浅谈流体力学实验教学探讨

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论文关键词 流体力学 实验教学 创新意识

论文摘 要 实验是研究科学技术的重要手段，是流体力学教学的一个重要环节。在理论联系实际、激发学习兴趣、锻炼观察与分析能力、培养创新意识等方面探讨实验教学所起的重要作用。

流体力学是力学的一个独立分支，它是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。在人们的生产和生活中随时随地都可遇到流体，所以流体力学与人类的日常生活和生产活动密切相关，是航空航天、水利工程、采矿冶金、给水排水、空调通风、土木建筑以及环境保护等学科重要的理论基础，应用范围十分广泛。

实验方法是研究科学技术的重要手段，由于流体运动的复杂性，使得流体力学离不开科学实验。现代流体力学就是在纯理论的古典流体力学与偏重实验的古典流体力学结合后才蓬勃发展起来的，理论分析、实验研究和数值计算是其三大支柱。因此，实验教学是流体力学课程必不可少的重要环节之一。通过实验教学，可以达到如下目的。

1 增强感性认识，巩固理论知识

流体力学由于其理论的抽象、较多公式的繁杂，学起来普遍会感到比较吃力，时间一长就会逐渐失去学习的兴趣，只满足于死记硬背课本上的理论，不善于思考推究，其主观能动性得不到应有的发挥。而实验却可以较好地解决这一问题，通过实验，可以把抽象的理论知识转化为具体的、可见的液流现象，从而增强感性认识，在帮助理解流体力学的基础理论方面起到事半功倍的效果。

如雷诺实验，该实验的目的是观察层流、紊流的流态及其转换特征；测定临界雷诺数，掌握流态判别准则。实验过程中，先通过调整阀门开度，改变有压管中水流的流速，观察液流的流态转化，可以看到：管中水流流速较小时，颜色水是一条清晰的规则的直线，说明此时水流是分层流动，各流层间互不掺混，流态为层流；随着阀门逐渐开大，流速逐渐增加，管中颜色水开始出现摆动，由原来的直线变为曲线；继续增大流速，颜色水弯曲越来越厉害，终于不再保持一个线条，而是向四周扩散，与周围的清水混到一起，使整个管中的水流全部着色，表明此时液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混，该流态为紊流。学生通过观察这一具体的、有趣的液流现象，极大地增强对粘性液体流动的感性认识，深刻地理解层流和紊流的本质特征；并且实验过程中还要求测定临界雷诺数，理解为什么把临界雷诺数作为流态判别准则。

2 观察液流现象，培养分析能力

流体力学实验的一个非常重要的目的是，在观察液流现象，获得感性认识的基础上，还要思考实验中出现的各种问题，分析并总结流体的运动规律，由感性认识上升到理性认识，不仅可极大地提高学生分析问题和解决问题的能力，而且可以培养其独立的工作能力和实事求是的严谨的工作作风。

如流动现象演示实验可以观察管流、射流、明渠流的多种流动现象，演示边界条件对水头损失的影响。在逐渐扩大段可看到边界层分离而形成的漩涡，而在逐渐收缩段，主流和边壁没有分离，没有形成漩涡——说明逐渐扩大段的局部水头损失大于逐渐收缩段。在突扩段出现较大的漩涡，突缩段在收缩断面后出现较小的漩涡区，可见突扩比突缩有较大的局部损失，而且突扩、突缩比渐扩和渐缩漩涡区长，水头损失大。这也就是为什么工程中多采用圆弧形管嘴或喇叭形取水口而较少采用直角锐缘形管嘴的原因。

3 理论联系实际，培养探索能力

传统的理论教学，教师往往向学生灌输大量的理论知识，学生处于被动接受的地位，理论与实际脱节的结果是抑制学生主动性和创造性的发挥，而要在这一方面有所改进，实验教学是一个非常好的手段。

如单圆柱绕流实验可以看到边界层分离状况、分离点位置以及卡门涡街的产生与发展过程。卡门涡街在工程实际中有很重要的意义。实验中要求学生根据实验现象，理论联系实际，分析为什么风吹电线，电线会发出共鸣？解决绕流体的振动问题有哪些途径？

而多圆柱绕流实验可看到流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。多圆柱绕流广泛应用于传热系统的热交换器中：流体流经圆柱时，边界层内的流体与柱体发生热交换，柱体后的旋涡起掺混作用，然后流经下一柱体，再交换，再掺混，换热效果较好。

由此可见，将实验现象与工程实践和生活实际联系起来，可有效地激发学生的学习兴趣，促进学生对实验的主动思维和积极探索，在一定程度上培养其创新意识和实践能力。

4 设计实验方案，培养创新能力

实验是流体力学教学过程中不可或缺的重要环节，它不仅有助于强化理解书本上抽象、艰涩的理论知识，而且在激发学生创新意识、培养创新能力方面起着举足轻重的作用。

流体力学实验内容分为演示型和验证型两部分，其中以验证型实验为主。这些实验方法单一，学生只要按照实验指导书上的实验步骤一步一步地做下去，测量几个实验数据，进行简单的数据分析，就可形成一篇完整的实验报告。这种实验过程，学生只是在被动参与，其主观性和积极性没有得到发挥，更谈不上创新能力的培养。为此，在实验教学中有必要在演示型和验证型实验的基础上，有意识地增加几个综合性和设计性实验。

采用流体力学综合试验台，各管段采用丝扣连接，便于对不同材质管段进行替换，管线可以自由选择连接，在研究新型管材及其连接件时，可直接组合安装在管道上进行测量。如能量方程实验管段，其上既有测速管，又有测压管；既可测定断面平均流速，又可利用二者组成毕托管，测量管道中某点流速，还可利用测压管测定流动阻力。实验时，学生根据教师给定的实验目的和要求，查阅实验资料，设计实验方案，选择不同的管材和管段，有计划、有步骤地进行组合安装，记录完整的实验数据，进行严谨的数据分析，最后形成一份详实的实验报告。这种综合性、设计性实验，学生完成从设计、操作到分析的一个完整过程，可将所学的理论知识融会贯通，极大地锻炼学生分析问题、思考问题和解决问题的能力，在激发学生创新意识、启发创新思维、培养创新型人才方面起到事半功倍的作用。

5 结语

流体力学是很多工科专业必修的一门专业基础课，理论性和实践性都很强，而实验是将流体力学基本理论与工程实践相结合的非常重要的教学环节。一方面，在对理论知识的理解和验证上，实验课有着理论教学无法替代的关键作用；另一方面，在锻炼学生操作能力、提高分析能力、激发学习兴趣、培养创新意识以及严谨的科学态度上，实验也是不可或缺的教学手段，有必要在实验的教学内容、教学方法和实验设备等方面进行进一步的探讨研究。

参考文献

[1]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,1999

[2]吴班.流体力学实验教学改革探讨[J].唐山学院学报,2007,3

(2):105-106

[3]杨晓新.流体力学综合试验台的开发与应用[J].西安航空技术高等专科学校学报,2008,1

(1):73-74

[4]王英,谢晓晴,李海英.流体力学实验[M].长沙:中南大学出版社,2005