流體力學現象及解釋范文

前言：我們精心挑選了數篇優質流體力學現象及解釋文章，供您閱讀參考。期待這些文章能為您帶來啟發，助您在寫作的道路上更上一層樓。

第1篇

[論文摘要]結合學習主體所處的時代環境變化和流體力學知識體系的學科跨度大以及對數學基礎知識要求很高的特點，分析了流體力學教學中存在的問題和難點，提出大量采用實驗模型和實例教學以加強流體流動現象的觀察理解對提高流體力學教學效果的必要性和重要性。

前言

流體無固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續存在，其變形便會隨時間持續增大，不像固體那樣，一定的受力只能產生一定的變形。流體力學的基本理論非常嚴密，描述流體流動現象的數學方程非常復雜，高度非線性[1]，因此學生對流體力學敬而遠之的現象比較嚴重。此外由于因特網及電子計算機的普及，各種虛擬現象泛濫，在這樣的環境下成長的學生接觸和感受實際發生的各種流體流動現象的機會大大減少，對自然現象的觀察和理解能力很弱。很多學生在接受流體力學教育之前所受的應試教育的影響下[2]，學習只是為了在短時間內對給出的試題做出接近正解的答案獲得高分，這種教育具有多大的意義，近年來許多學者從教育學的角度提出了疑問[2]。只有直面實際的流體流動現象，抓住問題的本質，才能誕生真正的學問和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學教學中存在的難點和問題，指出了重視流體流動現象的觀察和理解對提高流體力學的教學效果的必要性和重要性。

一、流體力學教學面臨的問題

（一）新形勢下學生所處的社會環境變化

學生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時間和機會大大超過了自己親自動手制作道具及模型的體感玩耍時間，通過體感玩耍接觸和觀察自然現象的機會大大減少。

因特網的普及使得在短時間內獲得大量的信息或實時獲得信息成為可能，近年來出現學生過度依賴因特網的傾向，疏遠了紙質圖書及相關文獻這些知識比較系統邏輯性也有保證的傳統信息載體。但因特網上除了正確的信息外，還有很多不準確甚至錯誤的信息，即使是正確的信息，各信息段之間也缺乏系統性，因此學生僅通過因特網難以建立系統的知識體系的。

手機在學生中的普及也使得學生們在實際問題時，不是自己獨立分析問題，找出問題發生的原因，而是直接利用手機詢問他人求得答案，這樣很難培養獨立制定計劃，對可能事態進行預測，獨立進行解決問題的能力。這恰恰是對一個未來走向社會成為一個優秀的技術人員的必經的磨礪之道。

（二）流體力學教學面臨的問題

流體流動的力學模型及其運動的物理意義難以理解[3]。流體粘性產生的模型與牛頓粘性定律之間的對應關系就是最好的一個例證。大多數學生雖然能夠使用牛頓粘性定律進行計算，但對運動的流體為何會產生粘性卻不能正確的理解。的確，對于涉及到流體力學的某些技術或產品設計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開發和設計全新的產品，如不能準確把握所涉及到的相關流體流動的物理本質，有時會產生完全錯誤的設計結果。

流體的運動狀態繁多，流體力學融合領域廣，要求學生掌握更多的學科預備知識，尤其對數學知識的要求更高，使部分學生覺得流體力學是難以接近的一門課。同一流動現象常常可以從多個角度進行解釋，容易使學生產生混亂。比如對翼型的流體力學工作原理，可以從流體流動的動量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個方面進行解釋，解釋方法之多反而會使學生產生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個本質，只有完全理解各種解釋方法所依據的理論，才可以解除認識上的混亂，將學到的知識條理化、系統化。

描述流體流動的數學方程高度非線性化，數學上求解比較困難。描述流體流動的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數學解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數學功底，但近年來學生的數學和力學基礎存在下降的趨勢。

學生在進入大學前所接受的應試教育的影響很大，以考試成績自評學習效果的認識根深蒂固[4]。實際的流體流動現象往往沒有單純的標準答案，有時甚至存在多個解，重要的是抓住流動現象的物理本質，系統的理解流體力學的基本原理。

二、教學方法對應

解決上述問題的根本方法，筆者認為只有從流體力學教學上，直面涉及流體的各種現象，使學生準確的把握物理本質。為此在流體力學課堂上，廣泛采用流體模型教學和實例教學，增加學生觀察理解各種流動現象的機會，喚起他們對本門課的興趣的同時，讓他們形成為探究流動現象背后的物理本質進行思考的習慣，這對解決流體力學教學所面臨的問題至關重要。

使用電吹風斜向上吹一個讓學生事先準備好的氣球模型，沒經驗的學生會意外的發現氣球會向斜上方飄起。這一流體流動現象可從風從氣球上部通過時，由于氣球表面的影響風的流向會產生變化，也就是流線產生彎曲，根據風的動量變化必然產生使得氣球浮起的升力得到解釋，還可以從物體繞流邊界層效應得到解釋。從這一簡單的模型教學，還可以解釋飛機的機翼通過改變空氣的流向進而獲得升力的流體力學上的工作原理。

在一個裝滿水的塑料瓶內分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個可移動桌面上，使桌面等直線加速運動，可發現鋼球運動較慢留在瓶底，而泡沫球運動較快停在瓶嘴附近。觀察這一個現象引導學生：泡沫球運動得較快是因為等加速運動瓶內流體的靜壓在運動方向上遞減形成壓力梯度，小球的前進方向的壓力大于等加速運動產生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動；而作用于鋼球的前進方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同，但慣性力大于前進方向的靜壓力，因此鋼球相對于塑料瓶向后移動。這一模型教學比一般教科書上關于流體等加速直線運動流體的靜壓分布的例題更容易使學生抓住問題本質，且能培養學生獨立思考之習慣，使學生體會到透過流體流動現象來正確觀察和理解把握流體力學基本規律的樂趣。

經常使用立式洗衣機的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過來，假如原來兜里裝有硬幣等硬物，也會被掏出來[5]。把這個實例在課堂上講出后，學生們甚有興趣，追問其中的奧秘，當教師根據伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學家、數學家、力學家及醫學家于一身的瑞士的大科學家的基本情況后，學生們頓時對這位科學家充滿了崇敬之情，通過大量這種實驗模型及實例教學，學生們對學習流體力學這門課更有了興趣和信心，教學效果的提高自不待言。

三、結語

本文詳盡的分析了計算機、因特網、手機等現代化通訊工具普及后對學生產生的影響，由于流體力學課程知識體系的特點，這種影響產生的負面問題很多，尤其是教授成長在應試教育體制下走入大學的學生，更需要轉換認識，改變教學觀念，在課堂教學中廣泛植入實驗模型教學和實例教學，讓學生直面實際存在的各種流體流動現象，通過實際的流體流動現象的觀察和理解，達到生動及形象的把握這些流動現象背后的流體力學的基本定理，有效提升教學效果的同時，通過簡單實驗模型的制作還可提高學生的動手能力，這對學生走向社會成為一個具有創造性思維能力、獨立思考的優秀技術人員也是一個必不可少的雛形磨礪。

[參考文獻]

[1]黃衛星.工程流體力學[m].北京:化學工業出版社,2008.

[2]李丹,楊斯瑞.應試教育與創造性人才的培養[j].繼續教育研究,2009,25(2):180-185

[3]向文英,程光均.流體力學教學與實驗創新[j].重慶大學學報(社會科學版),2003,18(4):21-26.

第2篇

[論文摘要]結合學習主體所處的時代環境變化和流體力學知識體系的學科跨度大以及對數學基礎知識要求很高的特點，分析了流體力學教學中存在的問題和難點，提出大量采用實驗模型和實例教學以加強流體流動現象的觀察理解對提高流體力學教學效果的必要性和重要性。 

 

前言 

流體無固定形狀，即使受到的剪切力再小，只要持續存在，其變形便會隨時間持續增大，不像固體那樣，一定的受力只能產生一定的變形。流體力學的基本理論非常嚴密，描述流體流動現象的數學方程非常復雜，高度非線性[1]，因此學生對流體力學敬而遠之的現象比較嚴重。此外由于因特網及電子計算機的普及，各種虛擬現象泛濫，在這樣的環境下成長的學生接觸和感受實際發生的各種流體流動現象的機會大大減少，對自然現象的觀察和理解能力很弱。很多學生在接受流體力學教育之前所受的應試教育的影響下[2]，學習只是為了在短時間內對給出的試題做出接近正解的答案獲得高分，這種教育具有多大的意義，近年來許多學者從教育學的角度提出了疑問[2]。只有直面實際的流體流動現象，抓住問題的本質，才能誕生真正的學問和研究。筆者基于對本科和研究生的流體學教學中存在的難點和問題，指出了重視流體流動現象的觀察和理解對提高流體力學的教學效果的必要性和重要性。 

 

一、流體力學教學面臨的問題 

 

（一）新形勢下學生所處的社會環境變化 

學生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時間和機會大大超過了自己親自動手制作道具及模型的體感玩耍時間，通過體感玩耍接觸和觀察自然現象的機會大大減少。 

因特網的普及使得在短時間內獲得大量的信息或實時獲得信息成為可能，近年來出現學生過度依賴因特網的傾向，疏遠了紙質圖書及相關文獻這些知識比較系統邏輯性也有保證的傳統信息載體。但因特網上除了正確的信息外，還有很多不準確甚至錯誤的信息，即使是正確的信息，各信息段之間也缺乏系統性，因此學生僅通過因特網難以建立系統的知識體系的。 

手機在學生中的普及也使得學生們在實際問題時，不是自己獨立分析問題，找出問題發生的原因，而是直接利用手機詢問他人求得答案，這樣很難培養獨立制定計劃，對可能事態進行預測，獨立進行解決問題的能力。這恰恰是對一個未來走向社會成為一個優秀的技術人員的必經的磨礪之道。 

（二）流體力學教學面臨的問題 

流體流動的力學模型及其運動的物理意義難以理解[3]。流體粘性產生的模型與牛頓粘性定律之間的對應關系就是最好的一個例證。大多數學生雖然能夠使用牛頓粘性定律進行計算，但對運動的流體為何會產生粘性卻不能正確的理解。的確，對于涉及到流體力學的某些技術或產品設計，只要懂得一定的計算即可，但是對于開發和設計全新的產品，如不能準確把握所涉及到的相關流體流動的物理本質，有時會產生完全錯誤的設計結果。 

流體的運動狀態繁多，流體力學融合領域廣，要求學生掌握更多的學科預備知識，尤其對數學知識的要求更高，使部分學生覺得流體力學是難以接近的一門課。同一流動現象常常可以從多個角度進行解釋，容易使學生產生混亂。比如對翼型的流體力學工作原理，可以從流體流動的動量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個方面進行解釋，解釋方法之多反而會使學生產生混亂，但每一種解釋方法都是正確的，解釋的都是一個本質，只有完全理解各種解釋方法所依據的理論，才可以解除認識上的混亂，將學到的知識條理化、系統化。 

描述流體流動的數學方程高度非線性化，數學上求解比較困難。描述流體流動的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數學解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數學功底，但近年來學生的數學和力學基礎存在下降的趨勢。 

學生在進入大學前所接受的應試教育的影響很大，以考試成績自評學習效果的認識根深蒂固[4]。實際的流體流動現象往往沒有單純的標準答案，有時甚至存在多個解，重要的是抓住流動現象的物理本質，系統的理解流體力學的基本原理。 

二、教學方法對應 

 

解決上述問題的根本方法，筆者認為只有從流體力學教學上，直面涉及流體的各種現象，使學生準確的把握物理本質。為此在流體力學課堂上，廣泛采用流體模型教學和實例教學，增加學生觀察理解各種流動現象的機會，喚起他們對本門課的興趣的同時，讓他們形成為探究流動現象背后的物理本質進行思考的習慣，這對解決流體力學教學所面臨的問題至關重要。 

使用電吹風斜向上吹一個讓學生事先準備好的氣球模型，沒經驗的學生會意外的發現氣球會向斜上方飄起。這一流體流動現象可從風從氣球上部通過時，由于氣球表面的影響風的流向會產生變化，也就是流線產生彎曲，根據風的動量變化必然產生使得氣球浮起的升力得到解釋，還可以從物體繞流邊界層效應得到解釋。從這一簡單的模型教學，還可以解釋飛機的機翼通過改變空氣的流向進而獲得升力的流體力學上的工作原理。 

在一個裝滿水的塑料瓶內分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球，然后放在一個可移動桌面上，使桌面等直線加速運動，可發現鋼球運動較慢留在瓶底，而泡沫球運動較快停在瓶嘴附近。觀察這一個現象引導學生：泡沫球運動得較快是因為等加速運動瓶內流體的靜壓在運動方向上遞減形成壓力梯度，小球的前進方向的壓力大于等加速運動產生的慣性力，因此小球相對于塑料瓶向前運動；而作用于鋼球的前進方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同，但慣性力大于前進方向的靜壓力，因此鋼球相對于塑料瓶向后移動。這一模型教學比一般教科書上關于流體等加速直線運動流體的靜壓分布的例題更容易使學生抓住問題本質，且能培養學生獨立思考之習慣，使學生體會到透過流體流動現象來正確觀察和理解把握流體力學基本規律的樂趣。 

經常使用立式洗衣機的人都知道，洗完衣服后，衣兜總要被翻過來，假如原來兜里裝有硬幣等硬物，也會被掏出來[5]。把這個實例在課堂上講出后，學生們甚有興趣，追問其中的奧秘，當教師根據伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學家、數學家、力學家及醫學家于一身的瑞士的大科學家的基本情況后，學生們頓時對這位科學家充滿了崇敬之情，通過大量這種實驗模型及實例教學，學生們對學習流體力學這門課更有了興趣和信心，教學效果的提高自不待言。 

 

三、結語 

本文詳盡的分析了計算機、因特網、手機等現代化通訊工具普及后對學生產生的影響，由于流體力學課程知識體系的特點，這種影響產生的負面問題很多，尤其是教授成長在應試教育體制下走入大學的學生，更需要轉換認識，改變教學觀念，在課堂教學中廣泛植入實驗模型教學和實例教學，讓學生直面實際存在的各種流體流動現象，通過實際的流體流動現象的觀察和理解，達到生動及形象的把握這些流動現象背后的流體力學的基本定理，有效提升教學效果的同時，通過簡單實驗模型的制作還可提高學生的動手能力，這對學生走向社會成為一個具有創造性思維能力、獨立思考的優秀技術人員也是一個必不可少的雛形磨礪。 

 

[參考文獻] 

[1]黃衛星.工程流體力學[m].北京:化學工業出版社,2008. 

[2]李丹,楊斯瑞.應試教育與創造性人才的培養[j].繼續教育研究, 2009, 25(2): 180-185 

[3]向文英,程光均.流體力學教學與實驗創新[j].重慶大學學報(社會科學版),2003,18(4): 21-26. 

第3篇

關鍵詞：計算流體力學；軟件；流體力學教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0248-03

一、引言

英國著名教育學家J.K.Gilbert教授在其組織編著的“Visualization：Theory and Practice in Science Education”一書別強調：可視化技術在現代科學教育教學中的應用是一個亟待深入研究的問題[1]。Gilbert教授從認知模型的角度考慮了可視化在宏觀、亞微觀和符號層面認知中的作用，討論了照片、示意圖、圖表等可視化技術在科學知識描述中的功能。本文在總結“流體力學”、“空氣動力學”和“計算流體力學”教學內容以及“飛行器部件空氣動力學”教學經驗的基礎上，結合參考文獻[1]中的教學思想，系統探討計算流體力學（CFD）可視化技術在流體力學課程教學中的應用。

CFD是采用計算機模擬流體流動及相關現象的一門科學，主要涉及物理、數值數學和計算機科學等學科。CFD的應用歷史可追溯到上個世紀70年代，理論研究的歷史則更早一些。隨著計算機技術的發展，CFD所能求解問題越來越復雜，最早是求解簡化方程控制的跨聲速流動，到了80年代初就可以求解二維或三維的Euler方程，隨后Navier-Stokes方程的求解也成為可能。經過本世紀近十年來的快速發展，CFD技術基本成熟，相應的軟件被廣泛的應用于航空、航天、汽車、船舶、生物、材料、氣象、海洋以及石油工業等領域。

在應用需求的牽引下，目前大部分CFD軟件都已經具有非常友好的人機交互界面，不僅能夠以一定精度計算流體運動控制方程、模擬復雜的流體流動，更能夠通過一定的可視化技術顯示所計算流場的空間結構和時間演化特征。因此，流體力學本科與研究生教學中涉及的諸多基本概念、一般規律和關鍵問題等，都可以結合CFD軟件進行直觀而科學的探討。

二、基本概念的解釋

在傳統的教科書中，流體力學中的基本概念，如流場、梯度、散度、旋度、流線、跡線、點源和偶極子等，常常采用一定的數學公式或抽象語言來描述，這對學生理解實際的流體流動問題是十分不利的。借助于CFD軟件，上述概念可以采用云圖、矢量圖和等值面等十分直觀的顯示出來，下面舉例來說明。

標量場可采用云圖來顯示，所謂云圖就是采用不同的顏色對應不同的標量數值。圖1所示為利用云圖顯示噴管流場中馬赫數的分布情況，其中黑色到白色的漸變表示馬赫數從0.1變化到5.0。由噴管內部流場中顏色的分布可以看出，噴管內部馬赫數從左到右是一直增加的。這樣一種顯示方法不僅直觀的顯示了什么是流場，更從物理上說明了流場中馬赫數的變化規律。

由于矢量既有大小又有方向，矢量場不能像標量場那樣僅僅以顏色的變化來區分。在CFD中矢量一般用具有一定長度的箭頭來表示，箭頭的方向對應矢量的方向，箭頭的長度代表矢量的大小。圖2所示為噴管內部速度矢量場，由圖可以看出流場中每個點處的速度相對大小和方向，很直觀的表示了噴管內部氣體逐漸加速的過程。圖3所示為噴管內部流線，每條曲線表示定常流動條件下流體質點在噴管中的運動軌跡，同樣直觀的表現了噴管的流場結構。

在流體力學教學中經常會從簡化的模型出發，討論理想狀態下的流動問題，如點源、偶極子等的流動。這種流場在現實中是不存在的，通過電磁學或其他方式類比來顯示相應的結構往往也不夠直觀。借助于CFD軟件則可以很容易地通過求解簡化的控制方程，得到理想狀態下的流場，然后通過可視化技術實現三維、動態的流動演示。隨著CFD技術的越來越成熟，大部分流體力學教學中涉及的基本概念、假設等，均可以通過CFD可視化的方式展現給學生，改變傳統教學方法，提高教學質量。

三、流體力學基本物理現象的演示

CFD軟件是通過求解不同初、邊值條件下的流動控制方程來研究流體運動特征，能夠客觀地反映流體運動的物理規律。因此，在流體力學教學中，很多關鍵物理現象，如邊界層、激波、射流、混合層、卡門渦街等，也可以通過CFD技術進行分析，并通過可視化的方式展現給學生。

在流體粘性的作用下，繞流物體表面一般都會存在緊貼物面非常薄的一層區域，這層區域被稱為邊界層。邊界層概念的提出是流體力學發展史上里程碑式的事件[3]，然而在流體力學教學中往往很難把邊界層的重要性講清楚。借助于CFD軟件，可以直觀地觀察水流、氣流中邊界層的形成過程及其差別，通過顯示邊界層速度剖面的形狀解釋邊界層如何影響流場結構，如圖4所示。從圖中可以很明顯地看出壁面附近氣流速度的降低，體現了氣體的粘性效應在近壁附近的作用。

激波是超聲速流動中廣泛存在的流場結構[4]，采用CFD技術可以模擬各種類型的物體繞流，顯示對應的正激波、斜激波和弓形激波等現象，從不同的角度加深學生對激波這一物理現象的理解。射流、混合層和卡門渦街同樣可以通過適當的CFD技術模擬，甚至可以顯示其中非常精細的流場結構。圖5所示為混合層渦結構的CFD數值模擬結果，由圖可以看出混合層流動的失穩過程，類似的數值模擬結果對流體力學專業高年級本科生和研究生教學是大有助益的。

四、流體力學應用問題分析

在流體力學專業的研究生教學中，常常會涉及生物流體力學、飛機空氣動力學、環境流體力學、化工流體力學、汽車空氣動力學等一系列應用流體力學課程。CFD軟件在工業上的廣泛應用為這些課程的教學提供了大量的素材。圖6、圖7和圖8所示為鰻魚[5]、高超聲速飛行器和F1賽車繞流流場的CFD數值模擬結果，從中可以分析繞流物體的流動和受力特征，探索隱藏在背后的物理規律，加深學生對問題的理解。

五、小結

CFD軟件在流體力學課程教學中有著非常廣泛的應用前景，本文以具體實例展示了CFD軟件在流體力學基本概念解釋、基本物理現象演示和應用問題分析方面的關鍵作用。通過在教學中恰當的應CFD軟件，可以有效地增強學生的學習興趣，提高教學質量。

參考文獻：

[1]J. K. Gilbert，M. Reiner，M，Nakhleh，Visualization：Theory and Practice in Science Education，Springer Science+Business Media B.V. 2008.

[2]J. H. Spurk，N. Aksel. Fluid Mechanics，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2008.

[3]G. E.A. Meier，K. R. Sreenivasan，IUTAM Symposium on One Hundred Years of Boundary Layer Research，Springer，2006.