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流體力學基本原理范文1
論文關鍵詞：流體力學；制冷與低溫工程；教學改革
目前，鄭州輕工業學院（以下簡稱“我院”）的制冷與低溫工程專業已被評為國家級特色專業。為了加強制冷與低溫工程專業學生能力的培養，造就人才，有必要對制冷與低溫工程專業的教學進行全面的改革。
“流體力學”是制冷與低溫工程專業的一門重要的專業基礎課，主要分為流體靜力學和流體動力學，研究流體平衡、運動規律、流體和周圍物體之間的相互作用力及其實際應用的科學。由于流動現象和流動規律及其影響因素十分復雜，故其具有理論性強、概念抽象和公式較多、實際工程應用廣、對學生的綜合分析處理問題的能力要求較高等特點。加上學生對流體流動機理普遍缺乏感性認識，導致“流體力學”課程歷來被公認為是教師難教、學生難學難懂的課程之一。因此，迫切需要進行“流體力學”課程教學改革，使學生學好本門課程，提高課程教學質量，使學生能更深刻地理解和掌握專業理論知識，培養學生的綜合分析應用能力和創新能力，全面提高專業素質。
分析目前我院制冷與低溫工程專業“流體力學”課程教學的現狀，發現存在以下主要問題：首先，“流體力學”理論性強，概念多而抽象，難以理解，學生普遍缺乏對流體力學問題的感性認識，學習興趣不高；其次，課程中公式繁多，推導過程復雜，且大多涉及到“高等數學”的偏微分方程，另還涉及到“大學物理”、“理論力學”、“材料力學”等方面的知識，學生理解困難；另外，學生對所學的知識不能靈活應用。因此怎樣激發學生的學習興趣，選擇合適的教學模式組織教學，全面實現該課程教學目標，提高教學質量，是該課程教學亟待解決的問題。
一、改革教學方法
學好“流體力學”這門課對于制冷與低溫工程專業的學生來說至關重要。讓學生理解流體靜止和運動的規律及其影響因素，不僅能為學生學習后續的專業課程提供必要的理論基礎，也能為學生以后分析解決實際工程中的實際問題提供理論指導。怎樣才能讓學生學好這門課，筆者結合自己的教學經驗，認為可以從以下幾方面著手。
1.激發學生學習興趣
學生是學習的主體，而“流體力學”又是大家公認難學的課程，因此學生的學習積極性高低決定著“流體力學”這門課教學的成敗。
要提高學生學習“流體力學”的積極性，首先要上好“緒論”課?！熬w論”課是學生接觸和了解“流體力學”這門課的窗口，也是教師的教學水平和教學方式的第一次展示，“緒論”課上得好不好直接影響到“流體力學”課程教學的成功與否。通過“緒論”課讓學生對“流體力學”的發展及其廣泛的工程實際應用有一個大致的了解，使他們充分意識到“流體力學”知識和我們的生活及國家的建設密切相關，深刻理解“流體力學”知識在今后的學習和解決實際工程問題中的重要作用。
教師在講授一些理論知識之前，可先舉出很多貼近生活的有趣實例或者先提一些問題來激發學生的學習興趣，啟發引導學生積極地思考。例如在講液體的粘性之前，可以先問學生：在水中游得快還是在油中游得快？為什么？又如在描述流體運動有兩種方式——拉格朗日法和歐拉法時，可以將在座的學生和教室里的每個座位作為研究對象來進行類比，從而讓學生很容易的理解兩種方式。通過舉例和提問的方式，讓學生帶著問題去學習，讓學生親身感受到參與教學活動是一件樂事、趣事，由愿學到愛學再到樂學。實踐表明：列舉事例或提問的方式可以避免學生學習的枯燥感，活躍課堂氣氛，不僅可以吸引學生的注意力，激發學生學習的主觀能動性，還可以使學生充分意識到本課程對今后學習和工作的重要意義，并且能加深學生對所學知識的理解和記憶，使學生分析問題和解決問題的能力得以提高。
另外，還應充分利用多媒體，通過圖片、動畫讓學生直觀了解各種流動現象，而不是停留在抽象層面，從而提高學生學習“流體力學”的興趣。
2.巧妙講解公式
為了定量地描述流動現象和分析流動機理，需要應用數學工具。學生要真正理解基本概念、重要公式，首先就要讀懂數學，然而讀懂了數學不一定意味著明白了數學符號背后所代表的物理意義?！傲黧w力學”教學實踐表明，學生從讀懂數學到理解流動問題的物理本質有一個過程。教師的一個重要任務就是做好各方面的工作，幫助學生完成從讀懂數學到理解流動的物理本質這一過程的轉變，進一步建立起科學的思維方式。
“流體力學”在分析介紹歐拉平衡微分方程、歐拉運動方程、連續方程、動量方程、伯努利方程等理論知識時都有大量的公式，這些公式涉及一些高數、物理、力學方面的知識，特別是大量的偏微分方程，加上“流體力學”的公式推導采用歐拉法，與物理及其他力學不同，學生的觀念不易改變，而且推導過程復雜，學生理解掌握很困難。如果過分強調“流體力學”知識的嚴密性和完整性，對每個公式的每個推導細節都逐一介紹，推導過程將會枯燥無味，學生只會被弄得糊里糊涂，興趣全無。而如果直接給出公式，讓學生死記硬背，只能讓學生不知其所以然，當然也就不能真正用所學知識來解決實際問題了。
根據多年的教學經驗，筆者認為：“流體力學”中公式的講解應將重點放在概念引入、理論模型建立的思想、基本原理和主要步驟以及公式的物理意義與應用限制上。首先對基本概念力爭講透，概念清楚了，公式的講解推演才有意義。然后重點使學生明確公式的物理意義及公式中各項參數的物理意義和幾何意義，只有真正理解了公式的物理意義，才能靈活使用公式解決實際工程問題。最后應強調公式的應用范圍及應用注意事項。由于流動的多樣性，“流體力學”中的很多方程都是在一定的條件下得到的，如伯努利方程就有多種形式（理想流體、實際流體、流體是否可壓等），在具體運用時，要根據具體情況選用正確的形式。
3.充分利用作業
學習的最終目的是讓學生能夠獨立自主地解決實際工程問題。如果基本原理掌握了，接下來就是如何用這個原理去解決實際問題。課后作業是檢查學生對所學知識理解、掌握程度的一種手段，同時也是培養學生分析、解決問題能力的一種方法。
首先應由學生獨立地完成一定量的課后練習題，這是“流體力學”學習過程的重要組成部分，解題過程實質就是利用“流體力學”的基本原理和基本方程分析和解決實際問題的一個訓練過程，課后習題可以幫助學生加深對基本概念和基本理論知識的理解。
然后再由教師通過習題課的方式，利用具有代表性的習題和一些學生普遍認為困難、出錯多的習題，講述流體力學原理在工程實例中的應用。在講解習題時，重在提供條理清晰的解題思路、詳細具體的解題步驟，使學生在此過程中掌握解決問題的正確方法和技巧，以便在以后的學習工作中舉一反三、觸類旁通、學以致用。這一過程增強了學生對流動過程物理本質的理解，將物理問題與數學工具有機地結合起來，有助于學生對與專業相關聯的實際工程問題進行認真思考，有效的增強了學生分析并解決實際問題的能力。
二、改革教學手段
多媒體教學以其形象、直觀、生動、具體、易于理解的教學特點，豐富的教學內容，被高等院校廣泛采用，并深受廣大師生的歡迎。
多媒體教學在“流體力學”教學過程中發揮著重要的作用。利用多媒體，可將“流體力學”中那些難以用語言描述的流動圖像、抽象難懂的知識點，如拉格朗日和歐拉法的描述，流線與跡線、層流、湍流等，通過圖片、動畫和視頻資料直觀形象地展現給學生，使其從感性認識開始建立清晰的物理概念，較容易地掌握相關內容，并使學生的邏輯思維、綜合分析能力得以提升。另外一些需占用大量時間寫板書表述的和不易通過板書表述的內容也可利用多媒體制作Power Point課件。如莫迪圖、水頭線、各種流場和一些典型的例題習題等。采用多媒體教學，授課的信息量增多了，教學內容更豐富了，學生在有限的時間內接收的知識更多了，學生的學習興趣提高了，學生的思路拓寬了，教學質量也提高了。
多媒體教學的發展并不意味著要摒棄傳統的板書教學。有很多學生認為板書能讓他們有更多的時間去思考消化一些抽象的東西，更有利于對基礎知識的理解和掌握。根據“流體力學”既有抽象復雜的流動機理又有大量的基本概念、基本方程的特點，在教學過程中應將多媒體教學與板書教學相結合，揚長避短，發揮各自的優勢，為教學工作更好地服務。如對某些特定的流動現象，可以通過多媒體教學，加深學生對流動現象和機理的理解。而對于較重要的公式及一些重點難點內容還是采用板書教學，例如流體力學基本方程的推導過程依然使用傳統教學中的板書，有利于學生集中注意力，讓學生更清楚地看清步驟、方法和解題思路。這樣既可留給學生足夠的思考時間，又可加深學生對重要知識的理解，從而獲得良好的教學效果。
流體力學基本原理范文2
【關鍵詞】專業認證流體力學教學改革考核方式
1.教學現狀及分析
流體力學是一門專業基礎課，其主要的先修課程有高等數學、大學物理、理論力學、材料力學等。由于流體力學對知識儲備要求高，研究對象又是不具固定形狀的流體，其理論教學比較抽象，因此教學現狀有以下幾個特點。課堂教學盡管采用多媒體方式，但流體力學的理論性太強，使得現有的多媒體教學課件形式單一，內容不夠豐富，導致教學仍以口授與板書為主，課堂互動性明顯不足，學生學習缺乏主動性、積極性；缺乏實踐性教學環節；缺少有效的師生溝通平臺。由于師生交流少，容易造成“教”、“學”分離，給課程的教學效果大打折扣。
2.考核現狀及分析
現階段流體力學的考核方式，大部分仍然采取30%的平時成績和70%期末考試成績。本課程包含大量的經驗公式及公式推導過程，對比近兩年的學生成績，目前該課程的考核方式并不理想。
3.改革措施
3.1教學改革措施
流體力學課程需要掌握的概念多、公式多，學生學習積極性不高，需要教師對課程不斷開展改革探索。為解決目前流體力學課堂教學中存在的問題，針對教學環節提出以下幾個改革方案。
3.1.1完善教學大綱
根據工程教育認證標準，應進一步修訂和完善教學大綱和教學計劃，優化學時分配。在保證《流體力學》基本概念、基本原理以及基本理論授課時間的基礎上對課程設計進行改革。比如，適當增加數學知識基礎；導入課程最好用動畫或者試驗吸引學生的注意力，提高學生學習的興趣；適當增加學生課后的作業，以討論性的分析和推導公式為主。
3.1.2增設案例及課堂討論環節
增加相關內容的案例，設置科學問題，然后分組討論，引導學生分析問題。以流體靜力學的基本公式為例，通過電視節目中模擬的桶裂實驗為引導，提出問題，留有懸念。然后通過公式推導理論驗證，最后給同學們討論的時間。另外，有條件的還可以專門設置一堂實驗課，課上分組展示并講解學生在課下自行設計的桶裂實驗。
3.2考核評價改革措施
增加平時考核的占比是課程改革的趨勢。根據專業認證的要求，增加平時的教學工作量，為學生準備與重點知識相關的小課題，增加課堂討論環節是一個新思路。根據課堂表現進行部分考核，提高學生平時考核成績。從而去除純記憶類題目，只考核綜合理解類和綜合應用類試題，適當增加期末考核難度，以督促學生平時注意積累。
3.3自編應用型教材
教材是學習的依據，作為機械類流體力學教材要體現理論與實際相結合，突出應用性。對于有經驗的教師，可以在總結多年知識積累和教學、科研成果的基礎上，結合相關流體力學書籍，撰寫屬于自己的機械類教材《流體力學》。自編教材對學生而言更實用，體現在以下幾點。一是自編教材主要以教學大綱為依據，整體上與課堂教學具備較高的統一性。內容編排按課堂教學節次循序漸進，學生自學時，邏輯和思路清晰，課上課下的自然銜接，更具有啟發性；二是可以根據課上學生的反應精簡方程式數學推導內容和過程，盡量將抽象概念形象化、簡單化和透徹化，使之通俗易懂?；蛘咴谡n堂上減少推導過程，而在書中將推導過程編寫的更加詳細，甚至添加多種推導方法，便于自學；三是理論聯系實際，集教學與科研成果于一體，使得課堂內容具有較高的客觀性、有效性和科學性，如此更有利于解決實際問題，指導工程實踐和生產活動；四是豐富例題和習題，除計算題外還設有簡答題、選擇題等多種題型，并給出參考答案。
流體力學基本原理范文3
關鍵詞：流體力學；多元化；課堂教學模式
作者簡介：張明輝（1972-），女，河北滄州人，山東科技大學機械電子工程學院，副教授；陳慶光（1969-），男，山東臨沂人，山東科技大學機械電子工程學院，教授。（山東 青島 266590）
基金項目：本文系山東科技大學省級機械電子工程品牌專業建設項目的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0064-02
“流體力學”課程是我國高等院校工科各專業的一門主干專業基礎課。該課程是聯系前期“高等數學”、“理論力學”等基礎課程和后續專業課程的橋梁和紐帶，在學生能力培養和知識體系構建過程中起著“承上啟下”的作用。[1]當前的“流體力學”主要以經典理論或實驗內容為主，教材中包含大量的計算公式及理論推導，這就要求學生具備一定的高等數學知識及較高的綜合分析和處理問題能力。但由于大多工科學生數學知識相對薄弱，再加上學生自主學習的能力較差，導致教師難教、學生厭學成為較普遍的現象。如何提高學生的學習興趣，讓學生正確理解和掌握流體力學知識，使“流體力學”課程的教學水平邁上一個新臺階，是教育工作者的責任和使命。許多文獻[2][3]為了提高流體力學的教學效果，在課堂教學模式、教學手段、實驗教學等方面進行了探討和研究。通過多年來在“流體力學”教學中的若干思考和實踐，筆者提出了構建多元化教學模式的教學理念，即將啟發式教學、對比分析法教學貫穿課堂教學中，以加深學生對理論知識的感性認識。同時，為了適應個性化發展和高素質教育，培養學生創新能力，在引導他們熟練掌握基本分析方法的同時，還要教會學生多視角、多層次的分析問題和解決問題。另外，為了提高教學效果，課堂教學中還運用多媒體技術作為輔助教學手段，工程圖片、計算機動畫和視頻素材等各種教育信息使得教學更加生動、直觀和多樣化，開闊了學生的視野，激發了學習興趣。
一、啟發式教學模式
啟發式教學就是讓學生充分運用他們擁有的知識和能力去正確比較、分析、綜合、判斷、概括、歸納和解決問題，探索結論。一方面可以使學生開動腦筋，積極思維，另一方面也能夠開發學生的智力，培養學生的能力。筆者在教學過程中將啟發式教學貫穿始終。例如，流體微團運動分析是流體力學中的一個難點問題，很多學生對微團運動過程中發生的角變形很困惑。為了讓學生更好地理解角變形的原因，筆者將矩形流體微團四個角點的速度全部寫出，如圖1所示。然后分別用紅筆標出C、D點和A、B兩點X方向速度的第三項，讓學生觀察兩者的差別，學生很快發現D點比C點、A點比B點在X方向的速度大，這勢必產生一個與垂直方向的夾角。接著，筆者又用藍色筆標出，C、B點和D、A兩點Y方向速度的第二項，讓學生觀察兩者的差別，學生很快發現B點比C點、A點比D點在Y方向的速度大，這勢必產生一個與水平方向的夾角。這樣，學生很自然就畫出了流體微團的角變形圖，如圖2所示。最后，筆者又把問題引申到三維，讓學生寫出其他兩個方向上的角變形公式。這樣學生在學習過程中，在理解和接受理論知識的基礎上，學會了發現、解決和總結。除了在分析問題時采用啟發式教學外，也可以啟發學生對所學的概念、理論、公式進行對比，在加深理解的同時找出它們的內在聯系和區別。譬如，在推導伯努利積分方程時先讓學生回憶流體靜力學基本方程。這樣學生很快發現兩者之間僅相差動能項。從而明白在流體靜力學中滿足勢能守恒，而在動力學中轉換為機械能守恒。通過對比分析，學生不但很容易地理解了伯努利方程的物理意義，也對靜力學基本方程加深了印象。
二、對比分析法教學
由于“流體力學”課程涉及的知識比較廣，如材料力學、大學物理、線性代數、工程熱力學、高等數學等多學科的知識，再加上“流體力學”比較抽象，理解起來相當困難。在教學中“流體力學”這門課教師難教，學生難學。為了便于學生掌握流體力學的概念和基本原理，在講授流體力學知識時，筆者經常采用對比分析教學法，讓學生通過思考與對比增強所學知識的連貫性，提高學習效果。由于流體力學是力學的分支，因此力學的定律也適用流體力學，但流體的特性決定了流體力學在與固體力學有千絲萬縷聯系的同時，又有它獨有的一些特性。所以，筆者在授課時會讓學生先回憶相關的固體力學知識，再將固體力學定律引申到流體力學當中，讓學生輕松地理解和掌握流體力學中的概念和原理。例如在講授流體靜平衡微分方程這一章節時，筆者就會問學生：在理論力學中，如果物體處于平衡狀態應滿足什么樣的條件？學生很自然地想到要所有的合外力為零。然后筆者又會引導學生流體力學的研究對象為流體質點，而流體質點在空間上是很小的，需要對微元體建立平衡方程。換句話說就是微元體要保持平衡，其所受的合外力也需要為零，由此就可得到流體靜平衡微分方程。這樣靜平衡微分方程的物理意義就很直觀地展現在學生面前。除了將流體力學和固體力學進行對比分析外，筆者還會將流體力學中的一些概念通過列表的方式進行對比，讓學生了解這些概念的異同點。比如，筆者在講到流體運動學這一章節時講解兩種描述流體運動的方法，就給出了表1。學生借助表格一目了然地看到了拉格朗日法和歐拉法各自的特點。通過對比分析法不但有助于學生理解和掌握流體力學知識，還能讓學生將所學知識融會貫通，提高分析問題、解決問題的能力。
三、多層次多視角分析問題
現代教育觀念認為，高等教育應當融知識的傳授和能力的培養于一體。[4]為了適應個性化發展和高素質教育，培養學生創新能力，在引導他們熟練掌握基本分析方法的同時，還要教會學生多視角、多層次的分析問題和解決問題。為此，筆者除了講授基本方程、基本定理的推導，還會將問題進一步深化、演繹，將枯燥乏味的理論知識點進行歸納整合，建立學生的哲學思維觀。例如，在學習靜止流體對平面的總壓力這一節時要求學生能夠計算總壓力大小、方向和作用位置。講授首先從求解矩形水平面的總壓力入手，再延伸到求解矩形垂直面總壓力，再到求解矩形斜平面總壓力，最后求解任意平面的總壓力，如圖3所示。這種層層剝繭的講授讓學生不知不覺中掌握了求解總壓力的方法和技巧。逐層分析的方法教會了學生如何將一個復雜問題分解，然后再借助已有的知識進行求解，達到觸類旁通的效果。同時，為了讓學生更加深入、全面地了解平面所受的靜壓力，講授時又分別采用了解析法和壓力圖法進行求解。通過這一章節的學習，學生明白了解決許多工程問題可以從多個側面、多個視角分析，盡管采用的方法和理論不盡相同，但都可以獲得正確的結果，殊途同歸，增強了創新意識。
除了在教學過程中改變傳統的教學方法，構建多元化的課堂教學模式以外，為了提高教學效果，運用多媒體技術為基礎的立體化輔助教學手段也非常重要。隨著計算機技術的發展，工程實際圖片、動畫和視頻素材使各種教育信息的表達更加生動、直觀和多樣化，能很好地刺激學生的感官，激發學生學習的興趣，開闊學生的視野，可以收到純板書教學所無法達到的效果。因此，“流體力學”教學過程中對于難以理解的概念，如勢流與旋流、流線與跡線的概念、流場的演示、流態的判別和波的傳播、邊界層的形成等內容均利用計算機動畫給學生進行演示，起到了畫龍點睛的作用。
四、結束語
多元化課堂教學模式是一個先進的教學理念。本文提出的啟發式教學、對比分析和多視角教學模式將原本抽象的概念、復雜的理論推導直觀地展現在學生面前，讓學生在分析比較與思考中學會將固體力學遵循的原理定律融會貫通到流體力學中，尋求概念之間、知識點之間和章節之間內在的關聯性，舉一反三，把原本雜亂的概念形成清晰的知識體系。這種多元化的教學模式在很大程度上提高了學生的學習興趣和學習積極性，培養了學生分析、解決工程實際問題的能力，改善了教學效果。
參考文獻：
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流體力學基本原理范文4
[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。
[參考文獻]
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流體力學基本原理范文5
關鍵詞：計算流體力學；化學工程；應用
Abstract: in the chemical research and development of the field, play an important role in computational fluid dynamics, this paper mainly introduces the basic principles of computational fluid dynamics, and the application of computational fluid dynamics in the field of chemical engineering, application mainly through the introduction of computational fluid dynamics in the stirred tank, heat exchanger, distillation, thin film evaporator burning, etc., to reflect the fluid mechanics made in chemical engineering contribution.
Keywords: computational fluid mechanics; chemical engineering; application
中圖分類號：TQ021.1 文獻標識碼：A
1 計算流體力學概述
作為流體力學的一個分支，計算流體力學主要負責，在固定的幾何形狀空間內，求解流體的動量方程、熱量方程、質量方程以及其它的一些相關方程，然后通過進行計算機模擬，得到在特定條件下流體的有關數據。計算流體力學主要根據動量、能量、質量守恒方程，通過數值計算方法來求解出流動主控方程，并最終得到各種流動現象的規律。
計算流體力學主要包括3種計算方法：差分法、有限元法以及有限體積法。這是一個涉及到多個領域的學科，它不僅包括計算機科學、流體力學等專業學科，還有計算幾何學、數值分析以及偏微分方程等數學理論知識。通過計算流體力學進行模擬，主要是為了作出預測和獲得信息，來更好的控制流體流動。理論的預測主要來自于數學模型結果，并不是來源于實際的物理模型結果。
起初，計算流體力學主要用在航天事業、核工業以及汽車制造業上，解決一些涉及空氣動力學方面的流體力學問題。計算流體力學的計算與實驗研究相比，不僅成本低、速度快，還可以模擬真實、理想條件，所以，在各種流體現象的研究過程中，計算流體力學成為對各種流動系統和流動過程，進行設計、操作和研究的有利工具。
在上個世紀60年代末期，在流體力學各相關行業中，計算流體力學已經得到了廣泛應用，直到上世紀90年代后期，才開始對于化學工程的模擬計算，現在化工領域中，計算流體力學已經成為流體流動和傳質的重要研究工具。
在各種化工裝置中，計算流體力學都可以進行模擬、分析、預測，比如說，可以在流體流動過程中，對于其中的傳質、傳熱進行預測，比如在蒸餾塔中進行的兩相傳質流動狀態的模擬，在模擬加熱器里進行的傳熱效果的模擬；在攪拌槽混合設備可以進行模擬設計、放大；可以對化學反應及反應速率進行描述分析，并在反應器中進行模擬，比如可以在燃燒反應器、生化反應器，可以進行反應速率的模擬；另外，還可以進行一些設備的分離、過濾、干燥方面的模擬，以及一些裝置內流體流動的模擬。
2 計算流體力學在化學工程中的應用
2.1 計算流體力學在攪拌槽中的應用
由于攪拌槽內部流動比較復雜，現在，攪拌混合仍然還沒有形成完善的理論體系，在對一些混合設備，比如攪拌槽等，進行放大設計的時候，往往經驗成分要多于理論計算。在實際的工業體系中，尤其是快速反應體系，還有高黏度非牛頓物系，不同程度的非均勻性存在于工業規模的反應器中，而且，不均勻性的嚴重性是隨著規模的增大而增大的。所以，目前經驗放大設計的可靠性，正在迎來前所未有的挑戰，這就更有必要需要，更深入的對攪拌槽的內部流場展開研究。
最初，Harvey等對攪拌槽內的流場，利用計算機進行二維模擬，這些年來，通過采用計算流體力學的方法，對攪拌槽內的流場進行研究的技術，取得了較快的發展，這種方法在節省大量研究經費的同時，也可以獲得實驗所不能得到的數據。之后，Sun等針對攪拌槽氣液兩相流動，利用計算流體力學的湍流模型進行了三維模擬，實驗結果顯示，計算流體力學能很好地對攪拌器上部氣體分布進行預測，對攪拌器底部區域的模擬卻沒有取得較好的效果。后來，Javed等也通過計算流體力學軟件Fluent，對Rushton型渦輪攪拌槽湍流，作了與時間相關的三維數值預測，和實驗結果比較顯示，攪拌葉輪上下平均速域，兩項結果一致，但在湍動能的結果上，計算值和實驗結果還是存在一定差異的。
之后，又進行了許多類似的實驗，實驗證明，通過計算流體力學與數字粒子圖像測速儀相結合，有益于更深入地對攪拌裝置進行研究。通過數字粒子圖像測速儀的測量數據，可以對計算流體力學的計算結果進行驗證，另外，數字粒子圖像測速儀的測定點速度，也可以作為計算流體力學的邊界條件。除此之外，多普勒激光測速儀也可以與計算流體力學相結合，用于研究攪拌。
2.2 計算流體力學在換熱器中的應用
在化學工程中，換熱設備應用比較廣泛，它可以詳細、準確地對殼程的流動、傳熱特性做出預測，這不僅有助于設計經濟和可靠的換熱器，還有助于對現有管殼式換熱器的性能做出評價，在工業的應用過程中起著十分重要的作用。
管殼式換熱器不僅具有比較復雜的幾何結構，而且流動、傳熱的影響因素也比較多，通過計算流體力學，利用計算機對換熱器殼側流場進行模擬，這就有助于對殼側瞬態的溫度場、速度場加以了解，這是其它方法所難以掌握的，這就方便了對換熱器的機理分析以及結構優化。
其中，一些國外專家針對換熱器內，流體流動的計算流體力學模擬展開過一些研究。熊智強等專家，針對換熱器弓形折流板流場，利用該技術進行了數值模擬，研究結果表明，在弓形折流板的背面，存在著流動死區，導致一些區域的流速偏低，通過在弓形折流板上開孔，計算流體力學計算結果顯示，其傳熱效率有了明顯的提高，殼側壓降有了明顯降低。
一般來說，管殼式換熱器中流體流動為湍流，與此同時，在實際的應用過程中，管殼式換熱器中管的數量又比較多，這就給計算增加了難度?，F在，針對于管殼式換熱器殼程流動的研究，主要采用的還是二維、三維單相研究方法，另外，三維兩相還有多相的計算流體力學模擬應用的還是比較少的。
2.3 計算流體力學在其他方面的應用
在其它的一些化工領域中，計算流體力學的應用也是比較廣泛的。比如說，在精餾塔中的應用，在薄膜蒸發器中的應用，在燃燒反應器中的應用，在生化反應器中的應用，如下進行簡要概述。
在精餾塔氣液兩相流動、傳質的研究過程中，計算流體力學是其中的一項重要工具，通過進行計算流體力學模擬，可以微觀的檢測到塔內氣液兩相流動狀況。當然，在模擬精餾塔內流體流動上，計算流體力學模擬也存在一些不足，比如說，在規整填料塔內流體流動的模擬上，模擬結果與實驗值還是存在一定偏差的。這主要因為數學模型還不夠精確，這就要求無論在流體力學的理論分析上，還是實驗研究，都需要進一步加強。
通過計算流體力學的應用，對薄膜蒸發器內各種場分布實現成功預測，這就在薄膜蒸發器內，進一步滿足了對液膜流動、傳熱、傳質機理的研究。但是由于在薄膜蒸發器內，蒸發過程比較復雜，無論國內還是國外，基于計算流體力學技術，針對薄膜蒸發器流體流動特性所展開的研究還是比較少的。
在各種燃燒系統中，計算流體力學的應用也是比較廣泛的。通過計算流體力學，在燃燒過程中，可以對各種狀態參數進行模擬，對燃燒器的燃燒過程加深理解，這不僅可以實現對燃燒反應器的優化，還可以相應的控制污染物排放量。
另外，在生化反應器模擬研究的過程中，計算流體力學也是一個重要的手段。生物反應器包括攪拌式生化反應器、氣升式環流反應器等，通過對計算流體力學技術的應用，不但可以獲取速度場、溫度場、濃度場等方面的詳細信息，還有助于對生化反應器優化、設計、放大等方面的研究。
但是，目前計算流體力學技術仍然不是很成熟，比如說，一些復雜物理、湍流、反應等現象，還不太容易找到合適的模型，在許多問題的應用上，數學模型也不夠精確。這就需要工作人員要針對研究對象，做出合理的選擇。即便如此，在化工過程研究中，計算流體力學技術已經成為不可缺少的工具，相信隨著科學技術的發展，在化工領域中，計算流體力學技術將會得到更廣泛的應用。
參考文獻
[1] 張少華.化學鏈燃燒系統設計與計算流體力學模擬.華中科技大學碩士學位論文.2011(07).
[2] 成娟.計算流體力學中的高精度數值方法回顧[A].計算物理.2009(09).
流體力學基本原理范文6
關鍵詞：建構主義；認知靈活性理論；熱工理論
作者簡介：衣曉青（1956-），女，山東青島人，長沙理工大學能源與動力工程學院，教授；石爾（1979-），女，湖南長沙人，長沙理工大學能源與動力工程學院，講師。（湖南 長沙 410004）
基金項目：本文系2011年湖南省普通高等學校教學改革研究立項項目的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）16-0069-02
“工程流體力學”、“工程熱力學”、“傳熱學”既是熱工理論的三大主干課程，又是能源動力類專業（方向）的主要技術基礎課。傳統的教學宗旨傾向于各門基礎課程自成科學體系，分別獨立教學，為后續專業課程打下牢固基礎。但是這種傳統的教學模式死板，致使學生缺乏學習興致，不易明確學習目的。建構主義的認知靈活性理論發現了新的教學要素——“案例教學”。按照認知靈活性理論，對以上熱工理論三大基礎主干課程進行優化整合，以熱能動力類專業為場景，建構諸多新的知識點教學，組織全新的熱工理論基礎課程體系，可以使熱工理論基礎課教學克服以上不足。
一、打破僵化教學：認知靈活性理論的應用
建構主義教學理論沖破了傳統教學模式，克服了“填鴨式”教學把學生作為小綿羊馴服的弊端。[1]作為建構主義教學理論中的一個分支，斯皮羅提出的“認知靈活性”理論很好地解決了“死記硬背”傳統與極端建構主義（忽視抽象養成）之間的矛盾。認知靈活性理論的主要思想就是：通過情景（境）展現基本概念和基礎理論工具，學生既可以掌握基礎理論知識，又可以按抽象思維方式，放開視野尋找新的分析問題的工具。
為了解決傳統與極端的沖突，斯皮羅把知識抽象為兩種不同性質的結構：良構的與非良構的兩種領域。[2]良構的即是指：按照抽象思維，從概念到原理的演繹解析的知識體系，符合科學意義上的正統規范。非良構的即是指：在具體場景（案例）中，隱透出的各種良性結構的知識疊合；這種疊合的基礎知識能夠解釋或解決具體場景問題；不同的場景有不同的良性結構知識疊合的詮釋。由此得出結論，良性結構知識就存在于非良性結構知識之中，“認知靈活性”教學就可以讓學生通過非良性知識教學獲得更加深刻的良性結構的系統知識，而且是積極主動地、生動有趣地接受之。
熱工理論是研究熱（能）在釋放、轉換和傳遞中的流體流動及傳熱傳質等問題的科學，涉及流體運動規律、熱（能）轉換與傳遞規律。按照認知靈活性理論的教學觀，熱工理論基礎課教學也可分類為良構性和非良構性。熱工理論的三大主干課程“工程流體力學”、“工程熱力學”和“傳熱學”分別作為單獨體系教學的基本概念、基本理論和基本知識的層次組織結構，應屬于良構性領域，其傳統的教學方式就是從概念到概念、從原理到原理、從公式到公式的演繹解析，邏輯性很強，范式文本較固定，程式較穩定，測驗作業較死板。
“認知靈活性”教學理論認為，這種教學方式僵化、被動，既不能啟動學生的興趣，也不能啟發學生的創造想象力，學生容易落入死記硬背、教條主義的套路，缺乏廣泛的知識聯系和舉一反三的思維訓練，更缺乏給學生以另辟蹊徑的想象空間。如果以流體介質為對象將熱工理論三大主干課程進行優化整合（雜交），并以熱工理論應用為主線，將能源動力類相關專業作為場景，構成非良構性知識結構，其所涉及的具體問題具有復雜背景和綜合影響因素，能夠從問題入手引出綜合知識的有機聯系，開闊學生發展思路，引導學生融會貫通，指導學生熟知專業背景。這種按照認知靈活性教學理論建立起來的熱工理論基礎課程的非良構性知識體系會沖破傳統的各自為主的單科系統性的課程教學模式，有利于克服“高分低能”的應試教育傾向，培養面對知識時代和信息社會的創新型人才。
二、創建問題教學：熱工理論基礎三大主干課程的優化整合
認知靈活性理論認為：學習者在建構知識意義的過程中，只有對知識進行多維表征，才能達到對知識的全面理解和靈活運用。這也是指導熱工理論基礎三大主干課程進行優化整合的基本思想。熱工理論基礎三大主干課程“工程熱力學”、“傳熱學”和“工程流體力學”是主要以流體介質為研究對象而緊密聯系在一起的動力類技術基礎性課程，三門課程相互依存，共同構成了熱工理論的主干課程體系。其中，工程流體力學是研究流體介質的位置勢能、壓力勢能和動能之間的相互作用的關系；工程熱力學是研究熱能與機械能之間的相互轉換的規律；傳熱學是研究熱量從高溫部分傳遞到低溫部分的機理。由此可見，能（熱）量轉換與守恒定律是熱工理論三大主干課程進行優化整合的內在動力。
基礎課理論自身系統的完善性使任何改動需求都帶有相當大的難度，只有進行優化整合，才能在不斷調整和深化過程中發展新的學習要素。例如，“傳熱和流體流動的數值方法”課程就是將傳熱學、流體力學知識進行融合后加入到數值計算科學這一更為廣泛的學科領域，為熱工理論知識的進一步發展奠定了基礎。同時，通過這一知識的優化整合，多維表征得以實現，使學生建構起在熱科學和流體科學中可以直接遷移和引用的關于熱物理方面的知識，超越了封閉、孤立課程所給的單一信息模式。
如果說熱工理論的三大主干課程“工程流體力學”、“工程熱力學”和“傳熱學”分別作為單獨體系教學是良性結構知識的傳授，那么，把“三課”拆分，再按照具體能量轉換的場景問題有機組合，這種教學模式就屬于非良性結構教學。喬納生等人的研究把前者稱作低階學習階段，把后者稱作高級學習階段。[3]高級學習階段優于低級學習階段的實質就是變公式學習為問題學習。問題學習對于熱工基礎理論教學來說，打破其三大主干課程的各自理論體系是必然的，是要針對具體的場景問題而進行知識交叉組合。值得注意的是：根據認知靈活性教學理論，這種知識體系重組，必須避免極端建構主義干擾，必須遵循“專業問題、溯本求源、知識聯系”三原則，才是優化的、高級的教學模式。
三、重復多變教學：能源動力類專業問題逆向滲透于熱工理論基礎課程
非良構的知識體系與良構性知識體系的區別就在于：一是前者比后者建立的概念龐大、復雜，它往往是多個不同學科孤立概念的交集；二是前者比后者建立的概念有很大的多變性，這是由問題教學場景多變性所決定的。熱工理論基礎知識在航天、航空、熱能動力、化工、核熱工、低溫工程、冶金熱工、微電子技術、材料和建筑等各個領域都有具體的應用，從知識體系的角度來看，其展現的知識點都是非良性的。實際上，在能源動力類相關專業的不同場景下，其呈現的非良性知識結構也存在著很大的差異性。例如，工程熱力學中的熱經濟性指標在熱機循環中的應用是熱效率，而在制冷循環中的應用是制冷系數。這說明熱經濟性概念在實際應用過程中具有復雜性。又如，流體力學在電廠中的應用以管內流動、物體繞流為主，而在建筑環境與設備工程專業中的應用以室內外環境通風、換氣的流動為主。傳熱學中對于散熱器來說需要強化傳熱效果，對于建筑物屏蔽掩體則要抵制傳熱。
在針對能源動力類專業的熱工理論基礎課程進行新的建構中，按照認知靈活性教學理論，必須將原有良性結構體系的知識與專業場景結合起來。這種有專業針對性的知識滲透，有學者稱其為專家知識學習階段，屬于更高層次。[2]比如，把能源動力類專業（方向）的“流體力學”、“泵與風機”兩門課程整合為熱工理論基礎課“泵與風機的流體流動”一章，以流體力學知識為基礎，反映了流體力學基本原理在流體機械中的具體應用場景，通過多媒體教學課件可以使學生建構泵與風機工作原理和結構的多維圖式，達到對流體力學基礎理論知識全面理解和靈活運用的目的。
按照斯皮羅的認知靈活性理論規范，對應專家知識學習階段的教學模式即“隨機通達教學法”，它的主要特點就是針對專業的眾多場景鏈，反復從不同問題視角，以不同的基本知識、基本公式、基本理論的多樣組合，不斷給予學習者良性知識的刺激，這會使學習者通過反復的從各種變式到抽象的過程，不斷加深對良性結構知識的各種理解，而且有助于學習者歷練分析問題和解決問題的能力，發揮創造性思維，為今后在專業上有所建樹打下堅實的學習基礎。貫穿于這一思想的新的“熱工理論基礎”課程體系，組織“鍋爐工質流動與熱交換”、“汽輪機流體流動與功能轉換效率”、“熱力發電廠工質循環與熱效率”等章節，探討基于專家知識學習理念的非良構知識領域的顯性建構，加入熱能動力類專業知識對熱工理論基礎課的反向滲透，有效增加課程教學的深度和廣度這一結果就自然生成了。
除了書本專業知識的反向滲透以外，通過與科研、生產單位合作的科研課題的有機結合，也是專家知識學習階段的案例來源。例如，教師通過某鋼鐵公司鍋爐尾部煙道聲學振動問題的科研活動，向學生們提出卡門渦街產生機理、影響因素以及卡門渦街產生后對設備及系統的危害和消除卡門渦街的措施等諸多學科問題，從而認知基本理論。
參考文獻：
[1]朱新卓.中國高等教育管理學：從拔苗助長到建構主義[J].高等工程教育研究，2005，（2）.
