流體力學的基本原理

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流體力學的基本原理范文第1篇

關鍵詞計算流體力學；農業環境科學；應用；發展趨勢

中圖分類號：O35；X53文獻標志碼：B文章編號：1673-890X（2015）15--02

計算流體力學是模擬流場特性、熱傳遞、流體擴散等應用的重要技術之一。隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學在諸多理論研究領域和實際工程應用里面都獲得了很高的關注度，其在國外已被很大程度上投入到了農業環境科學里面，但國內對于這一方面的研究還不是很成熟還屬于比較落后的狀態[1]。因此，國內基本上沒有學者對計算流體力學在農業環境科學中的應用展開研究和總結。本文在大概介紹計算流體力學的基本原理同時，闡明其可以應用在農業環境科學里面的原因；歸納并總結其相關應用以鼓勵農業環境工作者在具體實際工作里面能夠最大程度的利用這一類型的工具；同時，探究其未來的走向用來激發以后的學者對這一方面展開更加深入的研究，促進我國在計算流體力學在農業環境中的具體運用，催動我國農業環境的發展和提高[2]。

1基本原理

計算流體力學主要是將連續流體離散化并對各個單元進行Navier-Stokes及其它相關方程的求解。連續、動量和能量方程是流體運動的主要控制方程，其中連續方程描述了質量守恒，動量方程由牛頓第二定律推導而得，而能量方程則基于能量守恒。在計算流體力學中，解此控制方程的重要一步是將方程離散化從而使偏微分方程轉換為離散方程，廣泛應用的離散方法有3種：有限差分法、有限元法和有限體積法[3]。其中，有限體積法結合了前兩種方法的優點，而且在計算機計算方面有很大的優勢。因此，有限體積法在計算流體力學里面是最為常見的。當控制方程和離散方法選定后，設定相應的邊界條件與初始條件則可對研究問題的流場進行計算，若同時在計算中結合了其它方程，如泥沙運輸方程，則可對研究現象進行耦合模擬。綜上，只要根據具體問題選取合適的控制方程、離散方法、邊界條件、初始條件和耦合方程，計算流體力學則可以應用在此問題當中，當然包括許多農業環境科學的應用中。

2相關應用

計算流體力學在農業環境科學中的應用主要能夠分歸為3類：農業建筑物的設計、農業水土治理以及氣味與灰塵散播。

2.1農業建筑物的設計

隨著科學技術的不斷發展與提高，近幾十年計算流體力學已經在大量的農業建筑物設計中得到了普及推廣與使用，如溫室、禽舍和畜舍的優化設計。其中，在農業水利建筑物的設計里面是眾多設計里面最為成功。在農業擋水建筑物方面，計算流體力學可以預測擋水閘的應力與表面壓力。閘門運動與流體分析可以結合起來，分析閘門在不同狀態下的水流及壓力特性，得到的動態數據可用于高效地優化設計擋水閘門。在農業泄水建筑物方面，計算流體力學可以用于溢洪道的流量和氣穴分析中。農業灌溉排水渠道的模擬相對較為復雜，因為其具有明顯的湍流與三維特性、非規則的幾何邊界、非光滑的河床以及自由表面。目前，在這方面的模擬一般使用流體體積法進行自由表面的追蹤，模擬結果與測量或實驗數據的比較證明了此方法的有效性。

2.2農業水土治理

在農業水土方面，計算流體力學可以用于確定污染物在水土中的傳播以及對水土質量的影響，對合理選用肥料、保證灌溉水源及土壤的健康進行指導。計算一般需要一定的觀測數據以確定模擬參數，其結果可以用于分析水資源退化的影響因素、化學物質對地下水的影響及污染物在含水層的散輸等。除了對水質的分析，計算流體力學也可用于預測土壤侵蝕。例如，可以整合三維湍流和非均勻泥沙運輸模型并考慮影響河岸侵蝕的其它因素，以此來模擬沖積河道在河岸侵蝕作用下的形態變化等，對農業工程選址提供信息。

2.3氣味與灰塵散播

氣味與灰塵散播是農業環境科學里面的另一個比較重要內容，其對自然環境尤其是空氣環境有著非常大的影響作用。計算流體力學既可以模擬溫室還有禽畜舍內部的空氣流通的具體特點，也可以模擬其氣味在外部的傳輸散播。對氣味散播的準確預測相對難度比較大，因為其范圍及速度在很大程度上取決于氣味散發點、氣味濃度、地形條件及氣象特性等多種不確定因素。傳統的觀測法可得到準確數據，但是這個方法難以分析大量的影響條件。經過驗證的數值模型則可以更加經濟地對不同情況進行試驗研究，此類研究的例子有：考慮了降雨、蒸發和熱量傳輸的氣味傳播模型、風及空氣溫度對氣味散播的影響、噴灑農藥后溫室氣味散播對周邊環境的影響等。另外，計算流體力學也可以用于模擬灰塵擴散，可對農業荒漠化防治提供參考。

3發展趨勢

計算流體力學在農業環境科學領域里面的應用已經取得了非常大的成功，對于未來的展望，它一定能夠獲得更大程度上的發展，取得更高的成就，具體的主要表現在下面3個方面：第一，將來其一定能在更多的農業環境問題里面得到推廣和普及，并且通過具體的實踐與應用得到驗證；第二，隨著科學的不斷前進與發展，技術也在不斷的提升，所以進行計算精確度也會有很大的提高，因為會有越來越多的細微的影響因素將會被考慮進模擬系統里面而且其作用機制也會有更深層次的了解和認識。此外，隨著計算技術的進步以及模型操作的大眾化需求，它在計算速度和操作方式的簡易度方面也將會有很大的提高。

流體力學的基本原理范文第2篇

全書共10章，1.序論，介紹量綱、有量綱量、無量綱量、基本量、及其導出量的定義；2. 量綱分析的基本原理，論述η定理，它是量綱分析的理論基礎；3. 流體力學中的問題， 討論量綱分析在流體力學中的應用；4. 固體力學中的問題，介紹量綱分析在固體力學中的應用；5. 固體中的熱傳導和熱應力，討論固體中熱應力的相似定律；6. 流體運動和固體變形的耦合問題，采用量綱分析討論流體運動和固體變形耦合的相關案例；7. 液體-彈塑性體模型，并以該模型為基礎，討論在爆炸和高速沖擊的實際問題中的控制參數和相似性參數；8. 爆炸的相似律，討論爆炸波的傳播規律，工程技術應用中爆炸的基本原理和相似律，主要涉及爆炸成形、爆炸焊接和爆破；9.高速沖擊的相似律，介紹由三種類型反坦克彈產生的裝甲動態破壞、射流和薄片的拉伸斷裂、煤與瓦斯突出；10.數學模擬中的歸一化，數學模擬是指：不同類型的物理現象，可以用共同的數學語言來描述的一類模擬，數學模擬的關鍵在于歸一化，即要選擇合適的單位系統。

作者談慶明是中國科學院力學研究所的研究員，自2001年起為力學研究所、北京大學、中國科技大學和北京理工大學的大學生和研究生講授《量綱分析》課程，深受歡迎。2005年，由中國科技大學出版社出版了《量綱分析》的中文版，本書為Springer出版社出版的英文版。

本書適合大學生和研究生閱讀，對于物理、力學、工程技術和應用數學相關領域的研究人員、工程師、教師和研究生來說，是一本很有價值的參考書。

流體力學的基本原理范文第3篇

【關鍵詞】研究型教學模式 流體力學 數值模擬

【中圖分類號】G423 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）17-0042-04

所謂研究型教學，就是以先進的教學理念為先導，運用與教學內容相關的實際問題作為載體，讓學生在教師的組織和指導下有目的地、相對獨立地進行探索研究，在整個學習過程中，注重在探索和研究的教學過程中激發學生的求知欲和學習興趣，從而促進學生思維水平的發展，提高學生運用知識解決實際問題的能力。相較傳統的教學模式，研究型教學模式更重視學生思維模式和能力的培養，強調教學與現代科技和社會的發展以及學科發展相關聯，以此保持教學內容的新穎性和增強學生的創新性；更突出教學與訓練方法的科學研究特色，強調師生之間的互動，培養學生的批判性思維與探索精神。

現代大學的職能，特別是高水平的研究型大學，強調教學和研究的相互滲透，在教學活動中，教師的作用是啟發、引導、指導學生，強調引導學生探索研究自己感興趣的未知領域，培養學生的觀察、閱讀、分析、討論和推理判斷能力，實踐證明，研究型教學模式有助于學生積極參與教學過程，激發學習興趣。

流體力學是知識體系龐雜、以大量實驗為基礎且對實驗技能和實驗條件要求較高的新興綜合性學科，也是一門重要的基礎課程，它已經發展成為一門深入各個科學研究領域的重要學科，特別是隨著航空、航天、航海以及能源利用等行業的發展，迫切需要解決許多有關流體力學的問題，這也極大地促進了流體力學學科的發展。流體力學在動力工程類各專業的課程設置中，起著從《高等數學》、《理論力學》、《機械設計》等基礎課程到相關專業課程，譬如《發動機原理》、《流體機械原理》的橋梁作用，也是深入研究熱能與動力機械的專業基礎課。筆者在流體力學的教學過程中，就研究型教學模式進行了探索和實踐，在課程設置中，針對某一授課主題，準備流體與流體運動科學中一系列生動的案例，讓學生對生活中這些看似熟悉卻又非常模糊陌生的現象有清晰的了解，在教學進行中，以具體實例為研究對象，引導學生利用所學的基礎知識，并結合現代的研究手段，進行逐步深入的探討與研究，并對研究結果進行合理的分析。在整個教學活動中，將現代科學研究方法與內容引入課堂，努力激發學生的學習興趣，加深對基礎知識的理解，培養學生從事科學研究的思維模式和嚴謹的科學態度，引導學生在主動探索、主動思考、主動實踐中發展探索能力、實踐能力和創新能力。

一 工程流體力學課程研究型教學模式實施方法

1.研究題目的選擇與引入

開展研究型教學，對于研究選題有比較高的要求，既要有一定的工程背景，又要符合課程大綱的要求。由于是課堂教學，受時間所限，研究題目要求清晰易懂，又有一定的科學內涵和深入研究的背景。流體運動的連續性方程是工程流體力學課程中最為重要的內容之一，該部分邏輯性較強，對學生的數理推導能力有一定的要求。在教學活動中，擬結合計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）數值模擬，采用循序漸近、逐步推導、深入分析的教學方法。

為激發學生的學習興趣，培養學生分析問題、解決問題的能力，將通過以下兩個現象來認識流體連續性方

北京理工大學第十批教育教學改革研究課題

程的物理本質：

第一，黃河壺口瀑布。壺口瀑布，是黃河上唯一的黃色大瀑布，也是中國的第二大瀑布，號稱“黃河奇觀”，其奔騰洶涌的氣勢是中華民族精神的象征。那么黃河壺口瀑布是如何形成的呢？

圖1 黃河壺口瀑布

第二，烏魯木齊開往阿克蘇5807次列車失事。列車被風吹翻，看似是個笑話，但卻實實在在地發生了。2007年2月28日凌晨2時05分，烏魯木齊開往阿克蘇的5807次旅客列車在行至南疆線珍珠泉至紅山渠間42千米處時，遭遇13級颶風，風速達到37～41.4米/秒，造成機車后9至19位的后部車廂全部脫軌，導致南疆線被迫中斷行車，那么其中的原因該作何科學解釋呢？

圖2 5807次列車失事圖片

黃河壺口瀑布及列車被風吹翻現象中均蘊含著流體動力學連續性方程的物理本質。問題提出后，首先引導學生根據自己對于問題的理解，通過教學過程中的情境創設，利用流體力學基本原理進行理論分析和解釋。根據對上述現象進行物理問題簡化，提出一元流動連續性方程的推導過程。

設想有一根管道，流體在由入口斷面A1、出口斷面A2和管壁（三者構成控制面）圍成的流域（控制體）內流動，如圖3所示。

圖3 一元流動連續性方程推導示意圖

假設流體是不可壓縮的均質流體，意味著流域內的

質量不變，且密度ρ為常數，則 。又

因沿管壁沒有流體的流入與流出，有：

得到不可壓縮流體流動總流所必須滿足的連續性方程：u1A1=u2A2。

由于假設入流斷面和出流斷面的速度都為勻速（斷面平均速度），故這也是一元流動的連續性方程，表明總流沿任意過流斷面的流量是相等的。

在這一部分的教學中，強調教師選擇教材內容、案例或課題，學生利用案例資料，獨立思考，自主發現新知識，掌握內在規律，從現象中發現物理本質問題，從而獲得新的感悟。在整個教學過程中，要特別注意引導學生去理解和分析問題，并采用不斷提出問題的方式，吸引學生注意力，并激發學生進行深入探索的興趣。

2.數值計算模擬仿真在教學中的應用

把現代研究工具與理念融入到日常教學中，是研究型教學模式的重要內容和任務。傳統的流體力學教學內容與方法，基本上是基于理論的教學，并輔之以部分簡單的實驗，教學內容比較抽象和單一，不能反映當前流體力學學科發展的趨勢。計算流體力學CFD技術，是解決工程中復雜流動的一種有效手段，也是一門新型的獨立學科，它以經典理論和數值計算為基礎，通過計算機的數值計算和圖像顯示，從空間和時間上定量描述各種場變量，從而達到對物理問題研究的目的。將CFD數值計算模擬方法和部分簡單應用的實際上機練習引入到教學中，既可以開闊學生視野、生動課堂，增強學生對流體力學知識的理解，培養其解決實際問題的能力，又可以激發學生學習流體力學的興趣，有助于學生養成善于嘗試和探索規律的習慣。

為了使學生加深對流體運動連續性方程的理解和應用，在課程設計上，將設計以下CFD算例“噴管內二維流動”，問題的描述如下：空氣在一個大氣壓的作用下通過平均背壓Pexit=0.9atm的縮放型噴管。通過對流域的建模、計算和后處理，對本問題進行了流動過程的數值模擬仿真研究。對這一部分教學內容，應該對流場的邊界條件、邊界類型、湍流模型和計算方法等進行較詳細的介紹和講解。鑒于大學本科教學內容和流體專業知識的限制，可對流場的邊界條件和邊界類型多做一些講解，例如速度邊界、壓力出流邊界等；對湍流模型的來源及其應用做簡單介紹，而對諸如SIMPLE、PISO算法等僅僅介紹一下怎樣選取和使用即可。通過計算可以得到可視化的流動結果（速度矢量圖和壓力分布圖等）。

（a）速度矢量分布圖 （b）壓力分布云圖

圖4 噴管內流動的CFD計算結果

將這些計算結果直觀地呈現在學生面前，引導學生基于連續性方程的基本物理內涵去對計算結果進行分析，

由速度矢量圖可以清晰地看出：在噴管喉口處，速度較大，這是由于此處流通截面積較小。對于噴管內的一元流動，通過噴管內通流界面的流量是相等的，流體的流速與管內通流截面積成反比，因此，在喉口處的速度最大。另外，在計算中，我們還可以通過檢查質量流量的連續性來檢查通過區域的質量流量是否滿足質量守恒定律。通過在軟件中進行相關的設置，我們可以看到進、出口質量流量的差異，在理想狀態下，進口處的質量流量應該恒等于出口處的質量流量，考慮到計算誤差，這一誤差保證在總流量的1%即可。

圖5 進、出口質量流量的差異

這一部分的教學，要求學生不僅掌握流體力學的基礎知識，還要學會利用所學知識去分析工程實際問題。教學中要特別注重引導學生去不斷地提出問題，并利用所學的知識去進行解釋。這是進行研究型教學過程的關鍵。另外，如果有條件，最好采用師生互動，共同進行仿真計算和研究的方法。教學和訓練方法要表現較強的科學研究特色，注意培養學生的批判和探索精神。

通過前面的教學，使學生對數值模擬這一現代研究手段及研究過程有了初步的了解，達到了將現代研究方法引入課堂的目的。為了更加有效地掌握教學內容，在介紹完數值模擬平臺的使用，并對問題進行了初步研究之后，還必須引導學生進一步思考和研究。具體到本次教學，可進一步引導學生去思考課前所提出的兩個問題，解釋“黃河壺口瀑布形成原因”，以及“列車被風吹翻的原因”。

二 工程流體力學課程研究型教學中需注意的問題

在工程流體力學課程研究型教學中，既要照顧到流體力學課程的基本原理，又要反映現代計算技術在流體力學中解決實際問題的新發展。在教學實施過程中，根據筆者的實踐和體會，需要注意以下幾個問題：

1.堅持教學與科研相結合

要培養具有創造能力的人才，必須將教學與科研有機結合起來。教師只有通過本專業及有關學科的科研活動，才能加深對本專業本學科的理解和認識，更新教學

手段，豐富知識結構，激發學生的學習和研究熱情。實施研究型教學作為一種趨勢，已經得到了全球教育界的認可，這種人才培養模式的收效顯著、發展前景可觀，是一種值得我們研究與使用的教學模式。

2.教學題目的選取和教學過程的實施必須有針對性

采用研究型教學模式進行教學，應以講解研究方法和研究過程為宗旨。其中題目的選取至關重要，一般來說，題目應來自于工程實際，有工程背景和深入研究的空間。同時也要注意題目不宜選得過于復雜，且與課程的教學內容結合得比較好。在實施過程中，可針對不同專業、不同需要的學生，建立不同的教學體系。例如與流體接觸密切的專業，如流體機械及工程方向的學生，設置的CFD 部分理論和上機實驗內容可略多。而對于車輛工程、機械設計及工程等普通工程類專業的學生來講，可少講理論，主要參與簡單的工程實際流動問題的模擬解決實驗。上機實驗的內容也可以根據專業特點來選定，結合不同專業進行不同的案例計算和分析。

3.進一步確定學生在教學過程中的主體地位

注重在以探索和研究為基礎的教學過程中培養學生的研究能力和創新能力。譬如在數值計算中需要正確地設置邊界條件和初始條件，合理地選擇數學模型，恰當地劃分網格和進行迭代計算，最后還需要判斷計算結果是否可用，并進行必要的調整和修改。因此，要求學生對問題的發生、發展直至達到平衡的全過程進行認真思考和分析，形成獨立思考的習慣和能力。此外，通過改變邊界條件或初始條件等因素，低成本、高效率地求得在不同條件下的計算解。因此，數值模擬為多角度、多方位地分析問題提供了進行各種嘗試的機會，有助于學生養成善于嘗試和探求規律的習慣，樹立創新意識。

流體力學的基本原理范文第4篇

關鍵詞:農林高校;熱工基礎及流體力學;課程教學;實踐創新

當前，在“綠色發展理念”深入人心的時代背景下，農林類高校迎來了很好的歷史發展機遇;同時社會和企業對農林類專業人才的需求更加重視質量，對人才的知識深度、廣度和對專業基礎課、專業特色課核心知識的實踐運用能力，均提出了更高要求。提高機械設計制造及其自動化專業學生林業裝備系統總體及其子系統技術的掌握程度，拓展學生在林業裝備系統上運用專業基礎課、專業特色課中核心知識的科研能力，是農林類高教工作者面臨的共同課題［4］。

1課程教學剖析

1．1課程內容

“熱工基礎及流體力學”這門課程是機械設計制造及其自動化專業的一門綜合性專業基礎課，是后續液壓與氣體傳動、泵與風機、林業機械等專業及特色專業課的重要基礎。課程目標包括:掌握工質的熱力學性質、熱力學第一定律、第二定律、熱工轉換的規律和理想氣體的熱力學過程，學會基本的理論分析與計算方法;通過對熱量傳遞的三種基本方式、導熱基本理論、對流換熱基本規律、黑體輻射基本定律等內容的學習，使學生具備對基本的傳熱學問題進行分析和總結的能力;掌握流體的主要物理性質和流體靜力學的基本理論知識，學會流體上的作用力分析，能夠推導流體動力學方程的連續性方程和伯努利方程，針對黏性流體，能對管內流動狀態進行判斷;能夠對“傳熱學”“工程流體力學”的實驗結果進行分析和解釋，通過實驗數據綜合分析工程中的現象及問題，并得到合理有效的結論。總體來看，本課程講授內容包括工程熱力學、傳熱學以及工程流體力學三大板塊的內容，是在高等數學、大學物理、理論力學、材料力學的基礎上進行深化學習，拓展到實際的工程問題，所以本課程不僅理論性強，而且工程應用性也很強;與機械設計制造及其自動化專業其他課程相比，該課程涵蓋了本應三門獨立開設的課程內容，知識難點聚集、微積分公式眾多、三大知識板塊思維跨度大、學生融會貫通掌握難。但是，學生對課程內容的掌握程度直接影響后續專業特色課程的學習情況。

1．2教學思路

目前，本課程總學時為48學時，理論授課42學時，實驗授課6學時。三大板塊的教學內容多，理論授課課時較少，矛盾突出:(1)學生由固體學科切換到流體學科的學習需要較長適應期;(2)課程中較多章節內容抽象，且涉及大量公式推導及專業的概念鋪墊，加之為了跟上教學進度教學內容更新較快，學生普遍反映課程難度較大;(3)教學內容和后續專業及特色專業課內容銜接性不夠緊密;(4)從內容的充實性和課程的結構上來看，“熱工基礎及流體力學”這門課程的教學內容已經滿足要求，但是對接林業機械領域最新技術，強化學生創新思維方面，當前的課程建構仍無能為力;(5)由于本課程的學習不涉及具體的機械裝備系統，使得同學們對本課程在專業中的地位認知不足，學習積極性欠佳，這些現狀使得提升教學效果難度較大。針對上述課程特點及教學現狀，結合農林類高校“機械設計制造及其自動化”專業的實際情況，制定了如下教學思路:(1)授課時，使學生從機電系統、固體力學等學科的思維中切換出來，將空間觀測法跟同學們探討透徹，基于空間觀測法開展“熱工基礎及流體力學”的課程教學。(2)在教學大綱中刪除過于抽象、應用面較窄的教學內容，深入講解與后續“液壓與氣體傳動”“泵與風機”“林業機械”等課程關聯度較深的內容，為專業及特色專業課的學習做好扎實鋪墊。(3)結合在林業機械領域與“熱工基礎及流體力學”緊密關聯的科研經歷，探索寓教學于科研、科研反哺教學的授課模式，強化同學們對“熱工基礎及流體力學”在“機械設計制造及其自動化”專業里占有重要地位的基礎認知，顯著提升同門們自愿學習、自主學習的熱情。(4)注重思維方式、終身學習意識的培養。教學過程中注重切入問題角度的講解，使得同學們在明白問題的同時更養成學習思考問題方法的習慣;從固體學科到流體學科是一個較大的跨越，在跨越的過程中，使同學們樹立終身學習意識，為以后培養同學們提出、解決林業機械領域學科前沿性、熱點性問題的能力打下堅實基礎。

2課程構建探討

在“碳達峰、碳中和”的硬性發展要求及“綠水青山就是金山銀山”的發展理念加速推進的浪潮之下，農林高校“機械設計制造及其自動化”專業的畢業生在高等教育系統中的地位不斷提升，所以基礎專業課程構建更需獲得與之地位匹配的重視。一方面，基礎專業課課程構建要體現基礎知識的深度和廣度;另一方面，內容要很好銜接并服務于核心專業課、特色專業課，為學生后期畢業設計、研究生科研深造做好鋪墊。

2．1課程內容深度銜接核心專業課

“林業機械”是南京林業大學“機械設計制造及其自動化”專業的核心專業課，內容涵蓋林業動力、整地、清理、苗圃、造林、撫育、保護、防火、采伐、采摘、智能化等機械。其中，和“熱工基礎及流體力學”專業基礎課相關的包括動力、清理、保護、采摘等板塊。林業動力機械(包括泵、風機)涉及“工程熱力學”中熱能和機械能之間的轉化問題，同時也涉及“工程流體力學中”可壓縮混合氣體壓強、溫度變化和裝置的動力匹配問題;林業清理機械涉及“工程流體力學中”不可壓液態水在管道內部的流動，在霧化器內的流態分布、出口后霧化粒徑分布等復雜多相流問題，如圖1所示;林業保護機械中噴霧射程、噴霧穿透涉及“工程流體力學中”可壓縮流體空氣的外部流動及耦合風場、霧滴的多相流動問題，如圖2所示;林業采摘機械中，基于負壓的采摘系統涉及可壓縮流體空氣的管內流動問題。從銜接核心專業課的角度來看，一方面，農林類高校“熱工基礎及流體力學”這門專業基礎課程應該深耕“工程熱力學”和“工程流體力學”，而“工程流體力學”應該是重點中的重點;另一方面，也好兼顧課程內容的完整性，“傳熱學”也要適度調整。

2．2匹配三大板塊關系，優化課程結構

建議協調、平衡三大板塊的課時占比，同時明晰課程內容的內在邏輯關系，在此基礎上進一步優化課程結構。在“工程熱力學”(熱能的間接應用)板塊中，我們將實現熱力學能向機械能轉化的媒介稱之為“工質”，媒介一般是“單一氣體”或者“混合氣體”，熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質熱力學性質及理想氣體的熱力過程等課程內容和專業核心課程林業機械吻合度較好。“工程流體力學”中，對流體的終結性定義是“抓不起來的物體”，一般性的定義是“氣體和液體”的總稱，但課程內容中流體基本概念的鋪墊、流體靜力學、流體運動學、流體動力學及黏性流體等課程內容都是基于不可壓的液體，同為流體，但氣體和液體的性質及研究重點相差甚遠，“氣體”這種流體相關課程內容的缺失為后續專業核心課程的學習帶來很大知識結構缺陷。“傳熱學”(熱能的直接應用)中，對導熱、對流傳熱(混合傳熱，主要是流體和固體之間)、輻射傳熱的基本原理、工程應用等課程內容做了比較詳細的講解，但是后續專業核心課程對傳熱學中的知識需求很少，僅僅在脈動燃燒技術這一研究領域有所涉及。總體來看，不管是“工程熱力學”中的“工質”，還是“工程流體力學”中的“氣體”，再或者“對流換熱”中的“流體”，其中“氣體”是課程的“最大公約數”，也是和林業機械這一專業核心課程相關的“最大公約數”。鑒于此，“工程熱力學”教學內容總體上可以維持不變，部分章節可以簡化，不重要的知識點減少不必要的推導，側重理論、公式概念的理解和應用，這樣可省出一部分課時。總課時不變的情況下可以合理縮減“傳熱學”的課時，對輻射傳熱只做一般性介紹;考慮到相似原理在流體力學的試驗研究中也有重要應用，可以在這里對相似準則進行深入講解，省出較多課時。將“工程流體力學”放在最突出的位置，省出來的課時分配給這一部分;增加可壓縮流體“漩渦勢流理論”“相似理論中的量綱分析法”、包括氣體動力學中“擾動在外空間流場中的傳播”及“管內氣體的流動”等內容，以匹配林業機械核心專業課。

2．3樹立自主學習、終身學習意識

目前，流體力學板塊中關于可壓縮流體的課程內容匱乏，教學中會鼓勵同學們在MOOC上尋找優秀資源進行線上學習，使同學們樹立自主學習意識。通過工程流體力學板塊，我們在體力學的范疇內將研究運動的方法由拉格朗日法提升到歐拉法，這是一個顯著的改變，也是重要的進步，通過這一步，有助于培養同學們的終身學習意識。

結語

流體力學的基本原理范文第5篇

一、當前教學過程中存在的問題

1.學生學習興趣不高

提到力學，多數學生會覺得很難，這種先入為主的感覺會使學生對這門課程產生很大的抵觸情緒，不愿意學。再加上同時開設的工程熱力學和傳熱學等重要的專業基礎理論課，越發加重了學生的學習任務。另外，流體力學課程習題量大，需要學生花費大量課余時間復習和做題，就更加影響學生對這門課的學習興趣。因此如何幫助學生克服對本課程的畏難情緒，激發他們學習流體力學的興趣，是提高教學質量的首要因素，也是教學改革的目標之一。

2.教學方式單一，課堂氣氛死板

現在是信息社會，對人才的要求很高，這就要求教師在教學過程中按照“厚基礎、寬口徑、高素質”的目標[2]進行專業人才的培養，這對傳統的黑板加粉筆的教學方式是一種挑戰。另一方面，隨著課時與學分制的掛鉤，學時被普遍壓縮，這也給課堂教學帶來很大的壓力。眾所周知，傳統的教學方式把很多時間用在了繪圖和板書上，無形中縮減了教與學的時間，教師要想在規定的時間內完成教學大綱規定的教學內容，就必須加快講課節奏，刪減授課內容，或者占用習題課或實驗課的時間，這些都將導致這門課程的信息量不夠，而且學生也沒有機會及時消化所學的理論知識，更談不上舉一反三了。同時，“一言堂”式的教學方法使得課堂氣氛死板，學生對課程的學習興趣銳減，也影響了教學質量。

3.理論教學與實驗教學的脫節

在流體力學的教學過程中，實驗環節起著不可替代的作用。實驗教學不僅可以培養學生的動手能力，幫助學生更好的理解理論知識，而且可以啟發學生對理論知識的創新性應用[3]，很多學校不重視實驗課的教學，實驗教學完全放在理論教學之后甚至放在考試之后集中完成，大大降低了實驗教學的作用。

二、課程教學改革的基本內容

1.傳統教學方式與多媒體相結合

在現在的流體力學教學中，黑板加粉筆的教學方式是很多高校教師仍然采用的教學方式。這種方式對于公式的推導、例題的計算效果很好，但是在流體力學的教學中需要輔以很多圖片，如果全用板書來講，必然花費很多時間。傳統的教學方法無法滿足教師在教學中的信息量，當然也不能完全脫離板書，畢竟公式的推導，例題和習題的講解用板書的效果要優于多媒體。在講緒論部分內容時可以介紹流體力學的發展史及流體力學在現實生活和工程實踐中應用的實例，如果單純用板書講，會很枯燥，達不到啟發學生學習興趣的目的，如果輔以多媒體，結合圖片、短片、動畫來講就會有很好的效果。所以筆者認為，應當將傳統的教學方式與多媒體教學方式很好的結合起來。

2.理論知識與專業知識相結合

流體力學這門課程不僅理論性很強，而且和工程實踐結合的非常緊密。該課程是后繼專業課程的重要理論基礎，所以將相關專業知識穿插在流體力學課程中進行介紹有很多好處。首先，可以幫助學生加深對專業的理解。流體力學課一般在第五學期開設，此時學生已結束公共基礎課的學習，開始了專業基礎課和專業課的學習。調查表明很多學生此時對專業還處在迷茫的狀態，不知道建環專業具體是做什么的，自己將來能干什么。在流體力學課程的教學中采用理論知識與專業知識有機結合進行講解的授課方式可以幫助學生在學習理論知識的同時加深對專業的了解。再者，學生了解了專業也就有了學習的方向和動力，自然有助于提高學生對流體力學課程的學習興趣。比如在講授流體的熱脹性時，介紹采暖系統膨脹水箱的作用及系統膨脹水量的計算方法，使學生既掌握了液體熱脹性的計算公式，又了解了自然循環采暖系統的基本原理。再比如，在講授伯努利方程的應用時，可以介紹水泵揚程的計算方法和建環專業水泵的適用場合，使學生明白水泵是建環專業最重要的設備之一。在學生學習管網計算基礎這部分內容時，可以結合采暖系統和給排水系統或消防給水系統同時學習，畢竟這些系統在北方城市是到處可見的。在介紹氣體射流知識的時候可以結合空調房間的氣流組織進行介紹等等。

3.理論流體力學、計算流體力學與實驗流體力學在教學中的結合

研究流體力學方法有理論分析的方法、數值分析的方法和實驗研究的方法，在流體運動規律的研究中，三種方法相輔相成。但是在教學中，我們往往更多的是強調理論的重要性，而忽視了計算流體力學和實驗流體力學對理論學習的幫助。應當充分將計算流體力學和實驗流體力學的部分補充進來，這樣才會使整個課程內容豐滿，也可以擴寬學生的知識面，培養其解決問題的能力。

（1）理論流體力學與計算流體力學相結合

隨著計算機技術的迅猛發展和數值計算技術的不斷提高，計算流體力學（CFD—ComputationalFluidDynamics）技術得到了空前的發展，CFD技術可以在短時間內模擬流場內的溫度、速度和壓力的分布情況，可以較好地模擬流體的流動過程和傳熱過程以及污染物的擴散過程等，因此被廣泛應用在各行各業。建環專業涉及大量與流動相關的問題，因此也不例外。可以用CFD技術模擬空調房間的氣流組織和溫度分布，模擬水和空氣在管道內的流動情況，模擬火災時建筑內煙氣的流動規律。在CFD領域，目前世界上最具有代表性的計算商用軟件有PHOENICS（英國）、CFX（美國）、FLUENT（美國）、STAR-CD（日本），這些軟件均采用經典的流體理論和通用流體計算程序作為模型的核心，并提供豐富的計算方法處理湍流流動，具有強大的前后處理功能。這些新技術的發展對流體力學課程的教學提出了新的要求。在流體力學的教學過程中除了重點講授理論流體力學的知識外，應當增加計算流體力學的知識，一方面可以增加信息量，拓寬學生的知識面，為進一步的學習和今后的發展奠定扎實的基礎，另一方面可以用CFD技術模擬簡單的流動規律和流動現象，幫助學生加深對流體理論知識的理解，起到相互促進的作用。圖1是用CFD技術模擬的簡單流動現象，（a）圖驗證了圓管中的層流運動，證明斷面流速為旋轉拋物面。（b）圖給出了流體經過彎管時的斷面壓強分布規律，充分說明了離心力的作用是彎管中產生渦旋的主要原因。可以將這些模擬結果通過多媒體展示給學生，讓他們在掌握理論的同時增加感性的認識，可以很好的提高學生的學習興趣。圖1只是兩個簡單的例子，流體力學中有很多例子可以通過數值計算和模擬穿插在教學過程中，得到很好的效果。

（2）授課與實驗的有機結合

與流體力學課程相結合的有8個主要實驗，分別是能量方程實驗、總水頭線實驗、動量方程實驗、畢托管實驗、雷諾實驗、沿程阻力系數和局部阻力系數測定實驗以及孔口出流實驗。另外還有諸如流線、繞流等演示實驗。應當將這些實驗的教學進度與理論的教學進度很好地結合，任課教師和實驗教師共同指導，與學生形成很好的互動，及時啟發和引導學生進行實驗，充分啟發學生對理論知識的創造性理解，同時鍛煉其動手能力。實踐證明這樣做不僅可以提高學生的興趣，還可以有意識的培養其觀察流體現象的能力和分析解決問題的能力。