工程流体力学理论和实验教学探究

摘要：根据地方高校应用型人才培养的宗旨，结合山东省航空特色的地方院校-滨州学院的流体力学课程发展的现状，提出了流体力学这门基础课程的理论与实验的教改措施，使得学生全方位、动态学习流体力学知识。

关键词：地方高校；流体力学；理论；实践

0引言

以航空为特色的滨州学院的航空专业学生，流体力学是后期学习气体动力学、航空发动机构造、航空发动机原理等等课程的基础课程，航空发动机分为活塞式和喷气式，目前大型飞机多采用喷气式发动机产生飞机向前运动的推力，其原理是从外部大气中吸入大量的气体经压气机压缩后部分气体流入燃烧室和燃油充分混合燃烧后形成高温高压的热气流入涡轮，最后所有吸进发动机的气体由尾喷管喷出，吸入前和排除的气体发生了变化变为高压高温高速气体，根据力的反作用，由尾喷口喷出的气体可在发动机上产生强劲的推力，先进的喷气式发动机在设计阶段会根据相应的流体力学原理设计不同管径的流道，设计压气机和涡轮的叶片，因此理顺流体力学的知识点及学习思路至关重要。流体力学的研究方法可分为理论方法、实验方法、数值方法[1-2]。因此在教学时，可将3种研究方法贯穿流体力学的教学过程中。课程学习目标有如下4项：①了解流体力学与其他力学的本质的区别；②掌握最基本的流体力学理论知识点，如静力学、动力学、运动学等；③具有应用流体力学的知识，分析、处理基本流体力学问题的能力；④利用数值方法和实验方法，培养学生分析数据、整理数据、撰写实验报告的能力。

1理论方法

理论知识的学习是学生学习时的基础环节，而流体力学理论知识的学习过程中，多注重公式的推导。本文以流体力学的三大方程之一的连续性方程为例，讲解该公式学习的具体的过程，连续性方程式是质量守恒在流体力学中的表达式。首先学习连续性微分方程。需要建立流体的模型，在空间坐标系下选取一个微小的直角六面体A，并假设六面体内流体的密度ρ有梯度，六面体内流体的流动沿着x、y、z轴向，速度为ux、uy、uz，如图1所示。dt时刻内微小的直角六面体A的质量流量该变量驻M可分解为在x、y、z方向上质量流量的改变量驻Mx、驻My、驻Mz。以x方向为例，dt时间内，流进六面体A的流体质量流量Mx为ρuxdxdydt，流出六面体A的流体质量流量Mx′为。因此，dt时刻内在x方向上的流出的质量流量驻Mx可表示为：根据上述推导，可知dt时刻内在y、z方向上流出的质量流量驻My、驻Mz的大小表示为：因此，dt时刻内流出微小的直角六面体A的质量流量驻M：结合质量守恒定律，可推出dt时刻内直角六面体A的质量流量的变化量的变化关系。质量流量与密度、体积、速度的变量有关，又因为体积及速度没有变化，因此只和密度有关。控制体内密度的减小而减少的质量流量：然后学习恒定总流的连续性微分方程对总流的积分。从恒定总流A任意截取出来的细微的一段管道称为控制体[3-4]。其控制面如图2所示。过流断面截面积为A1、A2，平均流速为u1、u2。在单位时间内，经控制面流进流出控制体积内的液体质量流量应相等。因此可得：u1A1=u2A2即可知截面处的速度与面积成反比关系，截面积越大速度越小，反之亦然。

2实验操作

理论知识的学习，离不开强力的逻辑思维能力，但是地方高校学生普遍缺乏此能力。而结合现有的设备，适当的跟进实验，便于学生理解理论知识，及时互动。因此设计了基于截面积改变，流体流速变化情况的基础实验。本实验室采用了气体动力学试验台模拟风速，斜压计测量截面处的动压强，斜压计顾名思义就是液压管倾斜放置的测压仪器，与桌面存在夹角，因压强变化量相对较小，倾斜放置可比竖直放置的管路读取的压强数值更为精确。如图3所示。根据斜压计的读值，由下列公式计算流速。试验前先做好准备工作，如连接好皮托管与斜压计的橡胶管，皮托管可感受来流总压和静压，从而得到动压差，皮托管如图4所示。把斜压计根据基座上的校正气泡调成水平放置，在斜压计内适当的放入部分无水乙醇，纯度为99.7%，它的密度为0.790*103kg/m3。液面和斜压计0点重合。静止时斜压计读数为0mm。实验过程中，可通过调整出风口截面积的大小，观测斜压计内读值（流速）与试验段截面积的关系，截面形状示意图如图5所示，实验数据如表1所示。结合试验结果，分析可知，在模拟风速不变的情况下，流速与截面积的大小成反比，截面积越大流速越小。而在日常生活中，我们能看到很多的现象和此原理有关，如河道突然变窄的区域水流速度很大，山谷里的风比平地上的风大。

3总结

理论知识的学习是学生学习的基础环节，而流体力学理论知识的学习过程中，多注重公式的推导，所以必须把公式的推导讲清楚，给学生理顺思路。在学习完深奥的理论公式时，结合现有的实验条件，带领学生身临其境体验其中的科学奥秘。兴趣是学习最佳的导师，结合滨州学院此类应用型高校学生的特点，在理工科课程学习时，可结合课程及实验条件，理论和实践有效衔接，拓宽思路，便于理解及掌握知识点。

参考文献：

[1]刘鹤年主编.流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]韩占忠，王国玉主编.工程流体力学基础[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[3]孔珑主编.工程流体力学[M].北京：水利电力出版社，1992.[4]沈小雄主编.工程流体力学[M].长沙：中南大学出版社，2009.

作者:焦园圆 单位:滨州学院