工程流體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

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摘要：根據(jù)地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的宗旨，結(jié)合山東省航空特色的地方院校-濱州學(xué)院的流體力學(xué)課程發(fā)展的現(xiàn)狀，提出了流體力學(xué)這門基礎(chǔ)課程的理論與實(shí)驗(yàn)的教改措施，使得學(xué)生全方位、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)流體力學(xué)知識。

關(guān)鍵詞：地方高校；流體力學(xué)；理論；實(shí)踐

0引言

以航空為特色的濱州學(xué)院的航空專業(yè)學(xué)生，流體力學(xué)是后期學(xué)習(xí)氣體動(dòng)力學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造、航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理等等課程的基礎(chǔ)課程，航空發(fā)動(dòng)機(jī)分為活塞式和噴氣式，目前大型飛機(jī)多采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的推力，其原理是從外部大氣中吸入大量的氣體經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后部分氣體流入燃燒室和燃油充分混合燃燒后形成高溫高壓的熱氣流入渦輪，最后所有吸進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體由尾噴管噴出，吸入前和排除的氣體發(fā)生了變化變?yōu)楦邏焊邷馗咚贇怏w，根據(jù)力的反作用，由尾噴口噴出的氣體可在發(fā)動(dòng)機(jī)上產(chǎn)生強(qiáng)勁的推力，先進(jìn)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)階段會(huì)根據(jù)相應(yīng)的流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)不同管徑的流道，設(shè)計(jì)壓氣機(jī)和渦輪的葉片，因此理順流體力學(xué)的知識點(diǎn)及學(xué)習(xí)思路至關(guān)重要。流體力學(xué)的研究方法可分為理論方法、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值方法[1-2]。因此在教學(xué)時(shí)，可將3種研究方法貫穿流體力學(xué)的教學(xué)過程中。課程學(xué)習(xí)目標(biāo)有如下4項(xiàng)：①了解流體力學(xué)與其他力學(xué)的本質(zhì)的區(qū)別；②掌握最基本的流體力學(xué)理論知識點(diǎn)，如靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等；③具有應(yīng)用流體力學(xué)的知識，分析、處理基本流體力學(xué)問題的能力；④利用數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。

1理論方法

理論知識的學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而流體力學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)過程中，多注重公式的推導(dǎo)。本文以流體力學(xué)的三大方程之一的連續(xù)性方程為例，講解該公式學(xué)習(xí)的具體的過程，連續(xù)性方程式是質(zhì)量守恒在流體力學(xué)中的表達(dá)式。首先學(xué)習(xí)連續(xù)性微分方程。需要建立流體的模型，在空間坐標(biāo)系下選取一個(gè)微小的直角六面體A，并假設(shè)六面體內(nèi)流體的密度ρ有梯度，六面體內(nèi)流體的流動(dòng)沿著x、y、z軸向，速度為ux、uy、uz，如圖1所示。dt時(shí)刻內(nèi)微小的直角六面體A的質(zhì)量流量該變量駐M可分解為在x、y、z方向上質(zhì)量流量的改變量駐Mx、駐My、駐Mz。以x方向?yàn)槔?，dt時(shí)間內(nèi)，流進(jìn)六面體A的流體質(zhì)量流量Mx為ρuxdxdydt，流出六面體A的流體質(zhì)量流量Mx′為。因此，dt時(shí)刻內(nèi)在x方向上的流出的質(zhì)量流量駐Mx可表示為：根據(jù)上述推導(dǎo)，可知dt時(shí)刻內(nèi)在y、z方向上流出的質(zhì)量流量駐My、駐Mz的大小表示為：因此，dt時(shí)刻內(nèi)流出微小的直角六面體A的質(zhì)量流量駐M：結(jié)合質(zhì)量守恒定律，可推出dt時(shí)刻內(nèi)直角六面體A的質(zhì)量流量的變化量的變化關(guān)系。質(zhì)量流量與密度、體積、速度的變量有關(guān)，又因?yàn)轶w積及速度沒有變化，因此只和密度有關(guān)?？刂企w內(nèi)密度的減小而減少的質(zhì)量流量：然后學(xué)習(xí)恒定總流的連續(xù)性微分方程對總流的積分。從恒定總流A任意截取出來的細(xì)微的一段管道稱為控制體[3-4]。其控制面如圖2所示。過流斷面截面積為A1、A2，平均流速為u1、u2。在單位時(shí)間內(nèi)，經(jīng)控制面流進(jìn)流出控制體積內(nèi)的液體質(zhì)量流量應(yīng)相等。因此可得：u1A1=u2A2即可知截面處的速度與面積成反比關(guān)系，截面積越大速度越小，反之亦然。

2實(shí)驗(yàn)操作

理論知識的學(xué)習(xí)，離不開強(qiáng)力的邏輯思維能力，但是地方高校學(xué)生普遍缺乏此能力。而結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備，適當(dāng)?shù)母M(jìn)實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生理解理論知識，及時(shí)互動(dòng)。因此設(shè)計(jì)了基于截面積改變，流體流速變化情況的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)室采用了氣體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺模擬風(fēng)速，斜壓計(jì)測量截面處的動(dòng)壓強(qiáng)，斜壓計(jì)顧名思義就是液壓管傾斜放置的測壓儀器，與桌面存在夾角，因壓強(qiáng)變化量相對較小，傾斜放置可比豎直放置的管路讀取的壓強(qiáng)數(shù)值更為精確。如圖3所示。根據(jù)斜壓計(jì)的讀值，由下列公式計(jì)算流速。試驗(yàn)前先做好準(zhǔn)備工作，如連接好皮托管與斜壓計(jì)的橡膠管，皮托管可感受來流總壓和靜壓，從而得到動(dòng)壓差，皮托管如圖4所示。把斜壓計(jì)根據(jù)基座上的校正氣泡調(diào)成水平放置，在斜壓計(jì)內(nèi)適當(dāng)?shù)姆湃氩糠譄o水乙醇，純度為99.7%，它的密度為0.790*103kg/m3。液面和斜壓計(jì)0點(diǎn)重合。靜止時(shí)斜壓計(jì)讀數(shù)為0mm。實(shí)驗(yàn)過程中，可通過調(diào)整出風(fēng)口截面積的大小，觀測斜壓計(jì)內(nèi)讀值（流速）與試驗(yàn)段截面積的關(guān)系，截面形狀示意圖如圖5所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析可知，在模擬風(fēng)速不變的情況下，流速與截面積的大小成反比，截面積越大流速越小。而在日常生活中，我們能看到很多的現(xiàn)象和此原理有關(guān)，如河道突然變窄的區(qū)域水流速度很大，山谷里的風(fēng)比平地上的風(fēng)大。

3總結(jié)

理論知識的學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而流體力學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)過程中，多注重公式的推導(dǎo)，所以必須把公式的推導(dǎo)講清楚，給學(xué)生理順?biāo)悸?。在學(xué)習(xí)完深?yuàn)W的理論公式時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，帶領(lǐng)學(xué)生身臨其境體驗(yàn)其中的科學(xué)奧秘。興趣是學(xué)習(xí)最佳的導(dǎo)師，結(jié)合濱州學(xué)院此類應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)，在理工科課程學(xué)習(xí)時(shí)，可結(jié)合課程及實(shí)驗(yàn)條件，理論和實(shí)踐有效銜接，拓寬思路，便于理解及掌握知識點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鶴年主編.流體力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]韓占忠，王國玉主編.工程流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[3]孔瓏主編.工程流體力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1992.[4]沈小雄主編.工程流體力學(xué)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2009.

作者:焦園圓 單位:濱州學(xué)院