污染物质的运动规律。准确地预测水流和输运现象，还能帮助我们预报乃至控制一些潜在的灾祸，如洪水和溃坝等。目前常用的预测水流和输运现象的方法为物理模型试验及数值模拟方法。如何使《紊流数值模拟》课程建设适应现代水利工程前沿技术的发展需要，如何通过本课程的教学建设与改革，让学生更好地掌握课程内容，以便与我校水力学及河流动力学专业、水利工程专业研究生的培养目标相吻合，为学生在后续的研究工作奠定坚实的基础。本文结合课程小组教师多年来的教学实践经验，对当前《紊流数值模拟》的课程体系、系列优化教材的选用与教学平台的建设，教学方法与手段的完善，以及考核方式的改进等问题进行了探讨，以满足研究生全方位课程学习的要求，提高课程教学质量、培养学生解决实际问题的能力和创新能力。

二、课程建设内容

（一）教学内容更新完善

《紊流数值模拟》所涉及的应用领域非常广泛，众所周知自然界中流体（气体、液体）流动基本上都是紊流，紊流数值模拟可用于一切做紊流运动的流动现象。在理论上它更是涉及了流体力学、粘性流体力学、固液两相流动力学、气液两相流动力学、计算水力学理论和方法。课程的讲授思路是建立通用的数学模型和相应的数值计算方法，以预测水流和伴随水流发生的各类输运（物质输运、浓度输运、紊动扩散输运）现象。但是水流输运现象十分复杂，为了封闭N-S方程不同的研究人员建立了不同的数学模型和数值计算方法名目繁多，千姿百态，要在较少的学时内历数各类水流输运现象、各类数学模型和数值计算方法，几乎是不可能的。因此本课程在学习过程中由浅入深进行：从控制方程N-S方程出发，考虑到它的不封闭性，有不同的紊流模型对其进行了封闭，从最简单的紊流模型零方程模型讲到单方程模型，最后讲到双方程模型及其典型代表模型和应力—通量代数模型；由恒定一维问题入手，推广到非恒定流三维问题。

由于新疆地区属于B类二区招生地区，所以进入我校的硕士生生源入学分数较低，大多来自三本院校，数学基础相对薄弱。而本课程采用的教材是金忠青编著的《N-S方程数值解和紊流模型》，该书短小精悍，适用于数学基础较扎实的学生直接使用，书中的偏微分方程采用了张量、梯度、散度等方法表示，对于我校的学生来说用此类方法表示的N-S方程难度较大，不清楚各项的物理含义和对应的代数展开式。讲解容易但理解难度较大，学生听过后似乎知其然但不知其所以然。因此，在绪论之后的《水流和输运现象的数学描述》这一章的讲解过程中，增加了1～2个学时讲授张量知识、梯度、散度、通量的数学定义，并通过补充案例帮助学生理解这些物理量在流体运动过程中的物理意义。在第三章紊流模型部分的讲解过程中，弱化了单方程模型（如k方程）和双方程模型（如k-e模型）的数理论证过程，强化广泛应用的紊流模型的基本原理和基本方程的建立或其逻辑推导过程，强化了方程中各物理项的基本概念的理解，使学生做到知其然和知其所以然。根据选课学生拟开展的科研课题的类型、硕士毕业论文的拟研究方向，针对性地选择教学实例，在课堂上对教学实例进行讨论分析，课后请学生分成小组针对不同的实例进行实践练习，之后教师与学生实践小组的讨论，对练习结果进行查找问题，提出改进措施和建议，学生对其实践内容进行完善，逐步提高学生解决问题的能力。

（二）改革教学方法与手段

由于本课程开设时间不长，近几年的教学过程中主要以黑板板书、课堂讲解为主，虽然也适当采用了多媒体播放视频、图片等方法辅助教学，但是教学方法和手段相对单调。为了进一步提高教学效果，满足学生全方位的课程学习要求，作者对教学方法和手段进行改进，主要包括以下几方面：

1.采用多媒体课件与黑板教学并存的教学手段。针对更新和完善后的教学内容制作多媒体教学课件，采用多媒体课件与黑板教学相结合的方式进行教学。在教学过程中，根据教学形式与内容的不同，采用相应的教学手段，或者两者结合使用，各取其长，使两种教学手段的优点都得到充分发挥，有效地加大课堂教学容量，优化教学效果，提高教学质量。在第二章、第三章控制方程的推导过程中，采用多媒体与黑板板书相结合，把需要反复使用地方程如N-S方程用PPT呈现出来，但是后续方程的推导过程采用黑板板书，采用黑板板书与PPT相结合的过程可达到满意效果。

2.采用启发式+讨论式+实践操作+质疑式教学方法强化实践教学环节。与本科教学不同，研究生进入硕士阶段的学习之后，很快会参与到导师的科研项目中，自然而然地进入了发现问题、拟解决问题和如何解决问题的阶段，此时学生的学习目的很强，授课教师稍加引导和启发学生便能进入带着问题主动学习的积极状态。因此，在授课过程中，根据选课学生拟开展的科研课题的类型、硕士毕业论文的拟研究方向，精心选择典型案例，在重点章节结束后安排1个学时做专题讨论，教师提出问题，初步提出解决思路，学生对问题的具体解决方案如模型选择、网格划分、边界条件的设置等问题进行讨论。

3.充分利用微信、QQ等方便快捷的网络交流工具，建立讨论组，加强学生与学生、学生与授课教师之间在线实时交流，随着学生数量的增多，不同学生所研究课题的不同，遇到问题不同，通过微信群、QQ群组的讨论过程，可使学生们共享案例分析过程、获得各种不同案例相关问题的解决经验，同时可以做到有问题及时讨论、及时解决，提高学生的学习效率和学习热情。

（三）建设和丰富案例库

在教学方法与教学手段改进的基础上，为了进一步提高学生的学习兴趣和学习效率，丰富课堂教学内容，教师结合课题组承担的相关生产科研课题或者根据媒体上公开发表的资料和相关信息建立了案例库，按照不同的教学目的，对其进行组织和加工形成教学案例库。通过图形和工程概况的相关文字说明使学生了解该工程案例所需解决问题。并根据图中给出的尺寸进行建模，划分网格，并选取合适的数学模型和数学方法进行计算。将计算结果与消力池模型试验结果图片进行初步对比，判断计算结果的合理性，再根据案例库中提供的该工程的实测的其他流场信息对计算结果进行详细对比，对出现的错误结果进行原因分析，经过纠错和改正多次重复，学生对所学的理论如何在实际工程中有效应用有了更深刻地认识，达到学以致用的目的。通过对案例的学习和相关实践训练，大大提高教学的针对性和实效性。

（四）改革课程考核模式

以往本课程的考核方式主要采取了卷面考试的形式，考试总评分由作业成绩、考试成绩组成，结果表明此种考核方式较片面，不能正确地反映学生的学习效果和应用所学方法解决实际问题的能力，不符合本课程的学习目的和要求。因此，本研究将改革课程考核模式，加大过程性考核所占权重，形成由过程性考核的平时学业成绩与终结性成绩相结合的综合考核机制。其中，过程性考核占60%，期末考核占40%。在过程性考核方面，可结合不同的学习情境、实践任务，采用操作演示、方案设计、小组汇报及答辩、口试等方式进行；期末的终结性考核可以采用笔试方式，考核学生对课程知识的综合运用能力。

三、结语

本文立足于笔者及课程小组其他教师近些年来从事紊流数值模拟课程教学基础之上，分析了往届学生的学习效果欠佳、解决实际问题能力不足的原因，为了提高学习效果和教学质量，达到研究生全方位的学习要求，笔者根据新疆农业大学硕士研究生生源情况，完善了课程内容体系。对教学方法和教学手段进行了改革，针对学生所参与的科研项目或其毕业论文研究方向，针对性地选择教学实例，在案例教学的过程中，将多媒体、网络交流工具、课堂教学、分组讨论等方法有机结合形成全方位立体式教学模式，逐步提高学生解决问题的能力。对考核模式进行了改革，采用重考核过程、多阶段形式组合的考核评价方式，可有效全面地考核学生的学习效果。通过本课程优质课程建设，完善了理论教学过程，同时加强了实践教学环节，达到了产、学、研相结合的教学和新疆农业大学水力学及河流动力学、水利工程专业硕士研究生全方位课程学习要求。

参考文献：

[1]金忠青.N-S方程的数值解和紊流模型[M].北京：科学出版社，1989.

[2]戴会超，魏文信，吴玉林，等，水利水电工程水流精细模拟理论与应用[M].北京：科学出版社，2006.

[3]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.