化工类课程中流体力学所体现的课程思政及“边界层分离”教学创新

莫文龙，任铁真，高歌，刘晓玲，马空军，黄雪莉

(新疆大学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

0 引言

2017年9月24日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》，指出“要建立以学生发展为本的新型教学关系。改进教学方式和学习方式，变革教学组织形式，创新教学手段”[1]。足以看出，高等学校应以科学发展观、现代教育思想为指导，社会需求和学生就业为导向，更新教育理念；坚持知识、能力及素质的协调发展；以培养高素质应用型人才为目标，突出和加强学生的基本实践技能，提高大学生的学习能力及创新能力和实践能力[2-3]。基于此，作者结合化工传递过程、化工原理和化工工艺学课程的基础知识，在指导学生实习和撰写毕业论文过程中，分析讲解重要化工设备的原理、功能与注意事项，提高学生对工程实际装置的兴趣，营造良好的求知氛围[4-5]。经近几年对化工传递过程、化工原理等课程教学内容的理解，关于该课程流体力学部分“边界层的分离”知识点也形成了些许看法。

1 流体力学相关课程在化工类专业中的地位

化工类专业课程中，与流体力学相关的主要有化工传递过程和化工原理课程。其中，化工传递过程课程是化工原理、化工工艺学、化工设计、化工过程与分析等化工类课程的基础课，是化工类专业的专业理论核心课，注重从理论深度揭示各单元操作过程和设备的基本原理。该课程结合特定的单元操作过程和设备深入研究动量、热量和质量传递现象，并归结为速率问题进行综合探讨，同时研究和归纳3类传递现象基本理论之间存在的类似性。作为化学工程与技术等过程学科本科生、硕士生的必修课程，一直以来都是解决化学过程工业实际问题的基础。同时，对石油化工、冶金工程、高分子化工、生物工程、环境工程等相关专业的研究人员，此课程也具有较高的学习和参考价值。

化工原理课程是化工类专业核心课程群中最为重要的专业基础课之一，是基础课与专业课的桥梁，主要讲授化工生产过程中各单元操作的基本概念和基本原理。拟通过本课程教学，循序渐进地引导学生逐渐学会用马克思辩证唯物主义的哲学观认知、学习、领会和掌握化工生产过程中各单元操作的基本概念、基本理论，掌握典型设备的结构及设计计算、操作、选型的基本步骤及方法，掌握研究工程实际问题的方法与技能，使学生逐渐建立工程概念，形成工程思维，具有工程头脑，形成工程观念。

上述两门课程均讲述流体力学的基本知识，涉及流体流动、流体输送机械、液体的搅拌、流体通过颗粒层的流动、颗粒的沉降和流态化等，是后续学习传热、蒸发、气体吸收、液体精馏、气液传质设备、液液萃取、热质同时传递过程、固体干燥等的基础[6]。其中，流体流动部分“流体流动的内部结构”中“边界层及边界层脱体”小节关于“边界层的分离”是相关专业学生必须掌握的一个重要知识点。教学过程发现，学生普遍反映边界层分离的内容比较深奥，附图较为晦涩难懂，特别是关于逆压强梯度的叙述，大部分学生无法通过图示联系原理进行理解。作者受教学过程中融入课程思政之科创精神启发，根据自己的理解与分析，将附图略加修改，结合理想流体的机械能守恒方程—伯努利方程，就“边界层的分离”谈一点自己的认识。

2 流体力学中体现的课程思政

作者经近几年的教学实施，挖掘出关于流体力学的系列课程思政点，其中的4个典型案例如表1所示。

表1 流体力学中体现的课程思政典型案例

2.1 政治认同之文化自信—理想与现实的较量

从理想流体机械能守恒方程和实际流体机械能守恒方程，引申“理想与现实的较量”，进而通过对比引出中国传统文化中关乎理想与现实的古诗词经典诗句，如“咬定青山不放松，立根原在破岩中”“老骥伏枥，志在千里。烈士暮年，壮心不已”“大鹏一日同风起，扶摇直上九万里”等，凸显中华优秀古典诗词的现实意义，提升学生对我国传统诗词的文化自信。此外，由理论与实践的辩证关系，通过连续性假定分析流动流体的质量守恒，得出理想流体与实际流体的机械能守恒方程，找出二者的区别和联系，引申辩证统一的马克思主义哲学观点。

2.2 家国情怀之国家重大工程—蛟龙号

基于流体静力学方程，引申深海潜水器所受的压力，其值随着下潜深度的增加直线上升。相关技术既是对设备本身抗压能力的考验，更是深海环境各项操作与运行面临的巨大挑战。进而引出我国的“蛟龙号”载人潜水器的开发过程。2002年，中国科技部将深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展计划(“863”计划)重大专项，启动“蛟龙号”载人深潜器的自行设计、自主集成研制工作。2009年至2012年，接连取得1 000米级、3 000米级、5 000米级和7 000米级海试成功。2012年6月，在马里亚纳海沟下潜7 062米，创造了中国载人深潜纪录，这也是也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。介绍具有自主知识产权的高技术研究工作，增强学生的国家自豪感和民族自信心。

2.3 职业操守之老一辈化工专家及教育家的精神—顾毓珍

流体力学中含有许多较为经典的经验公式，其中关于摩擦系数λ(或f)与直管雷诺数和相对粗糙度之间的方程就比较多。通过学习摩擦系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，引申我国著名化工学者—华东理工大学顾毓珍先生的故事。顾毓珍先生早年在美国MIT深入研究上述函数关系，得到著名的顾毓珍公式1932年顾先生获博士学位，1933年学成后回国报效国家。顾先生的回国体现了爱国主义、理想信念和科学家精神。由此，给学生进一步深化，家是最小国，国是最大家；科学无国界，但科学家有国籍；作为中国人首先要有一颗“中国人的心”。

2.4 科创精神与爱国情怀—新疆坎儿井

通过常见的关于过滤的生活实例，如豆浆、咖啡的获取过程，泥水的过滤处理等，引出我国古代的三大工程之一—新疆坎儿井(另外两大工程为长城、京杭大运河)。告知学生，新疆坎儿井为高山融雪通过地表层过滤，首先进入“暗渠”，而后引到“明渠”供生产生活使用。新疆坎儿井早在《史记》中便有记载，时称“井渠”，是荒漠地区的特殊灌溉系统，普遍存在于我国新疆吐鲁番地区，为解决当地的生产生活用水提供了极大便利，更体现了古代我国西部地区劳动人民的勤劳和智慧。清末鸦片战争后林则徐被贬新疆，大力推广坎儿井在当地被誉为佳话。通过学习本节课内容，引导学生面对问题，要有不畏艰难险阻、迎难而上的精神，更要有先辈那种为了中华复兴而不顾个人得失，脚踏实地建设祖国边陲的爱国情怀。

3 科创精神之“边界层分离”附图优化与分析

3.1 原文和附图及学生比较困惑的地方

3.1.1 原文和附图

图1所示是流体对一圆柱体的绕流，因上下对称，图中只画出上半部分。

图1 流体对圆柱体的绕流(一般性原图)

流体对圆柱体的绕流一般性的描述为：均速流体绕过圆柱体时，A点处速度为零，来流的动能全部转化成压强能，该处压强最大。当流体自A点附近向两侧流去时，因圆柱体侧表面的阻滞作用，形成了边界层。流体自点A附近流至点B附近，即流经圆柱体前半部分时，流道逐渐缩小，点B附近压强变小，在流动方向上的压强梯度为负(或称顺压强梯度)。当流体流过B点以后，流道逐渐扩大，压强变大，边界层内流体处于减速加压过程。此时，在剪应力消耗动能和逆压强梯度的双重阻碍作用下，壁面附近的流体速度迅速下降，最终在C点附近流速降为零。离壁稍远的流体质点因具有较大的速度和动能，故可流过较长的途径至C’点速度也降为零。将流体中速度为零的各点连成一线，如图中C-C’线所示，该线与边界层上缘之间的区域即成为脱离了物体的边界层。这一现象称为边界层的分离或脱体[6]。

3.1.2 学生比较困惑的地方

(1)关于“当流体自A点附近向两侧流去时……”，“两侧”在图中并未显示出来，直观标示的是向右上方流去，因此“两侧”的说法不易理解。

(2)关于“流体自点A附近流至点B附近，即流经圆柱体前半部分时，流道逐渐缩小……”“流道”具体在哪里？很多学生误以为边界层界限与圆柱体之间的区域即为流道。这样一来，流体自点A流至点B附近，这个“区域”是逐渐增大的，与“流道逐渐缩小”不符。

(3)关于“离壁稍远的流体质点因具有较大的速度和动能，故可流过较长的途径至C’点速度也降为零”。①“离壁稍远”，到底在哪里？②流体质点具有“速度”亦即具有“动能”，两者是一回事，为何要写成“和”的关系？

(4)上述分析未直接联系机械能守恒方程，即伯努利方程进行说明，给学生的印象是与前述学习的内容关联度不大。实际上，可通过写出伯努利方程，根据改进后的附图，对图中各段及边界层的分离进行更为清晰的分析。

3.2 修改后的附图及描述

基于“3.1.2学生比较困惑的地方”，作者在原图基础上，对附图进行了修改。结合伯努利方程和原文，针对“边界层的分离”，给出了自己的理解。

3.2.1 修改后的附图

在流体对圆柱体的绕流原图基础上，进行了2处修改，如图2所示。其一，增加了流道区域的大致范围，从中可明显看出流道从大到小，再从小到大的变化趋势；其二，拓宽了流体可能流通的区域，见图2中虚线部分。

图2 流体对圆柱体的绕流(修改后)

3.2.2 理论依据

“边界层的分离”理论依据主要有2个。其一，不可压缩流体在管道中作定态流动时的质量守恒方程，如公式(1)：

式中：u1、u2分别为截面1处和截面2处流体的平均流速(m2/s)；A1、A2分别为截面1处和截面2处流体的流通截面积(m2)。

其二，流体的机械能守恒方程，该方程的表达式：

式中：gz1、p1/ρ和u12/2分别为截面1处流体所具有的位能、静压能和动能(J/kg)；gz2、p2/ρ和u22/2分别为截面2处流体所具有的位能、静压能和动能(J/kg)；hf为截面1到截面2流体的机械能损失(J/kg)。

仅作理论分析，图1和图2均忽略位能的影响，且不计机械能损失，则公式(2)转化为公式(3)：

据此，可分析“边界层的分离”现象。

3.3 修改后的分析与描述

图2所示是流体对一圆柱体的绕流，因上下对称，图中只画出上半部分。

流体对圆柱体的绕流修改后描述为：均速流体绕过圆柱体时，A点处速度为零，来流的动能全部转化成压强能，该处压强最大。当流体自A点附近向右上方及两侧(解惑1)流去时，因圆柱体侧的阻滞作用，形成了边界层。流体自点A附近流至点B附近，即流经圆柱体前半部分时，流道逐渐缩小(如图，已标示出流道，解惑2)，流通截面积降低，流速增加(公式(1))，根据公式3，点B附近压强变小，在流动方向上的压强梯度为负(或称顺压强梯度)。当流体流过B点以后，流道逐渐扩大，流通截面积增加，流速减小(公式(1))，同样由公式(3)可知，压强变大，边界层内流体处于减速加压过程。此时，在剪应力消耗动能和逆压强梯度的双重阻碍作用下，壁面附近的流体速度迅速下降，最终在C点附近流速降为零。离壁稍远(如C点右前方)(解惑3)的流体质点因具有较大的速度(删除“和动能”3字，解惑3)，故可流过较长的途径至C’点速度也降为零。将流体中速度为零的各点连成一线，如图中C-C’线所示，该线与边界层上缘之间的区域即成为脱离了物体的边界层。这一现象称为边界层的分离或脱体。

4 结语

化工传递过程、化工原理等课程是化工类专业学生的必修基础课，对专业素养的提升具有举足轻重的作用，相关理论及实际运用涉及面广，专业性强，也具有一定难度。作者结合专业课融入课程思政的教学体会，从科创精神角度就“边界层分离”知识点中学生的疑惑进行了一些思考，通过对原图进行局部修改，对分析描述进行细微增减，以期更有利于学生结合所学基础理论，联系实际分析和理解边界层的分离现象。