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流體力學的作用范文1
關鍵詞：流體力學；教學改革；探討
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A
流體力學是一門研究流體運動基本規律以及流體與物體之間的相互作用力的學科，它作為一門嚴密的且應用面很廣的專業基礎學科，是以數學、物理學為基礎發展起來的，也是土木、機械、動力、水利、環境等學科的一門技術基礎課程。改革開放以來，雖然各院校在該課程教學實踐中都積累了豐富的經驗并取得了不少成果，但是在該課程建設中仍存在著許多問題。論文結合教學現狀，從學生興趣培養、教學方法改革以及師資隊伍建設三方面探討提高流體力學教學水平的方法。
一、 流體力學教學現狀
流體力學是一門主要研究流體平衡和運動規律及其實際應用的技術科學，具有理論性強、工程實際應用廣、概念和方程較多且易混淆、對學生高等數學知識及綜合分析和處理問題能力要求較高等特點。流體力學建立在理論、計算、實驗三大技術手段之上，是化工、土木、機械等眾多學科或專業的基礎學科。另外，流體力學在環境工程設計和實際工程中也有著廣泛的應用，是水處理設備設計與應用的必備知識，以及生態分析的重要理論基礎。同時，流體力學是環境工程與其他學科體系溝通的橋梁，這個橋梁作用是其他基礎課或專業課無法替代的，直接影響到環境工程學科體系的完善性。因此，提高流體力學課教學質量，使學生學好本門課程，培養學生分析問題的能力和創新能力，對流體力學課程教學進行改革以適應學科發展顯得十分必要。
目前國內院校的流體力學課程教學過程大體可歸納為“課前預習、課堂教師講授、實驗室實驗、課后教師評閱”的四段串行模式。實踐證明，這種傳統的教學模式在強化理論教學成果以及動手能力的培養方面效果比較顯著，然而在創新意識培養方面卻收效甚微。原因在于：①理論教學中注重經驗理論與公式的講解，而公式多且乏味，導致教師難教，學生難懂，課堂教學缺乏生動性。另外，本科流體力學理論教學模式多為填鴨式教育，對學生而言，流體力學課缺少客觀體驗，理論抽象，不易理解，而由此帶來了一系列的問題是現在流體力學課程教學的主要障礙；②目前，大部分院校的流體力學實驗教學多采用傳統驗證性實驗，每一學生進行的實驗完全相同，教師由實驗報告的數據評定實驗成績。雖然實驗有利于增進學生對理論知識的理解，但此手段不能激發學生的積極性，無法體現學生的主體性，也不能培養學生的創造性[1]。由于實驗教學內容多數為驗證性實驗，在按既定的理論知識和實驗方案實踐的過程中，學生所得到的主要是從理論知識到實踐成果的收獲，而教師的作用主要是理論知識的傳授，具體實驗的演示、引導與糾錯，甚至有時會耳提面命，因此學生作為學習主體的創造性很難有機會得到展示。
因此，采用一種有效的教學方法進行流體力學理論和實驗教學的改革，激發學生的學習積極性和主動性，以提高流體力學課程教學質量，并對相關專業產生積極的影響，從而促進學生創新性的培養非常有必要。
二、 培養學生對邏輯思維的興趣
學生對任何概念和公式的形成、理解有一個過程，而在流體力學中，這些概念、公式又較為抽象，要求學生具備較強的邏輯思維能力，因此，根據學生掌握知識的快慢，耐心引導學生進行邏輯思維，培養學生對邏輯思維的興趣，使他們產生對邏輯推理的愛好，就成為教學中的關鍵。例如，流體力學中的三大方程――連續性方程、動量方程和能量方程需通過輸運公式逐步推導而來，如此的教學安排便使知識較為系統、連貫、緊湊，并有利于認識各個方程的物理意義。而輸運公式的推導由于邏輯性較強，講授時就需要花費較多的學時和精力來理清邏輯思路，理解每一步推導中的物理含義和數學要領，使學生對輸運公式有一個清晰準確地理解。最后，將輸運公式中的物理量換成質量、動量、能量即可得出連續性方程、動量方程和能量方程，如此便形成了較為完整的邏輯演繹體系。此種方式不僅使理論教學更加清晰明了，而且會使學生對將要學習的知識接受產生極大興趣，具有更加強烈的探索感和求知欲。
三、 教學方法探討
教學方法作為聯結教師和學生的重要紐帶，在提高教學質量方面起著重要的保證作用。為了更好地適應學科發展要求，工科“流體力學”課程方法的改革勢在必行，作者結合自身多年的教學經驗，針對該課程特點，認為應該在以下幾個方面進行課程教學方法改革。
（1）重視緒論課的作用
部分教師認為緒論課僅是對流體力學的簡單介紹，作用不大，所以對緒論的授課過程照本宣科、枯燥無味。其實緒論課對整個教學活動的成功與否起了至關重要的作用，它不僅是學生了解流體力學課程的窗口，也是教師教學水平的第一次展示。
講授緒論課的較好方法是介紹流體力學的成就、發展方向、廣闊前景及其在國民經濟中的重要作用等。教師要注重講解流體力學知識在工程中的應用，特別是教師自己承擔的科研項目，以展示流體力學在科學和工程技術中所取得的輝煌成就[2]。例如，通過介紹流體力學理論在“神舟號”系列飛船上的廣泛應用，使學生明白流體力學這門相對古老的學科還具有旺盛的生命力；通過介紹美國華盛頓州的塔科馬懸索橋在1940年秋天的大風中倒塌的例子，說明在實際工程中忽視流體力學會造成巨大的災難[3]。另外，流體力學的發展史對于激勵學生的學習熱情也有著非常重要的作用。在上課的同時，要善于借助互聯網，及時的將一些重要理論的發展過程、重要研究成果展現在學生的面前[4]。
（2）從實例中引出教學內容
流體力學雖有概念多、邏輯性強、理論上較難理解的特點，但卻與生活和生產實際密切相關。在具體教學內容的講解過程中，穿插一些生活中的現象，并結合課本中的理論“雙管齊下”，利用學生求趣、求新、求知的心理，引導學生學習并掌握教學內容。例如，在講流體粘性時，比較水的粘性和油的粘性；在講流體靜力學知識時，可講一些水庫垮壩事件，主要是設計時有缺陷和施工存在著質量問題，不能承受水對壁面的靜壓力。另外，還可以進行一些相關事例的延伸，如是否建設三峽工程時流體力學專家的爭論，通過分析得到的建設三峽工程必要性的結論等，使學生切實體會到學好流體力學的重要性[5]。利用這些鮮活的事例，使課堂教學更生動、更有意義。
（3）師生互動，培養良好學風
調動學生主動的學習，培養學生良好的學風，提高學生綜合素質，是加強流體力學教學效果的重要條件。作者在每次講課后都會對本次課程的內容進行總結，然后下次課隨機抽取部分學生回顧上次課的內容，并讓其他學生作出補充和建議。在課堂上，多為學生提供隨堂練習的機會，師生互相之間進行探討和思考，針對練習中的問題講解做題思路和方法，給予糾正和補充。這種授課模式充分調動了學生的主觀能動性，課堂氣氛活躍，有利于拓寬學生的思維深度，查漏補缺。學風對于任何一門課程教學的成功與否都起到了非常關鍵的作用，所以從第一堂課、第一次作業就要嚴格要求學生，對作業的批改做到一絲不茍，指出其作業中的各種問題并要求其修改。例如，要求學生對作業中的每道題，在解答時必須寫出已知、求解，并畫出相應圖示，這些小細節可以幫助學生以簡明的方式加深理解題意，取得了較好的效果。
（4）重視實驗教學
流體力學按研究方法可以分為理論流體力學、實驗流體力學和計算流體力學。實驗流體力學是理論流體力學發展的基礎，是計算流體力學的檢驗依據。因此，實驗教學在流體力學教學中有著極其重要的地位。流體力學中的公式繁多，難以記憶，難以理解，通過實驗可以加強學生對公式的感性認識，有助于學生深刻理解公式和概念的物理意義。例如，在講解伯努利方程意義的時候，單從公式上講解并不形象，通過能量方程實驗，可以使學生非常直觀的理解伯努利方程中每一項對應的意義。對于沒有開的實驗課，通過在網絡上收集照片、視頻等展示給學生，也可提高學生對理論知識的理解[6]。
（5）傳統教學方式和多媒體技術互補
過去，流體力學課程在教學手段上采用板書教學，這種方式能夠在教師的書寫和同步的講解中促進學生的積極思維與參與意識，但對教學內容中比較抽象的概念、復雜的流動現象和流動規律，很難用語言和文字準確、形象地描述。多媒體教學最大的優點是形象、生動、具體、直觀、易于理解且信息量大，但也有不能突出推導過程和思維、學生對知識的掌握比較膚淺的一些弊端。將傳統教學方法和多媒體技術綜合應用于教學過程是一種很好的方法，在講授偏重于推導過程的內容時采用傳統授課方式，而講授直觀形象的內容時采用多媒體教學方法，做到取長補短、優化組合，會獲得較好的教學效果[7]。
四、師資隊伍的建設
為適應素質教育的需要，教師不僅要掌握先進的教學手段，而且要努力研究實施素質教育的教學方法。在實際教學過程中，要靈活應用各種教學方法，并且要善于歸納總結教學經驗，虛心向有經驗的教師請教，同時要高度重視學生的反饋信息，不斷調整自己的教學思路，只有這樣才能逐步提高自己的教學水平。社會發展對教師的自身素質提出了更高的要求，教師要明確教學水平的提高和發展是一個畢生的過程，教師應該不斷開闊視野，更新知識體系，才能形成對流體力學更深層次的理解和認識。
五、 結論
論文結合流體力學教學現狀，從學生興趣培養、教學方法改革及師資隊伍建設三方面論述的教學方法，將教與學有機結合起來，使枯燥的流體力學課堂變得生動活潑，多方面激發學生的主動性、積極性及創造性。將上述方法運用于教學實踐后發現，該方法能夠有效的提高流體力學課程的教學效果。
參考文獻
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流體力學的作用范文2
關鍵詞 應用型大學 流體力學 教學改 革CFD
應用型教育是以培養知識和能力全面發展，面向生產實踐一線的應用型人才為目標的高等教育。流體力學作為我校理論與應用力學專業的一門重要的專業基礎課，非常廣泛地應用在實際工程中，如管道水力計算以及城市管網設計等。流體力學基本概念多、公式復雜、內容抽象，有較強理論性和較強工程實際意義。然而作者在多年的流體力學教學過程中發現學生普遍感覺該課程比較枯燥難學，學習積極性不高，期末考試及格率較低，應用性不。因此，在我校向“應用型特色科技大學”轉型的大背景下，如何適應“應用型本科教育”的要求，是流體力學教學及實踐中必須面對的問題。
1目前，我校流體力學課程教學存在的問題
（1）教材內容設計偏重理論推導。目前我校使用的流體力學教材主要強調課程的完整性和系統性，偏重于理論推導，選用的例題和練習題的設計過于理想化，與實際應用相脫離，應用性設計不夠突出，偏重于介紹流體力學可以解決工程問題這一點，造成學生剛接觸工程問題時就手足無措，這與應用型大學的培養要求不相適應。
（2）課堂教學效果不好。作者在流體力學課堂教學中發現，通過緒論課的大量工程實例以及視頻教學能調動學生學習的積極性，開學初期，教學效果相對較好，而隨著課程的進行、課程難度的加深，學生的學習積極性越來越低。主要原因有：①學生對流體力學涉及的高等數學、理論力學等課程的知識掌握不盡如意；②流體力學理論性較強，公式推導多，與實際應用相脫節。
（3）缺乏計算流體力學仿真軟件實踐教學。計算流體力學（CFD）技術作為一種數值模擬方法，在實際工程中的應用越來越廣泛，借助CFD技術，可以得到流動細節，如速度、壓力、能量損失、湍動量、漩渦等，從而在產品結構設計和優化方面發揮重要的作用。這就要求技術人員掌握流體力學分析、數值模擬及優化設計的能力。而現階段我校的流體力學教學中并未引入CFD技術，僅安排了一次課來介紹計算流體力學的內容，且完全進行理論教學，學生學了一大堆理論公式，但拿到實際工程問題卻無從下手。
2教學目標和內容設計
針對上述問題，作者在結合本校“應用型特色科技大學”的發展方向下對流體力學課程課堂教學方式及實踐環節進行改革。從課程教學內容，教學方式方法，實踐環節等方面進行設計，解決學生學習興趣低，課堂教學效果較差，理論與應用相脫離的問題。同時，通過借助CFD豐富教學內容，增強實用性，使學生會用仿真軟件求解工程問題。具體改革內容：
2.1突出應用性教學
以培養應用型人才為教學目標，結合流體力學的課程特點，將教學內容分為基礎理論教學部分和考慮應用的專題教學部分。
基礎理論教學內容包括流體力學基本概念、基本原理和基本方程，這是應用的基礎，要求學生重點掌握。授課過程中強調對基本概念的理解和基本理論的應用，而弱化對方程的數學推導，但應明確方程的意義、適用條件以及如何應用方程解決實際問題。專題教學以實際工程問題為切入點，例如以均質液體對平壁和曲壁的總壓力為例，從為什么對平壁和曲壁總壓力進行計算（壓力容器，水壩，潛艇等結構安全），引申出相關知識點（平壁和曲壁總壓力的大小、作用點、壓力體等）和基本理論（流體靜力學基本方程、歐拉平衡方程等），以此加強學生解決實際工程問題的能力。
2.2課堂教學方法設計具有針對性
課堂教學方法也是影響教學效果的重要因素。傳統教學方法以教師主講為主，缺乏與學生的有效互動和交流，教學效果較差。本課程采用師生互動的方式進行教學，對理論教學部分采用教師主講和提問、學生回答的方式；對專題教學的課后練習，集中安排一次課進行分組上講臺匯報，學生自己當評委，自己打分，鍛煉學生主動思考和動手能力，增強對課程應用性的理解。同時，采用多媒體授課，圖片和視頻能形象直觀地表現文字和語言不能描述的現象，如雷諾實驗、卡門渦街等。在成績的構成上除課后作業和專題匯報外，還布置一個課外小任務一觀察生活中的流體力學，例如空調掛機安裝位置問題，讓學生發現生活中的流體力學現象，并結合課堂所學理論知識進行分析，增強學生發現問題、解決問題的能力。
2.3將CFD技術引入課堂教學
在理論教學和專題教學完成后將CFD技術應用于教學之中，做到數值仿真計算與理論推導相結合，增強流體力學的應用性。
（1）授課時對流體力學商用數值仿真軟件Fluent的操作步驟做簡要介紹，結合我校的數值仿真中心，完成代表性例題的數值分析計算，將數值仿真結果與理論解進行對比。
（2）將工程實際問題引入流體力學教學，提高學生面對具體問題的實際操作能力。每學期邀請兩位具有豐富工程實際問題經驗的校外人員來校給學生做一次報告，向學生介紹其建立工程問題的簡化模型和簡化過程，以及采用Fluent求解過程和結果，讓學生學會面對工程問題時準確建立力學模型的能力，同時開闊學生的視野，提高學習積極性。
3主要特色
（1）突出實用性。在流體力學課程教育中調整教學內容，添加CFD技術的實踐，同時邀請經驗豐富的校外人員進課堂，為學生講解企業中的實際問題，教會學生學以致用，學生通過課程教學掌握該工具之后能更好地跟進企業工作并提高就業質量。（2）主次明確。強調實用性的同時，也不完全放棄對公式推導能力的教學，采取理論聯與工程實際相結合的方式，在提高學習主動性的同時，增強對基礎理論的認知。
流體力學的作用范文3
關鍵詞：工程流體力學；環境類；教學難點；教學方法；銜接技巧
作者簡介：齊旭東（1981-），男，河北唐山人，河北工業大學能源與環境工程學院，講師。（天津 300401）
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0130-02
一、環境類工程流體力學的學科特色分析
環境類專業涉及流體力學的內容廣泛，而且與機械、熱能動力、水利等傳統學科對流體力學的要求有明顯不同。[1-3]河北工業大學（以下簡稱“我校”）環境工程專業采用聞德蓀先生編著的《工程流體力學》教材，由高等教育出版社出版，分上下兩冊，上冊為《理論流體力學基礎》，下冊為《應用流體力學》。該教材與其它傳統學科所采用的流體力學教材相比區別較大：由于人類生活和生產主要局限在生物圈，生物圈中水和氣是無處不在的，環境類專業主要圍繞水和氣，因此，上冊《理論流體力學基礎》的覆蓋面極大，包括靜力學、運動學、動力學、恒定平面勢流、流動相似原理、流動阻力和能力損失等模塊；下冊《應用流體力學》包括孔口和管嘴出流、有壓管流、明渠流、堰流、滲流等模塊。下冊以水為主，旁及氣體，實際上是水力學基礎。但是，與傳統水力學又有著明顯的不同，這一不同并不是教材主要內容的差異，而是學科體系的構建不同。傳統水力學在學科構建上有著鮮明的學科特色，而環境類專業所學習的《應用流體力學》（教材下冊）是采用更加簡單的方式初步介紹水力學。換言之，是上冊《理論流體力學》的動力學在幾種特殊邊界流場中的具體應用，這些特殊流場的研究對于設計和計算環境類的反應器、構筑物的形式和尺寸，以及流體輸配具有重要意義。
工程流體力學與三大力學（理論力學、材料力學、結構力學）相比，其主要概念和原理幾乎沒有相似之處，[4-6]與大學物理學相比也無相似之處。[7]換言之，在工程流體力學中涉及的概念和原理對本科生來說幾乎是全新的。工程流體力學建立在連續介質假設基礎上，是通過牛頓經典力學和高等數學知識對流體靜止和運動規律進行研究，通過歐拉法或拉格朗日法對流動現象建立數學模型，從而用微積分等高等數學方法解決流體流動問題。該學科的基本概念和原理在三大力學或大學物理學中幾乎是從未提及過的。
可見，工程流體力學的學科特點鮮明，是環境類專業的重要骨干課程。筆者從事工程流體力學教學7年有余，并主動向老教師或其他同行學習探討，發現除了要把握好該課程的學科特點外，對教學難點也要廣泛篩選、收集和研究，并結合教學方法進行探討論證，[8-12]具體分析見表1及下文。
表1 若干教學難點與教材章節對應一覽表
序號 教學難點 教材章節[1]
1 連續介質假設 第一章緒論
2 隔離體受力分析 第一章緒論
3 流體相對平衡 第二章流體靜力學
4 流體靜力學基本方程、阿基米德原理 第二章流體靜力學
5 拉格朗日法、歐拉法 第三章流體運動學
6 亥姆霍茲速度分解定理 第三章流體運動學
7 理想流體動力學、實際流體動力學 第四章理想流體動力學和平面勢流、第五章實際流體動力學基礎
8 牛頓一般相似原理、單項力相似準則 第六章量綱分析和相似原理
9 普朗特混和長度理論 第七章流動阻力和能量損失
10 孔口、管嘴出流和有壓管流 第九章有壓管流和孔口、管嘴出流
11 堰流 第十章明渠流和閘孔出流及堰流
12 滲流 第十一章滲流
二、環境類工程流體力學的教學難點與教學方法銜接技巧分析
連續介質假設（序號1）是工程流體力學的基礎，其重要性不言而喻，但是作為一門新課程的開始，學生往往很難接受這樣的模型假設。因此，宜采用討論法處理該問題，討論法的難點是避免討論課的無計劃性。質點的概念對于研究流體運動是至關重要的，但是有大半學生掌握不到要領。具體體現在，把流體質點的概念與物理學剛體質點的概念混淆，覺得二者完全一致，沒有特殊涵義。面對這一問題，與學生針對兩個“質點”概念進行詳細的機理分析是很必要的。連續介質假設的核心理念是流體質點概念的提出，流體質點是這樣定義的：流體質點是指尺度大小同一切流動空間（流場）相比微不足道又含有大量分子，具有一定質量的流體微元；物理學中的剛體如果只發生平移運動的話，該剛體可簡化成質點處理，即用一個質點代替剛體，使物理運算變得很方便。因此，這兩個“質點”概念有著不同的涵義，流體的主要特點之一就是易流動性，流場的形狀受制于邊界條件，流場在流動過程中，邊界形狀不斷變化，所以，流場形狀也在不斷變化，因此，流體質點不能替代流場，而是由大量的流體質點組成連續介質，填充整個流場。
工程流體力學本質上講是力學問題，需要在解題前進行受力分析（序號2）。在中學物理學中，受力分析貫穿始終，為中學生所熟知。所以，該部分的學習推薦采用自學指導法和對比分析法，這樣可以充分調動學生的學習積極性。由于流場形狀受制于邊壁，流體的受力分析規律性不明顯，這與中學物理學的剛體受力分析區別較大。流體受力分析，均可從兩個方面進行，即質量力和表面力。質量力包括重力和慣性力，屬于遠程力，作用在整個流場的所有質點上，其中，慣性力的存在與否取決于坐標系的選擇。如果選擇慣性坐標系，則慣性力肯定不存在；如果選擇非慣性坐標系，則慣性力肯定存在。表面力包括切應力和壓應力，概念的內涵與剛體的表面力相似，切應力和壓應力之間的區別在于作用力方向的不同。
很多學生不了解學習流體相對平衡（序號3）的意義何在，根據該知識的特點，可采用探究發現法處理該部分內容。流體相對平衡的意義，在于將特殊的運動問題轉化成相對靜止的問題，從而使計算得到簡化。當整個流場與固體邊壁無相對運動時，選擇非慣性坐標系，根據達朗貝爾原理引入慣性力，可用相對平衡條件來處理該問題，即對隔離體采用受力平衡條件，可使計算過程大大簡化。
中學物理學所熟悉的流體靜力學基本方程（）和阿基米德原理（F浮=ρgV排），二者如何從流體靜力學的角度來重新定義（序號4），也是這一章的難點。該難點的講解宜采用啟發性談話法，該方法一定要注意談話內容的設計合理性，以期對整個談話過程有的放矢。流體靜力學基本方程的限定條件是質量力僅有重力，也就是說，坐標系為慣性坐標系。如果將其推廣到非慣性坐標系，則計算方法應為歐拉平衡微分方程的積分式，歐拉平衡微分方程是建立在牛頓第二定律基礎上的。該部分需要學生將流體靜力學基本方程與歐拉平衡微分方程積分式進行對照。阿基米德原理是計算浮力的基本原理為中學生所熟知，在中學物理中往往解釋成由實驗研究獲得，實際上在大學工程流體力學中可以解釋成曲面所受靜壓力的合效應使其意義更廣泛。
流動現象如何用數學語言描述，這是流體力學建立的基礎，該難點的處理宜采用講授法。描述流體運動的方法有兩種，即拉格朗日法和歐拉法（序號5）。拉格朗日法是從流場中選擇關鍵性流體質點組成流體質點系，跟蹤每一個流體質點，研究其運動規律，進而總結出質點系運動規律，從而推演出整個流場運動規律，該方法概念清晰，但是分析和計算過程復雜。歐拉法是從流場中選擇有代表性的空間點，分析這些空間點的運動規律，從而總結出整個流場運動規律。在計算流體力學中，常常采用拉格朗日法，在工程流體力學中常常采用歐拉法。
流體微元運動的基本形式包括平移、轉動、角變形、線變形等。在流體微元內部，如果已知其中一點的運動要素，在微元內其他空間點的運動要素可以用已知點的運動要素表達出來，該定理稱為亥姆霍茲速度分解定理（序號6）。很多學生對該定理存在疑問：微元內部這兩個空間點之間怎么會存在聯系？該問題適合采用探究發現法進行介紹，教師可首先將其轉化成高等數學的模型，提示學生用微積分的方法來處理，具體而言，二者之間的聯系是通過高等數學中的泰勒公式建立的。
理想流體動力學和實際流體動力學（序號7）在工程流體力學中是可以合并講授的，采用系統講授法更合適，這樣更有利于知識的完整性。流體動力學主要涉及三大方程的后兩個，即能量方程和動量方程。首先介紹理想流體運動微分方程和實際流體運動微分方程，前者也稱為歐拉運動微分方程，后者也稱為N-S方程，這兩個重要方程均由牛頓第二定律推導獲得，二者可作為計算流體力學基礎，由此也可推導出能量方程。另一點需要注意，能量方程有兩種形式，理想流體能量方程和實際流體能量方程，前者可以統一到后者中去，由于實際流體存在粘滯力，可產生能量損失，即單位重量流體從計算斷面1-1運動到計算斷面2-2時的平均能量損失；如果是理想流體，則粘滯力不存在，產生的能量損失為0。
量綱分析和相似原理主要涉及到（動力）相似準則里的牛頓一般相似原理和單項力相似準則之間的辯證關系（序號8）。該部分知識瑣碎，宜采用講授法。兩個流動，即原型和模型流動，如果要實現流動相似，幾何相似和初始條件、邊界條件相似是基礎，動力相似是保證，運動相似是目標。如果要實現動力相似，需要對應空間點處各個同名力方向相同，大小成固定比例，這稱為牛頓一般相似原理。但如果在幾何相似和牛頓一般相似原理都成立的前提下，原型和模型的幾何形狀和大小完全一致，失去了模型實驗可縮小原型幾何尺寸的意義。正是基于此，所以提出單項力相似準則，在流動中起主導作用的力往往只有一種，這是流動現象的特點，所以如果在原型和模型中，起主導作用的力相似的話，可認為二者的動力相似已實現。
普朗特混和長度理論（序號9）是學生學習的難點，大多數學生感覺該部分不知所云。比如說，該半經驗理論的意義是什么，問題從何而來？該部分宜采用討論法。流體處于湍流狀態時，運動參數可以分為時均流速和脈動流速，時均流速產生時均切應力，脈動流速產生附加切應力，時均切應力的計算采用牛頓內摩擦定律，附加切應力計算采用脈動流速計算，即，其中脈動流速ux’和uy’計算困難，需要通過普朗特混和長度理論進行計算，該理論通過將湍流脈動與理想氣體自由程理論進行類比，提出自由程概念，從而將脈動速度與時均速度建立聯系，實現了附加切應力的計算可行性。
孔口、管嘴出流和有壓管流（序號10）是研究水力設備和輸配水管網的基礎，這一部分的模型主要涉及孔口、管嘴、短管、長管、管網，對這些模型的深入研究需要采用上冊流體動力學的連續性方程和能量方程，在深入分析流動規律后，可得最一般的規律性，即流量和斷面平均流速的計算公式。這部分可以看成針對幾種特殊邊界應用動力學方程來求解計算題，所以在介紹了孔口或短管以后，其他形式的邊界流動由學生通過練習法和討論法來自學，最后由教師進行總結。
在緩流中，為控制水位和流量而設置的頂部溢流的障壁稱為堰，緩流經堰頂溢流的局部水流現象稱為堰流（序號11）。在環境類專業中，堰是常用的溢流集水設備和量水設備，在一確定的堰流中，流量與其它特征量的關系明確。薄壁堰可在環境類構筑物中作為出水設施，如二次沉淀池出水等。該部分內容生疏，宜采用演示法和講授法。
滲流（序號12）是指流體在孔隙介質中流動，該流動狀態在地下水中廣泛存在，對地下取水井的設計往往要采用該模型的相關理論。該部分多在研究生階段深入學習。
三、結語
工程流體力學在環境類專業中的現實意義和理論意義重大，在注冊環保工程師基礎考試中份額可觀。該課程學習難點頗多，對于本科生來說學習的壓力較大，需要教師在知識點梳理、難點篩選、師生溝通、教學方法總結等方面多做工作，筆者通過對環境類專業工程流體力學教學的自身體會完成此文，希望對教學一線的教師有所幫助。
參考文獻：
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流體力學的作用范文4
關鍵詞：計算流體力學；軟件；流體力學教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0248-03
一、引言
英國著名教育學家J.K.Gilbert教授在其組織編著的“Visualization：Theory and Practice in Science Education”一書別強調：可視化技術在現代科學教育教學中的應用是一個亟待深入研究的問題[1]。Gilbert教授從認知模型的角度考慮了可視化在宏觀、亞微觀和符號層面認知中的作用，討論了照片、示意圖、圖表等可視化技術在科學知識描述中的功能。本文在總結“流體力學”、“空氣動力學”和“計算流體力學”教學內容以及“飛行器部件空氣動力學”教學經驗的基礎上，結合參考文獻[1]中的教學思想，系統探討計算流體力學（CFD）可視化技術在流體力學課程教學中的應用。
CFD是采用計算機模擬流體流動及相關現象的一門科學，主要涉及物理、數值數學和計算機科學等學科。CFD的應用歷史可追溯到上個世紀70年代，理論研究的歷史則更早一些。隨著計算機技術的發展，CFD所能求解問題越來越復雜，最早是求解簡化方程控制的跨聲速流動，到了80年代初就可以求解二維或三維的Euler方程，隨后Navier-Stokes方程的求解也成為可能。經過本世紀近十年來的快速發展，CFD技術基本成熟，相應的軟件被廣泛的應用于航空、航天、汽車、船舶、生物、材料、氣象、海洋以及石油工業等領域。
在應用需求的牽引下，目前大部分CFD軟件都已經具有非常友好的人機交互界面，不僅能夠以一定精度計算流體運動控制方程、模擬復雜的流體流動，更能夠通過一定的可視化技術顯示所計算流場的空間結構和時間演化特征。因此，流體力學本科與研究生教學中涉及的諸多基本概念、一般規律和關鍵問題等，都可以結合CFD軟件進行直觀而科學的探討。
二、基本概念的解釋
在傳統的教科書中，流體力學中的基本概念，如流場、梯度、散度、旋度、流線、跡線、點源和偶極子等，常常采用一定的數學公式或抽象語言來描述，這對學生理解實際的流體流動問題是十分不利的。借助于CFD軟件，上述概念可以采用云圖、矢量圖和等值面等十分直觀的顯示出來，下面舉例來說明。
標量場可采用云圖來顯示，所謂云圖就是采用不同的顏色對應不同的標量數值。圖1所示為利用云圖顯示噴管流場中馬赫數的分布情況，其中黑色到白色的漸變表示馬赫數從0.1變化到5.0。由噴管內部流場中顏色的分布可以看出，噴管內部馬赫數從左到右是一直增加的。這樣一種顯示方法不僅直觀的顯示了什么是流場，更從物理上說明了流場中馬赫數的變化規律。
由于矢量既有大小又有方向，矢量場不能像標量場那樣僅僅以顏色的變化來區分。在CFD中矢量一般用具有一定長度的箭頭來表示，箭頭的方向對應矢量的方向，箭頭的長度代表矢量的大小。圖2所示為噴管內部速度矢量場，由圖可以看出流場中每個點處的速度相對大小和方向，很直觀的表示了噴管內部氣體逐漸加速的過程。圖3所示為噴管內部流線，每條曲線表示定常流動條件下流體質點在噴管中的運動軌跡，同樣直觀的表現了噴管的流場結構。
在流體力學教學中經常會從簡化的模型出發，討論理想狀態下的流動問題，如點源、偶極子等的流動。這種流場在現實中是不存在的，通過電磁學或其他方式類比來顯示相應的結構往往也不夠直觀。借助于CFD軟件則可以很容易地通過求解簡化的控制方程，得到理想狀態下的流場，然后通過可視化技術實現三維、動態的流動演示。隨著CFD技術的越來越成熟，大部分流體力學教學中涉及的基本概念、假設等，均可以通過CFD可視化的方式展現給學生，改變傳統教學方法，提高教學質量。
三、流體力學基本物理現象的演示
CFD軟件是通過求解不同初、邊值條件下的流動控制方程來研究流體運動特征，能夠客觀地反映流體運動的物理規律。因此，在流體力學教學中，很多關鍵物理現象，如邊界層、激波、射流、混合層、卡門渦街等，也可以通過CFD技術進行分析，并通過可視化的方式展現給學生。
在流體粘性的作用下，繞流物體表面一般都會存在緊貼物面非常薄的一層區域，這層區域被稱為邊界層。邊界層概念的提出是流體力學發展史上里程碑式的事件[3]，然而在流體力學教學中往往很難把邊界層的重要性講清楚。借助于CFD軟件，可以直觀地觀察水流、氣流中邊界層的形成過程及其差別，通過顯示邊界層速度剖面的形狀解釋邊界層如何影響流場結構，如圖4所示。從圖中可以很明顯地看出壁面附近氣流速度的降低，體現了氣體的粘性效應在近壁附近的作用。
激波是超聲速流動中廣泛存在的流場結構[4]，采用CFD技術可以模擬各種類型的物體繞流，顯示對應的正激波、斜激波和弓形激波等現象，從不同的角度加深學生對激波這一物理現象的理解。射流、混合層和卡門渦街同樣可以通過適當的CFD技術模擬，甚至可以顯示其中非常精細的流場結構。圖5所示為混合層渦結構的CFD數值模擬結果，由圖可以看出混合層流動的失穩過程，類似的數值模擬結果對流體力學專業高年級本科生和研究生教學是大有助益的。
四、流體力學應用問題分析
在流體力學專業的研究生教學中，常常會涉及生物流體力學、飛機空氣動力學、環境流體力學、化工流體力學、汽車空氣動力學等一系列應用流體力學課程。CFD軟件在工業上的廣泛應用為這些課程的教學提供了大量的素材。圖6、圖7和圖8所示為鰻魚[5]、高超聲速飛行器和F1賽車繞流流場的CFD數值模擬結果，從中可以分析繞流物體的流動和受力特征，探索隱藏在背后的物理規律，加深學生對問題的理解。
五、小結
CFD軟件在流體力學課程教學中有著非常廣泛的應用前景，本文以具體實例展示了CFD軟件在流體力學基本概念解釋、基本物理現象演示和應用問題分析方面的關鍵作用。通過在教學中恰當的應CFD軟件，可以有效地增強學生的學習興趣，提高教學質量。
參考文獻：
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流體力學的作用范文5
關鍵詞：計算流體力學；求解；基本原理；化學工程；應用
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，能夠滿足現代型環保材料的使用。在化學工程中，較多的反映環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。通過對實際應用環境和原理的分析，能夠優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，從而發現化工領域中各種流體的流動現象和規律，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、準確的數據可以優化化學反應中的操作參數。
3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
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流體力學的作用范文6
[論文摘要]結合學習主體所處的時代環境變化和流體力學知識體系的學科跨度大以及對數學基礎知識要求很高的特點，分析了流體力學教學中存在的問題和難點，提出大量采用實驗模型和實例教學以加強流體流動現象的觀察理解對提高流體力學教學效果的必要性和重要性。
前言
流體無固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續存在，其變形便會隨時間持續增大，不像固體那樣，一定的受力只能產生一定的變形。流體力學的基本理論非常嚴密，描述流體流動現象的數學方程非常復雜，高度非線性[1]，因此學生對流體力學敬而遠之的現象比較嚴重。此外由于因特網及電子計算機的普及，各種虛擬現象泛濫，在這樣的環境下成長的學生接觸和感受實際發生的各種流體流動現象的機會大大減少，對自然現象的觀察和理解能力很弱。很多學生在接受流體力學教育之前所受的應試教育的影響下[2]，學習只是為了在短時間內對給出的試題做出接近正解的答案獲得高分，這種教育具有多大的意義，近年來許多學者從教育學的角度提出了疑問[2]。只有直面實際的流體流動現象，抓住問題的本質，才能誕生真正的學問和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學教學中存在的難點和問題，指出了重視流體流動現象的觀察和理解對提高流體力學的教學效果的必要性和重要性。
一、流體力學教學面臨的問題
（一）新形勢下學生所處的社會環境變化
學生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時間和機會大大超過了自己親自動手制作道具及模型的體感玩耍時間，通過體感玩耍接觸和觀察自然現象的機會大大減少。
因特網的普及使得在短時間內獲得大量的信息或實時獲得信息成為可能，近年來出現學生過度依賴因特網的傾向，疏遠了紙質圖書及相關文獻這些知識比較系統邏輯性也有保證的傳統信息載體。但因特網上除了正確的信息外，還有很多不準確甚至錯誤的信息，即使是正確的信息，各信息段之間也缺乏系統性，因此學生僅通過因特網難以建立系統的知識體系的。
手機在學生中的普及也使得學生們在實際問題時，不是自己獨立分析問題，找出問題發生的原因，而是直接利用手機詢問他人求得答案，這樣很難培養獨立制定計劃，對可能事態進行預測，獨立進行解決問題的能力。這恰恰是對一個未來走向社會成為一個優秀的技術人員的必經的磨礪之道。
（二）流體力學教學面臨的問題
流體流動的力學模型及其運動的物理意義難以理解[3]。流體粘性產生的模型與牛頓粘性定律之間的對應關系就是最好的一個例證。大多數學生雖然能夠使用牛頓粘性定律進行計算，但對運動的流體為何會產生粘性卻不能正確的理解。的確，對于涉及到流體力學的某些技術或產品設計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開發和設計全新的產品，如不能準確把握所涉及到的相關流體流動的物理本質，有時會產生完全錯誤的設計結果。
流體的運動狀態繁多，流體力學融合領域廣，要求學生掌握更多的學科預備知識，尤其對數學知識的要求更高，使部分學生覺得流體力學是難以接近的一門課。同一流動現象常?？梢詮亩鄠€角度進行解釋，容易使學生產生混亂。比如對翼型的流體力學工作原理，可以從流體流動的動量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個方面進行解釋，解釋方法之多反而會使學生產生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個本質，只有完全理解各種解釋方法所依據的理論，才可以解除認識上的混亂，將學到的知識條理化、系統化。
描述流體流動的數學方程高度非線性化，數學上求解比較困難。描述流體流動的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數學解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數學功底，但近年來學生的數學和力學基礎存在下降的趨勢。
學生在進入大學前所接受的應試教育的影響很大，以考試成績自評學習效果的認識根深蒂固[4]。實際的流體流動現象往往沒有單純的標準答案，有時甚至存在多個解，重要的是抓住流動現象的物理本質，系統的理解流體力學的基本原理。
二、教學方法對應
解決上述問題的根本方法，筆者認為只有從流體力學教學上，直面涉及流體的各種現象，使學生準確的把握物理本質。為此在流體力學課堂上，廣泛采用流體模型教學和實例教學，增加學生觀察理解各種流動現象的機會，喚起他們對本門課的興趣的同時，讓他們形成為探究流動現象背后的物理本質進行思考的習慣，這對解決流體力學教學所面臨的問題至關重要。
使用電吹風斜向上吹一個讓學生事先準備好的氣球模型，沒經驗的學生會意外的發現氣球會向斜上方飄起。這一流體流動現象可從風從氣球上部通過時，由于氣球表面的影響風的流向會產生變化，也就是流線產生彎曲，根據風的動量變化必然產生使得氣球浮起的升力得到解釋，還可以從物體繞流邊界層效應得到解釋。從這一簡單的模型教學，還可以解釋飛機的機翼通過改變空氣的流向進而獲得升力的流體力學上的工作原理。
在一個裝滿水的塑料瓶內分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個可移動桌面上，使桌面等直線加速運動，可發現鋼球運動較慢留在瓶底，而泡沫球運動較快停在瓶嘴附近。觀察這一個現象引導學生：泡沫球運動得較快是因為等加速運動瓶內流體的靜壓在運動方向上遞減形成壓力梯度，小球的前進方向的壓力大于等加速運動產生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動；而作用于鋼球的前進方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同，但慣性力大于前進方向的靜壓力，因此鋼球相對于塑料瓶向后移動。這一模型教學比一般教科書上關于流體等加速直線運動流體的靜壓分布的例題更容易使學生抓住問題本質，且能培養學生獨立思考之習慣，使學生體會到透過流體流動現象來正確觀察和理解把握流體力學基本規律的樂趣。
經常使用立式洗衣機的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過來，假如原來兜里裝有硬幣等硬物，也會被掏出來[5]。把這個實例在課堂上講出后，學生們甚有興趣，追問其中的奧秘，當教師根據伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學家、數學家、力學家及醫學家于一身的瑞士的大科學家的基本情況后，學生們頓時對這位科學家充滿了崇敬之情，通過大量這種實驗模型及實例教學，學生們對學習流體力學這門課更有了興趣和信心，教學效果的提高自不待言。
三、結語
本文詳盡的分析了計算機、因特網、手機等現代化通訊工具普及后對學生產生的影響，由于流體力學課程知識體系的特點，這種影響產生的負面問題很多，尤其是教授成長在應試教育體制下走入大學的學生，更需要轉換認識，改變教學觀念，在課堂教學中廣泛植入實驗模型教學和實例教學，讓學生直面實際存在的各種流體流動現象，通過實際的流體流動現象的觀察和理解，達到生動及形象的把握這些流動現象背后的流體力學的基本定理，有效提升教學效果的同時，通過簡單實驗模型的制作還可提高學生的動手能力，這對學生走向社會成為一個具有創造性思維能力、獨立思考的優秀技術人員也是一個必不可少的雛形磨礪。
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