流体力学课程实践性教学探索

陈东阳 顾超杰 杨俊伟

摘 要：为了改善流体力学课程教学质量、培养新工科人才，本文对当前流体力学课程教学现状及存在的问题进行了分析，提出流体力学课程教学改革基本思路。以二维翼型气动性能为例，提出风洞实验与计算流体力学（CFD）仿真相结合的实验内容，得到的两种方法结果交相验证，通过CFD计算出云图和实验中具体的现象了解流动原理，使学生在实验中了解当前实践中的流体力学分析方法，为学习专业课程、从事专业技术工作和进行科学研究打下坚实的基础。

关键词：计算流体力学;风洞实验;教学改革;流体力学

中图分类号：G420

1 概述

目前，国家大力发展新工科，加强工科一流专业建设，推进“十百万”计划[1]，传统的教育方法已经不能适用于当前对人才培养和学科发展的要求。同时教育是民族振兴和社会进步的基石，是一个民族最根本的事业，因而努力办好人民满意的教育，深化教育领域综合改革，推进教育事业科学发展具有重大的意义[2]。流体力学是研究流体平衡和流体运动规律的一门课程[3]，在能源、动力、机械等领域有着广泛的运用。但课程内容较为抽象[4]，課堂教授内容多为方程推导，学生难以理解复杂的公式在实际中的运用，容易造成学生学习知识与当前流体力学分析方法的脱节。

响应国家建设一流学科的号召，培养以工程能力为核心的人才，本文基于以上问题提出流体力学教学改革方案。在课程教学过程中应用MATLAB编程、ANSYS FLUENT、CFX等流体仿真软件仿真分析和合理利用风洞实验室进行实验，通过仿真结果分析帮助学生理解一些流体力学理论[5-6]，在实际实验中掌握和应用流体力学知识。在掌握流体理论的同时，又能帮助学生学习流体力学分析软件、了解实验流程和方法，方便后续对专业知识进一步的学习。

2 教学现状及问题分析

流体力学理论性强，涉及大量抽象的假设和公式推导，学生较难理解其中抽象概念，因此常常产生学生兴趣不高，课堂效率低的问题。所以，流体力学课程教学中需要实践验证理论知识，同时加深学生对理论知识的掌握。实验教学是流体力学课程教学中必不可少的内容[7]，它能够将理论知识转化为具体的现象，将理论与实际联系起来，促进学生积极性，培养学生的实践能力。

流体力学课程中原有的实验操作相对简单，实验内容已与实际工程运用脱节，学习的内容与实际联系不紧密，远不能满足培养学生习得专业发展前景下运用流体力学基本理论分析解决工程中的实际问题的要求。因此需要改变原有教学方案，重新设计实验。在实验设计的过程中，培养学生独立解决问题的能力。

3 探索教学改革的途径和方法

因为空气不可见，学生往往对空气流过翼型表面的过程没有直观的感受，不了解当前研究中如何应用流体力学方法获取翼型气动数据。因此，在本文的教学改革方案中，提出让学生通过CFD仿真和风洞实验的方法，得到二维翼型表面的空气流动情况，计算求解到的矢量云图加深了学生对流动现象的理解。

3.1 CFD仿真

CFD仿真的主要内容为：根据给出的仿真实验中来流条件，指导学生针对某一在一定攻角下的翼型，进行翼型表面的流动状况模拟，获得相关流动结果。通过对每个步骤的仔细讲解，同时传授学生各项仿真技能。具体实验步骤如下：

（1）首先在几何绘制软件中导入二维翼型数据点，连接各点同时在翼型周围画出流场域，得到二维翼型的几何模型;

（2）将几何模型导入IECM CFD软件中进行划分网格，设置流动计算域，对翼型表面边界层网格进行加密，完成流场计算网格;

（3）在Fluent软件中导入网格，设置边界条件、初始条件，选择合适的控制方程、湍流模型进行计算;

（4）最后对计算结果进行后处理，得到流场内相关流动信息。

实验中，对每个步骤按照目的、主要操作方法和相关知识点三个方面进行讲解，传授仿真技能的同时锻炼学生实践能力。

按讲解步骤可得到计算网格大致如图1所示。图2、3分别为计算所得流场中的压力云图和速度云图。从图中可看出在流动过程中翼型周围的压力分布和速度分布，让学生对翼型绕流的概念和翼型表面受力分布有更直观的理解。相对于传统流体力学实验，在流体力学实验中引入CFD仿真对传授流体力学知识有着全新的指导作用。

3.2 风洞实验

由于风洞实验室仪器设备较复杂，由老师进行直接操作讲解，辅助学生完成二维翼型绕流风洞实验，将测得的压力脉动数据交给学生后处理，并与仿真结果进行对比。具体实验方案如下：

为获得流场中翼型的静态载荷分布，在二元翼型段表面水平布置多个测压孔。测压孔布置如图4所示，前缘点开始，在翼型吸力面及压力面每隔5%翼型弦长布置一个测压孔，一直排布到90%处为止。翼型表面测压孔由密封软管连接至压力采集系统。在翼型后70%弦长位置处放置尾迹排管，使用尾迹排管获得流过翼型后的流场分布。尾迹排管的高度与翼型表面的测压孔相同。尾迹排管由102根总压管和4根的静压管组成。尾迹排管的测量范围为可根据实际情况进行调节。测试时利用电子压力采集系统同时采集翼型表面和尾迹排管瞬时压力，采样频率设定为333.3Hz。

在风洞实验前，先调试风洞，确保实验设备无恙。风洞实验中，于翼型模型的侧前方0.5倍弦长处安装毕托管，测量来流的总压和静压，计算来流实时风速。利用尾迹排管上的总压管和静压管测量翼型尾迹区的总压分布及尾迹区静压分布，计算出翼型前后气流的压力损失，从而得到翼型受到的阻力。

在风洞实验过程中让学生们熟悉相关流体力学知识、了解实验流程，后续的数据处理让学生亲自参与到实验中，应用流体力学知识和编程语言实现尾迹排管法得到翼型相关气动数据。

最后学生通过对比CFD仿真结果和风洞实验结果，验证两种实验结果的准确性。

4 结论

近年来，教育部积极推进新工科的建设，加强新能源人才培养，本教学改革方案以扬州大学新能源科学与工程专业为背景，开展流体力学实践性教学探索，提出CFD仿真和风洞实验相结合的实验方法，弥补流体力学课程理论部分脱离实际、不利于学生理解的缺点，促进学生掌握流体力学发展中产生的新方法、掌握流体分析新技能，对新工科课程教学改革具有一定参考性。新的实验内容激发学生学习兴趣，丰富了教学内容，让学生更加直观地了解流体力学工程应用，在实践中提高学生工程应用能力。在后续的课程设计和毕业论文中，学生已对上述专业技能有了一定程度的掌握，提高了教学效率。在完成毕业论文过程中，学生已具备对流体力学问题的分析手段，能对课题内容快速上手，进行更进一步的研究。

参考文献：

[1]张旭，方艳，邢静忠.“新工科”背景下工程力学课程教学方法改革探索[J].科技创新导报，2019，16（16）：210-211.

[2]项贤明.新中国70年教育观变革的回顾与反思[J].南京师大学报（社会科学版），2019（02）：15-29.

[3]张成良，王超，刘磊.工程教育专业认证背景下流体力学课程教学改革探讨[J].西部素质教育，2018，4（04）：187-188.

[4]陈伟娇，乔春珍.《流体力学》课程教学关键问题研究[J].教育教学论坛，2019（35）：188-189.

[5]杨帆，王莉华，赵金峰.有限元仿真的一堂课——兼说实例驱动型启发式教学法.力学与实践，2019，41（4）：463-469.

[6]周晓敏，孙政.将ANSYS引入材料力学课堂的教学实践.力学与实践，2019，41（2）：222-226.

[7]于岩斌，芮君，程卫民，等.数值实验在流体力学实验教学中的应用探讨.力学与实践，2019，41（5）：615-619.

*通讯作者：陈东阳。