流体力学基本原理精选(九篇)

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第1篇：流体力学基本原理范文

关键词：计算流体力学；求解；基本原理；化学工程；应用

化学工程在我国具有较长的研究与应用历程，并在实际的生产与生活中取得到巨大的应用成效，不仅能够供给正常的生活需求，同时根据新材料的开发，能够满足现代型环保材料的使用。在化学工程中，较多的反映环境和反应机制都是在溶液中进行的，具有质量守恒和热量守恒定律的应用。而这种质量与能量的关系正是计算流体力学的主要原理。通过对实际应用环境和原理的分析，能够优化工程设计和工艺改进，提高化学工程的生产效率。

1计算流体力学在化学工程中的基本原理

计算流体力学简称CFD，是通过数值计算方法来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。

2计算流体力学砸你化学工程中的实际应用

2.1在搅拌中的应用分析

在搅拌的化学反应中，反映介质之间的流动性比较复杂，依据传统的计算形式根本无法解决，并在化学试剂在搅拌中存在不均匀扩散的特点，在湍流的形式中能量的分布状况也存在着空间特点。若是依据实验手段测得反映中物质、能量和质量的变化规律，其得出的结构往往存在较差时效性，实验骗差加大。通过对二维计算流体力学的应用，能够对搅拌中流体的形式进行模拟，并进行质量、能量等数据的验证。但是流体的变化，不仅与化学试剂的浓度、减半速度有关，还与时间、容器的形状等有着之间的联系，需要建立三维空间模拟形式进行计算流行力学。随着科学技术和研究水平的提高，在通过借助多普勒激光测速仪后，已经对三维计算形式有了较大的突破，这对于化工工程中原料的有效应用和工程成本的减低具有促进的作用，但是在三维计算流体力学中还存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不断的完善。

2.2CFD在化学工程换热器中的应用分析

换热器是化学工程中主要的应用设备，通过管式等换热器、板式换热器、冷却塔和再沸器等的应用，能够有效的控制化学试剂在反应中的温度变化。其中根据换热器的形式不同，计算流体力学的方式也就不同。在管式换热器中主要是通过流体湍流速度的改变，增加换热速率的。在板式换热器中是通过加大流体的接触面积，提高换热效率的。而在冷却塔和再沸器中，热量交换的形式更为复杂，但是却群在重复性换热的特点，增加了换热的时间，提高了换热的效果。从总体上分析，计算流量力学中，需要对温度变化、流体的速度变化、热交换面积变化和时间变化进行分析。通过CFD计算流体力学的应用，能够计算出不同设备的热交换效果，并根据生产的实际需求进行换热器的选择使用。

2.3在精馏塔中的应用

CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。Vivek等以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。Larachi等发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。

2.4CFD在化学反应工程中的应用研究

在化学反应工程中，反应物和生成物的化学反应速率与反应器、温度和压力等有着较大的联系，在实际的反应中可以利用计算流体力学进行数据的获取。但是这数据的获取具有一定的温度限制，当反应中温度过大，就会造成分子的剧烈运动，其运动轨迹的变化规律就会异常，在利用计算流体力学的模型计算中，计算数据与实际情况会发生较大的偏差。由于高温中分子的运动轨迹和运动速度难以获取，在计算流体力学的实际计算中，就要借助FLUENT进行三维建型，并利用测速反应器进行速度的测量，通过综合的比较分析，利用限元法进行数据的计算。可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。

结束语

计算流体力学对于化学工程的应用具有实际意义，并在经济效益的提高上具有重要的价值，在近几年，化学工程技术人员不断的计算流体力学中展开研究，以二维空间计算和模拟为基础，不断的完善三维空间的流量计算，并得出了一系列的流体流动规律。根据计算流体力学在化学工程中的广泛应用，在今后的化学工程发展中，应加强此类学科的教学与延伸，提供出更有效的反应设备和工艺操作。

参考文献

[1]余金伟,冯晓锋.计算流体力学发展综述[J].现代制造技术与装备,2013(06).

第2篇：流体力学基本原理范文

根据流体力学课程的性质、特点，结合自身的工程实践经历和教学体会，文章从优化教材内容、提炼讲授方法、发挥传统教学模式优势、挖掘多媒体教学潜力、培养学生科研能力等方面，探讨了流体力学课程教学改革的具体措施和成效，提出了有益于学生理解流体力学重点内容的教学方法。此研究对改善流体力学课程的教学效果、探索大专业背景下的专业基础课教学模式有一定的参考意义。

关键词：流体力学； 教学改革； 实践教学； 创新能力

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：

10052909（2013）04004103

流体力学是关于流体机械运动规律及其应用的一门学科，是力学的一个分支。中国各高校的土木工程、流体机械、农林、石油化工等专业均开设了流体力学课程，它属于专业基础课。

该门课所涉及的基本原理和基础理论对专业课的学习、课程设计、毕业设计以至解决工程实际问题等起着非常重要的理论支撑作用和指导意义。尤其对于工科学生，他们毕业后大部分在生产一线从事技术管理工作，必须具备一定的专业基础、技术应用和现场协调能力。这就要求流体力学课程教学将理论知识与实践能力培养相结合，将课堂教学与实践教学相结合，不断改进教学方法，积极探索适应工科学生专业设置和就业主导方向的课程教学新模式。兰州交通大学在土木工程、环境工程、市政工程、建筑环境与设备工程、热能动力工程等专业均开设了流体力学课，在长期的教学实践中积累了一些该课程的教学体会。

一、优化教材内容，课堂讲解力求深入浅出

流体力学课程体系的主要内容包括基本理论和实验两大部分。由于流体力学学科的快速发展以及社会对各专业学生知识结构要求的不断变化，有些在用教材已不能满足教学要求。因此，教师在备课时要尽可能多地参阅质量高、实用性强的教材，力求对同一个问题进行多角度分析。教学中应将不同教材版本的不同提法告诉学生，让学生课后独立思考并提出自己的见解。在制定教学计划时，应该从课程内容的系统性和完整性出发，将教材原有章节顺序重新调整，便于学生对相关知识的理解。比如，在讲解流体运动学基础、动

力学基础时，先从粘性流体三维不可压缩流动的运动微分

方程（即N-S方程）入手，对实际流体的流动特征进行描述，学生就可获得流体动力学的基本轮廓，进而了解只要该方程中粘性力项为零就可得到理想流体运动微分方程。在此基础上，再令加速度项为零（即流体处于静止状态或相对平衡状态），就可得到流体平衡微分方程（即欧拉方程）。通过这一调整，省去了许多推导过程，而且也能让学生对流体质点运动的力学机制有更明晰的认识。

在课堂讲解上，教师要力求做到深入浅出。流体力学中的一些公式或方程的推导过程很繁杂，教师过多地罗列推导内容会导致学生的厌学情绪，甚至有些听不懂的干脆就放弃学习。比如，在讲解流体微团运动分析时，可以将多数学生儿时玩的“泥球沿坡面下滚”游戏作为例子来讲解，因为大部分学生有过这样的亲身体验，他们很容易理解泥球在滚动的同时将伴随变形和旋转，这样后面的推导就容易被学生接受了。在讲解管嘴出流时，可以学生每天接触的水龙头用水的例子。比如在12∶00-13∶00期间用水，12∶00时流出水龙头的水流速度很大，随着锅筒内水位的逐渐下降，到接近13∶00时用水，在同样的水龙头开度下，水龙头内的水流速度明显要比12∶00时的流速小，学生由此很容易理解有效作用水头与排水量的关系。

二、发挥传统教学模式的优势

传统教学模式即教师以讲解、板书的形式将知识传授给学生的一种教学方法。该方法在不同层次的教学活动中发挥了积极的作用。教师生动、形象的描述以及肢体语言能使学生有身临其境之感，这种教学模式有利于教师主导作用的发挥，教师可以根据课堂上学生的反应来适时调整讲解速度和思路，并以板书的形式突出重点和难点。流体力课程中有相当一部分内容是力学知识和数学知识的综合，只有通过严密推导或作图才能比较透彻地讲清其基本原理。比如连续性方程、能量方程、动量方程、（N-S）方程等是流体力学中的经典理论，也是难点所在。只有通过板书推导，学生才能理解其物理事实，明确其解决工程问题的一般思路和步骤。流体微团运动分析一节是运动学中的核心内容，许多学生很难理解流体微团能同时具有“平动、变形（线变形和角变形）、旋转”三种运动趋势。这就要求教师从介绍速度分解定理入手，通过理论推导和对流体微团运动变形的图示两种方法来讲解。水击现象中伴随管道中压力和流速交替变化从而引起压力波的“顺向”及“逆向”传播过程，如果不通过在黑板上逐步图示的方法，学生很难明白水击发生的物理实质。另外，传统教学方法也能展示教师的板书和绘图功底。如果教师的书法很漂亮，徒手绘图效果好，能增加学生对教师的敬重感，从而激发他们对流体力学课程的学习兴趣。

三、深挖多媒体教学潜力

随着科技的飞速发展和国家对教学投资力度的加大，现代化的教学手段在提高课程教学质量上发挥了重要作用。在流体力学课程教学中，通过播放课件、视频、教学片等，能让学生很直观地理解流体流动的具体特征。比如，漩涡的形成、管嘴出流时真空区的形成、两个相邻局部阻碍之间的干扰等现象，这些内容用枯燥的文字描述是很难理解的，但利用多媒体演示，学生从动态的、形象逼真的图像中就很容易理解流体力学现象。紊流是一种高度复杂的三维非稳态、有旋流动。对其流动规律的研究一直是流体力学学科领域的热点和难点。紊流中，存在高流速层的流体质点进入低流速层，并与低流速层质点发生动量交换，以及低流速层流体质点进入高流速层与高流速层质点发生动量交换的过程。过去教师通过板书图示讲解之后，仍有近70%的学生不理解雷诺应力与紊流脉动的因果关系。但是，通过动漫形式显示具有不同初速度的流体质点进入另一流层后对两个流体质点速度在不同方向的影响过程，使这一复杂问题简单化，学生也容易接受。另外，利用教学录像，学生对流体力学现象尤其是大海的潮起潮落、龙卷风运动、桥墩后尾流变化，以及1940年美国塔科马海峡大桥由于风振而坍塌的整个过程印象深刻。多年的经验表明：多媒体在教学中的运用对于激发学生学习流体力学的兴趣、增强求知欲、开阔视野起到了积极的作用。但是，多媒体教学潜力的开发取决于教师的前期投入，也就是说，授课前教师必须投入大量的精力制作多媒体课件，使其包含丰富的教学内容，同时还能调动学生积极的参与意识[1]。只有这样，作为传统教学方法辅助手段的多媒体教学，才能在帮助学生理解难点、掌握重点、提高学习效率上发挥越来越重要的作用。

四、加强科研实训，开阔学生视野

引导学生参与科研活动，在科学研究中增长学生的专业知识，开阔学生的学术视野。教师在完成课堂教学任务之后，就课内某一知识点引导学生查阅相关文献，开展科学研究，培养学生的科研意识，提高其认知水平。学生以书面形式定期反映自己在查阅文献和学习研究中的收获。教师根据学生书面总结的完成情况给予评价。此外，教师也鼓励学生主动参与校内外的科研活动，并定期写出自己的体会交指导教师评定[2-3]。学生参与的科研内容即使与其所学专业的学科领域有一定距离，也将得到支持，因为参与科研活动对学生能起到开阔视野、激发科研热情、训练科研思维的作用[4]。同时还将进一步密切科学研究与专业学习之间的关系，为学生进入更高层次的学习和工作打下坚实的基础[3]。

流体力学是一门系统性和理论性都较强的课程，它既体现了经典力学的基本思想，也反映了数学、物理、机械等多学科在现代工程中的交叉应用。在学分制教学管理体制和大专业背景下的人才培养模式，根据学生的基础和专业培养目标来寻求合适的教学方法，构建有创新特色的流体力学课程教学改革体系，是一个艰难而漫长的过程，还需要在今后的教学工作中作出更多的努力。

参考文献：

[1] 杨小林， 杨开明， 严敬，等.流体力学课程教学改革探析[J].高等教育研究， 2006， 22（2）：47-48.

[2] 王烨， 孙三祥， 张济世.《水泵及水泵站》课程设计教学新模式研究[J].高等建筑教育， 2010， 19（3）： 117-119.

[3] 王烨， 陈焕新.《水泵及水泵站》课程设计教学改革[J].高等建筑教育， 2011， 20（3）： 91-94.

[4] 马宝峰，李岩， 郭辉，等.基于科研问题的力学综合实验教学研究与实践[J].力学与实践， 2012，34（1）： 103-105.

Investigation and practice on multiangle teaching method of fluid mechanics

WANG Yea， LI Yaningb

（a. School of Environmental and Municipal Engineering； b. School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Gansu 730070， P. R. China）

Abstract：

第3篇：流体力学基本原理范文

论文关键词: 流体输配管网 时间安排 教学内容 学习方法

论文摘要: 《流体输配管网》是建筑环境与设备工程专业的一门主干课程，但目前却存在着授课时间安排不合理、授课内容急需调整等突出问题。因此。合理安排授课时间、对授课内容进行调整、使学生掌握科学的学习方法等是摆在任课教师面前的一项重要任务。

《流体输配管网》是建筑环境与设备工程专业一门主干课程，该课程将《空调工程》《燃气输配》《通风工程》《建筑给排水》《锅炉及锅炉房设备》《建筑消防工程》《工厂动力工程》等课程中的管网系统原理抽出，经提炼后与《流体力学泵与风机》中的“泵与风机”部分进行整合、充实而成。如何讲授好本课程，处理好本课程与其他专业课程之间的衔接问题，进而提高学生的学习兴趣和学习质量，是任课教师急需解决的难题。

一、授课时间安排方面存在的问题

以往，《流体输配管网》课程曾安排在第二学年第二学期，也有安排在第三学年第一学期与第二学期的。有学者与教师认为，这门课程是专业课程 ，应安排在第四学年第一学期 ，这样可以让学生在学习过各专业课程之后集中学习管网理论知识 ，达到使学生融会贯通并激发学生的想象力与创造力的目的。

l将本课程安排在专业课程学习之前存在的问题

《流体输配管网》包括“泵与风机理论基础知识”“管网系统组成”“管网系统设计理论”及“管网系统调节理论基础知识”等主要内容。将本课程安排在《流体力学》课程之后、相关专业课程之前，与专业基础理论课程《传热学》《工程热力学》与《热质交换设备》等放在同一学年授课，优点是提前学习“泵与风机理论基础知识”“泵与风机和管网的匹配”等主要内容，可以为后续的专业课程学习带来方便 ，因为学习专业课程需要学生具备一定的泵与风机理论基础知识。

将本课程安排在专业课程学习之前存在的问题是，在讲授 “流体输配管网系统类型及装置”“流体管网水力特征与水力计算”等内容时学生普遍反映，虽然课程理解起来不难．但要将课程前后内容联系起来达到融会贯通却十分困难，原因主要有两点：一方面，学生对管网系统还十分生疏，没有前期专业课程的铺垫便突然要学习管网类型、装置及管网系统知识，对学生来说显然有困难，因而达不到预期的教学目的；另一方面，目前《流体输配管网》的授课主线不太突出，学习时需要学生具备一定的专业基础知识。

2．将本课程安排在专业课程学习之后存在的问题

针对学生反映的问题．笔者所在的教研组及时修正了教学计划，将该课程安排在第三学年第二学期 ．从教学效果上来看还是很好的．但在其他专业课程授课过程中有部分学生反映 ．由于缺少“泵与风机理论基础知识”．在学习“管网系统水力工况分析”与“系统工况调节”等内容时有一定的难度。根据这些问题，笔者所在的教研组决定将《流体输配管网》课程安排在第三学年第一学期，与专业课程同时讲授，并对其中部分章节的顺序和内容进行调整 实践证明，这种安排的优点比较突出。

3．对本课程授课时间安排的一些想法与建议

《流体输配管网》为专业课程，其目的就是让学生在学习过各专业课程之后集中学习管网理论知识，以使学生融会贯通，激发学生的想象力与创造力，提高学生的创新能力。因此笔者认为，本课程应该安排在专业课程学习之后，也就是应该安排在第四学年第一学期，然后将本课程内容灵活分为两大部分，分别在不同学年讲授，其中一部分是“泵与风机理论基础知识”．可以安排在第二学年第二学期专业课程学习之前或与专业课程同时讲授：另外一部分就是“管网系统及管网设计与管网工况调节理论知识”，可以安排在第四学年第一学期专业课程学习之后。

二、授课内容存在的问题

提高学生的学习兴趣，合理安排教学内容，对学生掌握本课程理论知识、提高解决实际工程问题能力具有至关重要的作用。因此笔者认为，本课程的授课主线与 目的必须突出、明确，与专业课程的衔接必须恰当。

1．对本课程授课章节顺序进行调整

本课程是在专业基础课程学习完之后开始讲授，或与主要专业课程的学习同时进行，或在主要专业课程学习完成之后进行，其主要基础知识是流体力学，流体力学内容已经包括了简单管路、复杂管路及环状管路组成与水力计算基础理论部分，学生对管网知识已有了初步的了解。因此．可以结合其他专业课程的需要，对授课章节顺序进行相应调整 ，以使授课主线与目的更加清晰 、明确 可以将第五章“泵与风机理论基础”、第六章“泵与风机与管网的匹配”、第七章“枝状管网水力工况分析与调节”中第一节“管网系统压力分布”等内容放在前面讲授．一是因为学生已经具备了掌握这些知识的能力，二是因为开设的其他专业课程需要学生首先具备这些专业理论基础知识。这样调整之后 ，有关管网类型、装置，枝状、环状管网水力计算与工况分析调节等内容即可放在专业课程学习之后或与专业课程同时讲授。从笔者这几年的教学实践来看，这种调整具有一定的优势。

另外，有学生反映，第二章“气体管网水力特征与水力计算”中第二节“流体输配管网水力计算的基本原理和方法”应单独列为一章，因为这一节的内容是气体与液体管网水力计算的基础理论知识，而这也是流体力学的主要内容。笔者认为这个意见提得较好，调整后可以使本课程授课主线更加突出与明朗。但笔者建议 ，可以将“流体输配管网水力计算的基本原理和方法”“枝状管网水力共性与水力计算通用方法”和“环状管网水力计算的基本原理与方法”相结合，列为单独的一章，这样设置更合理，也使授课主线更突出。

2．对本课程授课内容进行调整

《流体输配管网》是从各专业课程中将管网系统原理抽出经提炼后形成的课程，因而不可避免地会造成各门课程之间的冲突。笔者认为，本课程中“管网类型及装置”可在专业课程中讲授．“管网的水力工况分析及调节”应在本课程中讲授．这样可以更好地突出管网的水力工况分析与调节共性，使学生掌握不同管网设计、管网水力分析与调节的基本规律。

三、学习方法的问题

《流体输配管网》课程实践性、应用性较强，管网系统千差万别。因此 ，要想提高学生的学习兴趣 ，使学生牢牢掌握管网系统设计、管网系统调节基本原理和方法 。学习方法尤为重要。

有学生反映，这门课程理解起来并不难，但要将课程前后内容联系起来达到融会贯通却十分困难。笔者认为原因有两点：一方面，尽管管网系统千差万别，但管网系统水力特征、水力计算及管网调节理论分析却是流体力学的基本知识，都主要是一元稳定流动能量方程的运用 ，学生对这个基本规律的运用可以说是得心应手，无论是动力确定还是压力分布等都难不倒学生，因此“理解起来并不难”：另一方面 ，授课时间安排不合理 ，学生没有见过这个系统，分不清系统形式与系统装置的区别 ，这就使得学生上课时能够理解，下课后就忘记了。要想解决这个问题。笔者认为应加强两项主要教学工作：第一是加强学生对基本概念 、专业术语的掌握。第二就是加强实践教学，做到理论联系实际、实践与理论结合、课堂与实践结合。传统的实验台实验满足不了教学要求，因此教师在授课时应加强实践教学内容。如安排2~4学时或课后时间让学生参观不同类型的管网系统 ．绘制管网系统图，找出系统设计合理 、不合理之处，校核泵 、风机与管网是否匹配。有条件的话还可以让学生自己动手调节管网流体参数，在管路系统中安装调节阀。通过实践 ，将课本知识上升到理论分析的高度 ，这样就能有效提高学生的学习兴趣和学习效率。

参考文献

第4篇：流体力学基本原理范文

关键词：MATLAB；流体力学实验；雷诺实验

作者简介：郭炜（1975-），女，湖北荆州人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师。（北京102617）刘锋（1974-），男，湖北荆州人，中国船级社质量认证公司体系认证部，助理工程师。（北京100006）

中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）14-0106-01

流体力学实验涉及的实验数据较多，数据处理工作量较大，兼有作图，有的要多次重复使用一个或几个公式计算。在传统的实验教学方式下，学生把主要时间花在烦琐的数据计算方面，从而不再关注实验中的现象，整个实验没有充分发挥出实验教学应有的效能，学生没有通过实验加深对理论的理解和运用理论思考实验中的现象。其次，实验作为对理论知识掌握程度的一种量度，在传统的实验教学形式下其反馈周期过长，学生只有在实验报告返回之后才能知道实验过程是否操作正确，不能在实验过程中考虑错误实验数据的问题出现在哪里。因此，对传统实验教学进行创新成为提高实践教学质量的有效方法。

MATLAB是美国Math Works公司于1984年推出的科学计算软件，它以矩阵的形式处理数据，将高性能的数值计算和可视化集成在一起，提供了大量的内置函数，从而广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和程序语言设计工作，使繁琐、枯燥的数值计算变成一种简单、直观的可视化操作过程，能较准确地标记样本数据点和绘出拟合曲线，已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。其主要特点如下：语言简洁灵活，库函数丰富；运算符丰富，兼有结构化语句和面向对象编程特性；程序限制不严格，自由度大，可移植性好；图形功能强大，数据可视化简单；有功能强大的学科工具箱和功能工具箱，内部函数丰富；开放性强的源程序，用户易于构建自己的工具箱。

基于上述MATLAB的功能及其特点，在流体力学实验中引入MATLAB软件，以上问题不但可以得到解决，而且可以提高学生应用计算机处理数据的能力。根据流体力学实验的教学内容，结合MATLAB软件的特点与功能，我们在流体力学实验教学中进行了实验设计。以流体力学中的雷诺实验为例，简要介绍了MATLAB语言在数据输入、数值计算以及图形可视化方面的功能，展示了MATLAB在流体力学实验数据处理中简洁、快捷与直观等特点。

一、MATLAB在雷诺实验中的应用

在流体力学的教学中，为了使学生理解和掌握流体运动的两种主要状态――层流和紊流的判别，雷诺实验占有很重要的地位。

1.实验原理

实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流。它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数，d是圆管直径，v是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。

圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为Re=2300。

2.实验数据处理

在实验中把颜色水注入实验台管内，为了测量下临界雷诺数，将实验台调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态。整个实验过程，调节阀门，水流速度由大到小，紊流状态测2次水量和时间，下临界状态测1次水量和时间，层流状态测2次水量和时间，每个状态均用体积法测定流量。5次实验数据记录表如表1。

在雷诺的实验中，编写简单的MATLAB的* . m 文件，对实验数据进行处理，求出雷诺数，并做出雷诺数与流量的关系曲线图如图1所示。

二、讨论

从上面的程序可以看出，用MATLAB语言编写应用程序处理实验数据比C及Fortran更加简单易用，编程如同列算式一样，不易出错，且利于调试和修改，数据和处理结果可视化。因此可成为高效的处理流体力学实验数据的帮手。从实践效果看，利用MATLAB软件进行流体力学实验教学对于学生理解和掌握课程的基本原理内容是非常有帮助的，同时随着该软件计算功能的进一步增强和课程实验设计的深入开展，充分利用以MATLAB为代表的计算软件包进行专业课程的辅助实验教学不但提高了学生的学习积极性，加深了学生对实验原理的认识，而且十分有助于对专业课程课堂理论教学内容的理解和掌握，对学生熟悉和应用MATLAB软件也起到一定的积极作用。

参考文献：

[1]张铮,杨文平,石博强,等.MATLAB 程序设计与实例应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2]胡敏良.流体力学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.

[3]曹桂萍,孙杰,潘亮,闫亭亭.雷诺实验的创新性教学[J].高师理科学刊,2011,31(2):110-112.

[4]乔善平,商树桓,阎虹.用计算机模拟雷诺实验的体会[J].实验室研究与探索,2002,21(2):39-40.

第5篇：流体力学基本原理范文

关键词：CAI；流体力学；雷诺实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0265-02

一、引言

实验是理论联系实际的重要环节。它不仅是为了传授学科知识、验证学科理论、掌握实验操作的基本技能，更着意于培养学生的设计思维、开拓意识、创新和动手能力。为适应创新型人才培养的需求，如何在现有基础上，摆脱烦琐的实验数据计算，提高学生的学习兴趣，加深学生对理论的理解，深度挖掘学生运用理论解决实际问题的潜在能力，努力探索创新型的教学方法成为大学实验改革的重点[1]。流体力学是一门专业基础课，该课程覆盖了海洋渔业科学与技术、海洋环境、海洋技术、热能动力工程、环境工程等专业。为了配合相关实验课程的顺利开展（包括针对部分专业的独立实验课程），各高校添置了多种类、多套数的多功能流体力学实验装置，确保完成流体力学的本科实验教学任务[2]。与此同时，传统的实验教学方法存在许多不足之处，有待改进创新。例如，实验效率低下、数据处理烦琐且易出错、学生掌握情况无法及时反馈、教师工作量大且重复性高等。这些都使得实验教学效果大打折扣，不仅学生满意度降低，而且教师的付出并未得到有效的产出回报。尽管设备的“硬件”实力已经加强，但落后的“软件”却制约着实验教学效果的有效提升，无法达到事半功倍的理想效果。基于此种情形，本文在2015―2016学年第二学期的实验教学中，以“雷诺实验”为例，采用计算机软件辅助计算与分析。通过对2个专业3个班级共125名学生的调查问卷与数据统计，新型方法的应用，可以提高课堂效率40%以上，学生综合满意度达到95%。

二、雷诺实验

英国科学家雷诺（O.Reynolds）在1883年经过实验研究发现，在黏性流体中存在层流和湍流这两种截然不同的流态。实验发现，流动由层流至湍流的D捩不仅仅取决于管内的流速，而且与以下四个物理量：管内的平均流速V、圆管直径d、流体密度ρ及流体的动力黏度μ（或者运动粘度ν）组成的无量纲数有关，即雷诺系数Re。

由层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，小于临界值流动为层流，大于临界值流动为湍流。实验得出，临界雷诺数为2300，用它来判断流态是十分简便的，只要计算出圆管中流动的雷诺数，便可确定流态。雷诺实验的装置如图1所示[3]。

雷诺实验的教学目的是通过改变水在管内的速度，观察流体流动过程的不同流态及其转变过程，建立“层流和湍流”两种流态的感性认识，测定流态转变时的临界雷诺数。雷诺实验的特点是数据量大，计算烦琐。在传统的实验教学方式下，学生把主要时间都花在了数据处理方面，让很多学生失去了学习流体力学的兴趣。

三、雷诺实验课程的CAI教改方案

CAI，被广泛译为“计算机辅助教学”，已基本得到教育界的认可。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

在传统的雷诺实验过程中，学生只是被动地观察流动形态，简单地记录数据，然后花费大量课堂时间进行计算以验证雷诺数，没有时间和老师主动探讨实验原理，积极分析问题和解决问题，容易挫伤学生的学习积极性。本文从两个方面对雷诺实验教学进行改进和创新。

1.教学模式改革。教学模式的改革服务于课程核心目标从“使学生了解并掌握雷诺实验基本概念”转变为“使学生能够观察实验、理解实验和研究实验”的根本目标，为实现这个目标将实验内容的结构调整为雷诺实验基本概念、雷诺实验搭建和雷诺实验测试三部分，每部分提出若干问题，编制《雷诺实验指导书》，以指导手册为基础指导学生进行“基于问题的学习”。课程教学时间分为视频教学和实践教学并行的两部分，视频教学时间以教师讲授与小组讨论的方式梳理学习内容的结构；实践教学时间学生带着问题进入，搭建实验和测试雷诺数，验证理论、提炼理论。

2.教学工具改革。在传统的实验教学方式下，按照实验报告册上的既定步骤，学生可以在无须对理论知识了解很多的情况下就完成实验和利用既定公式计算整理出实验报告；其次，传统实验让学生把主要时间花在烦琐的数据计算方面，而不是放在加深对理论的理解和运用理论解决实际问题方面；再次，实验作为对理论知识掌握程度的一种量度，在传统的实验教学形式下其反馈周期过长，不利于教师及时把握教学效果和教学进程。因此，本文充分利用现代计算机技术，以上问题可以得到有效的解决：在硬件建设方面，所需要做的只是为实验室添置一台微机和多台计算机终端，在软件方面，利用计算工具创建雷诺实验的数据库管理系统。编制该CAI时，本着形象、直观、易操作的原则，只要输入有关的测量数据，屏幕上便显示出雷诺数的大小和管道中流体的流态。图2和图3分别是测量数据的输入窗口和雷诺数的校准图。

四、CAI在雷诺实验课程中的教学效果

1.鼓励和指导对实验感兴趣又学有余力的学生进入更深层次的实验，实现理论与实验课程的电脑化教学，可通过电脑观看预习教学录像，实验课程讲义，给学生提高动手能力和创新能力创造了条件。

2.运用先进的实验设计手段，通过CAI对雷诺实验进行模拟仿真，再进行实验的搭建和调试，让学生更好掌握软硬件结合设计实验的流程和方法，提高了学生的学习兴趣和热情。

3.计算工具的改进。通过CAI将学生从烦琐的数据计算中解脱出来，可以快速理解实验原理，准确校准实验数据，便于教师快速掌握学生实验测量和计算情况。

参考文献：

[1]曹桂萍，孙杰，潘亮，闫亭亭.雷诺实验的创新性教学[J].高师理科学刊，2011，（3）：110-112.

第6篇：流体力学基本原理范文

摘 要 “弧线球”往往是一场足球比赛中的看点，看过本文的分析，只要多加练习，您也可以射出精彩的弧线球。

关键字 力学 伯努利 弧线球

在英超联赛中精彩的弧线球射门场景让人记忆犹新，作为一名体育工作者，在感叹球员的精彩球技时，更应关注其中蕴藏的科学道理。在本文中，我将依据自己有限的流体力学知识，分析精彩射门中的力学原理。众所周知，当人给球力的有个角度（0

一、伯努利原理

要弄清楚这个问题，就得先了解一下伯努利原理。伯努利原理认为：“在流水或气流里，如果流速小，对旁侧的压力就大，如果流速大，对旁侧的压力就小。”足球队员用脚踢球时，只踢球的一小部分，把球“搓”起来，球受力，就发生旋转，而当球在空中高速旋转并向前飞行时，它属于刚体的一般运动，它包括了刚体的平移、定轴转动、定点运动等。根据伯努利原理，球就受到了一个横向的压力差，这个压力差，使球向旁侧偏离，而球又是不断向前飞行着，在这种情况下，足球同时参与了两个直线运动，便沿一条弯曲的弧线运行了。

二、伯努利方程式

伯努利方程式：ρv2/2+ρgz+p=常量，实际上是流体运动中的功能关系式，即单位体积流体的机械能的增量等于压力差所做的功。必须指出，伯努利方程式右边的常量，对于不同的流管，其值不一定相同。由方程可知，流速v大的地方压强p小，反之，流速小的地方压强大。在粗细不均匀的水平流管中，根据连续性方程，管细处流速大，管粗处流速小，所以管细处压强小，管粗处压强大。从动力学角度分析，当流体沿水平管道运动时，其质元从管粗处流向管细处将加速，使质元加速的作用力来源于压力差。

三、伯努利原理在足球中的应用

（一）伯努利原理是流体力学中的基本原理，流体运动速度越快，压力越小，且中的压力又是往各个方向都有的。

（二）形成弧线球的力学条件有二：1.踢球作用力（合力）不通过球体的重心――使球体产生转动；2.有一定位移――在空气作用下，旋转的球体发生轨迹改变。弧线球的受力分析：当运动员踢球时，作用力F通过球体重心：球体不发生旋（作用力方向即法线方向）转并沿直线方向运行，获得100%的出球力量，即F1=F×100%。此力不能产生旋转。

当运动员踢球时，作用力F不通过球体重心：与法线成α1=30度时，偏心距X1=5.55cm（足球竞赛规则规定，正式比赛）用球圆周为68-77cm，切线分为F2将产生力矩作用，使球体沿着以F2为切线的方向旋转。击球时的力矩值为：M1=F2×r=2×F×r（M为力矩，F2为切线分力并F2=F/2，r为球体半径。法线分力F1决定出球方向和远度，且F1=86.6%×F，它使球沿F2方向以较小的弧度运行（理论上计算其弧度数值为π/3）。

当踢球作用力与法线成α2=60度时，偏心距X2=9.6cm。切线分为F2将产生力矩作用，使球体沿着以F2为切线的方向旋转。其力矩值为：M2=F2×r=0.8663F×r（式中M2为力矩，F2为切线分力并F2=0.8663F，r为球体半径）。法线分力F1决定出球方向和远度，且F1=50%×F，它使球沿F2方向以较大的弧度运行（理论上计算其弧度数值为2π/3），其运行远度较小。

当踢球作用力与法线成α2=90度时垂直于法线时，只产生力矩使球旋转，而不能使球位移，故不能构成脚背内侧弧线球。

运动员踢球作用力F不通过球体重心，我们把这作用力分解为法线分力F1和切线分力F2。法线分力F2作用的结果，是使球体产生移动前进，且前进速度为V1；切线分力F2作用的结果是使球以ω为旋转速度进行旋转。根据动力学的基本公式，经推导得：

F×t=m×V V=Ft/m，即球的前进速度ω。

F×t×x=J×ω ω=Ftx/J，即球的转动角速度。

因为球的质量和转动惯量均为常量所以，作用于球体的力F和力的作用时间t的值越大，则球体的前进速度V和转动ω角度速度就越快；反之，作用于球体的力F与力的作用时间t的值越小，则球体的前进速度V和转动角速度ω就越慢。而作用力的力臂X的值大即踢球角增大，则转动角速度ω就加快；反之，力臂X的值小即踢球角减小，则转动角速度ω减慢。如果我们把这两种不同的运动按照合成规律（平行四边形法）则组合起来，不难看出：前进速度V和转动角速度越快，那么球体的运行速度越快，且侧旋弧线曲率也增大；反之，球的前进速度V和转动角速度越慢，则足球运行速度也越慢，弧线曲率也减小。

分析结论：踢球作用力F与法线所成角度α增大时（0

依据侧弧线球形成的力学条件，即有一定的旋转速度，又要有一定的位移，所以一般认为在踢定位球时，α角在30度左右到60度之间将产生侧旋弧线球。理想的弧线球多是借助于来球力量、重力和风力等因素，运用不同的脚法以及巧妙的技术动作形成的。

第7篇：流体力学基本原理范文

关键词 食品工程原理；教学质量；提升途径

中图分类号 G42 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）20-0289-02

食品工程原理是食品科学与工程专业的基础课程，主要任务是研究单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算（或选型），目的在于培养分析和解决有关单元操作各种实际问题的能力[1-9]。本课程内容涉及学科多，理论性强，与工程结合紧密，课程难度大，在食品类专业人才培养中具有重要的地位和作用，如何提高课程教学质量就成为授课教师探索的重要目标。笔者从事食品工程原理课程教学多年，结合长期积累的经验，通过举例法对如何提高本课程教学质量进行了有益探索，以期为承担本课程教学任务的教学工作者提供有益参考和借鉴。

1 形成宏观意识，树立工程观念

食品工程原理是一门实践性、工程性很强的应用基础课程，教学过程中应注重建立学生的宏观意识，树立工程观念，培养学生的工程思维，提高分析与解决工程问题的能力。例如，流体力学中把大量流体分子构成的集团称为流体微团或流体质点，流体就是由无数个微团或质点组成的连续工质。流体力学就是研究流体流动宏观规律的一门学科，涉及的流体不仅有牛顿流体，也有非牛顿流体。有了流体微团或流体质点的概念，研究流体运动规律时就不必考虑复杂的分子运动而从宏观上来研究流体流动所遵循的规律，这在工程上是许可的。

2 更新教学大纲，优化教学内容

教学大纲是教师进行教学的主要依据，包括教学目的、教学要求、教学内容和学时分配等，也是检查和评定学生学业成绩和衡量教师教学质量的重要标准[2，8-9]。现代食品工业科技发展迅速，技术更新快，已成为我国工业快速发展的推动力量。食品工程原理涉及章节多、难度大，而学时有限。因此，教师应该根据专业或学科特色进行合理取舍，不断更新教学大纲，及时优化教学内容，只有这样才能及时跟上时代的步伐。例如，畜产品加工与贮藏方向应侧重流体力学、传热、冷冻、膜分离、蒸发和干燥等单元操作，农产品加工与贮藏方向应侧重于粉碎、筛分、搅拌、吸收、蒸馏和吸附等单元操作。

3 转变教学方式，改进教学方法

教学方式是教师在要求学生获取知识，提高能力，获取学习方法的过程中所采用的方式，包括谈话式、讨论式、归纳式、讲授式、互动式、总结式和实践活动式等。教学方法是教师为了实现教学目标和完成教学任务，在教学过程中运用的方式与手段的总称[4，9]。食品工程原理涉及各个单元操作的基本原理、典型设备构造、物料衡算和能量衡算等，若按传统的教学方式和手段进行组织教学，学生学习积极性不高，学习兴趣不强，重难点不易掌握和理解，学习效果较差。因此，在食品工程原理教学过程中，教师需不断转变教学方式，改进教学方法，提高教学质量和水平。例如，传热这一单元操作，教师可从古人利用冰窖贮藏食物、世界能源短缺、全球气候变暖、能量传递和利用、传热学发展简史和热力学三大定律入手，激发学生的学习兴趣和学习动机，使学生主动求知和自主学习，加强师生相互交流，这样就可提高教师教学质量和增强学生学习效果。

4 加强师资建设，提升教师素质

教育大计，教师为本。教师是教育事业发展的第一资源，教师在教学过程中起引导和主导作用，教师素质与教学质量密切相关。加强教师队伍建设是食品工程原理课程教学改革和发展规划中一个十分重要的方面。加强教师队伍建设包括以下方面：一是建设高素质教师队伍，采取引进高层次人才和自己培养相结合的方式，不断提高教师队伍水平；二是加强师德师风建设，使一切教育工作者具备相应的道德观念、情操和品质，在言传身教过程中起着十分重要的示范作用；三是提高教师业务能力和水平，采取主讲教师定期与不定期培训学习的方式，校内与校外锻炼的方式，以此来提高教师的业务能力和水平，提升教学质量；四是加强教师奖惩制度建设，对长期从事本课程教育教学、科学研究和管理、服务工作并取得显著成绩的教师和教育工作者，可授予相应荣誉称号，颁发相应的奖章和证书，给予一定的物质奖励，以此来激励教师努力工作、勇于奉献。

5 强化实践教学，培养创新意识

当前高等学校面临的一项重要任务是转变教育思想，更新教育观念，实施创新教育，培养具有较强创新意识和创新能力的新时代大学生。培养创新型人才，着力培养学生的创新精神和实践能力。教育部曾提出：“要大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力。”加强高校实践教学有助于提高高校教育质量、培养高素质人才，适应我国社会的发展。实践教学内容包含课程实验、课程实习、课程设计、生产实习、毕业设计和毕业论文等，是理论教学的延续、补充、拓展和深化，有助于培养学生理论联系实际的实践能力、增强动手能力、提高分析问题和解决问题能力、培养创新创业精神等[6-9]。食品工程原理是一门实践性很强的应用性课程，应该以改革创新为动力，以强化学生实践创新能力为目标，坚持教学与科研结合、课内与课外结合、校内与校外结合，优化实践教学体系，建设实践教学平台，提升实践教学队伍水平，完善实践教学管理，创新实践育人模式，提高人才培养质量，为服务食品工业输送大批勤奋踏实、基础扎实、知识面宽、实践创新能力强的创新型和应用型人才[10]。

6 激发学习动机，培养学习兴趣

教学过程是由教师的教和学生的学2个方面构成的统一活动过程。教学质量不仅与教师的教学态度、教学内容、教学方法和教学效果等有关，还与学生的学习态度、学习方法和学习效果有关。学习效果的好坏与学习动机和兴趣密切相关。因此，教师在教学过程中要激发学生的学习动机，培养学生的学习兴趣，以达到预期的教学目的，提高教学质量。例如，流体力学基础这一章，可从大禹治水、都江堰水利工程入手，提出应用了哪些流体力学的原理，以此引起学生的注意，激发学习动机，培养学习兴趣。

7 参考文献

[1] 赵武奇.食品工程原理理论课教学方法探讨[J].农产品加工（学刊），2012（1）：130-132.

[2] 李忠宏，胡仲秋，段旭昌.食品工程原理理论课程教学质量的探索与实践[J].安徽农业科学，2012，40（36）：17944-17945.

[3] 严群芳.提高《食品工程原理》教学质量的实践与探索[J].科技创新导报，2008（1）：231.

[4] 刘晓艳，刘长海.提高《食品工程原理》课程教学质量的实践与探索[J].科技创新导报，2009（20）：199.

[5] 柳艳霞，汤高奇.食品工程原理课程教学改革与实践[J].农产品加工（学刊），2011（9）：140-141.

[6] 于慧春，张仲欣.“食品工程原理”课程的教学改革探讨[J].科技信息，2010（25）：145.

[7] 武昊宇.问题导向学习法在食品工程原理课程教学中的应用[J].产业与科技论坛，2011，10（22）：173.

[8] 丁明洁，陈思顺，陈新华，等.关于《食品工程原理》教学模式及方法探索[J].漯河职业技术学院学报（综合版），2005，4（4）：69-70.

第8篇：流体力学基本原理范文

作为一门研究生专业基础课，计算流体力学（CFD）涉及到离散数学、数值分析与算法、非线性偏微分方程等方面的知识，具有较强的理论深度及抽象性[1-3]。如何采用合理的教学手段，取得良好的教学效果，使研究生理解掌握CFD的基本原理及方法，是从事该课程教学的老师需要面对的一个重要课题。不同层次的研究生，其认知特点存在差异，因此教学手段和方法上也应该有所区别。笔者总结自己几年来的教学实践，对如何提高普通“211”高校的CFD教学效果，提出了自己的一些看法。

1 了解掌握授课对象的认知特征

知名高校的研究生，由于本科大多来自知名高校，或者是普通高校里面拔尖的，其理论基础相对比较扎实；而像南京师范大学能源学院这类层次的研究生培养单位，其研究生除少数来自本校外，其他基本来自普通二本或三本院校，其数学基础及计算机编程等基本功普遍较差，对流体力学、传热学专业基础知识的理解也不够深刻。

这种认知结构的差异，要求授课教师针对性地采用相应的教学手段与教学方法进行该课程的教学。作者几年的教学实践表明，直接采用知名高校的教学内容、教学素材及教学方法进行本单位的CFD教学是不合适的，无法适应本单位研究生的认知水平和认知能力，无法取得满意的教学效果。应根据本校研究生的认知特点进行CFD教学体系的建设。

2 合理设置课程教学方法

2.1 基于完整的理论体系开展教学

CFD是以计算机以依托，以编写程序为基础的一门学科，因此具备计算机编程能力是CFD特殊性的一部分。计算机程序只有在源代码完整、规范、正确的情况下才能进行正确的运算。因此，无论针对什么层次的研究生，在进行该课程教学时，都必须做到内容周到、完整。

质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程等三大守恒方程，以及模拟湍流流动的时均N-S方程及其封闭模型，是CFD的理论基础，研究生必须理解掌握[4]。CFD采用的离散方法主要有有限差分法和有限容积法，目前主流的商业软件都采用有限容积法，而有限容积法是在有限差分法基础上发展起来的，因此需要深入地讲解有限差分法和有限容积的基本离散原理。必须让学生掌握扩散和扩散―对流两种条件下的离散格式，掌握各种条件下控制容积节点系数和边界系数的求解模型极其物理意义。三对角阵算法（TDMA）、交替方向隐式方法（ADI）等是CFD的重要内容，因为在内迭代层次上，需要对离散的线性代数方程组进行求解。对于对流―扩散问题，由于质量守恒方程与N-S守恒方程之间是非线性的关系，因此需要学习掌握SIMPLE―经典的分离式求解方法―的基本原理和方法。边界条件的处理虽然相对比较简单，但若处理不当，亦会导致程序无法运行，计算结果不正确，因此这部分内容也需重视。动量方程、能量方程、湍动能方程、湍流耗散率方程的边界处理各有不同，其相应的处理方法，都需要学生理解掌握。

2.2 突出教学重点

实践表明，CFD的理论基础，即质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程等三大守恒方程，尤其是方程中非稳态项、对流项、扩散项和源项的物理意义，必须花费大量时间进行充分的讲解。原因在于，这部分内容物理概念抽象，涉及诸多非线性偏微分方程，难度较大，学生不易掌握，导致很多高校在本科教学中很少讲或者不讲这部分内容；对于本单位的研究生，专业基本功稍差，因此在学习这部分内容时普遍感觉有难度，看不懂、听不明白。但对研究生而言，尤其是将来可能从事数值研究的研究生而言，掌握这部分内容是必须的，因为三大守恒方程是CFD的理论基础。并且，只有充分理解和掌握守恒方程中各项的物理意义，才能应用有限容积法或有限差分法对偏微分方程进行数值离散，才能在此基础上学习模拟湍流流动的基于时均N-S方程的经典模型。

有限差分法和有限体积法是CFD课程的核心内容之一，它将无法求得解析解的非线性偏微分方程数值离散成线性代数问题，从而获得数值解。对本校层次的研究生而言，在理解和掌握有限差分法中以差分代替微分、差商代替微商的思想和有限体积法中的控制体积分的思想方面，存在一些困难。非线性偏微分方程及其定解条件的离散方程的相容性证明，数值解的收敛性及稳定性证明，对研究生而言，也存在理解上的困难。

以上两部分内容是CFD的重中之重，对于本校层次的研究生而言，需要重复讲解，一遍讲解之后，了解研究生理解上的盲点，再针对盲点，有的放矢地进行第二遍讲解，力求达到教学目的。对于这部分内容，务必从数学层面上、物理意义上，对其来龙去脉，进行深入讲解，不能怕麻烦。

2.3 培养学生编程能力

对于知名高校的研究生而言，由于其编程基本功相对较好，在本科阶段也学过数值分析与算法等课程，因此，在进行教学时，可以将重点放在基本原理的讲解上，编写CFD计算机程序可以由他们自己去完成。但对于本校层次的研究生而言，普遍存在由于编程基本功较差，无法应用所学CFD理论知识编写程序，哪怕是最简单的计算扩散问题的程序；反过来这又影响他们对CFD理论知识的理解和掌握。CFD作为一门基于计算机的新型独立学科，能够应用CFD理论进行流场计算程序的开发是基本能力与素质。并且，在科研及工程实践中，很多时候需要对商业软件进行二次开发（udf）[5-6]，以满足特定的模拟需求。因此，培养研究生的编程能力，是该课程教学的一项重要内容。作者在教学过程中，强制要求研究生必须自己动手编写程序，从最简单的扩散问题开始，先看别人编写的程序，再在此基础上自己学着写，个人独立完成。这作为他们课程考核的一部分。事实上，这样做也确实取得了一些良好的效果。研究生在编写程序的过程中，从无从下手到不断发现问题，在摸索中不断增强其对CFD相关知识点的理解和掌握，编程能力也大大提高。

2.4 结合FLUENT等CFD商业软件

随着FLUENT等CFD商业软件的不断发展，一些常见的、成熟的流体力学问题的模拟都可以基于商业软件完成。CFD商业软件平台的背后就是CFD理论，因此，结合FLUENT等CFD商业软件的具体使用，可以帮助研究生理解CFD的相关概念如SIMPLE算法、亚松弛因子、迭代、网格生成等。事实上，有些研究生在本科阶段参加一些科研创新项目或毕业设计的时候也会一定程度上接触到FLUENT等商业软件，但他们仅会按图索骥，却不知其里。因此在课堂或课后安排研究生使用CFD商业软件模拟具体的流体力学问题，再结合CFD相关知识点，解释分析他们在使用软件中遇到的困惑或不解，将能够非常有效地帮助他们理解CFD相关知识点。与此同时，掌握了CFD理论知识，也能够帮助他们更深入地了解商业软件，从而更充分、高效地使用商业软件，更好地拓展商业软件的使用范围。比方说，掌握CFD相关理论原理及知识和足够的语言开发能力，研究生能够对基于udf对FLUENT商业软件进行程序的二次开发。

第9篇：流体力学基本原理范文

关键词：创新能力；TRIZ理论；教学环节

作者简介：曹贺（1978-），女，辽宁昌图人，黑龙江科技学院机械工程学院，副教授；刘训涛（1975-），男，黑龙江鸡西人，黑龙江科技学院机械工程学院，副教授。（黑龙江　哈尔滨　150027）

基金项目：本文系黑龙江省高教学会“十二五”规划课题“TRIZ理论在本科教学中的应用与大学生创新能力培养的研究”（项目编号：HGJXHC110906）、黑龙江省教育科学规划课题“基于卓越工程师培养的本科毕业设计改革的研究与实践”（项目编号：GBC1211109）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）31-0027-02

高校推行教学改革进行素质教育，构建新型人才培养模式，必须重点突出创新，必须坚持知识、能力和素质的辩证统一。专业知识的传授是教育的主要内容之一，但知识不等于能力，更不等于综合素质。理论教学包括基础课和技术基础课等一系列课程，实践教学包括各类实验、实习、课程设计、毕业设计等。[1]为适应新时期应用型人才培养的要求，必须要使创新能力培养贯穿于教学的每个环节。即将理论教学与实践教学很好地融合，将创新能力培养贯穿其中。

一、大学生创新能力的培养有规可循

联合国教科文组织丛书《教育——财富蕴藏其中》指出：“在社会和经济迅速变革的世界里，可能更重视想象力和创造性。”大学生是创新人才的主力军，蕴藏着强烈的创新潜能，需要去培养开发。大学生精力旺盛，朝气蓬勃，乐于接受新事物，不愿意固守陈规，他们思想活跃，精力充沛，善于学习，创新欲望强。大学生这些积极的特点需要爱护并正确引导，培养、开发和挖掘大学生的创新潜能。

人的创造性是随着人的大脑进化而进化的，其存在的形式表现为创新潜能，将创新潜能转化为显能，也就是创新能力，这就是创新的可开发性，即创新能力是可以激发和提升的，创新思维是可以通过训练培养的。

TRIZ是解决发明问题的理论。TRIZ理论是前苏联阿奇舒勒等研究人员在分析研究了全世界250万件专利的基础上所提出的发明问题解决理论。TRIZ理论认为发明问题的基本原理是客观存在的，发明问题具有可预见性。TRIZ研究人员发现，在一个工程领域中总结出的技术系统进化法则、发明原理及解决方案可在另一工程领域实现。[2]正是在进行这些研究的基础上，形成了解决发明问题的系统化方法——TRIZ理论。其中的进化法则、40个发明原理、矛盾矩阵、物-场模型分析、76个标准解法、ARIZ等发明创造模型成为了开启创新之门的“金钥匙”。应用TRIZ理论时，首先要将待解决的问题抽象转化为TRIZ问题，然后利用TRIZ的发明原理、标准解等工具，得出该TRIZ问题的解决方案模型，最后再通过类比应用转化为该问题的最终解决方案。[3]

大学生的创新思维和创新能力的培养和开发可以借助TRIZ理论这个系统化的创新工具，将TRIZ理论融入到教学的各个环节当中，形成基于TRIZ理论的创新训练框架。如图1所示。

二、理论教学中结合TRIZ理论

创新能力是靠教育、培养和训练激励出来的。在课程教学中引导学生进行自我训练，有意识地观察和思考一些问题，如“为什么”、“做什么”、“应该怎样做”、“是不是只能这样”、“有没有更好的方法”等。依托与日常生活及各行业联系紧密“工程流体力学”和“液压与气压传动”等专业基础课，在教学过程中引导学生思考现实生活中的各种现象，启发学生根据需要提出问题，并采用发散性思维解决实际问题。[1]让学生在课堂中用TRIZ理论进行思考、讨论，拓展学生分析和解决问题的思路，激发创新意识，进行创新思维训练。比如，在“液压与气压传动”课程中，适当地加入训练学生发散思维的环节，请学生运用TRIZ中的发明原理及技术矛盾解决矩阵来设计某些液压元件的改进形式，或改变回路的布置方式来实现同样的功能。从而使学生更加深入透彻地了解和掌握课程内容。又如，在“工程流体力学”课程教学中，流体力学的现象很多，在讲授流体力学现象的时候，不按常规的方式去解释现象及其原理，而是采用科学发现的方式，通过现场实验或flas直观展示流体现象的整个过程，引导学生观察和思考，从而解释现象，揭示其原理，这比灌输式的教学方法更能使学生印象深刻，同时锻炼了学生分析和解决问题的能力。

三、实验教学中引入TRIZ理论

综合性设计性实验主要是用来培养学生综合运用所学理论分析问题和解决问题的能力。[4]这些实验不同于验证性实验，需要学生充分发挥创新思维能力对实验进行设计和分析。比如，在液压传动综合实验的教学中，首先由学生自拟实验方案，选取实验元件，设计回路。其次在液压系统仿真软件Automation Studio下进行系统模拟，该软件具有对液压系统虚拟设计、模拟、测试、分析等功能，通过模拟可以进一步完善、修改液压系统的设计及分析等工作。最后在我校力士乐液压实验台上安装、调试系统，并进行相关参数测试。在综合性设计性实验的教学中引入TRIZ理论，启发学生的创新思维来完成实验内容。同时，鼓励学生找出现有实验方法的不足，怎样利用这些不足？这样可以帮助他们发现有价值的内容，提出改进的方向，增加系统的理想度，指导学生应用TRIZ理论中消除矛盾的规律找出可行性方案。

四、课程设计和毕业设计中应用TRIZ理论