工程流體力學理論和實驗教學探究

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摘要：根據地方高校應用型人才培養的宗旨，結合山東省航空特色的地方院校-濱州學院的流體力學課程發展的現狀，提出了流體力學這門基礎課程的理論與實驗的教改措施，使得學生全方位、動態學習流體力學知識。

關鍵詞：地方高校；流體力學；理論；實踐

0引言

以航空為特色的濱州學院的航空專業學生，流體力學是后期學習氣體動力學、航空發動機構造、航空發動機原理等等課程的基礎課程，航空發動機分為活塞式和噴氣式，目前大型飛機多采用噴氣式發動機產生飛機向前運動的推力，其原理是從外部大氣中吸入大量的氣體經壓氣機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，最后所有吸進發動機的氣體由尾噴管噴出，吸入前和排除的氣體發生了變化變為高壓高溫高速氣體，根據力的反作用，由尾噴口噴出的氣體可在發動機上產生強勁的推力，先進的噴氣式發動機在設計階段會根據相應的流體力學原理設計不同管徑的流道，設計壓氣機和渦輪的葉片，因此理順流體力學的知識點及學習思路至關重要。流體力學的研究方法可分為理論方法、實驗方法、數值方法[1-2]。因此在教學時，可將3種研究方法貫穿流體力學的教學過程中。課程學習目標有如下4項：①了解流體力學與其他力學的本質的區別；②掌握最基本的流體力學理論知識點，如靜力學、動力學、運動學等；③具有應用流體力學的知識，分析、處理基本流體力學問題的能力；④利用數值方法和實驗方法，培養學生分析數據、整理數據、撰寫實驗報告的能力。

1理論方法

理論知識的學習是學生學習時的基礎環節，而流體力學理論知識的學習過程中，多注重公式的推導。本文以流體力學的三大方程之一的連續性方程為例，講解該公式學習的具體的過程，連續性方程式是質量守恒在流體力學中的表達式。首先學習連續性微分方程。需要建立流體的模型，在空間坐標系下選取一個微小的直角六面體A，并假設六面體內流體的密度ρ有梯度，六面體內流體的流動沿著x、y、z軸向，速度為ux、uy、uz，如圖1所示。dt時刻內微小的直角六面體A的質量流量該變量駐M可分解為在x、y、z方向上質量流量的改變量駐Mx、駐My、駐Mz。以x方向為例，dt時間內，流進六面體A的流體質量流量Mx為ρuxdxdydt，流出六面體A的流體質量流量Mx′為。因此，dt時刻內在x方向上的流出的質量流量駐Mx可表示為：根據上述推導，可知dt時刻內在y、z方向上流出的質量流量駐My、駐Mz的大小表示為：因此，dt時刻內流出微小的直角六面體A的質量流量駐M：結合質量守恒定律，可推出dt時刻內直角六面體A的質量流量的變化量的變化關系。質量流量與密度、體積、速度的變量有關，又因為體積及速度沒有變化，因此只和密度有關。控制體內密度的減小而減少的質量流量：然后學習恒定總流的連續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。在單位時間內，經控制面流進流出控制體積內的液體質量流量應相等。因此可得：u1A1=u2A2即可知截面處的速度與面積成反比關系，截面積越大速度越小，反之亦然。

2實驗操作

理論知識的學習，離不開強力的邏輯思維能力，但是地方高校學生普遍缺乏此能力。而結合現有的設備，適當的跟進實驗，便于學生理解理論知識，及時互動。因此設計了基于截面積改變，流體流速變化情況的基礎實驗。本實驗室采用了氣體動力學試驗臺模擬風速，斜壓計測量截面處的動壓強，斜壓計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數值更為精確。如圖3所示。根據斜壓計的讀值，由下列公式計算流速。試驗前先做好準備工作，如連接好皮托管與斜壓計的橡膠管，皮托管可感受來流總壓和靜壓，從而得到動壓差，皮托管如圖4所示。把斜壓計根據基座上的校正氣泡調成水平放置，在斜壓計內適當的放入部分無水乙醇，純度為99.7%，它的密度為0.790*103kg/m3。液面和斜壓計0點重合。靜止時斜壓計讀數為0mm。實驗過程中，可通過調整出風口截面積的大小，觀測斜壓計內讀值（流速）與試驗段截面積的關系，截面形狀示意圖如圖5所示，實驗數據如表1所示。結合試驗結果，分析可知，在模擬風速不變的情況下，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象和此原理有關，如河道突然變窄的區域水流速度很大，山谷里的風比平地上的風大。

3總結

理論知識的學習是學生學習的基礎環節，而流體力學理論知識的學習過程中，多注重公式的推導，所以必須把公式的推導講清楚，給學生理順思路。在學習完深奧的理論公式時，結合現有的實驗條件，帶領學生身臨其境體驗其中的科學奧秘。興趣是學習最佳的導師，結合濱州學院此類應用型高校學生的特點，在理工科課程學習時，可結合課程及實驗條件，理論和實踐有效銜接，拓寬思路，便于理解及掌握知識點。

參考文獻：

[1]劉鶴年主編.流體力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

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

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

作者:焦園圓 單位:濱州學院