FLOW—3D在流体力学教学改革中的应用及探讨
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摘 要：针对流体力学授课内容抽象和授课形式单一的特点，结合FLOW-3D软件在模拟流体力学现象中所具有的优势，文章提出将FLOW-3D软件应用于流体力学课堂教学中以帮助学生立体、直观地认识流体力学现象和掌握流体力学理论知识；通过拓展目前的教学形式，提高学生对流体力学课程的兴趣以及培养学生的动手能力和创新能力；同时加强教学与实际工程之间的有机结合。
关键词：流体力学；教学改革；FLOW-3D；数值模拟
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）08-0077-03
Abstract： Combined with the advantage of the FLOW-3D software in the simulation of fluid mechanics phenomena， the paper puts forward that it should be applied to the class teaching of fluid mechanics to help students understand the fluid mechanics phenomena and knowledge more vividly and intuitively， on account of the abstract teaching content and single teaching form. It can improve students" interest in fluid mechanics and cultivates their practice and innovation ability and strengthen the organic combination between teaching and practical engineering by expanding current teaching forms.
Keywords： fluid mechanics； educational reform； FLOW-3D software； the numerical simulation
引言
流體运动是自然界普遍存在的现象，大至宇宙，小到细胞，无所不在。人类的生产生活与流体运动密切相关，从大禹治水，疏而不堵；李冰分流诱导，造就天府之国等事实表明，在古代人类已经用流体力学的知识解决实际问题。文艺复兴开启了将流体运动的研究从经验到科学的转变，催生了现代流体力学。长期以来，城市给排水系统、水利工程、船舶建造和航海业一直是流体力学研究的原动力。从流体力学的基础性地位和应用可以看出，它对于工程类专业学生的重要性。在土建工程和环境工程中，流体力学是大多数专业教学计划中一门重要的专业基础课。比如在给水排水、供热通风、废水处理、道路桥梁设计、基坑排水等设计、施工、运行管理中都会涉及到流体力学知识。在机械类专业教学计划中，工程流体力学是一门技术基础课。比如在水轮机、内燃机、汽车、飞机、船舶等机械制造过程中都涉及到流体力学知识。目前国内外的高等院校都十分重视流体力学课程的设置和教学工作[1，2]。例如美国的一些大学，其机械系将流体力学课程分为在低年级开设的基础流体力学和高年级开设的高等流体力学，其中仅仅基础流体力学课时量就达到了80学时左右。国内如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学也都为土木工程、环境工程、机械工程等学科的学生开设的流体力学课程，并将流体力学列为工程类专业的基础平台课。针对流体力学课程在工科类专业中的重要性，提出将FLOW-3D软件应用于流体力学课堂教学中以帮助学生立体、直观地认识流体力学现象和掌握流体力学理论知识，以期保证并提高教学信息量和教学质量无疑具有重要的促进作用。
一、《流体力学》课程存在的主要问题
《流体力学》课程由于涉及较多抽象概念，计算公式及推导过程繁琐，对数学基础要求较高等特点，增加了教师课堂讲授的难度并难以激发学生的学习热情。苏格拉底曾说：“教育的本质是点燃火焰”。好奇是人类的本能，而学习则是生活的本质，专门进行学习的教学活动怎么能成为磨灭学习兴趣的凶手呢？因此如何推进流体力学授课内容和方法的改革，对克服学生的畏难心理，提高学习兴趣是教育工作者面临的重要课题[3，4]。
目前我校流体力学教学主要存在以下几个问题：1.缺乏演示性试验教学：流体力学的主要研究途径包括理论分析、实验方法和数值模拟三大块[5]，但是目前在我校的流体力学本科教学中主要偏重于理论教学和实验教学，其中实验课程不少是演示性实验，加之受课时的限制，并不能够开设全部的实验。对于工科大学生而言，最重要的事情是把所探讨的物理现象，准确清晰地予以形象化，可是抽象而单一的教学方式和内容，不利于大学生对流体力学基本概念和原理的理解，更难以让大学生充分了解流体力学当前的发展进程，拓宽知识面，以及应用流体力学基本原理去解决实际工程问题。2.教学内容对学生的专业指导作用不明显：近年来，流体力学课程课时量的缩减导致授课内容只能以流体的物理性质、静力学、动力学、流动阻力和水头损失、有压管及明渠的水力计算作为教学重点，无法大幅引入一些土木工程案例以适应土木工程实践的需要，导致许多毕业生在从事土木工程的过程中感觉流体力学对土木工程的指导作用不明显；3.教材缺乏新的科技成果：流体力学教材与现代科学技术的发展联系不够紧密，加之在教学的过程中如果只注重教材上的内容，学生在课堂上便不会有兴趣关注老师所讲的内容，久而久之，师生之间也会逐渐缺乏互动，课堂教学效果显然不会理想；4.教学方法单调：尽管随着计算机技术的发展，多媒体教学通过图片和动画演示对流体力学中抽象的知识相对传统纯讲授教学方式更容易使得学生理解，我校的教学也已基本从传统的板书教学转变为多媒体教学，但是对于多媒体的应用还不是很充分和灵活，多媒体素材往往只是定性的演示，缺少与实际模型的有机结合，无法做到定量的具体分析。目前数值模拟技术在各行各业中得到广泛应用，FLOW-3D以其突出的前后处理优势和强大的求解功能在水利行业、机械铸造以及航海等行业中具有无可比拟的优势，因此本课程团队认为，将FLOW-3D软件应用于流体力学教学无疑对课程建设具有重要的促进作用；5.专业教师自身存在的问题：近年来高校规模的不断扩大，对人才的需求使得青年教师占师资的比重很大，而青年教师刚从学校毕业，存在专业理论知识扎实但缺乏教学经验的现象。另外，学校对教师科研和教学的双重要求，青年教师既要加强自身科研素养的提高，又要保证教学质量，难免偶尔会存在力不从心的现象。因此如何让青年教师在有限的课堂时间里更好更有效地教授流体力学知识是关键。
二、FLOW-3D在《流体力学》教学改革中的意义
将FLOW-3D引入《流体力学》教学中的主要目的在于提高教学质量，激发学生学习的兴趣和强烈的课程参与感，为提高学生的创新水平奠定良好的基础[6]。具体意义如下：
（一）帮助学生对所学理论和公式的理解与应用
在FLOW-3D的应用过程中会涉及到流体力学课程所涵盖的大量概念（边界条件、可压缩与不可压缩、流场等等），教师在授课过程中借助FLOW-3D用两三个实例就可以将分布在各章节抽象的概念全部串联起来，变传统的“灌输概念”为新的“思路教学”，使得学生对抽象的概念具有更加立体的认识。再比如，在讲解总流伯努利方程时，教师可以通过FLOW-3D将三维全流场信息以数据和图像的形式呈现给学生，从而可以分析流体运动的本质规律，这是传统的理论教学和实验教学难以做到的。因此引入FLOW-3D能够使得学生对流体力学的概念和公式的认识更具有立体感，理解也更为深刻。
（二）变“被动接受”为“主动参与”的讨论式教学
计算机是现代大学生日常接触得最多的工具，他们对计算机领域的相关问题始终保持着强烈的求知欲，并很乐于学习各类软件。FLOW-3D以其强大的分析问题和求解问题的能力能够激发他们浓厚的学习兴趣。通过对FLOW-3D的应用，可以促进大学生主动深入学习流体力学的相关理论知识。另外，目前流体力学的理论教学主要是通过结合多媒体和传统的板书方式通过讲授的方式开展，实验教学主要是对一些基础性实验进行验证，无法测量到管道内和产生局部水头损失等的部位流速和压力分布等物理量。应用FLOW-3D的数值模拟技术能够很好地弥补这方面的不足，让学生能够更加清晰和直观的学习这部分知识。适当增加一部分上机课程，让学生通过生动的软件亲自把抽象的流动现象转变成实际动画，不仅能够让他们对软件产生浓厚的兴趣，而且在参数设置和求解过程中加深数学理论基础的求知和探索，将所遇到的问题和结果得以实现，增加学习成就感，都会给他们带来不一样的收获。这样的兴趣很有可能会被带到课下，通过对软件的探索拓宽他们的知识面，改变过去传统的将知识经教师咀嚼后变为现成的“处方”灌输给学生的局面，从而大大提高他们的课程参与感以及发现问题和解决问题的能力，同时为促进师生交流创造更好的条件。
三、FLOW-3D在《流体力学》教学中的具体改革方案
將FLOW-3D应用于《流体力学》教学中，丰富了目前的教学内容和方法，也为大学生应用现代设计方法解决流体力学问题提供了平台。在现有的理论课程和实验课程基础上适当增加《流体力学》上机课程，并编写《流体力学》上机实验指导书。指导书分两个部分，一部分用于指导课堂教学，一部分用于指导课后练习。课堂教学中的上机内容重点是课程中的理论知识与工程实例相结合的典型实例，计算耗时短，重点给学生提供解决问题的思路和分析问题的方法。课后练习主要提供更接近现实工程的代表性实例，计算耗时长，由学生课后自主完成数值模拟过程，并对结果进行分析比较。
由于商用软件直接包含了数学模型建立、控制方程离散化、计算求解及结果显示整个过程，因此学生可在短时间内掌握FLOW-3D模拟流体力学问题的过程。作者以薄壁堰流为例，简单说明FLOW-3D在流体力学教学中的应用。
在模拟之前，我们要完全清楚所要分析问题的来龙去脉，利用课堂所需的流体力学知识去判断该工程中可能出现的问题，如何对工程进行简化以及参数如何设置。比如薄壁堰流模拟时，是否考虑水的黏性力？我们就可以根据雷诺数的大小来确定，雷诺数很大则表明惯性力远远大于黏性力，此时可不考虑黏性力。但是考虑到紊流的存在，在模型的参数设置时还是需要设定黏性参数。为了节省的计算时间，可以根据对称特性沿薄壁堰顺水流方向取模型的一半，也能反映出薄壁堰的所有信息。图1为网格划分图，图2是模拟水流从水库流过薄壁堰的过程。
矩形薄壁堰由于工艺简单、水头～流量关系稳定等特点被广泛应用于实际工程。通过FLOW-3D数值模拟过程的练习，学生能够更直观和清晰的了解水流特性与弗劳德数、雷诺数等参数的关系以及水头与流量的关系。
四、结束语
随着数值模拟技术的日趋成熟和完善，各行各业已逐渐普及数值模拟软件的应用，因此利用在流体模拟技术方面具有无可比拟的优势的FLOW-3D软件来提高《流体力学》教学效果必然能够起到积极作用。同时，对提高学生的动手能力和创新能力也有很大的帮助，并为他们将来工作和科研奠定基础。
参考文献
[1]张引弟，廖锐全，李元凤，等.《工程流体力学》课程考核方式的教学改革与实践[J].西南师范大学学报（自然科学版），2015，40（4）：139-143.
[2]李建强.流体力学在工程建设中的应用[J].华东交通大学学报，2001，18（3）：66-67.
[3]王洪伟.《我所理解的流体力学》[M].北京：国防工业出版社，2014.
[4]李国珍，薛梅.工程流体力学教学中的几点体会[J].中国校外教育，2013（12）：94.
[5]刘鹤年.《流体力学》[M].武汉：武汉大学出版社，2006.
[6]谢翠丽，倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学探讨[J].力学与实践，2013，35：91-93.