以應(yīng)用為導向的化工流體力學討論課的開展

王 娟

(中國石油大學化學工程學院，北京 102249)

?

以應(yīng)用為導向的化工流體力學討論課的開展

王 娟

(中國石油大學化學工程學院，北京 102249)

為了幫助學生更好的學習《化工流體力學》這一課程的理論知識，并將其運用到科學研究實踐中，筆者引入了以學生為中心的教學理念，以工程應(yīng)用為學習導向，開展了相關(guān)的專題討論課，取得了良好的教學效果。學生學習該課程后，對后續(xù)的學術(shù)研究具有很大的幫助，快速的將本課程的基本理論應(yīng)用到研究課題中，提高學生利用流體力學知識解決工程實踐問題的能力。

流體力學；化學工程；工程應(yīng)用；專題討論

流體力學是研究流體平衡和運動規(guī)律、流體與所接觸物體之間相互作用的學科，是力學的一個重要的分支，對于解決實際工程問題具有重要的理論指導意義[1]?；どa(chǎn)過程中都要涉及到流體或包含固體的兩相或多相流體的流動過程，如固-液、氣-液、氣-固、氣液固等各種多相體系。運用流體力學的基本原理和規(guī)律，探討化工設(shè)備中流體運動規(guī)律及其對化工過程的影響，從而為化工設(shè)備的設(shè)計、放大、強化奠定理論基礎(chǔ)，這是化工流體力學的主要內(nèi)容和目的[2]。

1 化工流體力學課程的教學定位

化工流體力學是一門流體力學基本理論與化工工程實踐緊密結(jié)合的課程，是化工類研究生必選的一門課程，與學生后續(xù)的學術(shù)研究、學術(shù)論文內(nèi)容也密切相關(guān)。學習該課程的目的是為了后續(xù)學術(shù)研究服務(wù)。學習過程中，大多數(shù)學生被深奧的理論、繁雜的概念和高階偏微分方程所難倒。這就要求學生必須要有扎實的高等數(shù)學知識、靈活的綜合分析問題和處理問題的能力[3]。因此，在教學過程中，既要求學生掌握流體力學的基本原理和知識，又要強調(diào)學生充分利用所學的知識去解決學術(shù)研究中可能面臨的工程實踐問題。確定了明確的學習目標，輔以高效的學習方法，才能使學生在進入學術(shù)課題研究階段以后，快速的開展學術(shù)研究。

2 以學生為中心的教學理念

“高等教育需要轉(zhuǎn)向以學生為中心的新視角和新模式”，早在1998年聯(lián)合國教科文組織在高等教育大會宣言中提出。近年來，國內(nèi)外的高等教育學者們試圖把學生及其需要作為教育教學改革的目標，以學生為中心的新理念得到了廣泛的重視和傳播。

2.1 “新三中心”與“老三中心“的比較

以學生為中心包括：以學生發(fā)展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心三大基本內(nèi)容。老三中心則是：以教師為中心、以教材為中心、以教室為中心，即教師在教室里講教材。新三中心不是指教師與學生角色、身份、地位的高低，而是指教學理念、管理方式、教學方法、評價手段的轉(zhuǎn)變[4]。

2.2 以學生為中心的教育理念內(nèi)涵

華中科技大學趙炬明教授在文獻[5]中詳細闡述了傳統(tǒng)教學模式的缺陷和以學生為中心(SC)的新教學模式的概念和發(fā)展歷程，并指出了我國高等教育可以學習美國的以學生為中心的教學改革的同時，還需要吸取經(jīng)驗教訓。新三中心教育理念的內(nèi)涵可以概括如下：

以學生發(fā)展為中心：以學生當前狀態(tài)為基礎(chǔ)，以促進其發(fā)展為目的，完成特定發(fā)展任務(wù)，發(fā)掘?qū)W生潛力，促進全面發(fā)展。

以學生學習為中心：把學生學習作為教育的中心，教師要設(shè)計教學活動，營造良好的學習環(huán)境，輔導學生完成學習任務(wù)。

以學習效果為中心：強調(diào)學習效果，包括直接效果和間接效果，重視及時反饋和效果評價，及時調(diào)整學生學習和教師教學工作。

3 化工領(lǐng)域的流體力學與工程實踐問題的結(jié)合點

化工領(lǐng)域離不開設(shè)備。典型化工設(shè)備內(nèi)的流體流動規(guī)律、設(shè)計、優(yōu)化、放大、強化等工作都離不開流體力學基礎(chǔ)知識的指導?；瘜W工業(yè)處理的流體不只是水和空氣，還涉及到各種有機、無機溶液、懸浮液、泡沫等多相流體體系。多相流體流動體系在各種類型的化工設(shè)備中運動，現(xiàn)象復雜，影響設(shè)備性能的因素眾多。同時，化工設(shè)備中的流體流動常伴有傳熱、傳質(zhì)以及化學反應(yīng)，它們對流體流動都具有一定的影響。此外，化工設(shè)備如分離設(shè)備、混合器、反應(yīng)器等種類繁多，幾何形狀復雜。從流體力學的角度，分析上述化工設(shè)備內(nèi)的流體流動規(guī)律都具有很大的難度，也是化學工程研究中的一個重要領(lǐng)域。下面以化工領(lǐng)域典型的反應(yīng)器設(shè)備為例，說明反應(yīng)器內(nèi)部的流體流動特征。

3.1 攪拌槽反應(yīng)器中的流動問題

攪拌槽反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括槽、葉輪、擋板等，內(nèi)部的流體流動屬于內(nèi)外邊界同時存在的流動問題。影響流動的主要參數(shù)有：葉輪的形狀、尺寸、數(shù)目；槽的形狀、尺寸；擋板的數(shù)目、寬度等。其中最主要的影響因素是葉輪直徑和槽的直徑之比。

3.2 鼓泡塔反應(yīng)器中的流動問題

鼓泡塔的基本結(jié)構(gòu)比較簡單，但局部流動、湍流、持氣量之間存在復雜的相互作用。鼓泡塔的結(jié)構(gòu)尺寸不同，流動特征不同。鼓泡塔內(nèi)涉及氣泡的聚并與破碎、液體循環(huán)、軸向混合和橫向分布不均勻等復雜的兩相流問題。

3.3 固定床反應(yīng)器中的流動問題

固定床反應(yīng)器中流體流動特征是多孔介質(zhì)流動。該反應(yīng)器的功能與作用是化學反應(yīng)器或干燥器或分離器。采用工程簡化方法，可以將固定床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動問題簡化為：管流內(nèi)部流動問題(將空隙串接起來形成虛擬的管道)和外部問題(將顆粒孤立，流體繞過顆粒)。

3.4 流化床反應(yīng)器中的流動問題

流化床反應(yīng)器內(nèi)大多為氣液固三相流動，流動特征更為復雜。當床層靜止時，即為固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器中的三相流動伴隨著傳遞、反應(yīng)、混合的耦合作用。影響流化床反應(yīng)器操作的主要因素包括外形和內(nèi)部構(gòu)件形狀。

綜上所述，化工設(shè)備中的流體流動，還不能簡單的用外部問題和內(nèi)部問題這兩大類進行全部概括，更多的是同時具有內(nèi)外邊界的流動問題。此外，計算流體力學在化學工程中的應(yīng)用已相當普遍。在傳遞過程(計算傳熱、計算傳質(zhì))以及反應(yīng)器(計算反應(yīng)工程)方面尤為突出。

4 教學過程中專題討論課的開展與實踐

筆者對以學生為中心的教學理念進行了調(diào)研，并在化工流體力學研究生課程中進行了嘗試。設(shè)計了學生主講、與科研課題緊密結(jié)合的專題研討課教學活動，將流體力學的基礎(chǔ)知識與工程實踐有效的結(jié)合，指導學生快速進入學術(shù)研究工作。在專題討論課的開展過程中，教師提前征集和發(fā)放研討題目、研討任務(wù)和具體要求，學生結(jié)合課上所學流體力學知識，利用課余時間充分進行文獻調(diào)研和總結(jié)，在課上進行學習交流和討論，將流體力學與化工應(yīng)用實例相結(jié)合的工程案例展現(xiàn)在老師和同學面前，拓展學生的知識面，提升工程意識。研討的題目以學生今后可能從事的學術(shù)研究為導向，比如包括催化裂化沉降器、旋風分離器、水力旋流器、固定床加氫反應(yīng)器、懸浮床加氫反應(yīng)器、換熱器、離心泵、攪拌槽反應(yīng)器等化工設(shè)備內(nèi)的流體流動問題、特征、規(guī)律及發(fā)展的前沿動態(tài)。將研討課堂發(fā)展為一場小型學術(shù)交流會議，拓展學生的學術(shù)視野，調(diào)動學生學習化工流體力學的積極性，強化工程應(yīng)用的導向，提高學習效果。

5 結(jié) 語

筆者以化工類研究生《化工流體力學》理論課程的教學改革為核心，引入“以學生為中心”的教學理念，以工程應(yīng)用為導向，開展了緊密結(jié)合工程實踐的專題研討課，拓寬學生的學術(shù)視野和學習興趣，提升教學效果。

[1] 袁恩熙.工程流體力學[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[2] 戴干策,陳敏恒.化工流體力學[M].北京:化學工業(yè)出版社,1988:678-681.

[3] 劉起霞,鄒劍鋒,王海霞.實際工程中的流體力學[J].力學與實踐,2006,28(6):90-92.

[4] 吳紹芬.實踐以學生為中心提升本科教學質(zhì)量[J].中國大學教育,2012(15):50-51.

[5] 趙炬明.論新三中心:概念與歷史—美國SC本科教學改革研究之一[J].高等工程教育研究,2016(3):35-56.

Development of Application-oriented Chemical Fluid Mechanics Course Seminar

WANGJuan

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In order to help students to better understand the theoretical knowledge of course of Chemical Fluid Mechanics and apply it to the practice of scientific research, the student-centered teaching idea was introduced taking the engineering application as the learning orientation, good teaching results were achieved. After the students studied the course, it will have great help to the following academic research, apply the basic theory of this course to the research topic quickly, and improve the students’ ability to solve the engineering practice problem by using the knowledge of hydrodynamics.

fluid mechanics; chemical engineering; engineering applications; thematic discussions

王娟(1977-)，女，副教授，主要從事過程裝備與控制相關(guān)的教學和科研。

G642 0

A

1001-9677(2016)024-0163-02