面向纺织机械的流体力学课程教学改革与实践

摘  要：流体力学是机械专业本科生必修专业基础课，课程抽象概念较多、公式推导复杂，存在学生学习兴趣不浓厚、对内容理解不深、课程的工程化程度弱等问题。该文针对以纺织机械为特色的机械学科流体力学课程教学内容和现状，结合作者基于流体力学的大容量薄膜蒸发器流场模拟和装备设计，引入相应的科研成果实施，从教学内容、教学方法、教学手段等方面开展教学改革和实践，包括基于CFD的流体力学理论模拟、流动现象观测、纺织机械设计原理与方法，通过理论与纺织机械特色实际相结合，设计一个刮膜式薄膜蒸发器模拟案例，让学生认识实验或科研的一个具体过程，可有效地提升课程的教学质量，培养学生的学习能力、创新能力及解决具体工程实际问题的能力。

关键词：流体力学;纺织机械;薄膜蒸发器;机械设计;典型案例

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）17-0142-05

Abstract： Fluid Mechanics is a compulsory basic course for undergraduates majoring in mechanical engineering in textile specialized college of mechanical engineering. There are many basic concepts and complicated formula derivation in the course， which leads to some problems such as students' lack of interest in learning， poor understanding of the content and weak engineering degree. According to the teaching content and present situation of the course Fluid Mechanics， a mechanical discipline featuring textile machinery， combined with the author's research area and development experience and accumulation of large-capacity wiped thin-film evaporators for textile equipment based on fluid mechanics. This paper introduces corresponding scientific research achievements to implement reform and practical measures from the aspects of content， methods and means of teaching， mainly including CFD-based theoretical simulation of fluid mechanics， observation of flow phenomena， principles and methods of textile machinery design. A simulation device of rotary machine thin film evaporator is designed to let students know a specific process of experiment or scientific research based on the combination of theory and the characteristics of textile machinery. The reform and practice of the course Fluid Mechanics would cultivate students' ability to solve specific engineering practical problems for textile machining.

Keywords： Fluid Mechanics; textile machining; thin-film evaporator; machinery design; typical example

流体力学是研究流体运动规律及其应用的一门学科，成为多学科交叉和科技创新的桥梁和纽带，具有较强的理论性和工程实际意义，既可以培养学生的逻辑思维能力和分析推理能力，又可以提高学生分析和解决实际工程问题的能力[1]。随着世界各国科学家和研究机构对工程领域和现实生活中流体力学现象所蕴含的流体力学本质的持续不断深入研究，使流体力学得到了不断发展和完善，维度已经涵盖海、陆、空及外太空，尺度已从常规尺度的流体流动转向受限空间内的流动，并已从常规的牛顿流体转向非牛顿流体，被广泛应用于航空航天、水利、采矿、交通土建、石油化工、机械冶金、环境、气象和生物等领域并成功应用于工程实践[2]。

流体力学是机械工程专业重要的专业基础课，是后续课程（如液压传动、流体机械等）的先修课程，趋向于解决工程中出现的实际问题。学生通过本课程的学习，可为毕业后从事流体机械及能源动力等相关工作提供理论支持[3]。流体力学课程有很强的实践性，生活中处处存在着流动现象。世界各国的理工类高校基本上都已将流体力学设置为本科生/专科生的专业必修课。流体力学是机械工程专业的学科基础课，对学生后续课程的学习及专业技能应用具有重要的支撑作用[4]。

近年来，流体力学课程内容教学取得了较大进步，授课教师在流体力学课程内容的教学实践中逐步积累了较为丰富的教学经验，然而流体力学课程教学中依然存在一些问题，制约着课程内容教学的发展，主要包括以下三个方面[5-6]：首先，由于流体力学课程学习中有不少内容涉及机械、材料、结构、数学、力学和物理等课程的知识点，教材内容知识点抽象，学生普遍感觉基本概念抽象、学习难度高、公式推导复杂、数学和力学基础要求较高、学习兴趣不浓厚和学习内容理解不深，大多数学生也只能做到课后照搬公式做题，而对后续专业课学习中碰到的新问题无法做到归纳分析，最终不能有效提升运用知识解决实际问题的能力。其次，流体力学课程理论难度大，流体力学课程具有抽象概念多、教学方法不够生动的问题，传统的采用PPT电子课件的授课形式中，课程教学活动的主要组织者教师和课程教学活动的主要接受者学生通过PPT课件进行教学信息交流，而PPT电子课件大多仅停留在静态画面上，缺乏生动形象的事例，会导致课堂气氛沉闷，学生学习兴趣降低，不能够形象地演示相关流体力学现象，不利于学生理解和掌握流体力学现象背后的本质[7]。最后，作为一门机械学科基础课，教师缺少足够的课时去完成教学大纲所规定的教学任务，学生对流体力学课程的教学内容往往缺乏思考，只是被动地接受，学生也无法完全理解和掌握课程知识，无法将所学知识与工程实际联系起来。由此导致学生工程应用能力的培养受到限制，不利于应用型人才培养，是公认的教师难教、学生难学的课程之一[8]。

因此，笔者开展流体力学课程的教学方法改革，探索了流体力学课程教学的计算机仿真教学改革措施，提出了基于计算机仿真教学原理的课程教学改革措施和实践内容，有望提升该课程教学质量，更好地提升学生综合创新及实践能力。

一  引导学生重视，激发学习兴趣

（一）  课程内容和地位

流体力学课程涉及机械、材料、结构、数学、力学和物理等课程，学生普遍感觉该课程基本概念抽象、学习难度高、学习兴趣不浓厚和学习内容理解不深，最终导致课程考试结果不理想，而课程考试是检查教学效果、保证教学质量的有效手段之一，也是实践教学过程的重要环节[9]。为此，提出流体力学课程教学内容的计算机仿真教学方法，借助计算机仿真软件，拟在后续教学中开展计算机仿真教学。

流体力学主要内容有：流体及其物理性质、流体静力学、流体运动学和流体动力学基础、相似原理和量纲分析、管内流动和水力计算液体出流、气体的一维流动、理想流体的有旋流动和无旋流动、黏性流体绕过物体的流动及气体的二维流动，教材内容过多，要想在32学时内完成所有内容的讲授基本不可能，因此需对其进行优化精简。数值计算和物理实验可优化教学内容，但实施起来都存在较大的限制，例如由于流场问题的复杂性，数值计算无法进行分析求解， 而物理实验也会因费用昂贵而无力进行实验确定[10]。强调流体力学课程与纺织机械类专业主干课的联系，提高学生对这门课的重视程度，设法引导学生从思想上重视流体力学课程学习。其一，可以向学生说明流体力学在整个专业教学中的地位和作用;其二，强调流体力学是以流体（气体、液体、牛顿流体和非牛顿流体）为研究对象[11]，研究流体平衡（静平衡、动平衡）和运动规律的科学。虽然该课程具有流体计算数学公式抽象、理论分析复杂不易掌握、概念和方程推导较多且易混淆、对学生高等数学知识及多学科知识综合应用分析和处理问题能力要求较高等特点[12]，但却是解决纺织机械专业领域工程问题和设备设计必不可少的一门课程。计算流体力学（CFD）的方法具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点， CFD仿真所用流场模型经历了不断完善，推进了流场仿真的真实性和可信度[13]。本课程后续拟采用基于CFD的教学内容改革和实践，有助于学生更好地理解和掌握课程知识点。

（二）  流体力学模拟解决纺织机械设计问题

流体力学课程教学中存在学生参与度不高、创造力不足、学习扩展性不强等问题，迫切需要进行改革[14]。ANSYS-FLUENT 通用流体数值模拟计算技术是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科，也是从事流体流动、流体机械设计、航空航海等领域的重要研究手段，其计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广和物理模型多，在流体工程中起到重要作用，在教学中通过改变教学内容、教学方式等[15]发挥其应有的作用，并且打破了传统教学局限，弥补了物理实验难以操作的不足。基于CFD的流体力学仿真，兼具基础性和应用性，其教学内容具有显著的专业性和综合性特征，有利于培养学生的动手能力、创新能力及工程能力。

虽然CFD已经成为流体力学技术开发方面的主要研究手段，但受限于实验课程教学的时长，其一直未能在教学中发挥应有的作用。随着流体力学算法的进步，计算效率得到了显著提升。在信息技术高速发展的今天，大部分学生的个人电脑都具备开展CFD计算的能力。在经过高等数学、偏微分方程等课程的学习后，学生基本具备了理解偏微分方程组求解方法的基础，而将CFD作为传统实验的补充引入实验教学已经成为可能，可借助CFD数值模拟开展实验教学，突破现有教学条件对实验的限制。

二  引入CFD模拟构建模型及仿真参数确定

自20世纪40年代薄膜蒸发器问世以来， 国内外学者对其流动机理、传热传质、性能及制造应用等进行了大量研究，流体的流动、分布与传输机制直接决定了蒸发器的蒸发效率与功耗，因此薄膜蒸发器的流体流动问题是受到研究者们最多关注的课题，而流体的流动状态和运动分析是流体力学课程的基本概念和理论。将数值模拟CFD技术应用于流体力学教学中，如图1所示，选取工程实际中薄膜蒸发器的单个叶片为代表性纺织机械结构，其是可以体现流体力学现象的典型实例，采用如SOLIDWORKS、CATIA、UG等建模软件构建的仿真模型（抽取流体域并划分网格），建立典型实例的二维或者三维几何模型，将所建立的几何模型导入网格划分软件如 GAMBIT等，对二维或者三维几何模型进行网格划分。网格划分时，一般小模型采用四面体网格，其模型适应性好;大模型采用多面体网格。并以歪斜率小于0.9的网格评价指标对网格质量进行评价，然后输出网格文件，将网格文件导入流体力学求解程序FLUENT、CFX等。进行流场仿真时，选用VOF多相流模型，设置边界条件和求解参数，并且进行求解计算，通过后处理程序演示计算结果，分析单个叶片的流体流动现象和基本原理，结合计算结果详细讲解流体力学理论课教学所需讲授的知识点。