導語：如何才能寫好一篇流體動力學模擬理論，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

（一）理論教學內容

在理論教學內容設計方面，可以將理論教學內容分為基本理論模塊、專業關聯模塊、理論拓展模塊、創新素質培養模塊四個模塊。這四個模塊分別具有以下的含義：（1）基本理論模塊：由流體動力學這門課程中最基本的理論、技能構成，具有通識性。（2）專業關聯模塊：由流體動力學這門課程中與專業直接關聯內容，或者與后續的專業學習相關聯的，利用基礎理論解決實際問題的理念和方法構成，是體現流體動力學這門課程，起到從基礎理論到工程應用橋梁作用的主要模塊。（3）理論拓展模塊：由流體動力學這門課程中與本專業關聯度相對較小，但是概念更抽象、難度更大，有利于拓寬學生知識面、培養學生抽象思維能力的內容構成。（4）創新素質培養模塊：由流體動力學這門課程中有利于培養學生創新的思維、創新的技能、創新的理論研究方法，甚至有利于人文素質教育的內容構成。模塊的劃分應細化到每一個章節，并且明確在每個章節的權重，這樣可使教師明確地把握每一個章節的教學目標和培養目標。同時，學生也能夠掌握每一個章節的學習目標。如果學生在某一章節學習上出現問題，教師和學生能夠及時發現是在哪個模塊上出現了問題，這有利于教師及時改進教學方法，學生及時改進學習方法，及時解決問題，不至于出現問題堆積，影響學生對課程的學習的情況。而且，我們也應注意到，針對教材而言，每一章節的內容與內容之間都有著承上啟下、相互關聯的特點，當然，各章節之間也有一定聯系，在理論以及涉及的概念的深度方面也是逐步遞增的。因此，在講授過程中，還應注意同一內容多模塊化，以及模塊與模塊之間的關聯性，明確模塊之間的關聯點，而不能將模塊孤立化，往往造成只見樹木、不見森林的不良后果，使學生對每一部分的內容都了解得透徹，但由于不了解相互之間的關系，從而限制本課程學習過程中的理論拓展。例如：在講授“描述流體運動的兩種方法”的過程中，涉及兩個內容：拉格朗日法和歐拉法。基于本文的教學內容模塊化思想。拉格朗日法”內容構成基本理論模塊，而“歐拉法”內容具有兩種模塊形式：基本理論模塊和創新素質培養模塊。其構成的原因有：（1）“歐拉法”不研究個別質點的運動規律，而對流場進行分析和計算，它是流體動力學理論研究和工程應用的基礎；（2）“歐拉法”的提出是創新思想的體現，因為它超越了常規的描述固體運動的思維方法，“歐拉法”是基于“拉格朗日法”的換位思考，而它的意義卻遠遠超過了“拉格朗日法”。在這部分內容的講授中，要注意模塊與模塊之間的關聯性，明確“拉格朗日法”與“歐拉法”的關系，使學生能深入地理解“歐拉法”的思想以及相關的概念，為課程后續的學習打下良好的基礎。另一方面，可以針對學生的特點，借助“歐拉法”的換位思考法，起到培養學生人文素質的作用，引導學生采用換位思考方法，正確地面對人生的問題，使自己的人生觀和道德觀得到升華。

（二）實驗教學內容

由于流體動力學的研究方法主要有理論分析、實驗研究和數值模擬三種，其中實驗是學生應用理論解決實際問題，進一步加深對概念理解的重要環節。因此，在流體動力學的理論教學中，應注意融入實驗教學的思想。基于此，將實驗教學內容分為必做實驗模塊、選做實驗模塊、自行設計實驗模塊三個模塊。這三個模塊分別具有以下的含義：（1）必做實驗模塊：由傳統驗證實驗構成。（2）選做實驗模塊：由教師設計的實驗，或者與流體動力學課程相關的科研實驗構成。（3）自行設計實驗模塊：由學生自行設計的實驗構成。其中，在選做實驗模塊的實施過程中，關鍵是注意了解學校與流體動力學課程相關的科研實驗臺架和主要的科研實驗內容，優化整合實驗教學資源。針對大部分高校現有的條件，在自行設計實驗模塊的實施過程中具有一定的難度，但是可考慮利用先進的計算機技術，實現“虛擬實驗”，或者采用針對個別學生實施這部分實驗，然后再增加學生人數，逐步實現這一實驗模塊的教學。

二、教學方法手段

理論教學過程中以多媒體教學手段為主，多媒體課件的制作應結合本課程的教學規律，符合實際需要，將理論問題形象化，并注意將理論教學融入實驗教學和數值模擬的思想。例如，“雷諾實驗”這部分內容的理論教學中，多媒體的制作可采用動畫的形式演示實驗的基本過程和結果，將層流和紊流兩種流態形象地表現出來。同時，可以借助實際工程中的數值模擬結果，更形象地反映這兩種流態的特點和工程實際的應用。這樣既說明了實驗和數值模擬之間相輔相成，又將實驗教學和數值模擬的思想融入理論教學中，由此起到培養學生科學研究能力的作用。

三、考核方式方法

由于考核的目的在于助學和改進教學方法。因此，本課程的考核應在一定程度能夠發揮學生的主體作用，這樣有利于良好教學氛圍的營造，有利于師生雙向的交流。具體的考核方式有多種，綜合的考核方式應該更合理，但操作起來也更復雜，可以采用先試點后鋪開的途徑。目前，大多數高校主要采用平時成績和期末成績綜合考核的方法。平時成績通常包括考勤、作業、實驗。平時成績的考核應是考核中最重要的內容，它是教師及時了解學生對該課程學習狀況、把握教學目標的關鍵。其中作業內容的設計和要求是不可忽視的，例如，可以采用必做題、選做題，不是盲目地采用題海戰術，這有利于調動學生學習的主動性，同時使學生對每一章節的學習有的放矢。對作業中的解題步驟和圖的繪制都應該有明確的要求，這樣有利于工程師卓越素質的培養。總之，平時成績的考核注重調動學生學習的主動性，培養工程師卓越素質，同時培養學生利用知識分析問題的能力和創新能力，在考核內容設計方面應該是考核目的的體現。

四、結語

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關鍵詞：中國水墨畫；流體動力學；數字水墨書畫系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）07-1699-05

中國水墨畫源遠流長，有著樸素抽象、注重神似的畫風，其影響至日本、韓國、東南亞一帶，在東方乃至全世界都自成體系，可以說是東方文化的象征與瑰寶[1]。

西方的油畫、水彩畫等在繪制工具、表現技法上與中國水墨畫有著本質不同。西方的繪畫更理性，它遵循嚴格的透視原理及光學原理，以寫實為主，追求“形似”。而中國水墨畫在表現手法上往往不遵守客觀規律，其更注重神似。正是由于這些差異，使得現有的關于西方繪畫藝術的仿真方法無法直接應用于水墨畫的模擬[2]。如何運用邏輯嚴謹規范的計算機技術對極為隨意揮灑的中國水墨畫進行仿真研究是極具挑戰性的課題。

目前，對中國水墨畫的仿真方法可分為兩類：基于物理建模的方法和面向藝術效果的方法[3]。該文研究的是采用物理建模的方法對水墨畫進行仿真。該文在Curtis[4]的研究基礎上，提出了水墨畫運移、傳輸的三層模型，并將流體動力學理論引入水墨粒子在淺水層、墨粒沉積層以及毛細作用層的運移和傳輸規律的研究，通過Helmholtz-Hodge 分解，求解基于Navier-Stokes偏微分方程組的水墨運動模型。以此作為理論基礎，設計實現了一個交互式的數字水墨書畫系統。

1 相關工作

水墨畫的創作用具主要為筆、墨、紙。紙是水墨畫的載體，所以紙的建模直接關系到水墨效果仿真的質量。關于紙張建模的研究工作可參考文獻[4-6]。

在虛擬筆刷的建模及毛筆筆跡的模擬仿真方面，筆交互應用開始時就有研究者進行毛筆書法效果的模擬研究。1986 年，Strassmann[7]提出通過增加控制點連成矩形來填充毛筆筆跡的算法，1990年Chua[8]提出使用貝塞爾曲線來擬合毛筆筆跡，1991年Guo 和Kunii[9]提出了基于紙張纖維束的毛筆筆跡擴散模型，Pahm[10]提出了使用B 樣條來模擬筆道的輪廓，中間使用四邊形來擬合填充毛筆筆跡。

在水墨運動的物理建模方面，石[11]提出基于粒子系統的算法來仿真水墨擴散過程。王[12]將滲流力學引入水墨運移物理規律的研究。Nelson S.-H [6] 運用網格玻爾茲曼模型（Lattice Boltzmann methods）對水墨運移及傳輸過程進行仿真，并在GPU上實現了其算法。

2 基于流體動力學的水墨畫繪制算法

本節給出基于流體動力學的水墨畫仿真算法的定義、形式化描述及算法偽碼。

2.1 水墨粒子運移、傳輸的三層模型

在Curtis的研究基礎上本文提出水墨粒子運移、傳輸的三層模型。三層模型分別為：淺水層、墨粒沉積層、毛細作用層。三層模型相互作用，會產生不同的繪制效果。

淺水層用于模擬水墨在紙張表面的流動，主要模擬墨粒在水中浮起并被水傳送到不同的區域這一過程。在淺水層中，水的流動被限制在濕區域內。

墨粒沉積層用于模擬墨粒在紙上被吸附和解吸附的現象，主要控制墨粒在淺水層和墨粒沉積層之間的轉移。墨粒的密度、著色能力和粒度都會影響紙的吸附和解吸附能力[13]。

毛細作用層模擬水在紙張毛孔的遷移，將根據紙的水飽和度處理濕區域，在毛細作用層的作用下，濕區域會逐漸擴展。

2.2基于Navier-Stokes方程的水墨運動模型

本文采用Jos Stam [14]提出的Navier-Stokes方程作為模擬水流運動的物理模型，同時增加描述墨粒子密度因水流速度場變化而擴散的方程，兩者一并構成水墨粒子在淺水層運動的基本物理模型。形式化定義為：

其中[??u=0]。公式（1）右邊第一項表示速度場的自身平流，叫做平流項。第二項，稱作壓力項，代表了外力施加于水墨流體時，微觀上所產生的不均勻的壓力及加速度。第三項表示由于水墨濃稠度的不均勻所形成的阻礙，并由此造成了動量的擴散，同時影響了流體速度的分散。第四項是外力施加到水墨流體上而增加的加速度。

2.3 Helmholtz-Hodge分解定理

為求解以上方程，該文通過Helmholtz-Hodge 分解得到水墨粒子淺水層運移和傳輸算法[14]。

定義一個空間區域[D]，邊界法線為[n]，標量場[p]。據Helmholtz-Hodge 分解定理有[D]上的矢量場[w] 能唯一分解為：

其中[u]是散度為零的矢量場（即[??u=0]），[p]為標量。把散度算子應用到方程（3）兩邊，有：

根據Helmholtz- Hodge分解定義一個投影算子[P]， 將矢量場[w] 投影到無源分[u]。應用到方程， （3）得到：

根據[P]的定義有[Pw=Pu=u]，固[P（?p）=0]，將此投影算子應用到方程（1）的兩邊有：

因為u的散度為0，左邊的導數也是無散度的，同時[P（?p）=0]，有：

定義一個算子S，及各分量算子，平流A、擴散D、外力F、投射P， 整個求解過程變為：

從左到右進行運算，則整個求解過程，首先是平流，接著是擴散、外力和投射，即：

2.4基于流體動力學的水墨畫淺水層運移和傳輸算法

2.4.1外力項

外力項由外界對水墨流體施加的力組成，并假設該外力在其時間步長內保持恒定，形式化定義為：

2.4.2平流項

平流項表示速度場沿著擴散方向傳輸自身和水墨粒子。這里使用隱式解法[14]，形式化定義為：

2.4.3擴散項

對擴散項的求解實際轉化為對泊松方程的求解，形式化定義為：

可采用Gauss-Seidel法進行求解[14]。

2.4.4投影項

經過外力、擴散、平流運算后得到一個有散度的速度場w3（x），通過投影算子將其改變為無散度的速度場w4（x）。具體求解方法可參考文獻[14]。對方程（2）的求解可參考以上所示進行。

3.4.5水流淺水層運移和傳輸算法偽碼

詳細的代碼實現可以參考文獻[15]。

2.4.6墨粒子淺水層運移和傳輸算法偽碼

其中u， v為給定的水流速度場速度，diff為墨粒子擴散系數。更詳細的代碼實現可以參考文獻[15]。

2.5水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法

在仿真的每一步，墨粒子都會被沉積層以一定數率吸附，同時也會以一定數率解吸附會淺水層。墨粒的密度[ρ]、著色能力[w]，粒度[r]和紙張的高度[h]都影響紙的吸附和解吸附能力。下面給出水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法的偽碼。g為墨粒沉積層粒子密度，d為淺水層墨粒子密度。該文在Curtis的研究基礎上，提出了水墨粒子墨粒沉積層運移和傳輸算法。

2.6水墨粒子毛細作用層運移和傳輸算法

當墨汁向正要變干但仍保持潮濕的區域進行擴散時會產生回吸現象。這個時候墨汁會被淺水層以一定的吸收率[α]吸收，同時向毛細作用層擴散。每個網格單元都會向其鄰近區域傳輸墨汁，直到達到飽和容積率[c]。當飽和度超過[?]時，該網格單元被標記為潮濕區域。這樣，由于毛細作用層的作用，就會形成不規則的分支形狀，以此模擬水墨粒子的非規則擴散現象。該文在Curtis的研究基礎上，提出了水墨粒子毛細作用層運移和傳輸算法。

3 實驗結果

圖1為運用具有不同濃稠度的水墨畫筆書寫的筆劃（其擴散效果形態不同），圖2為使用本文開發的數字水墨書畫系統所書寫的“蛇”字。圖3為本文開發的數字水墨書畫系統的用戶界面。實驗表明本文所設計的數字水墨書畫系統能較好的仿真水墨書畫的效果。

在當今數字娛樂產業蓬勃發展的時代，如何開發出具有實用價值，符合市場需求的數字水墨書畫系統軟件，是未來值得探索和深入研究的科學熱點問題[16]。

參考文獻：

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篇3

[關鍵詞] CAD/CAE；流-固耦合；靜力學分析；模態分析；仿真分析；凍干技術；FLUENT中圖分類號：TB79 文獻標識碼：A 文章編號：2055-5200（2014）01-027-06

Doi：10.11876/mimt201401007

Application of Simulation Technology in the Design of Vacuum Freeze-drying Machine CHEN Wei， LU Hong-bin ，CHENG Peng

（Plant of Experimental Instrument，Academy of Military Medical Sciences ，PLA，Beijing 100850，China）

[Abstract] Objective：Research on application of simulation technique in the design of the vacuum freeze-drying machine. With the aid of the modern design method， the product development and the foundation experiment are supported， scientific experiments and test method were improved. Methods：According to design requirements of the freeze-drying machine，3D model of the vacuum freeze-drying case and the shelf were built.With CAE technology， the vacuum freeze-drying case were analysed，including statics analysis and modal analysis. Based on the result analysis which was achieved from the finite element model with considerations to constraint and boundary conditions， reliable basis datas for Structure optimization and dynamic characteristics were obtained. With FLUENT software， Using SIMPLE algorithms and standard κ-ε turbulence model analysed air flow field and outlet velocity distribution of the vacuum freeze-drying case in order to provide design datas of inlet channel. Fluid-solid coupling model of shelf temperature field was calculated， results were provided to further optimize the structure of shelf. Result：Flow field model and calculation method of the vacuum freeze-drying case and shelf were made the new attempt.The simulation results were obtained，which Provided the reference for engineering application and promoted effectiveness-cost ratio of development. Conclusion：Simulation as a scientific means of development is playing a positive role in promoting product performance and increasing design productivity.

1 引言

真空冷凍干燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副產品深加工等領域有著廣泛的應用。冷凍干燥技術用途廣，生產廠家較多，美國、英國、日本、德國等國的凍干機已經形成標準化、系列化的產品，其擱板面積從不到一平方米直至大到幾十平方米， 形成十幾種規格。

我國冷凍干燥機結構設計多采用材料力學簡化計算與經驗設計相結合的方法。這種設計方法具有一定可靠性，但存在諸多弊端：首先，采用這種方法設計周期長，進行計算后，再根據計算結果人工布置筋板結構，會耗費大量時間，設計準確性不易保證；其次，結構組件冗余，用材質量大，傳統設計在材料使用上偏于保守，比國外同種規格產品重量大，致使成本高、效益低，削弱了產品的競爭力。

國內外文獻中， 對如何將現代仿真技術應用到真空冷凍干燥機設計中的文章不多見。 本文探討仿真技術在真空冷凍干燥機主要組成部分設計中的運用。設計產品零件幾何形狀復雜，設計計算難度大，設計計算過程復雜，產品性能要求高時，需要經驗豐富的高水平技術人員結合產品仿真分析才能完成[1]。

2 冷凍干燥機設計與分析的關鍵

目前制備型真空冷凍干燥機主要由冷凍干燥箱、真空系統、制冷系統、加熱系統及自動控制系統幾大部分組成[2-3]。這幾大部分的搭配、取舍可構成不同的設計方案。

冷凍干燥箱是一個能夠制冷到-50℃左右，能夠加熱到+70℃左右的高低溫箱體，也是一個能夠抽成真空的密閉容器，它是凍干機的主要組成部件，其中的擱板是核心部件，它負責對制品的預冷、升溫、干燥。制品的品質在很大程度與擱板的制冷溫度、加熱溫度、干燥時的真空度三個主要參數緊密相關[4]。以上三個參數中，后兩個參數比較容易控制，原因是擱板加熱溫度一般由電加熱裝置提供熱量，硅油作為傳熱介質，電加熱裝置功率穩定可控，所以容易實現熱量大小的改變，干燥時真空度的控制雖然較為復雜，但還是能做到較精確控制。比較難于理想控制的是第一個參數：制冷溫度，這一參數主要通過擱板最低溫度、擱板降溫速率、擱板控溫精度來綜合評價。

基于以上原因，嘗試對冷凍干燥箱和擱板設計。首先，在具體結構上借助三維CAD技術，完成三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等工作；其次，借助CAE技術對冷凍干燥箱進行靜強度及模態分析計算，通過FLUENT分析顯示冷凍干燥箱氣體流場軌跡和擱板內溫度場變化，發現存在問題，為設計提供參考，縮短研發周期，提高經濟效益[5]。

2.1 冷凍干燥箱靜力學分析

首先用Pro/ENGINEER做造型設計，然后利用其提供的數據接口把模型傳遞到ANSYS環境進行有限元計算，從而得到冷凍干燥箱的機械性能。

[C]―阻尼矩陣；

[K]―剛度系數矩陣；

{x}―位移矢量；

{F}―力矢量。

線性結構靜力分析中，所有與時間相關的量都被忽略。于是，從（2-1）式中得到以下方程式：

[K]{x}={F} （2-2）

根據設計要求，對冷凍干燥箱結構采取從局部到整體的造型方法建模，冷凍干燥箱是由若干零部件焊接裝配起來，用CAD軟件造型，可以從標準結構件開始將相關結構體拼合即可得到整體結構模型。

在進行有限元分析時，各結構件可按焊接成一個整體處理。設計初期采用經驗設計和材料力學簡化算法相結合的方式，得到設計參數的初始值，然后用Pro/ENGINEER進行輔助實體造型即可得到冷凍干燥箱體模型，整體完成后的分析用三維模型如圖1所示。

通過仿真分析可以發現設計上的一些不合理地方，如有些部位應力水平頗高。盡管其中有未考慮焊縫而引起的應力集中的因素存在，但即使去除該因素，應力分布的不均性也不可避免地導致各部分疲勞壽命的差異以及材料使用不合理。為此，應考慮調整筋板的布置方式，在應力水平過高處適當增加加強筋板；同時為降低振動頻率可調整布局方式。

2.3 冷凍干燥箱及擱板CFD分析

計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是多種領域的交叉學科，因具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點而在最近20年中得到了飛速發展[9]，它所涉及的學科有流體力學、偏微分方程的數學理論、計算幾何、數值分析、計算機科學等，而最終體現計算流體水平的是解決實際問題的能力[10]。隨著計算流體力學的發展，數值模擬已經成為了流體力學研究的重要手段[11-13]。

冷凍干燥機加熱系統的關鍵在于如何節省能源，提高熱效率。由于在真空狀態下傳熱主要靠輻射和傳導， 傳熱效率低， 所以近來出現了調壓升華法。調節氣壓有多種方式， 英國愛德華公司采用充入干燥無菌氣體的方法， 既提高了冷凍干燥箱的壓強， 又不致增加冷凝器負荷， 是一種比較好的方法。

借助CFD仿真技術可以預測冷凍干燥箱內不同配氣口充入干燥無菌氣體氣流分布詳細情況，從而指導設計工作。首先，構建凍干箱底部進氣和側壁四點均布進氣兩種氣流形式的三維分析模型，建立冷凍干燥箱內部氣體流場分布計算模型，具體如圖8、9。

由于FLUENT軟件可以相對準確地給出流體流動的細節，如：速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，不僅可以準確預測流體產品的整體性能，而且很容易從對流暢的分析中發現產品或工程設計中的問題，據此提出的改進方案，只需計算一次就可以判斷改進是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器對計算進行設置并進行求解。計算結果如圖12、13。圖12 底部進氣流場云圖 圖13 側壁進氣流場云圖

冷凍干燥箱結構合理可確保凍干過程的順利完成，擱板設計能力的水平將直接決定整機性能，擱板上換熱流路布局合理，用材合理，熱慣性小，即能大幅度降低控制系統、制冷系統、加熱系統等功耗負荷和故障率，又能實現一個最優的冷卻速率，獲得最高的細胞存活率、最好的產品物理形狀和溶解速度。

為了使本設計的擱板熱均勻性好，熱慣性小，在設計中采用CFD技術構建熱傳導模型，在Pro/ ENGINEER中建立三維模型，建模如圖14。構建流路有限元模型，如圖15。

3 結論

（1） 將CAD、CAE等先進計算機仿真設計手段應用于真空冷凍干燥機研發，可以縮短設計周期、保證設計質量、提高整體設計水平，減少開發成本；

（2） CAE技術可以在設計之初發現設計中存在的問題，基于有限元的優化分析能夠為設計提供改進的方向。通過數值仿真分析，得到應力應變分布情況，對關鍵結構尺寸予以調整，減小應力應變，以達到結構優化的目的。

（3） 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準確的預測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內的流動情況，為設計適宜的進配氣結構提供技術參考。

（4） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥箱內氣流工況進行數值仿真，結果發現側壁四點均布進氣口設計方案有利于凍干箱內注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現無氧環境下的壓蓋封裝。其進氣方式優于底部單進氣口設計方式。所得結論為今后進一步的深入研究真空冷凍干燥技術的機理以及設計新型進配氣裝置具有重要指導意義。

（5） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行了數值仿真，為擱板換熱流路設計提供了依據，為動力循環系統、制冷系統和控制系統的整體性能設計工作提供參考。

（6） CFD技術可以克服傳統方法中系統當量模型的簡化及模型中原始物理參數無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結果，直接用來指導設計。設計中由單純經驗設計方法轉變為理論計算指導和經驗相結合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規律。使得設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優化設計及結構設計上。

（8） 盡管CFD技術本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學（CFD） 是一種以流體為研究對象的數值模擬技術，相對于實驗流體動力學而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優勢，在眾多領域內必然能發揮越來越多的作用。

參 考 文 獻

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篇4

關鍵詞：流體力學；教學理念；內容調整；教學方法；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0041-02

流體力學是研究流體平衡和運動規律的一門科學，是力學的一個重要分支，已廣泛應用到國民經濟的各部門。工程流體力學課程在哈工大是機械類、材料類、儀器儀表類、航空航天類、建筑工程類、熱能動力類、流體動力工程類等專業必修的技術基礎課程，既有基礎學科的性質，又具有鮮明的技術學科的特點，既與高等數學、大學物理、理論力學等課程有緊密的聯系，又是專業課的基礎，是一門理論性和工程實際意義都較強的課程[1]。哈工大流體力學教研室成立于1956年，歷來重視教學研究及教學質量，不斷積累教學經驗，改進教學思想，在基礎教學與實驗設施、師資隊伍建設、教學質量、教學研究與改革等方面都取得一系列成果，居于國內領先水平，并于2009年被評為國家精品課程，目前正在進行國家精品資源共享課程的升級。雖然取得了一系列的重要成績，但是仍然存在一些問題，需要進一步轉換觀念，從當前社會的實際需求出發，深入進行教學模式和教學內容等方面的研究和探索。

一、改革教學理念

課程建設的目的是提高教學質量，歸根到底是提高學生培養的質量，而學生質量的衡量標準則是其綜合素質及能力。工程流體力學課程的特點是抽象概念多，數學分量重，理論性較強，許多復雜的流動物理現象難以用言語和具體圖像清晰地表述[2]。工程流體力學課程中有很多較難的知識點，例如流體微元運動的Cauchy-Helmholts速度分解定理、粘性流體的運動微分方程、邊界層基本方程及近似計算等，這些知識點包含了大量的數學推導，往往要占用很多課時，同時這些理論知識的講解又是空洞和死板的，無法激發學生的學習熱情。即使是多數教師能夠本著負責的態度將這些知識難點講解清楚，也往往并不能使學生對這些難點留下深刻的印象。這種教學過程是事倍功半的，容易引起學生對這些知識做機械的符號記憶或者陷入對推導嚴密性的過度鉆研，無法建立起流體力學的全局思維方式，進而也不能提高學生的綜合分析應用能力。因此，教師在授課過程中要不斷引導學生梳理所講授的知識，使學生能夠運用流體力學知識進行綜合分析。要讓學生明白，流體力學的學習不是背定理、記公式，而是要通過學習這門課程，掌握一門新的科學知識，了解它的人文背景，學習它的思想和方法，掌握它的原理和應用。學生是課程學習的主體，在教學過程中需要注意教與學的同步，授課時關注學生的反映，根據學生的反應對授課進行調整，必要時放慢節奏或變換講解方法，也可以讓學生參與討論。學生有必要參與到深層的學科知識應用中，因此可以讓同學參加與學科相關的科學研究，引導同學應用流體計算模擬軟件，實現模擬實驗[3]。教師對學生的實踐引導可以消減同學對流體力學公式繁多的苦惱，而在實踐能力不斷提高的過程中，學生的創新意識和能力將得到很大的鍛煉。實踐證明，學生可以完成適當的工程流體力學課程內容的拓展研究，實現課程與科研工作的相互促進。在積極開展第一課堂的同時，還應該引導學生參加第二課堂活動，激發學生創造熱情，培養學生科學素質和創新精神，提高學生獲取知識、運用知識的能力和創新能力。例如科技創新和節能減排大賽這樣的大學生科技活動是開展素質教育的重要平臺，為學生提供了施展才能、張揚個性的舞臺，使學生得以將課本所學知識充分的運用，并從制作和創新過程中學到了比課本更多的知識，提高了其知識綜合運用能力、實踐動手能力。流體力學教師應該充分利用流體力學知識應用面廣、基礎性強的特點，引導并指導學生參與此類科技活動。另外，流體力學教師還應該經常舉行科技講座，豐富學生的專業和學科知識，培養學生的科研意識和科學精神。

二、課程內容調整

目前所使用的工程流體力學課程內容包括了流體靜力學、流體動力學、漩渦理論基礎、理想流體平面勢流、粘性流體動力學、相似理論基礎、流動的阻力與損失、管路的水力計算、粘性流體繞物體流動、氣體動力學基礎、機翼及葉柵理論、流體要素測量等內容。總的來說涵蓋了流體力學工程應用的多數情況，但是結構仍然需要進一步調整。首先，工程流體力學課程內容較多，多年未更新，有些知識也趨于老化，應適當地對內容進行增減。2006年專業調整后，能源與動力工程本科教學按一級學科制定教學內容，在這種體系下，工程流體力學課程應在主體結構保留的情況下，對于涉及到工程熱力學和空氣動力學的內容進行刪減，避免不同課程的內容重復，使課程之間的界線更加明晰。這樣的好處就是，學生利用有限的課時可以將流體力學主體結構體系學得更好。另外，由于工程流體力學更多的應該涉及流體力學的工程應用，所以關于漩渦理論、理想流體平面勢流及粘性流體繞物體流動章節內涉及的較多理論性知識且與工程應用關系不大的應該適當精簡，減少課時占用。其次，工程流體力學課程內容應適當增加與工程應用相關的內容。美國著名的流體力學教材《Mechanics of Fluids》（Prentice Hall International Editions出版）選取了貼近工程實際的管道流動、葉輪機械流動、環境流體力學等內容，作為經典流體力學主題內容的有機補充[4]。哈工大工程流體力學課程也應該針對學校定位及專業設置，在廣泛調研開課專業的需求基礎上，適當增加有普遍性、代表性的工程應用知識。最后，工程流體力學課程內容應更新與近期科技發展緊密聯系的內容。由于教材不可能年年更新，教師應該在教材內容基礎之上，適當增加與科技進展相關的內容，例如流動的虛擬實驗、流體參數的現代化測量、流體力學的發展現狀、流體力學的最新應用情況等，讓學生了解到流體力學的科技前沿，開拓學生視野，增強其學習流體力學的熱情和興趣。

三、改革教學方法

關于教學方法，哈工大流體力學教師較早地采用了不完全教學法、潛科學教學法、社會探究法、問題教學法、角度教學法等創新性教學法，將教學內容、教學媒體、教師活動、學生活動等課堂教學要素有機組織起來，發揮整體的最大效能。強調學生通過主動探求問題解決的途徑和方法，培養能力，以展素質；并將多媒體技術的運用與傳統教學手段、教學形式的改革統一起來，突出重點，突破難點，從而充分調動和激發學生的學習興趣和積極性。目前多媒體教學在高等教育中的應用越來越廣，在如何正確使用多媒體教學的問題上目前還有一些爭議和討論。工程流體力學課程知識點多，公式推導多，難度大，對于具體的知識點利用板書詳細推演在課堂教學中占用了大量的課時，同時也會影響到學生對流體力學整體思維的把握。由于工程流體力學課程的特點，很多流動現象概念比較抽象，難以用板書表達清楚，很顯然傳統教學方式達不到理想的教學效果。利用多種媒體手段可以更好地創設教學意境，變抽象為具體，變靜態為動態，變黑白為彩色，變無聲為有聲，通過豐富的圖例、連貫的動畫以及真實的實驗錄像，可以使枯燥、乏味的內容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內容變得直觀生動，同時也豐富了學生的信息量，可以更好地激發學習興趣[5]。另外，流體力學的特點是數學分量重、理論性強，所以又不能過多依賴多媒體教學。對于涉及到重要理論公式推導的內容，簡單地將推導過程搬到課件上去，并不能使學生了解重要理論公式的來龍去脈，也難以加深學生對這些關鍵知識點的理解程度。這個時候需要收起屏幕，用板書認真書寫每個符號，推導每個關鍵公式，并解釋其中的物理概念和意義。多媒體和板書都有各自的優缺點，因此我們可以取其長而避其短，采用兩者兼顧而又兩者不棄的原則，交互使用，相輔相成。

四、更新考評制度

哈工大工程流體力學課程作為技術基礎課，目前采取了綜合性的考評方法，總成績由作業、實驗、考試三部分組成，學生共計要完成60題左右的作業，由教師進行判分并作為總成績的10%；共計要完成11項左右的實驗，根據學生對每個實驗原理和操作技能的掌握及實驗報告的質量情況分為優、良、及格、不及格來評定成績，若有兩次不及格或者缺席者必須重做否則不得參加期末考試。實驗課成績占課程總成績的10%。期末考試為閉卷，占總成績的80%。流體力學考試的組卷與課堂教學內容息息相關，課堂教學如果注重內容的應用性、靈活性和綜合性，則在組卷時應適當減少客觀題，豐富試題類型，加大理解性和綜合性題目的分量，避免記憶性成分所占比重較大，而學生臨近考試加班加點應付考試的現象。另外，根據課堂教學和課外科研實踐的特點，對于偏重于工程應用的專題，可以探索利用撰寫科技論文、提交科研作品的方法進行考試，與傳統考試成績綜合來建立起更合理、更具實踐意義的考評制度。

工程流體力學課程是面向工程應用人才的課程，所以教學核心始終應該是學生知識應用能力的培養。為此，在教學中貫穿流體力學思維模式和綜合分析解決問題能力的鍛煉，使學生學有所成、學有所用，是工程流體力學課程改革的一個長期方向。

參考文獻：

[1]陳卓如，金朝銘，等.工程流體力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]趙超.“流體力學”課程教學方法探索.中國冶金教育[J].2010，（5）：63-64.

[3]李巖，孫石.《工程流體力學》課程教學改革與實踐.科教文匯[J].2008，（11）：88-89.

[4]C.P.Merle，C.W.David.Mechanics of Fluids（second edition）[M].NJ（U.S.A.）：Prentice Hall International Editions，1997.

篇5

引言

CFD即計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門通過數值計算方法求解流體控制方程組進而預測流體的流動、傳熱和化學反應等相關物理現象的學科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。進行CFD分析的基本思路如下：將原本在時間與空間上連續的物理場如速度場或壓力場等，離散成有限的變量集合，并根據流體力學的基本假定，建立起控制方程，通過求解這些流體力學的控制方程，獲得這些變量的近似值。

我國作為一個人口眾多的發展中國家，巨大的能源消耗已成為亟待解決的問題。其中建筑耗能占到總耗能的19.8%，而室內空調的耗能占到了整個建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空氣調節和建筑物內外空氣流通等研究領域，采用CFD分析來替代傳統的試驗方法，可大大縮短研究時間并提高經濟效率。而本文將著重就CFD在暖通工程節能中的應用來展開討論。

CFD基本原理

CFD是通過計算機模擬和數值計算方法對流場進行仿真模擬，解決物理問題的精確數值算法。它是流體力學、數值計算方法以及計算機圖形學三者相互結合的產物。CFD是繼實驗流體力學和理論流體力學之后出現的第三種流體力學的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究領域都扮演著重要角色。尤其是在暖通空調和室內外通風等研究方法，CFD成為了最為行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的應用

CFD在暖通空調中的主要應用領域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調工程的問題：

1.提高室內空調效率

采用CFD分析方法可以預測氣流在房間中的流動情況，在充分考慮室內環境、各類邊界條件與擾動的影響后，可全面地反映室內的氣流分布情況，通過進一步的優化設計可以得道一個合理的氣流分布方法，使空調的使用效率最優。

2.建筑周邊環境分析

建筑周邊環境對居民日常生活起著舉足輕重的作用。對居民小區的風環境和熱環境進行預測，是CFD分析的又一重要應用領域。采用CFD方法，在建筑設計階段即可對建筑周邊環境進行分析和優化，對規劃設計的效果進行驗證，使建筑通風和自然采光達到最佳效果，是小區居民生活品質的重要保障。

3.室內環境狀況分析

采用試驗方法分析室內環境狀況，需要耗費大量的時間與經費，而采用CFD方法進行分析不僅可以節省時間，同時也能精確預測利房間內的風速、溫濕度、污染物分布等指標，計算出通風效率、毒害物擴散效率和熱舒適等，進而對室內環境狀態做出一個合理的評估。

4.暖通設備性能評估

暖通空調工程使用的大部分設備，如風機、水槽、空調等，其運行狀態都受流質運動的影響，空氣或水的流動情況是評價設備性能的重要指標。通過CFD分析設備工作時的流場分布情況和流質流動情況，可有效地預測設備的工作狀態。進而選擇設備最佳工作狀態，降低設備能耗，節省運行費用。

暖通空調領域中CFD的求解過程

暖通空調領域用CFD進行模擬仿真，其主要環節無外乎包括以下幾個方面：建立數學物理模型、進行氣流數值求解、將數值解結果可視化等。

1.建立數學物理模型

建立數學模型是對所研究的流動問題進行數學描述，為數值求解做準備工作。基本數學模型有：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ為流體密度（kg/m3），t為時間（s），u為速度矢量（m/s），ui為速度在i方向上的分量（m/s），p為壓強（Pa）Fi―――體積力（N），T為溫度（K），cp為定壓比熱，ST為粘性耗散項。

2.求解過程

（1）確定邊界條件與初始條件

初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態問題必須給定初始條件，對于穩態問題不需要初始條件。

（2）劃分計算網格。

網格分結構網格和非結構網格。簡單說，結構網格在空間上比較規范，如對一個四邊形區域，結構網格多是成行成列分布的，而非結構網格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。

（3）建立離散方程并求解。離散方程常用的方法有：有限容積法、有限差分法和有限元法等。選擇合適的方法，對求解區域進行離散。

CFD在暖通空調節能應用情況

隨著我國經濟迅速發展和人民生活水平大幅提升，城市生活對化石能源的需求量越來越大。但今年來一系列能源危機提醒我們應當注重能源安全問題。在建筑工程領域，采用 CFD分析模擬，可有效減少建筑能耗，并能提高暖通設備的運行工作效率，我國暖通工作者已認識到CFD計算在研究和設計中的重要地位。

1.我國CFD在暖通空調節能應用現狀

目前，我們已開始采用CFD對暖通空調節能的相關因素進行整體的系統模擬分析。通過在CFD模擬中改變設備參數，就有可能優化設備組合，改進系統性能。國外已把CFD用于室內空氣流動與建筑能耗禍合模擬，我國清華大學也用CFD對空間氣流組織設計與空調負荷的關系進行研究，這對建筑節能有重大意義。目前，我國在采用CFD解決建筑節能方面的研究還不是很深人，因而應進一步加強研究和推廣的力度。

2.我國CFD應用存在的問題

我國研究機構很早就開始CFD模擬技術的應用研究，研究的范圍從以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動規律的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區繞流乃至大氣擴散問題，并已形成一些可以解決實際問題的軟件。所以，從總體上看，我國暖通行業中開展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表現在以下幾個方面：

（1）還要建立在考慮輻射條件下計算室內空氣的溫度分布、壁面和空氣的換熱、壁面的溫度分布的多種模型。

（2）將已有的CFD模擬技術方法進行簡化，能夠在微機上較準確地計算包括高大空間氣流組織在內的各種通風空調熱環境問題。

（3）考慮實際空調管道連接帶來的風口出流特性變化，從而使室內空氣流動模擬更加準確等。

（4）CFD技術在CAE工程中已表現出巨大的優勢，如果將與CAD及CAM乃至AI技術有效地結合在一起，將顯示其強大的生命力。

結語

篇6

關鍵詞: 城市軌道交通; 環控系統;計算流體動力學

城市軌道交通中的地下車站和區間隧道是一個大型、狹長、與外界聯系面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機電設備的運行，以及連續的照明都會產生很大的熱量，不及時排除就會導致地鐵內溫度逐年上升。此外，地鐵內各種設備及列車運行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應對車站空氣環境的擾動，以及隧道內因潮濕造成的霉爛氣味等都會使地下環境不斷惡化。同時，當人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內發生事故、火災時，人員的安全疏散和煙氣的排除也是非常重要的問題。鑒于以上各種因素，必須設置環控通風系統，對車站和區間隧道內的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災情況下人員安全疏散措施等進行全面控制。其中，有效、可靠的環控通風系統對保證地鐵乘客的安全、舒適和確保設備運行及壽命是十分必要的。

地鐵系統是一個由車站、隧道、出入口等構成的復雜的三維網絡。地鐵系統的環控模擬，主要是研究地鐵內的不穩定空氣動力學和熱力學方面的問題，即地鐵車站正常工況下的三維溫度場、氣流場分布、污染物濃度分布、平均空氣年齡、人體舒適性的模擬研究以及地鐵車站和隧道事故、火災工況下的三維溫度場、氣流場分布、煙氣流動狀況等的模擬研究。目前國際上廣泛認可使用、相對成熟、用于地鐵環控模擬計算的軟件是Subway EnvironmentSimulation，簡稱SES。該程序是由美國交通部于1975年開發的世界上第一個地鐵環控計算機模擬軟件。1976年，SES修改后被應用到公路隧道通風分析中；1985年，又增加了火災的動態模擬。現在，SES已經從DOS版本升級為WINDOWS版并形成目前的第4版。該軟件作為設計計算工具，可以模擬地鐵內多列列車運行時車站、隧道和通風井的溫度、濕度、風速以及車站的空調負荷。它允許用戶模擬一定數量列車的動力與剎車系統；不同的環境控制系統（包括強制通風、車站空調與車軌排風）；設定的地下隧道與車站和通道連接所形成的空間內的空氣流動；所希望的列車運行次序(包括由不同運行特性和發車間隔的列車的混合編組)；各種穩定與不穩定狀態的熱源；列車停在區間的緊急狀況時機械通風與熱浮力共同作用下所形成的空氣運動；特別是能夠模擬系統投入運行多年后熱庫對隧道的影響。對一個有大量列車運行的地鐵，SES計算機模型提供動態的模擬過程，它允許對通過任何車站、區間、通風井和風機的空氣速度、溫度、濕度的連續讀值，或在設定的時間獲得空氣參數的最大值、最小值、平均值。

SES軟件主要由4個既獨立又互相關聯的子程序組成：列車運行子程序(Train Operation)，空氣動力子程序(Aerodyanmic)，溫度／濕度子程序(Thermodyanmic)，熱壑／環控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運行子程序可以計算列車的速度、加速度、位置及系統中所有列車的發熱；空氣動力子程序依靠這些列車參數再加上系統的幾何組成與通風狀況數據，計算所有車站、區間、通風井中的空氣流量和氣流速度；溫度／濕度子程序利用空氣動力學子程序得出的空氣參數與列車運行子程序計算出的列車發熱數據來計算系統中的顯熱與潛熱，從而得到各處位置的溫度和濕度。最后，列車運動子程序按氣流速度推算列車附近活塞風作用。這些子程序計算出的地鐵通風與熱負荷數據同室外每日與年度氣象條件參數一起，被熱壑／環控子程序用來計算地鐵內空氣與隧道結構、周圍土壤之間長期的熱傳導作用，同時也可以得到為使某些區間溫度達到設計條件而所需的冷量。通過SES軟件可以驗證設計者所設定的地鐵環控通風系統構成方案及系統運行模式的合理性，以便完成地鐵環控通風系統的設計。需要注意的是該軟件本身也存在著一定的局限性，例如SES的模擬原理是伯努利方程，這就決定了它無法反映車站及隧道內場分布的詳細情況，只能將地鐵系統簡化為一維模型進行處理，只能計算某一點的氣流速度大小，而具體的變化情況諸如方向和具體流動情況則無法反映，所以SES軟件的最終輸出結果是一維的，它只能從數據上計算特定斷面的一些參數。而地鐵系統中的車站及隧道部分顯然是三維模型，因此，如果想了解地鐵車站及隧道中空氣的溫度、速度等具體詳細的分布情況就必須考慮借助使用其它的研究方法和手段來實現。

CFD(Computational FluidDynamics，即計算流體動力學)是現代模擬仿真技術的一種，是近年發展較快的一種計算機輔助設計技術。其作用是對各種工況下氣流組織的溫度、速度場等的模擬仿真。暖通空調制冷行業是CFD技術應用的重要領域之一，我國暖通空調制冷行業已有不少專家對CFD的應用研究開展了大量的工作，并取得了許多重要成果。自20世紀70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究機構開始CFD技術的應用研究，20年來已取得許多重要的成就，研究的范圍從以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動規律的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區繞流乃至大氣擴散問題。近些年來，隨著CFD計算技術的突飛猛進的發展，許多工程領域都有了成功利用它作為模擬評價、優化設計手段的實例。在隧道、地下鐵道的通風工程中，CFD應用也成績斐然。國內部分高等院校也開始利用CFD技術對地鐵區間隧道及車站內各種工況下的空氣流動和分布情況進行模擬研究。對于地鐵環控通風系統設計，會有多種可選方案，所以計算機模擬的功能之一就是對多種方案的比選優化；對于正在籌建的地鐵系統，其運營后的氣流場與溫度場無法進行現場測試，所以計算機模擬能夠有效而可靠地對未建成的地鐵系統進行預測；對已經建成的地鐵系統，由于客流量較大，為了保證正常運營，有時在列車附近無法進行現場測試，但可以通過計算機模擬來進行計算分析。同時可以對一些過去沒有經過理論計算的感性認識進行驗證，例如隧道風的變化情況、排煙量對火災溫度場的影響等，過去只是通過一些想象進行推斷，但是對具體變化情況及具體數據缺乏理論計算及科學論證，利用CFD方法，以上問題均可以得到解決和落實。采用CFD方法可以對地鐵車站及隧道的溫度場、氣流場、污染物的濃度分布及排放、人體舒適性以及火災情況下的通風模式、煙氣流動狀況及此情況下的溫度場和氣流場進行三維可視化仿真模擬。CFD的功能十分強大，它經過一次完整的計算后，就可以得到任意一個斷面的任意方向上的溫度、濕度、壓力、平均空氣年齡以及PPD（預期不滿意百分率）與PMV（預期平均評價）等隨時間的連續變化值。并且模擬得出的計算數據經處理后的可視化結果是十分直觀形象的，因此，它所模擬出的結果較SES軟件更加直觀，得到的結果也更加具體，能夠為地鐵環控系統設計提供充分的依據。

篇7

論文摘要：根據環境工程專業特點，分析了該專業技術基礎課“工程流體力學”和主干專業課“水污染控制工程”在教學中存在的問題，文章從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出了“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學改革思路。

論文關鍵詞：環境工程專業；工程流體力學；水污染控制工程；教學改革

“工程流體力學”是研究流體（液體、氣體）處于平衡狀態和流動狀態時的力學規律、流體與固體之間的相互作用及其在工程技術中應用的一門科學，是力學的一個獨立分支，有其自身的理論體系，其基礎理論主要由三部分組成：流體靜力學、流體運動學和流體動力學。“水污染控制工程”是關于控制水體污染途徑以及各種廢水處理方法（包括物理處理方法、化學處理方法、生物處理方法等）的基本理論、工作原理及設計計算的一門科學。“工程流體力學”是環境工程專業的重要技術基礎課，“水污染控制工程”是環境工程專業的核心專業課，這兩門課程在環境工程專業本科教學中有著舉足輕重的作用，同時兩者之間也存在著重要的相互理論關系。

“工程流體力學”是水利、環境、能源、土木、機械、動力等學科的一門技術基礎課程，該課程的教學內容紛繁豐富，其特點是理論性和綜合性比較強，概念抽象，難于理解。“水污染控制工程”課程內容與“工程流體力學”內容結合相對比較緊密，如城市排水溝道系統、各種污水處理構筑物等的設計計算，以及在構筑物中的生化反應、化學絮凝反應中水力條件的控制等均是工程流體力學理論知識在水污染控制工程中的實際應用。目前，在環境工程專業教學方面，“工程流體力學”和“水污染控制工程”課程正面臨著比較尷尬的局面：一方面課程內容趨于復雜和廣泛；另一方面在課時量逐漸壓縮的情況下，“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學內容沒有起到應有的相互銜接，教學內容彼此脫離。由此形成環境工程專業“工程流體力學”教學內容與專業課銜接不夠，在教學過程中學生感到內容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教學過程中，學生感到工程流體力學基礎理論知識不扎實，不能夠熟練應用工程流體力學基礎理論解決水污染控制工程方面的實際問題。

針對目前環境工程專業課程設置及教學內容的狀況，本文從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學改革，提高教學質量，培養學生綜合能力。

一、改革教學內容

對“工程流體力學”教學內容進行改革，結合環境工程專業特點，重構環境工程專業的“工程流體力學”課程，對該課程中的主要內容進行優化設計，緊密結合后續專業課“水污染控制工程”的內容進行改編，為“水污染控制工程”的講授奠定基礎理論知識。“工程流體力學”教學內容主要包括理論教學和實踐性教學兩部分，其中在理論教學內容部分，如“工程流體力學”中涉及到的流體粘滯性、流體內摩擦定律等內容，結合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流態所需要的雷諾數內容為實例進行教學內容改革；“流體靜力學”中絕對壓強、相對壓強、真空度等概念、理論在水污染控制工程中虹吸濾池、脈沖澄清池以及沉淀池、污泥濃縮池重力式排泥所需要的靜水頭壓力等實際工程中的應用為實例進行教學內容改革；流體運動學中基本理論對“水污染控制工程”中的數學模式的建立為實例進行教學內容改革；“流體動力學”中壓力損失理論在水污染控制工程中的水力計算，水射器理論在水污染控制工程中的計量作用、加藥作用、射流曝氣作用為實例進行教學內容改革等。其次，“工程流體力學”實踐性教學內容部分，改革傳統的實驗教學內容，除驗證性實驗之外，增加工程應用性實驗，如文丘里流量計、三角堰流量計、巴氏計量槽、畢托管測速儀、虹吸管、孔口與管嘴的工程應用等內容，既加強了動手操作能力，也培養了學生將基礎理論知識轉化為現實生產力的綜合分析與應用能力，不僅使教學內容豐富，也提高了學生學習的熱情和積極性。

對“水污染控制工程”教學內容進行改革包括理論教學內容改革和實踐性教學內容改革，強調“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的應用。在理論教學內容方面，“水污染控制工程”中的污水溝道系統水力計算、水處理構筑物中水力參數的確定、污水在構筑物中的最佳流態、各水處理構筑物之間高程布置、混合反應池中攪拌強度的確定、過濾池中配水系統的設計及其濾速確定等一系列涉及工程流體力學問題的相關內容進行必要教學改革，加強學生對“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的工程應用有一個更清晰的認識，理解“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的重要性，使學生既掌握了“水污染控制工程”應用設計方法、設計原則、計算方法等知識，也加強了學生對“工程流體力學”基礎知識在水污染控制實際工程的應用。在實踐性教學內容方面，加強工程性應用實驗教學內容，從不同的工業企業和居民生活區采集不同的廢水水樣，根據化驗所得廢水水質，確定所采用的處理技術和處理工藝，并通過實驗驗證在各種廢水處理工藝中所選擇的工程流體力學水力參數，基于“工程流體力學”基礎理論知識分析廢水處理工藝水力參數的合理性。

二、改革教學模式

“工程流體力學”特點是理論性、綜合性、系統性較強，概念抽象、邏輯結構嚴謹。目前傳統的教學模式基本上是教師講、學生聽，“授—受”型單一模式，盡管在學的過程中采用了多種形式的多媒體教學方式，但仍沒有改變學生在學習過程中的被動地位，學生缺乏主動性和實踐性。改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的創新教學模式，結合水污染控制工程中的實際問題，以工程實例為背景，應用工程流體力學基礎知識解決實際工程問題，誘導學生積極思考，在教學過程中形成教學互動，調動學生學習的主動性和參與性。根據教學內容性質，“工程流體力學”教學內容可以分為基礎理論和實際工程應用兩個部分。在流體靜力學、流體運動學和流體動力學三個基礎理論部分，采用形象化的多媒體演示、軟件模擬、小型實驗相結合探究式、啟發式教學模式，鼓勵學生課堂討論；在實際工程應用教學部分，如孔口管嘴、有壓管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程實例為背景，采用適量的實際工程圖片，豐富教學信息量，刺激學生的感官，激發學生的學習興趣，拓寬學生的思路，開闊學生的視野，可以使枯燥、乏味的內容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內容變得直觀生動。

“水污染控制工程”特點是實踐性、工程應用性強，因為不同的廢水水質達到處理要求所采用的處理技術、處理工藝不同；即便相同的廢水水質，如果污水量不同，所采用的處理工藝也不同；一個廢水處理工程，即廢水水質、水量數據相同，也可以采用不同的處理技術和處理工藝，工程流體力學參數的選擇是確定不同廢水處理技術、工藝的主要影響因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教學過程中，改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的實踐教學模式，以工程實例為背景，通過開放性的實踐性實驗正確選擇工程流體力學參數，并通過實驗研究對參數的選擇、廢水處理效果等進行科學驗證。通過工程實例和實踐性教學改革，使學生既對廢水處理工程設計過程有一個清晰的思路，又能達到舉一反三的效果。

三、優化師資配置

師資隊伍優化，一靠資源，二靠制度，師資隊伍優化也是一個相對的漸進過程，優化的標準和措施與所處時代、社會背景及其自身所處發展階段和學科特色有關。環境工程專業特點要求師資隊伍結構合理、質量可靠。“工程流體力學”與“水污染控制工程”是本專業的主要技術基礎課和主干專業課，兩門課程在講授過程中存在著千絲萬縷的必然聯系，這就對師資配置和師資隊伍建設提出了更高的要求。首先，建立高質量的師資隊伍，定期或不定期對教師進行專業培訓和實踐工程訓練，要求講授“工程流體力學”和“水污染控制工程”兩門課程的教師對兩個學科均有一定的研究，或者承擔一定量研究科研工作，洞悉當前“工程流體力學”和“水污染控制工程”發展的最新前沿理論和技術；其次，在師資配置方面，要求講授“工程流體力學”的教師對“水污染控制工程”有一定的研究或承擔相關科研項目，講授“水污染控制工程”的教師對“工程流體力學”有扎實的理論研究或承擔相關的科研項目；第三，建立教師研討會制度，講授“工程流體力學”的和講授“水污染控制工程”的教師定期或不定期舉行教學研討會，避免兩門課程的講授內容出現彼此分裂現象。如果在師資配置中，講授“工程流體力學”的教師畢業于力學專業，即使講授“工程流體力學”的教師對力學有很高的造詣，對該門課程的講授有聲有色，但如果該教師對環境工程專業“水污染控制工程”專業理論知識或實踐工程知之甚少，那么在教學過程中，必然不能夠將“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學內容相結合，對環境工程專業學生來說，這樣的師資配置，必定不是最優化的師資配置。

四、改革考核方式

篇8

Abstract: Traffic problem is one of rigorous problems which society faces at present. It is of great practical and theoretic significance to the research of traffic-flow problem. In this paper, a new microcirculation linear car-following model for urban traffic flow is established by combining micro models and macro models of traffic flow, based on the ideas of the car-following models and fluid dynamical models. An example on traffic-flow microcirculation is designed for the application of the new model. The new model is verified and applied by numerical simulation for the example. The results show that the new model can simulate some important fundamental properties of the practical traffic-flow microcirculation better.

關鍵詞： 交通流模型；隨機擾動；交通流微循環；數值模擬

Key words: traffic flow models；random disturbance；traffic-flow microcirculation；numerical simulation

中圖分類號：O29 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2010）34-0197-02

0引言

當今社會，不論是發達國家還是發展中國家，不管是國際大都市還是中小城市，都面臨著一個共同的交通問題，所以對交通流問題的研究具有重要的現實意義。目前關于交通流模型的研究主要有車輛跟馳模型，基于流體比擬的流體力學模型和元胞自動機模型三種[1-4]，這些模型都從不同的方面反映了現實交通流的一些規律和特征，但是由于上述這些模型主要是根據國外交通流的特點建立的，所以在應用中往往不能很好地反映我國實際交通流的情況。同國外交通情況相比，我國的交通情況有諸多不同，主要表現為以下的一些特點：機動車與非機動車混合運行，城市車道過窄，行人與自行車流量較大等。所以呈現出車速普遍偏低，容易出現交通擁堵，事故頻繁的現狀。事實上，城市道路交通系統是由人、車、路及含有許多隨機因素的交通環境構成的開放的動態的巨系統，道路上的交通流具有不確定性、隨機性的特征，交通流中的不確定現象是由隨機因素造成的，“任何”確定型的模型都不能完全解釋這一現象[5]。實際交通流中的隨機擾動因素很多。例如,行人橫穿公路對交通流的干擾；公交車停靠站臺或從站臺啟動對交通流的干擾；運行過程中某一車輛的突然加速或減速對交通流的干擾；交通事故與道路施工對交通流的干擾；紅綠燈的交替變化對交通流的干擾等。因此要想在交通流建模過程中能更好地再現實際交通流，更為準確地捕獲交通流的實際現象，考慮含有隨機時空擾動因子的建模方法是必要的。在Weits模型中，引入了交通流隨機擾動因素，并對交通密度的變化進行了隨機分析[5]。在文獻[4]中，作者指出把微觀和宏觀相結合的方法建立交通流模型可以更好地推進交通流理論的發展，文章主要分析車輛跟馳模型和流體動力學模型的特點，建立新的模型并應用于交通流微循環動力學行為的研究中。

1模型的建立

在交通流模型中主要考察三個最基本的參數，即交通流量q、車流密度ρ、車流速度v。它們都是時空變量，并且同時受到多種隨機擾動因素的影響。交通流中的不穩定現象正是由這些隨機擾動因素造成的，為確保車輛安全行駛的前提下，在考慮城市交通流微循環線性跟馳模型的建立時著重分析了隨機擾動因素對交通流的影響，建立含隨機擾動因素的城市交通流微循環線性跟馳模型。

在文獻[6]中，已經建立了如下的線性跟馳模型

v（x，t）=（1+δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（1）

在該模型中，若考慮隨機擾動因素對跟車速度的影響，引入微循環隨機控制變量R，用該變量來調節在車輛進入微循環車道跟馳行駛和從微循環車道分流過程中對跟車速度的控制。當頭車進入微循環支道時，啟動微循環隨機控制變量R，決定是跟隨頭車進入微循環支道行駛還是與頭車分流行駛；當頭車從微循環支道進入主（次）干道十字路口紅綠燈時，啟動微循環隨機控制變量R，決定是跟隨頭車直行通過紅綠燈路口還是與頭車分流并入主（次）干道行駛；當與頭車在微循環車道跟馳行駛時，啟動微循環隨機控制變量R，將車速控制在微循環支道所允許的安全行車速度范圍內。于是，由模型（1）得到如下的微循環線性跟馳模型

v（x，t）=（1+δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R，x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（2）

模型（2）就是所建立的含隨機擾動因素的城市交通流線性模型。

2模型分析

城市交通流系統中存在著主干道與次干道，次干道與次干道，次干道與微循環支道，微循環支道與微循環支道等彼此之間的分流和并道等復雜的車輛跟馳行為。應用微循環可以解決以下兩方面重要的交通問題：

2.1 應用微循環解決主干道上的“左轉”問題。如（圖1）所示的辦法，通過三次微循環支道“右轉”來解決車輛主干道上的“左轉”問題．在該“左轉”過程包括兩次通過主干道紅綠燈交叉路口，一次主干道分流，一次次干道并流與分流以及兩段微循環支道跟馳行駛。

2.2 應用微循環解決主干道上的“分流”問題。如（圖2）所示，該“分流”的交通行為包括一次主干道分流，一次微循環支道與次干道紅綠燈十字路口，一次三段微循環支道跟馳行駛并入次干道。

下面來分析影響微循環隨機控制變量R的相關因素。首先，經過主、次干道上紅綠燈十字路口時，微循環隨機控制變量R的選擇與綠燈放行的時間τ密切相關。其次，當頭車經過主、次干道分流或并流時，不論跟車與頭車是同向行駛還是分流行駛，跟車的微循環隨機控制變量R都與該車道車流密度ρ的變化密切相關，若分流行駛，那么主、次干道車流密度ρ減小，跟車微循環隨機控制變量R隨之正向變化；若并流行駛，那么主、干道車流密度ρ增大，跟車微循環隨機控制變量R隨之反向變化。再次，若車輛在微循環支道上跟馳行駛，則主要考慮頭車速度的變化對跟車的擾動，此時跟車的微循環隨機控制變量R完全退化。

綜合上述的分析，可以將跟車的微循環隨機控制變量R表示為R=R（τ，ρ）。于是，模型（2）就表示為

v（x，t）=（1+δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）＞Δc（1-δ（R（τ，ρ），x，t））v（x+Δx，t），Δx（x，t）Δc（3）

的形式。

3模型在交通流微循環中的應用

【實例模擬】“跟車行駛”的交通流微循環動力學行為模擬。

城市交通流微循環中，不論是主干道上的“左轉”還是“分流”問題，都離不開主、次干道以及微循環支道上的“跟車行駛”行為。而“跟車行駛”所考慮的相關因素主要涉及到路段的車流密度ρ，路段的限速要求vf，某一時刻通過該路段頭車的初始速度v0（x，t）以及該路段上的隨機時空擾動因素等。應用模型（3），可以模擬車輛在主、次、支道上城市交通流微循環的“跟車行駛”動力學行為，模擬結果如（圖3）所示（程序genchexing1.m）：

該結果表明，路段上各輛車的速度變化規律，即隨著時間的變化，路段上各車輛的速度跟隨頭車速度隨機波動。在該交通行為中，若對車速不加限制或車速控制不當，很容易發現交通流中“激波”的產生，從而有發生交通事故的危險．所以，應用城市交通微循環支道來解決主干道上的“左轉”和“分流”問題，可以有效地降低主干道上的車流密度，減小主干道上的交通壓力，提高主干道上的行車速度，從而避免或減少交通流中“激波”的產生，有效地控制城市交通“擁堵”的問題。

參考文獻：

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篇9

關鍵詞：CFD技術；教學改革；創新實踐；能力培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0064-02

一、現狀及存在的問題

隨著制造技術的進步和發展，人們對產品的性能提出了更高的要求。一方面，要求產品品質高、價格低，且具有創新性；另一方面要求產品設計開發及生產周期短，以節約人力、物力和財力。國內外研究表明：CFD技術是解決這一要求的最好途徑。實際上，CFD技術是解決工程中復雜流動和傳熱問題的一種有效手段，同時也是一門新型的獨立學科。讓廣大設計人員學習掌握CFD技術，是提高其設計水平的具體途徑。目前，國內有多所高校為本科生開設CFD技術課程，集中講授20世紀直至本世紀CFD技術方面的最新成就，具有理論性和實踐性的雙重特點。我們在近五年的教學過程中深深體會到：學生要學習掌握CFD技術，一方面要學好CFD技術的基本原理，另一方面還要進行大量的自主實踐。更重要的是，要在自主實踐過程中培養大學生的創新能力。而在目前的教學中，大多強化基本原理的講授，缺少對實際問題的分析和處理，從而造成大學生解決生產實際問題能力的欠缺。針對這種現象，我們認為構建CFD技術平臺，提高大學生的實踐與創新能力具有重要的現實意義。

二、構建CFD技術平臺

基于CFD技術課程教學中發現的問題，我們提出構建CFD技術平臺。具體內容包括：組建教學團隊，組織教師編寫教材、建設軟件平臺以及引導學生參與科研實踐等四個方面。對于組建教學團隊，這是構建CFD技術平臺最為重要的一件事情。通過各學科方向教師自愿報名，教研室推薦，學院公開選拔的方式，組建一支高水平、高素質的教學團隊。這樣就可以確保承當CFD技術課程的教學工作的各位教師是學院各個學科專業方向的優秀教師。因為大家知道，只有高水平高素質的教師，才能更好地引導和培養學生的實踐與創新能力。對于教材的編寫，現有的關于計算流體動力學方面的教材有很多種，但大多以介紹基本原理和計算理論為主，缺乏相關軟件的應用及實例的介紹，不能滿足學生自主學習的需要，不利于培養學生的實踐與創新能力。對此，教學團隊需要重新制定CFD技術課程大綱，廣泛收集國內外CFD技術的最新科技成果，編寫反映科研與教學相結合的特色，重點、難點突出，并具有自身特色的教材。對于軟件平臺的建設，教學團隊應根據能源動力類各專業方向所使用的CFD軟件情況，從眾多商用CFD軟件中挑選出適合能源動力類本科生學習和使用的軟件，同時建設一個可容納30人以上的計算機機房，并通過局域網絡連接建立一個交互式的軟件平臺，供廣大學生進行自主學習和自主實踐。軟件平臺由學生實行自主維護、自主管理，教學團隊只需安排任課教師不定期通過軟件平臺引導和指導學生實踐創新。對于科研實踐，教學團隊需要安排任課教師組織優秀學生參與到科研實踐中來，讓學生通過科研實踐的鍛煉，提高自身的實踐與創新能力。讓學生參與基礎研究，可以從深度方面提高學生對所學知識的理解能力，為培養學生的原始創新能力作鋪墊、打基礎；讓學生參與應用研究，則可以從廣度方面提高學生對所學知識的應用能力，為今后在實踐中進行技術創新奠定基礎。

三、利用CFD技術平臺培養大學生的實踐與創新能力

目前，教學團隊已經成立，分別由來自五個學科方向的、具有一定教學經驗的優秀教師組成，他們集中代表能源動力各學科的發展動向。教學團隊定期召開教學會議，對構建CFD技術平臺和培養學生實踐與創新能力過程中出現的各方面問題進行研討，大家共同協商，尋找解決方案。與此同時，教學團隊已經編寫了一本適用于能源動力類本科生的教材《計算流體動力學及其應用》，該教材最大的特點是理論與實踐并重。該教材不但講述CFD技術的基本理論，而且還提供了大量的CFD技術應用實例，幫助學生進行自主實踐。該教材已于2011年1月由華中科技大學出版社正式出版發行。在編寫教材的同時，教學團隊還利用學院現有的計算機機房（擁有50臺電腦），建立了一個CFD技術軟件平臺，該平臺擁有多種CFD軟件，如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，現已成為廣大學生自主學習和自主實踐CFD技術的優良場所。教學團隊根據學生的需求，安排任課教師不定期地通過軟件平臺為學生解惑答疑，引導學生實踐創新。與此同時，教學團隊還組織優秀學生參與到科研實踐中來，培養學生的實踐與創新能力。比如，引導學生將CFD技術應用到大學生科技創新項目中，優化設計葉片翼型，模擬計算小型垂直軸風力機的氣動性能，使得風力機輸出功率和效率大為提升。同時，該項目榮獲2010年第三屆全國大學生節能減排科技創新作品一等獎。再比如，學生在教師指導下進行自主創新，應用CFD軟件對水力渦輪結構進行優化，使原來的水輪機組效率提高1%，每年增加的直接經濟效益達數百萬元之多。還有，學生在教師的引導下研究格子Boltzmann算法，將之與IP算法、DSMC算法對比，分析不同算法之間的優劣，對格子Boltzmann算法進行改進。具體成果體現在，學生以第一作者在能源動力學科領域國際頂級期刊上發表學術論文2篇。

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。大學生不僅需要扎實掌握專業知識，更要具有較強的創新意識和創新能力。目前，高等學校在大學生創新能力培養方面還有待加強，為此，本文提出了通過構建CFD技術平臺培養學生實踐與創新能力，并給出了實施過程中的一些具體措施和經驗。

參考文獻：

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篇10

關鍵詞CDIO；流體力學；能力培養；教學改革

1引言

“流體力學”作為理工科的一門專業基礎課和必修課，它的重要性是眾所周知的，作為力學分支，其在安全工程專業有著廣泛的應用，與泄漏、火災、爆炸、通風等有著密切的關系，是后續工業通風、消防工程等專業課程學習的重要基礎。近年來流體力學學科發生深刻變化，對流體運動認識加深，測量手段更為先進，對流體運動分析和處理的能力空前強大，與工程應用結合更加緊密。然而“流體力學”這門課程概念抽象、數學公式多，在以往課程教學過程中更多重視理論知識的傳授，人才培養過程中存在著過分偏重理論知識學習，缺乏對學生工程能力的培養等不足之處。因此，本文借鑒國際流行的CDIO工程教育理念，擬對安全工程專業“流體力學”課程進行教學改革，使理論知識服務于后續的安全知識學習及工作實際，將知識教育和能力培養有機地結合起來，增強學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，使學生專業理論知識的學習真正地更好地融入之后的安全工作中。

2CDIO工程教育理念

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Imple-ment）和運行（Operate）的簡稱。“C”構思指系統性的構想、思考，明確產業需求。“D”設計是把將要被實現的計劃通過視覺的形式描述出來的活動過程；“I”實施是執行、施行實際的行為，指把設計轉變為產品的過程；“O”運行是指產品實現之后（即實施之后）使用其來達到想要的價值的過程。從構思、設計、實施到運行的全過程就是產品的整個生命周期，用它來代表工程的范疇[1]。CDIO教育模式提倡培養具有較高專業理論水平和符合產業需求的綜合性應用能力并重的高等工程教育專業學生，這種模式在安全工程專業領域具有一定的借鑒意義[2]。CDIO強調在系統和產品構思、設計、實施、運行的真實工程實踐環境中培養學生的工程能力，通過引導學生以主動的、實踐的、知識之間有機聯系的方式培養學生的工程能力，使學生在創新思維能力、終生學習能力、團隊合作能力和工程實踐能力等方面得到全面的訓練和提高。

3基于CDIO理念的流體力學課程實施

3.1優化教學內容

在教學時，教材的選取是非常重要的，首先要選擇一本好的教材，然后圍繞教材的內容，進行全方位的內容設計。湖南工學院安全工程專業選用的教材為蔡增基、龍天渝主編的《流體力學泵與風機》，該教材詳細介紹了流體力學及泵與風機的基礎知識，并配有豐富的習題供學生課后練習鞏固，另圍繞教學大綱，每章設置了思考題。但教材內容多是從供熱通風空調類專業角度出發，內容較多。按照安全專業職業能力與素質需求為導向，結合我校安全工程專業對該課程課時安排較少，學生文科生多，理科基礎薄弱的特點、安全工程專業需求及其與后續專業課程之間的關系，課程教學內容分為四部分：（1）流體靜力學。掌握流體平衡的規律，對其中與安全工程關系不大的小節進行刪除。（2）流體動力學。研究流體在運動狀態時，作用于流體上的力與運動要素之間的關系，以及流體的運動特征與能量轉換等。（3）有關流體靜力學和流體動力學在生產和生活中的應用，如孔口與管嘴恒定流、管道恒定流等。注重與工業通風、消防、安全工程中常見的泄漏等問題相結合。（4）泵與風機工作原理及運行知識，重點掌握如何選擇泵與風機。由于課時有限，其他知識可通過學生自主學習來完成。內容設置注重培養學生的創新能力、學習能力和分析解決問題的能力，不因課時少而刪除其物理背景、力學建模和求解過程等方面的學習，只講授結果、計算公式、圖表等這種短視的做法培養出來的學生只是現成公式的計算機器，面對新的問題將束手無策，學生沒有創新能力，沒有利用所學知識解決實際問題的能力。只有掌握正確的基本概念和流體運動一般規律，才能認識特殊規律，才能有分析實際問題的能力，才能正確應用和處理流體力學商業軟件。

3.2轉變教學方法

在課堂教學中注重學生綜合思維、系統思維和工程能力的培養。結合傳統的教學方法，采用以問題學習的形式，要求學生基于問題學習。（1）首先要講授該門課程的性質及作用，讓學生掌握該課程在整個專業培養中的作用以及工程實踐中的具體應用價值，以及該課程與其他課程之間的關系，從而在學生的整體知識架構中建立起清晰的課程邏輯聯系[3]，培養學生的系統思維能力。（2）各知識點的教學過程采用啟發式教學法，先由老師設置問題，讓學生帶著問題進行學習；學完之后讓學生思考學了什么，有什么用；除了基本的教學過程外，在課程中設置一些小專題討論，培養學生分析問題、解決問題的能力。（3）傳統的教學模式由于缺乏對知識的應用，學生通常將通過考試作為學習目標而專注于記憶考試內容。因此在教學中注重相應知識點的講解的同時，注重對各知識點的應用和拓展，各知識點多方面地與安全工程專業相結合（如在講述孔口管嘴出留時與危險化學品物質泄漏進而導致火災、爆炸、中毒事故相結合；講述流動阻力時與工業通風管道設計、消防水管道設計相結合），強調其對專業的支撐作用，要求理論知識必須服務于安全工作實際，將知識教育和工程能力培養有機地結合起來。

3.3實驗教學改革

實驗環節是CDIO模式下教學環節的非常重要的組成部分，學生工程能力的培養和綜合應用能力的提高，有賴于此環節[4]。實驗教學方面通過建設流體力學實驗室，將實踐教學貫穿于學生的整個學習過程，實現對學生的動手實踐能力、技術應用能力、研究創新能力的培養。實驗模塊分為基礎驗證類實驗模塊、綜合性實驗模塊和開放性實驗模塊。基礎驗證類實驗主要包括雷諾實驗、能量守恒驗證實驗、沿程阻力實驗、局部阻力實驗、文丘里管實驗、流量計實驗、離心泵實驗等[5]。這些實驗過程簡單，能幫助學生更好地理解流體力學的基本原理和定律，但缺乏創造性，沒有與安全工程專業實際相結合。綜合性實驗如與工業通風課程相結合，設計一個通風除塵管道模型，學生通過流體力學知識制定實驗方案，使用儀器測量風速、壓強等相關參數計算通風阻力。讓學生把流體力學知識更好地與安全工程專業相結合，解決專業實際問題。綜合類型的實驗相對較復雜，采用團隊協作的方式，通過互相交流討論解決實驗過程中遇到的問題，發散思維，實驗結束后進行匯報，培養學生的團隊協作能力和溝通能力。開放性實驗模塊通過建設開放性實驗室，為學生參加各類學科競賽、科技創新活動、自主實驗、參與大學生研究性與創新性實驗項目、參與教師科研項目提供實踐平臺。如學生可進行計算機虛擬流體力學實驗、利用flunet軟件模擬火災發生時煙氣流動過程。開放性實驗可鍛煉學生創新能力。

4結論

1）安全工程專業“流體力學”課程作為一門學科基礎課，其教學改革應以專業能力需求為導向、學生能力培養為目標，引入CDIO理念進行教學改革，可提高學生創新思維能力、系統思維能力、和工程能力的培養，提高學生的工程意識及大工程觀。2）基于CDIO理念的“流體力學”課程教學改革應注重學生主體作用的發揮，以學生為主體、教師為主導，采用問題學習的形式進行教學，培養學生用基礎理論分析、解決實際問題的能力。3）在“流體力學”課程教學改革中，應注重實驗教學環節，實驗教學除了基本的基礎驗證類實驗外，組織學生做一些綜合性、設計性、開放性實驗，教學中注重學生團隊協作能力，人際交往能力和創新能力的培養。

參考文獻

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