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面向实战化需求的流体力学教学改革与实践1)

2022-07-02孟庆昌张志宏易文彬顾建农夏维学

力学与实践 2022年3期
关键词:空泡气流乒乓球

孟庆昌 张志宏 邓 辉 易文彬 顾建农 王 冲 夏维学

(海军工程大学基础部, 武汉 430033)

流体力学是在高等数学、大学物理等基础课之后开设的专业背景课程之一,旨在为舰艇动力机电、海军武器装备等专业学员提供专业背景知识[1]。课程的特点是理论性强,微分积分的数学公式多,内容抽象、枯燥难懂。学员对此望而生畏,甚至将流体力学称之为“留级力学”。

为了激发学员的求知欲和好奇心,培养其科学精神和创新能力,笔者结合问题导入式教学法和情境教学法,团队提出“四个引入”教学理念[2-4],即引入流动现象、军事应用、科研成果和思想方法,并提出了具体实施的“六个环节”,即设疑、分析、释疑、拓展、应用、创新。通过理论与实际相结合,搭建起了课堂与战场之间的桥梁,取得了较好的教学效果。

1 教学理念与教学设计

流体力学课程有很强的实践性,生活中处处存在着流动现象。通过设计、制造、利用便携和易用的教学演示道具,将身边的流体力学现象引入课堂,可以调动起学员的好奇心和求知欲,达到激发兴趣的目的。军队院校教育条例规定,要坚持为战育人,培养军事人才,发展军事科学,服务备战打仗。因此,将流体力学在军事领域的应用引入到课堂之中,可以让学员有的放矢,学以致用,从而搭建起课堂与战场之间的桥梁。将最新的国防科研成果引入课堂,可以激发学员学习的热情,培养其科学探索精神。将科学思维方法、科学家生平事迹、爱海军爱海洋的家国情怀,融入教学内容和组织过程,将知识传授与课程思政有机结合,让课堂更有温度,达到潜移默化、润物无声和升华学员思想的效果。

根据以上教学理念,设计了6个环节。(1)设疑:引入身边的流体力学现象,或引入实验道具展示实验现象,提出问题。(2)分析:以问题为导向,经过演绎推导得到公式、方程等。(3)释疑:根据得到的理论知识回答前面的设疑,学以致用。(4)拓展:对学员掌握的知识进行巩固强化,培养学员实践应用能力。(5)应用:引入军事装备中流体力学的应用案例,搭建课堂知识与战场应用的桥梁。(6)创新:引入最新的科研成果,提升学员科学素质和创新能力。前3个环节是知识层面的闭环;后3个环节则具有高阶性、创新性与挑战度,不仅能使学员胜任第一岗位任职需要,还要让他们通过科学的世界观和方法论去认知、改造世界,并从流体力学这门课程中受到启迪,受益终生。

2 实施步骤

2.1 设疑

利用生活中的常见现象设计课堂实验、提出问题、进行讨论,以激发起学员的好奇心和求知欲望。合适的设疑影响到后面的分析和释疑的效果,因此设疑需要掌握两个原则:一是设疑时提到生活中的现象要习以为常、司空见惯,但学员却不得其解,经过教员解释后方能茅塞顿开;二是课堂的小实验要设计巧妙,能够再现,且具备发散思维和逆向思维,最理想的是能够对学员的固有思维产生巨大的冲击力。比如讲解流体黏性的实验,如图1所示,密度相同、大小不同的两个铁球在空气中同时下落,几乎同时落地。如果相同的两个铁球在黏性较大的蓖麻油里同时下落,结果会是哪个铁球先落地呢?为什么是这样的结果?这样的问题容易激发起学员的兴趣和求知欲,这种求知欲会一直伴随着黏性知识的整个讲解过程,直到学员最后茅塞顿开。

图1 小球下落实验

又如,将一个乒乓球放在手心上,并吹口气,球会在气流的作用下飞出去。把乒乓球放在开口向下的漏斗里面。如果松开手,乒乓球会在重力作用下自由下落,此时提出问题,用什么方法可以不用手接触,使乒乓球停留在喇叭口里?吸气是一种方法。采用逆向思维,如果从漏斗里面向外吹气,是否可行?有的学员认为,这样肯定会把乒乓球吹走!然而,用电吹风提供持续的气流进行实验时,乒乓球非但没有被吹走,反而是停留在喇叭口内,并不断的振荡,如图2所示。为什么出现这样的结果?同样是气流吹乒乓球,为什么加个漏斗,效果就不同了呢?第1个环节设疑完毕,通过简易的道具,进行小实验,设制一系列疑问,引起学员的兴趣,调动起学员的好奇心和求知欲。

图2 吹不走的乒乓球

2.2 分析

针对提出的问题,引导学员运用数理知识,从物理现象中抽象出数学模型,并建立流体速度和压强关系的基本方程。这个环节使学员掌握分析问题、解决问题的方法,培养学员透过现象抓住本质,在复杂的问题中抓住主要矛盾的能力。此环节的时间要控制好,内容要精炼,力求推导过程逻辑清晰,简明扼要。趁学员的好奇心还未消失之前,得出结论。

乒乓球能悬浮在喇叭口里,说明受到向上的吸力,平衡了重力。如果关掉电吹风,球随之掉落,静止的空气中吸力消失,说明该力与气流速度有关。这个力是如何产生的?因为与球接触的只有空气,说明是球表面空气的压强发生了变化。那么压强与速度有什么样的关系呢?

在流场中,任意取一根流线,在其上取一段流体微元,分析它的受力。合外力等于质量与加速度的乘积,进行积分,经过推导,忽略次要因素,抓住主要矛盾,得到流场中压强与速度的关系式,即伯努利方程的一种形式:p+ρv2/2=C。式中p为气流的压强,v是速度,ρ为密度,C沿流线为常数,因此得到速度与压强的关系,即速度越高时,压强越小。

2.3 释疑

运用理论分析的结果,解释提出的疑问,使学员理解和掌握所学知识,解决实际问题,实现理论与实际的有机结合。该环节要解释准确,抽丝剥茧,阐述清楚,使学员恍然大悟,茅塞顿开。

对乒乓球所受的流体动力进行定性分析,如图3所示,球表面分3个部分,红色区域AOB包含驻点,气流速度几乎为0,压强p0(红色箭头)最大,产生的作用力与重力W的合力使乒乓球下落。蓝色区域AC和BD与漏斗形成的流动通道变窄,根据质量守恒和伯努利方程,速度增加时,压强p1减小,这部分压强用蓝色箭头表示。紫色区域CED受气流影响较小,近似为大气压p2(紫色箭头),p1和p2两个区域的压强差产生的合力,由于在竖直方向的分力向上,抵抗了向下的重力,保持乒乓球悬浮。那么为什么乒乓球会往复振荡呢?向上的力使乒乓球靠近、堵塞喷口。气流消失,压强差所形成向上的力消失,乒乓球下落后,又出现“狭缝效应”,再次产生向上的力,如此反复博弈,导致乒乓球在喇叭口里上下往复振荡,同理可知亦会产生左右往复振荡。通过以上分析可以得到,由于喇叭口和乒乓球之间形成狭缝,产生的低压区是维持乒乓球不至于被吹跑的原因,其本质是质量守恒与伯努利方程。

图3 乒乓球的压强分布和受力分析

2.4 拓展

经过设疑、理论分析、释疑,完成了第1层次知识传授的循环过程,需要继续拓展学员的能力和提高科学素质。趁热打铁,提出同类型的其他问题,组织学员讨论探究。通过这一环节,学员可以交流奇思妙想,碰撞出智慧的火花,进一步理解和巩固所学知识。

仍以乒乓球为例,当球向前方飞行时,根据运动的相对性,相当于球静止,气流流向乒乓球。忽略重力时,无旋的球两侧的流速相同,压强对称,乒乓球直行,如图4所示。如果用球拍顺时针摩擦乒乓球,拉出一个上旋球,如图5所示,由于球的旋转,表面摩擦使下方的气流加速,上方的气流减速。根据伯努利原理,速度越大,压强越小,反之亦然。在两侧压强差的作用下,形成垂直于运动方向向下的马格努斯力,乒乓球有明显的下坠,改变了原有的轨迹。如果是下旋球,恰好相反,马格努斯力向上,球更飘,落点更深。类似的还有侧旋球或者足球中的香蕉球,有异曲同工之妙。

图4 无旋的乒乓球

图5 上旋的乒乓球

针对流体力学涉及到的知识点,汇总了讨论拓展的问题[5],如为什么“船到桥头自然直”,“野渡无人舟自横”?美国塔科玛大桥为什么会被风吹垮?网球中的ACE球是怎样形成的?如何捞面条捞得快?怎样倒啤酒不起沫等等,倍增学员学习兴趣。

2.5 应用

仅有知识的讨论拓展还不能满足实战化的需求,学员将来面向的是战场,面对的是具体的武器装备,需要引入军事装备应用案例,使学员提前介入专业,了解装备需求,有的放矢,学以致用,搭建起课堂知识与战场应用之间的桥梁。

图6是辽宁号航空母舰上歼15舰载机起飞的瞬间。在飞机的前端、机翼的前部或者驾驶舱的两侧有一些向前伸出的管子,这是空速管,用来测量飞机的速度,学名也叫毕托管。为了能够让学员更加直观了解毕托管测速原理,制作了简易的实验装置,并配有结构原理图,如图7所示[6]。

图6 歼15舰载机

图7 自制毕托管测速仪及结构原理图

毕托管的结构简单,性能稳定,目前仍然是可靠的航空测速仪器。结合实际军事装备应用去讲解理论知识,使学员更加有认同感、获得感。

喷射泵是舰艇常用的排水设备,如图8所示。根据伯努利原理,高速水流使管道喉部产生低压真空区,可将舱底中的积水抽出。特别是当舰艇受到敌方攻击,舱室断电,舱内潜水泵和移动消防泵无法工作时,只要船上有高压消防水,就可以利用喷射泵迅速将积水抽除,保持舰艇的浮性和稳性,因此喷射泵是保持舰艇生命力的重要装备。喷射泵另一个优点是其内部没有叶轮等复杂结构,即使舱底积水含有杂质,仍然能够持续可靠的工作。军事装备案例的讲解会使学员对知识的印象深刻,即使毕业多年对伯努利方程的应用仍然会记忆犹新。

图8 喷射泵及内部结构图

笔者还归纳总结了其他一些军事装备应用案例,如舰艇舱室如果进水,需要在邻舱对水密隔墙进行支撑加固,加固位置应遵循距自由液面2/3处的法则,以上结论是根据“静止液体作用在平面上的总压力”计算得来。22型导弹艇喷水推进器推力计算,利用的是“动量方程”。潜艇陷入泥底有什么危害?如何处理?则可以根据“静止液体作用在曲面上的总压力”来解释计算。

2.6 创新

教育的目的不仅仅是传授知识,培养实践能力,而且需要提升学员的创新精神,第6个环节是引入科研成果。这个环节能使学员开拓视野,了解学科前沿,初步掌握研究方法,提升探索和创新精神。

螺旋桨高速旋转时,由于外缘的线速度很高,根据伯努利方程,周围水的压强降低,如果低于水的饱和蒸汽压,会出现汽化现象,形成空泡,即空化现象,如图9所示。当空泡溃灭时,将对螺旋桨表面造成持续不断的冲击,产生穴蚀,不仅破坏螺旋桨结构,降低推进效率,还会出现空泡噪声,暴露舰艇行踪。因此要避免空泡的产生,需要研制防空化、抑噪声的螺旋桨。

图9 螺旋桨空化现象及产生的穴蚀

常规鱼雷如果超过50节,在头部周围也会产生空化现象,影响鱼雷的制导,因此其速度存在上限。任何事物都有两面性,如果使空化充分发展,形成超空泡,除头部以外,鱼雷的表面完全被空泡包裹,将极大地减小鱼雷的摩擦阻力。超空泡鱼雷就是基于这个原理,目前俄罗斯海军已装备200节的超空泡鱼雷,正研制速度可以达到400节的鱼雷。利用相同的原理实现高速运动的超空泡射弹可以击毁水雷、拦截鱼雷等,两者的航行效果如图10所示。

图10 超空泡水中兵器

舰船在水中航行时,会使周围流场的速度和压强发生变化,这种由于舰船运动引起的流场的压强变化称为舰船水压场,如图11所示,其中Cp为压强系数,L为舰船长度。舰船水压场随舰船一起运动,该信息可以被水雷水压引信感知和利用。舰船水压场分布特征可以利用伯努利方程给予解释。

图11 舰船水压场

通过引入和介绍这些军事科研项目,可以使学员了解流体力学的巨大作用,从而架起课堂知识与战场应用的桥梁,为学员埋下科学创新的种子,激发其科技强军的热情。

3 结论

在教学过程中引入身边的流体力学现象,为枯燥的内容注入活力,解决了学员兴趣不高,动力不足的问题。引入实验道具,达到激发兴趣、传授知识、启迪思维的目的,使理论与实践紧密结合。引入军事应用、科研成果,架起课堂与战场的桥梁,达到培养能力、提高素质、为战育人的教学目标。作为一门专业基础课,课堂教学中所涉及到的知识往往只是一个点,为了拓宽学员的视野,在授课过程中注意以“点”为基础,向外扩展为“线”和“面”。让学员将知识的“点、线、面”结合起来形成立体的思维空间,知识体系更加完善丰满。

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