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摘要：《流体力学》是机械工程、热能动力工程、航空航天、环境工程等工程专业的重要基础课程，是机械、能源类专业必修的主干核心课程。《流体力学》课程教学一般在理论传授基础上辅以实验教学，但常因学生人数多、硬件配置不足等问题，仅少量实验内容可以全程参与，多数则以演示为主甚至放弃，学生理论结合实际的学习效果不佳，难以调动学习探索的热情。本文拟利用CFD流场仿真技术，整合课程虚拟实验案例，形成与理论相配合的虚拟实验体系，一方面弥补了现场实验教学硬件或人员配置条件不足带来的问题，提升理论与实验结合学习的效果；另一方面让学生从流体力学典型问题的底层数学模型出发，认知方程组构建的封闭性与可计算性，认知目前新兴的流体力学研究第三种方法，即计算机数值仿真方法，以提升教学效果。
关键词：《流体力学》；数值仿真；虚拟实验；课程教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）13-0223-02
一、引言
1.流体力学实验教学国内外现状。《流体力学》课程重理论、偏基础，学习相对枯燥，难以激发学生的热情，国内外大学为此想尽了办法。如哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学等美国著名大学及国内高等院校，在大一或大二开设了新生研讨课程，以有趣的流体力学现象，如“树结构、功能及进化中的微流动应该”、“船航行最大能有多快”来启迪学生对流体力学知识的热情，让学生一开始就认为《流体力学》是一门“令人神往”的课程。这种互动性的研讨课程通常需要辅以真实的实验来提升效果，但前沿的流体力学问题通常依赖精密的设备与复杂的操作，学生难以通过全程参与获得直观的感受。在流体力学实验教学方面，国内高校也做了大量的工作，如尽量让每个学生都参与实验过程，但通常只能是操作相对简单的“圆管层流/湍流”实验、“管路粘性阻力”实验等。尽管如此，还常常因学生人数较多而在一次简单的实验中消耗过多的课时，有的学校则采用分组实验的办法来减少课时，但对实验设备数量的依赖性大大增加。鉴于现场实验可操作性不强、演示效果不佳、时间与经济成本较高等缺点，近期流体力学实验教学的改革研究将目光投向虚拟实验，如基于Flash开发的流场运动动画、实验过程与数据分析等，或通过Web形式实现学生的虚拟实验操作进一步提升感性认识。尽管基于Flash和Web平台开发的虚拟实验相对缓解了现场实验的压力，并在一定程度上提升了学生的参与程度，但流动过程及实验数据均源自“人为制造”，只有实验的结果，没有为何实现此类结果的解释，学生对实验的真实性存在一定的疑虑，虚拟实验显得过于“虚拟”了。
2.实验课程建设尚存的问题。《流体力学》作为大量工程专业的核心基础课程，增强工程系案例实验环节的内容，增强案例问题解析方法的启发式思考和探索，已成为目前专业教学发展方向的重点需求。就上述国内大学现行的实验教学情况而言，依然存在较大的完善空间。①因各种因素的相互制约，《流体力学》理论与实验课程通常分开开设，理论章节与实验环节难以实现有效的穿插和促进。②因硬件配套及人员配置等多种因素，要么简化实验过程，要么减少实验内容，以减少课时的负担，弱化了学习的效果。③基于软平台开设的虚拟实验，不如现场实验那般能够在其流动机理与数据真实性上获得充分的认可。④实验课程内容设置的学科专业或学校特色针对性不强，不够体系化，对学生认知完整性的帮助不够。基于以上問题，本文拟基于CFD流场数值仿真技术，结合液压传动专业技术后续课程案例，整合虚拟实验案例并实施，预期在结果上形成与课程理论体系配套的实验案例，在过程上结合方程组在CFD平台上的计算实施方法，形成对案例流力问题的底层认知。如此，既获得了教学过程中实验与理论的相互印证，又实现了从理论到实验过程的深入认知。
二、课程建设的思考与设想
1.改革内容。基于课程知识体系，进一步细化和丰富现有原理性实验内容，具体如下：管中流动：①基于已获得的数值仿真结果展示层流向湍流转变的过程及两种流动状态的对比；②展示仿真数据曲线与莫迪图实验曲线的对比。孔口流动：①基于薄壁孔口和厚壁孔口两种“流动域”，展示计算获得的流量、流速及各系数结果与经验公式对比；②展示两种流动域结构不同气穴数条件下的气穴程度与动态变化情况。缝隙流动：①基于UDF展示偏心率变化过程中的缝隙流动速度、压力分布变化及输出流量变化与理论公式对比；②忽略气体可压缩性，展示“零件长度测定”案例的仿真结果。气体一元流动：展示不同喷管结构流动域的流速和波速随流动参数的变化规律。
2.实施方法。首先讲述理论及案例内容并列举方程组，进而结合CFD方法阐述方程组可计算性的封闭性与收敛性要求，阐述CFD如何实现方程组的计算以及判断收敛的准则。对于可压缩气体介质，阐述可压缩性和波动特性带来的变化，并阐述CFD数值仿真特征及设置的区别。在常规知识点虚拟实验实现方法以及实验与理论交叉教学的基础上，新增“伺服阀射流冲击及波动”、“柱塞泵吸空气穴及其压缩时间效应”、“圆柱绕流漩涡附壁”等案例的基本原理阐述，要求学生课后实现上述案例之一的仿真计算，作为课程考核的内容之一。
三、预期成效与持续改进
1.改革的优点。本文所设想的基于CFD流场数值仿真技术获得与流体力学理论体系对应的虚拟实验教学案例，预期可在如下几个方面获得较优的效果：①第一个效果不言而喻，CFD虚拟实验可大大减轻现场实现在硬件、人员和课时分配等方面的负担，同时可更好的实现理论与实验教学的穿插，而不是分离，教学效果好。②基本的数值计算可获得流动过程中压力、速度、流量、温度等场所包括的所有信息，基于UDF可实现流域和参数变化过程中的流动状态对比，信息完整，演示清楚。③CFD虚拟实验源自实际问题底层数学方程的解析，而不是基于已知结果的主观动画演示，真实性和接受性更好。④通过CFD如何实现实际问题方程的解析计算阐述，学生可进一步获得流体力学第三研究方法的认知，加深对流体力学这一物理数学问题的认知。
2.学生培养预期成效。原理性虚拟实验的细化和丰富化，建立理论知识的模型载体，提高学生对理论知识点的理解效果，提升学生对现有流体力学理论缺失的探索兴趣；了解实际流体力学问题的底层数学架构、数学问题的数值计算方法及其在计算平台上的实施，让学生更为深入的了解流体力学的内涵，并丰富研究方法。
3.持续改进的思考。根据流体力学案例的学生课后作业反馈情况，了解学生对数值仿真这一流体力学第三研究方法的认知程度，考虑在下次教学中更加合理的安排此部分内容的学时与知识框架。比对前一期未实施虚拟实验结合教学的班级考试成绩，查看学生知识掌握的总体情况，并结合学生的评学和课后交流，进一步完善新设课程体系的架构和内容安排。
四、结语
流体力学是大量工程专业的重要基础课程，现行教学一般在理论传授的基础上辅以实验教学，但常因硬件匹配、学时分配等种种因素，实验内容无法有效的穿插于理论教学之中，尽管目前出现了不少的虚拟实验教学案例与方法，但多基于已知结果通过动画直接演示，其结果的由来缺乏真实性和可接受性。本文拟结合CFD数值仿真方法，在理论教学中同步阐述流体力学问题的底层数学模型以及数学问题的数值计算方法，让学生了解问题发生的深层本质，并利用计算结果在课堂理论教学过程中穿插虚拟实验的内容，预期在学生认知的完整性和深入性方面有更大的提高。
参考文献：
[1]宋金平，周蔚字，童勋.《流体力学·泵与风机》精品课建设初探[J].中外企业家，2013，（9）：227-228.
[2]朱克勤，任仲泉.关于美国几所著名高校的流体力学新生研讨课[J].力学与实践，2005，27（1）：78-80.
[3]陈晓珊，洪文鹏，张玲，等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报，2006，26（3）：54-56.
[4]邹吉光，于海明，谢秋菊.流体力学实验课教学改革[J].科技资讯，2008，（17）.
[5]虞娇婷，陈都，曹志旭.基于FLASH的虚拟流体力学实验平台设计[J].科技风，2015，（5）：128.
关键词：《流体力学》；数值仿真；虚拟实验；课程教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）13-0223-02
一、引言
1.流体力学实验教学国内外现状。《流体力学》课程重理论、偏基础，学习相对枯燥，难以激发学生的热情，国内外大学为此想尽了办法。如哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学等美国著名大学及国内高等院校，在大一或大二开设了新生研讨课程，以有趣的流体力学现象，如“树结构、功能及进化中的微流动应该”、“船航行最大能有多快”来启迪学生对流体力学知识的热情，让学生一开始就认为《流体力学》是一门“令人神往”的课程。这种互动性的研讨课程通常需要辅以真实的实验来提升效果，但前沿的流体力学问题通常依赖精密的设备与复杂的操作，学生难以通过全程参与获得直观的感受。在流体力学实验教学方面，国内高校也做了大量的工作，如尽量让每个学生都参与实验过程，但通常只能是操作相对简单的“圆管层流/湍流”实验、“管路粘性阻力”实验等。尽管如此，还常常因学生人数较多而在一次简单的实验中消耗过多的课时，有的学校则采用分组实验的办法来减少课时，但对实验设备数量的依赖性大大增加。鉴于现场实验可操作性不强、演示效果不佳、时间与经济成本较高等缺点，近期流体力学实验教学的改革研究将目光投向虚拟实验，如基于Flash开发的流场运动动画、实验过程与数据分析等，或通过Web形式实现学生的虚拟实验操作进一步提升感性认识。尽管基于Flash和Web平台开发的虚拟实验相对缓解了现场实验的压力，并在一定程度上提升了学生的参与程度，但流动过程及实验数据均源自“人为制造”，只有实验的结果，没有为何实现此类结果的解释，学生对实验的真实性存在一定的疑虑，虚拟实验显得过于“虚拟”了。
2.实验课程建设尚存的问题。《流体力学》作为大量工程专业的核心基础课程，增强工程系案例实验环节的内容，增强案例问题解析方法的启发式思考和探索，已成为目前专业教学发展方向的重点需求。就上述国内大学现行的实验教学情况而言，依然存在较大的完善空间。①因各种因素的相互制约，《流体力学》理论与实验课程通常分开开设，理论章节与实验环节难以实现有效的穿插和促进。②因硬件配套及人员配置等多种因素，要么简化实验过程，要么减少实验内容，以减少课时的负担，弱化了学习的效果。③基于软平台开设的虚拟实验，不如现场实验那般能够在其流动机理与数据真实性上获得充分的认可。④实验课程内容设置的学科专业或学校特色针对性不强，不够体系化，对学生认知完整性的帮助不够。基于以上問题，本文拟基于CFD流场数值仿真技术，结合液压传动专业技术后续课程案例，整合虚拟实验案例并实施，预期在结果上形成与课程理论体系配套的实验案例，在过程上结合方程组在CFD平台上的计算实施方法，形成对案例流力问题的底层认知。如此，既获得了教学过程中实验与理论的相互印证，又实现了从理论到实验过程的深入认知。
二、课程建设的思考与设想
1.改革内容。基于课程知识体系，进一步细化和丰富现有原理性实验内容，具体如下：管中流动：①基于已获得的数值仿真结果展示层流向湍流转变的过程及两种流动状态的对比；②展示仿真数据曲线与莫迪图实验曲线的对比。孔口流动：①基于薄壁孔口和厚壁孔口两种“流动域”，展示计算获得的流量、流速及各系数结果与经验公式对比；②展示两种流动域结构不同气穴数条件下的气穴程度与动态变化情况。缝隙流动：①基于UDF展示偏心率变化过程中的缝隙流动速度、压力分布变化及输出流量变化与理论公式对比；②忽略气体可压缩性，展示“零件长度测定”案例的仿真结果。气体一元流动：展示不同喷管结构流动域的流速和波速随流动参数的变化规律。
2.实施方法。首先讲述理论及案例内容并列举方程组，进而结合CFD方法阐述方程组可计算性的封闭性与收敛性要求，阐述CFD如何实现方程组的计算以及判断收敛的准则。对于可压缩气体介质，阐述可压缩性和波动特性带来的变化，并阐述CFD数值仿真特征及设置的区别。在常规知识点虚拟实验实现方法以及实验与理论交叉教学的基础上，新增“伺服阀射流冲击及波动”、“柱塞泵吸空气穴及其压缩时间效应”、“圆柱绕流漩涡附壁”等案例的基本原理阐述，要求学生课后实现上述案例之一的仿真计算，作为课程考核的内容之一。
三、预期成效与持续改进
1.改革的优点。本文所设想的基于CFD流场数值仿真技术获得与流体力学理论体系对应的虚拟实验教学案例，预期可在如下几个方面获得较优的效果：①第一个效果不言而喻，CFD虚拟实验可大大减轻现场实现在硬件、人员和课时分配等方面的负担，同时可更好的实现理论与实验教学的穿插，而不是分离，教学效果好。②基本的数值计算可获得流动过程中压力、速度、流量、温度等场所包括的所有信息，基于UDF可实现流域和参数变化过程中的流动状态对比，信息完整，演示清楚。③CFD虚拟实验源自实际问题底层数学方程的解析，而不是基于已知结果的主观动画演示，真实性和接受性更好。④通过CFD如何实现实际问题方程的解析计算阐述，学生可进一步获得流体力学第三研究方法的认知，加深对流体力学这一物理数学问题的认知。
2.学生培养预期成效。原理性虚拟实验的细化和丰富化，建立理论知识的模型载体，提高学生对理论知识点的理解效果，提升学生对现有流体力学理论缺失的探索兴趣；了解实际流体力学问题的底层数学架构、数学问题的数值计算方法及其在计算平台上的实施，让学生更为深入的了解流体力学的内涵，并丰富研究方法。
3.持续改进的思考。根据流体力学案例的学生课后作业反馈情况，了解学生对数值仿真这一流体力学第三研究方法的认知程度，考虑在下次教学中更加合理的安排此部分内容的学时与知识框架。比对前一期未实施虚拟实验结合教学的班级考试成绩，查看学生知识掌握的总体情况，并结合学生的评学和课后交流，进一步完善新设课程体系的架构和内容安排。
四、结语
流体力学是大量工程专业的重要基础课程，现行教学一般在理论传授的基础上辅以实验教学，但常因硬件匹配、学时分配等种种因素，实验内容无法有效的穿插于理论教学之中，尽管目前出现了不少的虚拟实验教学案例与方法，但多基于已知结果通过动画直接演示，其结果的由来缺乏真实性和可接受性。本文拟结合CFD数值仿真方法，在理论教学中同步阐述流体力学问题的底层数学模型以及数学问题的数值计算方法，让学生了解问题发生的深层本质，并利用计算结果在课堂理论教学过程中穿插虚拟实验的内容，预期在学生认知的完整性和深入性方面有更大的提高。
参考文献：
[1]宋金平，周蔚字，童勋.《流体力学·泵与风机》精品课建设初探[J].中外企业家，2013，（9）：227-228.
[2]朱克勤，任仲泉.关于美国几所著名高校的流体力学新生研讨课[J].力学与实践，2005，27（1）：78-80.
[3]陈晓珊，洪文鹏，张玲，等.工程流体力学课程改革的思考[J].东北电力大学学报，2006，26（3）：54-56.
[4]邹吉光，于海明，谢秋菊.流体力学实验课教学改革[J].科技资讯，2008，（17）.
[5]虞娇婷，陈都，曹志旭.基于FLASH的虚拟流体力学实验平台设计[J].科技风，2015，（5）：128.