流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬仿真技術(shù)結(jié)合方法探討

趙恩金　程飛　孫均楷　唐鉞詔

摘要：流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)為許多高等院校流體相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修課程。通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對(duì)流體原理的理解，在物理層面上提高流體力學(xué)的教學(xué)效率。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為流體分析的另外一種工具。如何實(shí)現(xiàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真的有效結(jié)合，一直是現(xiàn)在流體力學(xué)教學(xué)體系的關(guān)鍵點(diǎn)，文章從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面論述了相應(yīng)的結(jié)合方法，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：流體;實(shí)驗(yàn);數(shù)值模擬;教學(xué)方法;能力培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0378-02

一、研究背景

流體一般包括液體和氣體兩類(lèi)，與人類(lèi)的日常生活及社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。流體力學(xué)具有典型的物理屬性，通過(guò)實(shí)踐能更好地加深對(duì)該門(mén)學(xué)科的理解。因此，現(xiàn)代流體力學(xué)教學(xué)中，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)成了流體力學(xué)這門(mén)課的典型配套課程。實(shí)驗(yàn)課程一般要求以學(xué)生為核心，確立學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)地位，教師起輔助作用，這種教學(xué)模式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的多數(shù)高校中持續(xù)了多年，并且起到了一定的積極作用。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，流體數(shù)值仿真在科學(xué)研究、教育教學(xué)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，如何能將物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合一直是現(xiàn)在教學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，為了能在結(jié)合方面有所突破，應(yīng)對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真技術(shù)進(jìn)行深入剖析，找到其共同點(diǎn)。除此之外，在教學(xué)方法上也應(yīng)有所突破，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

二、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)流體力學(xué)多年的發(fā)展，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)也有了完整的教學(xué)體系。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循一定的物理規(guī)律，能夠更直觀地反映流體的變化情況。因此，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理規(guī)律的重要體現(xiàn)形式，具有物理規(guī)律的課程應(yīng)圍繞著教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。在課堂上，教學(xué)模式一般是老師首先對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示性操作并進(jìn)行原理講解，學(xué)生根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)條件，按照規(guī)定的步驟完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自己涉及實(shí)驗(yàn)條件并進(jìn)行拓展操作得出結(jié)論。然而，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，理論課部分，一些學(xué)生已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了估計(jì)，實(shí)驗(yàn)只表現(xiàn)成了一種形式。這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。通過(guò)對(duì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在著一些問(wèn)題。教師操作太快，講述不清，導(dǎo)致學(xué)生跟不上教學(xué)節(jié)奏;學(xué)生理論學(xué)習(xí)不扎實(shí)或?qū)?shí)驗(yàn)不感興趣，遇到問(wèn)題無(wú)法自行解決，不求甚解。由于長(zhǎng)期進(jìn)行理論知識(shí)的培養(yǎng)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)在思維上進(jìn)行了淡化，而忽略了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)意義，出現(xiàn)問(wèn)題不能有效指出實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤。

三、虛擬仿真分析

虛擬仿真技術(shù)主要指通過(guò)模擬的方法把一些物理現(xiàn)象虛擬顯示的技術(shù)，關(guān)鍵在于在完全虛擬的系統(tǒng)上建立模擬的真實(shí)系統(tǒng)，并且該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了多種學(xué)科和領(lǐng)域[3-4]。在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)虛擬仿真需要三個(gè)方面的步驟：第一，對(duì)流體力學(xué)的理論知識(shí)能熟練掌握，能夠?qū)⒁恍├碚摴竭M(jìn)行編程，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)生成環(huán)境;第二，能夠?qū)⒂?jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并可視化顯示，能夠?qū)@種虛擬環(huán)境有一定的感知，使其具有高度逼真的特點(diǎn);第三，能夠通過(guò)一些方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制，使模擬結(jié)果能夠快速響應(yīng)輸入?yún)?shù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)更新圖像，顯示結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，虛擬仿真一種綜合性的技術(shù)，能夠?qū)⒘黧w力學(xué)中的理論知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用較先進(jìn)的信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)顯示。在進(jìn)行模擬時(shí)，需要建立一個(gè)用于仿真的真實(shí)工程文件，比如，某一種流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。一方面節(jié)省物力，另一方面，參數(shù)可調(diào)性高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的合理性及科學(xué)性高，不需要耗費(fèi)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間。針對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬模擬涉及計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)，主要用到的方法是對(duì)流體的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒方程的離散。

四、物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法

為了提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，有必要在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)在的模擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真的有效結(jié)合。

第一，教師應(yīng)提前做好準(zhǔn)備工作，理解學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，盡量利用較多的授課方式吸引學(xué)生對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，營(yíng)造活躍的課堂氛圍，促使學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)新知識(shí)，同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

第二，教師在授課過(guò)程中，注意理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合性，由淺入深地建立流體力學(xué)學(xué)科的教學(xué)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)好每一次的教學(xué)步驟及實(shí)驗(yàn)方案，并保持這種物理學(xué)科的邏輯思維一致性，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)體系具有完整性及嚴(yán)謹(jǐn)性。

第三，學(xué)生應(yīng)做好預(yù)習(xí)工作，掌握流體力學(xué)的基本規(guī)律是最基本的要求，注意理解流體力學(xué)物理規(guī)律中蘊(yùn)含的科學(xué)方法，并能夠利用這些規(guī)律解釋流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做到理論與實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)合。

第四，在學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，仔細(xì)揣摩實(shí)驗(yàn)儀器的每個(gè)部件在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的作用，并按照流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行規(guī)范實(shí)驗(yàn)，一方面，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論;另一方面，對(duì)照流體力學(xué)的理論規(guī)律，能充分解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

第五，在本科生階段，學(xué)生難以完全建立真正的數(shù)值模型，需要借助已經(jīng)搭建好的數(shù)值模擬平臺(tái)進(jìn)行流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬。教師需要提前借助現(xiàn)有的一些軟件或者程序布置好數(shù)值模擬的環(huán)境，并將一些流體力學(xué)的基本理論在計(jì)算中的模擬進(jìn)行細(xì)致講解，使學(xué)生能了解數(shù)值模擬后臺(tái)運(yùn)行的程序。教授學(xué)生一些程序或者軟件控制的方法，能使學(xué)生自行建立模擬文件及參數(shù)控制。

第六，教師教授學(xué)生將生成的數(shù)值模擬文件進(jìn)行后期分析及制作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的可視化，對(duì)比物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，在學(xué)生對(duì)流體力學(xué)掌握的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的科研能力。并能借助數(shù)值模擬軟件解決一些實(shí)際中的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生的科研興趣，端正科學(xué)態(tài)度和保持理性的科學(xué)思維。

五、總結(jié)

通過(guò)對(duì)流體力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及流體數(shù)值模擬仿真的研究，發(fā)現(xiàn)兩者的共同點(diǎn)，利用該共同點(diǎn)，建立兩者的關(guān)系，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬并可視化，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果，總結(jié)流體的現(xiàn)象并利用基本理論知識(shí)進(jìn)行解釋?zhuān)岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)及科研能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙恩金，牟林，程飛，蔣浩宇，李健.基于虛擬實(shí)驗(yàn)的海洋工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)生培養(yǎng)模式探討[J].教育教學(xué)論壇，2018，386（44）：151-153.

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[4]趙恩金，牟林，蔣浩宇，李健，程飛.海洋發(fā)展新形勢(shì)下海洋工程與技術(shù)學(xué)科的建設(shè)探討[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018，（增刊）：293-298.

Discussion on the Combination of Fluid Dynamics Experiments and Numerical Simulation Technology

ZHAO En-jin，CHENG Fei*，SUN Jun-kai，TANG Yue-zhao

（College of Marine Science and Technology，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan，Hubei 430074，China）

Absrtact：Fluid mechanicsexperiment is a compulsory course for many fluids-related majors in universities.Through the experiment of fluid mechanics，students can deepen their understanding of the principle of fluid and improve the teaching efficiency of fluid mechanics at the physical level.With the development of computer，numerical simulation technology has become another tool for fluid analysis.How to realize the effective combination of fluid mechanics experiment and numerical simulation has always been the key point of the current teaching system of fluid mechanics.This paper discusses the corresponding combination methods from both theoretical and practical aspects.

Key words：fluid;experiment;numerical simulation;teaching model;ability training

收稿日期：2019-07-17

項(xiàng)目資助：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目基金（編號(hào)：YJG2019201）;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）本科教學(xué)項(xiàng)目基金（編號(hào)：2019A72，2019A48）;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（編號(hào)：SKJ2019129）;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)教材項(xiàng)目基金（編號(hào)：SJC201907）

作者簡(jiǎn)介：趙恩金（1986-），博士，講師，主要從事海洋環(huán)境水動(dòng)力等方面的教學(xué)與研究工作。

通訊作者：程飛（1987-），博士，副教授，主要從事勘探地球物理方面的教學(xué)和科研工作。