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[關鍵詞]本科院校；環境工程；流體力學；教學改革
[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0038-02
流體力學是環境工程專業的專業基礎課，主要講述工程流體力學的基本概念、基本原理和基本方法，主要內容包括流體靜力學、流體動力學、流動能量損失及有壓管流和明渠流等。由于該課程涉及高等數學、大學物理、工程力學等，基本概念多且抽象，對學生的綜合分析和處理問題的能力要求高，因此學生普遍感覺學習較為困難。流體力學課程一般在第4學期開設，開設在高等數學、工程力學等課程之后。
隨著教學改革的不斷深入，如何針對流體力學抽象概念多、數學分量重、理論性較強的特點，有針對性地對環境工程專業的學生尤其是應用型本科院校的學生進行授課，本文從以下幾個方面進行了探討。
一、針對專業特色和課時量，優選教材
流體力學分為理論流體力學和工程流體力學。前者適用理科專業方向，偏重理論；后者適用工科專業方向，著重于工程應用。對于應用型本科院校來說，應選用偏重于工程應用的工程流體力學作為教學內容。目前，環境工程專業尤其是側重于水處理的環境工程專業，其流體力學的知識主要用于解決污水處理廠設計中的流體力學問題，課時量被壓縮到50個課時左右。因此，要選用適用于較短學時，并且側重于水力學知識的教材。教材要能夠與時俱進，精益求精，注重理論聯系實際，注重內容的系統性與完整性，能夠涵蓋流體靜力學、流體動力學、有壓管流、明渠流等基本內容。教材要有一定的例題和課后思考、復習題，能夠開拓學生的思維，激發學生的學習興趣，最好能附有實驗演示的光盤。
二、豐富教學內容，增加學生學習積極性
學生普遍反映流體力學很難，其中的主要原因在于W生的學習積極性不高，不肯花時間去鉆研。確實，流體力學對于初學者來說，是有一定的難度，這就要求教師在講授緒論課時，要讓學生了解流體力學的任務以及在專業及后續課程中的作用，從而啟發學生思維，激發學生學習興趣。同時，教師要對學生學習流體力學提出明確要求，如哪些內容需要掌握，哪些內容需要了解，使學生對課程的學習做到心中有數，樹立學好這門課程的自信心。[1]
三、改進教學方法和手段，突出重點
流體力學的重點和難點在于公式的推導和理論的理解，以及用理論和公式解決實際問題。例如，在流體靜力學這一章中，關于流體平衡微分方程的推導，就涉及高等數學中的連續函數和泰勒展開式等，這是一個難點，對學生的高數基礎要求比較高。而求解作用在平面上的靜水總壓力有兩種計算方法，一種是解析法，一種是圖解法。解析法要求學生有工程力學的靜力矩和慣性矩的知識以及基本的幾何知識，此法的壓力中心在受壓面的形心的下面，與形心不重合；而在圖解法中，靜水總壓力的壓力中心與壓強分布圖的形心重合。雖然課上教師反復強調兩種方法的區別，但基礎差和理解能力不強的學生仍然一頭霧水，不能很好地解決實際問題。針對這一情況，教師在課堂講解時應盡量利用多媒體課件進行講解，最好還能結合模型進行講解。例如可以借助一塊平板，將其置于水下，標注其形心和壓力中心的位置，再將平板與一棱柱體結合，分析壓強分布圖的形心位置。這種形象地講解，有助于學生更好地理解教學內容。
在教學過程中，多媒體可充分利用圖形、圖像、聲音、錄像將教學內容充分表現出來，從而激發學生的學習興趣，加快教學信息的傳遞速度，提高課堂教學效率，擴大學生知識面。[2]但多媒體也帶來了一系列的問題，如學生在聽課過程中，多媒體課件一晃而過，當時學生感覺很好， 但真正留在腦海里能掌握的內容卻很少，這容易造成學生眼高手低。因此，流體力學的教學要多媒體和板書相結合，在進行公式的推導和例題的講解時，最好使用板書，這樣可以使學生印象深刻，增加記憶的時間；而在講解流線和跡線等比較抽象的內容時，可以采用動畫形式，這樣能夠加深學生的直觀理解， 有助于提高教學效果。
流體力學的學習講究系統性，各章之間又相對獨立。在每次上課之前，教師應對上節課的內容進行回顧復習，并可以采用提問的形式，讓學生了解自己對上節課重點內容的掌握情況。在每一章節開始時，教師應首先向學生介紹本章的主要內容、重點和難點以及與前后章節的聯系，每學完一章后教師要進行歸納總結，以便讓學生將所學知識融會貫通。對于重要的內容，教師在課上講解的時候要明確指出，回顧的時候要對這部分內容進行提問，在一章講完歸納總結的時候，要再次強調這部分內容，相信這樣可以使學生印象比較深刻。
四、理論和實驗相結合，充分利用有限的課時
流體力學往往有0.5個學分的實驗課。實驗的主要目的是通過實驗加深學生對理論知識的理解，提高學生的實踐操作能力，更好地運用所學理論解決生產中的實際問題。實驗結束后，應讓學生整理實驗數據，總結物理量之間的相互關系，以便發現其中的規律，這非常重要。[3]很多教師的做法是理論課全部講完了，再集中上實驗課，這種做法有利有弊。優點是學生在上完理論課后，在實驗課上教師再講解一遍實驗原理，可以加深其對知識的理解和記憶。弊端是上理論課時，教師不能形象地講解，學生不能很好地掌握；上實驗課時，教師再講解一遍，費時費力。對于應用型本科院校來說，其培養的是應用型人才，實驗教學是人才培養最基本的工作。尤其在總課時量被壓縮的情況下，充分利用實驗課的時間，將理論和實驗相結合，就成為一種行之有效的手段。流體力學中的很多內容，例如雷諾實驗，沿程水頭損失和局部水頭損失的計算都可以在實驗室進行講解，一邊講解，一邊實驗演示。還可以在流體力學實驗室中增加多媒體設備或者其他可視化設備，課前讓學生預習，課上講解完理論，直接就讓學生動手做實驗，課后處理實驗數據。這樣既能充分利用有限的課時，又能使學生更好地掌握所學知識，還能鍛煉學生的動手能力和歸納總結的能力，一舉數得。
五、加作業環節，改革考核方式
學習的最終目的是讓學生能夠獨立自主地解決實際工程問題。課后作業是檢查學生對所學知識理解、掌握程度的一種手段，同時也是培養學生分析、解決問題能力的一種方法。[4]當然，布置作業不等于搞題海戰術。例如，關于典型的三大方程，即連續性方程、能量方程、動量方程的應用，有三種類型的典型題目，即彎管內水流對管壁的作用力，水流對建筑物的作用力和射流對平面壁的沖擊力，每種類型的題目可以布置1～2道作業題。而關于求解作用在平面上和曲面上靜水總壓力的計算，題目形式多樣，壓力體的形狀靈活多變，可以適當多布置作業題，讓學生盡可能多掌握各種類型的題目。同時教師可以在課堂上專門安排習題課。這樣一方面可對學生所做作業進行點評，剖析典型例題，啟發學生舉一反三；另一方面，這也可給學生提供了課堂討論的機會，引導學生掌握發現問題、解決問題的思路、方法和技巧，能對學生思維進行鍛煉，讓學生觸類旁通。[5]除了典型的計算題以外，習題課上還可以設置選擇題、填空題和判斷題等，避免學生重計算，輕概念。
目前，在考核方式上，一般是平時成績占20%，實驗成績占20%，期末成績占60%。這種考核方式雖然兼顧了期末考試和平時表現，但也存在弊端。筆者在教學過程中發現，很多學生平時作業做得不錯，但期末卷面成績非常不理想。究其原因，可能是平常作業存在抄襲現象，上課雖然出勤率高，但課上聽講不認真。如何改變這一現狀？一方面，可以適當減少平時成績所占的比重，例如平時成績占10%，期末成績占70%，實驗成績占20%；另一方面，實驗成績單獨計算，而在理論考試中，平時成績占20%，期末成績占80%。當然，更為重要的是教師要練就“火眼金睛”，要具有高度的責任心：一是對作業雷同的現象，一律給予當次作業不及格；二是要加強課堂紀律的管理，對于回答問題的情況、課上表現等都要作為平時成績的重要方面進行考核。只有這樣，才能真正體現出考核的公正性和合理性。
總之，針對應用型本科院校，流體力學的教學應與學校的辦學特色、辦學定位相結合。應在總課時量不增加的前提下，優選教材；激發學生的學習興趣，注重學生分析問題、解決問題能力的培養；加強理論與實驗相結合，增加綜合性、設計性實驗項目，鼓勵學生自己動手研發、設計小型實驗裝置，培養學生的動手能力與創造能力，這樣才能夠提高學生各方面的能力，最終實現培養“厚基礎、善實踐、能創新、高素質”的應用型人才的目標。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 張羽，張仙娥.環境工程專業《流體力學》的教學探討[J]. 華北水利水電學院學報（社科版），2010（4）：156-157.
[2] 宿程遠，張建昆，陳孟林.師范學院環境工程專業流體力學課程改革初探[J].中國電力教育，2008（12）：117-118.
[3] 王偉.土木專業工程流體力學課程教學研究[J].山西建筑，2008（21）：182-183.
Measurement in Fluid
Mechanics
2005, 354pp.
HardcoverUSD85.00
ISBN 978-0-521-81518-5
S.塔沃拉里斯 著
本書全面闡述流體力學中的各種測量方法，既有經典的方法，又有最新的技術，內容包括流量、壓力、速度、溫度和壁的切應力等參數的測量，以及流動可視化。書中涉及大量有關系統響應、測量的不確定性、信號分析、光學、流體力學儀器和實驗室實踐等基本素材，還有豐富的插圖，大量的參考文獻和100多個練習，是流體力學研究的有用工具。
全書分為兩部分含15章。第一部分一般概念，含第1~7章。第1章流動的性質和基本原理，論述流體力學的基本原理；第2章測量系統，介紹各種測量系統中所用的定義和概念；第3章測量的不確定性，討論測量的不確定性的定義和估計的方法；第4章信號調節、識別和分析，敘述信號調節、識別和統計處理所需的儀器操作和程序方面的基礎知識；第5章光學實驗的基礎，介紹光學測量所需的概念和基本知識；第6章流體力學的設備，匯集流體力學測量設備的基本元素，供讀者在設計時選擇參考；第7章走近完美的試驗，討論進行完美的試驗所需的一些因素。第二部分測量技術，含第8~15章。第8章流動壓力的測量，介紹在流體動力學試驗室測量壓力所用的相關設備；第9章流量的測量，闡述測量流量所用的一般儀器和技術；第10章流動的可視化技術，簡單介紹流動顯示技術的通用方法；第11章局部流動速度的測量，討論流動速度測量的幾種方法；第12章溫度的測量，闡述一般的溫度計和在流體力學研究中使用的其他測量溫度方法；第13章成分的測量，敘述混合流體中識別成分和相對比例的方法；第14章壁切應力的測量，簡述流體流動時，與流體接觸的表面上流體的切向力；第15章展望，指出實驗流體力學發展的方向。
本書自成一體，通俗易懂，可作為流體力學測量相關領域的大學生和研究生的教科書，也可供流體力學測量技術的工程師和科學家參考和閱讀。
吳永禮，研究員
(中國科學院力學研究所)
Measurement in Fluid
Mechanics
2005, 354pp.
HardcoverUSD85.00
ISBN 978-0-521-81518-5
S.塔沃拉里斯 著
本書全面闡述流體力學中的各種測量方法，既有經典的方法，又有最新的技術，內容包括流量、壓力、速度、溫度和壁的切應力等參數的測量，以及流動可視化。書中涉及大量有關系統響應、測量的不確定性、信號分析、光學、流體力學儀器和實驗室實踐等基本素材，還有豐富的插圖，大量的參考文獻和100多個練習，是流體力學研究的有用工具。
全書分為兩部分含15章。第一部分一般概念，含第1~7章。第1章流動的性質和基本原理，論述流體力學的基本原理；第2章測量系統，介紹各種測量系統中所用的定義和概念；第3章測量的不確定性，討論測量的不確定性的定義和估計的方法；第4章信號調節、識別和分析，敘述信號調節、識別和統計處理所需的儀器操作和程序方面的基礎知識；第5章光學實驗的基礎，介紹光學測量所需的概念和基本知識；第6章流體力學的設備，匯集流體力學測量設備的基本元素，供讀者在設計時選擇參考；第7章走近完美的試驗，討論進行完美的試驗所需的一些因素。第二部分測量技術，含第8~15章。第8章流動壓力的測量，介紹在流體動力學試驗室測量壓力所用的相關設備；第9章流量的測量，闡述測量流量所用的一般儀器和技術；第10章流動的可視化技術，簡單介紹流動顯示技術的通用方法；第11章局部流動速度的測量，討論流動速度測量的幾種方法；第12章溫度的測量，闡述一般的溫度計和在流體力學研究中使用的其他測量溫度方法；第13章成分的測量，敘述混合流體中識別成分和相對比例的方法；第14章壁切應力的測量，簡述流體流動時，與流體接觸的表面上流體的切向力；第15章展望，指出實驗流體力學發展的方向。
本書自成一體，通俗易懂，可作為流體力學測量相關領域的大學生和研究生的教科書，也可供流體力學測量技術的工程師和科學家參考和閱讀。
吳永禮，研究員
(中國科學院力學研究所)
關鍵詞：海洋科學 課程實踐 改革
隨著我國海洋事業的不斷發展，對海洋類科技人才的要求也越來越高。流體力學是海洋科學類專業的一門專業基礎課，在整個海洋科學專業的教學體系中占據重要地位。本課程的任務是通過學習，了解流體運動學和動力學的基本知識，掌握理想流體動力學的基本知識，掌握理想流體動力學的研究方法和理論，掌握不可壓縮理想流體的無旋運動、粘性不可壓縮流體動力、邊界層理論、湍流等的基本理論和研究方法。這門課程具有極強的理論性和實踐性，從而決定了這門課的教學目的既要使學生掌握理論知識，又要使學生學會如何運用到實際工程中去。然而，隨著教學體制的改革，學分制實施，流體力學的教學學時不斷縮短。課程教學多是為了滿足培養方案的要求，對系列化專業課程支撐不夠，教學效果不甚理想。因此，為了適應新形勢下對人才培養的要求，我們對流體力學課程教學過程的各方面進行了改革和實踐，以達到以培養出合格的海洋類人才的目的。
1.教學理念改革
流體力學課程的特點是抽象概念多、理論性強、體系復雜、難度較大，許多知識點都包含了大量的數學推導，對學生的數學基礎要求比較高。也正是由于這些特點，所以需要改變傳統的以教師為中心的知識傳授型的教學理念，因為這種方式并不能使學生對所學知識留下深刻的印象，因而教學過程效率低，容易造成學生為了考試而學習的現象，不利于學生的綜合能力的培養。新教學理念增強教學過程師生間的互動，突出學生的主體性，改變以往學生在學習過程中被動接收的地位，合理設計教學內容，利用現代化的教學方式，是以培養學生的學習能力、科研素質、創新意識為目的，全面提高學生的綜合素質。希望通過流體力學課程的學習，使學生系統掌握流體運動的一般規律及其有關的基本概念、基本理論、基本方法和基本實驗技能，同時具備較強的自學能力以及創新意識，為以后專業知識的學習，打下牢固的基礎。
2.教學內容的改革
由于海洋科學類專業教學要體現海洋特色，海洋學的研究對象是海洋，而海水是海洋最重要的組成部分，動力海洋學研究宏觀海水的運動，所以無論在研究對象、研究目的還是研究方法上面，動力海洋學都是流體力學的具體應用和發展。
針對這一教學內容的要求，我們進行了流體力學教學內容改革，使之適應于當前的海洋科學專業類的教學?？紤]到目前國內的流體力學課程內容相當寬泛，并不是特別適合海洋科學專業的教學需要，所以在內容上作了調整，保留經典流體力學的基本原理，同時加入了流體力學基本原理在海洋學中的具體應用。例如，在講授研究流體運動的兩種方法歐拉方法和拉格朗日方法時，介紹了兩種方法在海洋調查研究中的應用；在講授有旋運動動力學中，將環流定理擴展到海洋和氣象等方面的具體應用；在講授粘性流體動力學時，補充了柯氏力場中粘性流體的運動，并深入講授了風生海流、地球轉動對梯度流方向隨深度變化的影響等。
這些內容的加入和調整，使學生不但能夠深入理解相關的教學內容，還能夠了解其具體的海洋學應用，真正做到學以致用，并且可以平滑過渡到一些后續海洋類專業課程，如物理海洋學、海洋氣象學、大洋環流等，的學習當中，同時也為將來考研或者研究生階段的學習打下良好的基礎。
3.教學方式的改革
教師教學方式就是教學中為達到教學目標，教師所采用的一系列的教學行為和活動方式、方法的結合?？紤]到流體力學的學科特點，其基本方程、原理的推導較多，所以在傳統上以教師教授法為主，即以教師為主體進行知識的講授教學活動。但是單純的講授法存在一些問題，就是容易在課堂上與學生缺乏互動交往，從而不能有效的調動學生的學習積極性。為此，在流體力學的教學過程中，轉變教學思路，將以教為主的教學設計和以學為主的教學設計結合起來，通過多種方式實現教學的良性互動，提高教學質量。
3.1多媒體教學改革
傳統的板書教學方法的特點是推導過程細致、講解入微，這在一些復雜的定理推導過中可以有效的幫助學生理解整個推導過程，也有助于學生掌握推導方法和技巧。但是，板書教學也有不足之處，一是采用板書教學傳授的信息量不夠大，由于流體力學的教學內容中存在大量的公式原理的推導，所以往往需要較多的課時才能滿足教學要求；二是部分教學內容不夠直觀，流體力學的一門理論與實際結合的學科，所以很多的理論都有其對應的實際流動現象，所以板書對此無能為力。
多媒體教學可以有效的彌補板書教學上存在的不足，單課時能夠提供較多的教學信息量，有效提高教學效率。另外，多媒體教學可以增加課堂教學內容的表現效果，通過一些多媒體素材展示了相關的流動現象，通過視覺、聽覺等多種信息傳遞方式，幫助學生理解教學內容，這對于抽象的流體力學理論教學是一種相當好的授課形式。但是多媒體教學也存在一些不足之處，在公式的推導過程中，翻頁式的教學明顯加快了教學節奏，使得學生對推導過程了解不夠深入，部分細節不明所以，學生的思考時間減少，另外就是多媒體教學的推廣，很多學生都沒有了記筆記的習慣。
針對以下兩種教學方式的特點，在海洋科學專業流體力學的教學過程中，我們采用了兩種教學方式相結合的方法。對于一些重要的基本原理，仍然采用傳統的板書式教學，力求傳授給學生流體力學的研究方法和研究思路。而對于推導結果，則采用多媒體的方式進行展示，在實際的教學中，引用了大量的海洋、大氣等流體力學現象，如波浪、海流、臺風等，將其以直觀的形式與對應的流體力學理論結合，這樣既加深了學生的理解，也引發學生進行海洋學研究的興趣。實際的教學過程顯示，課堂教學效果較好。
3.2課堂教學過程改革
為了能夠使學生更好的融入課堂教學，在講授法的基礎上，采取了問答法、引導法多種教學方式作為輔助。
問答法是教師通過提出問題引導學生積極進行思考，學生自己得出結論來獲取知識，可以有效的使學生主動參與課堂學習。在流體力學的教學過程中，合理的設計課堂問題，避免問題過易或者過難，前者不能達到啟發引導學生思考的效果，后者會讓學生對流體力學的教學內容產生畏難情緒，不利于知識的深化教學。同時，問題的設計也要有啟發性、典型性，問題的數量一般控制在每節課2個左右，根據相關的知識點進行設計。
引導法是教師引導學生通過閱讀教材、課件提示等材料，以自己相對獨立的形式學習的教學方式，這種方法更能鍛煉學生的學習能力。在流體力學的教學過程中，對于引導法的使用一般安排在內容相對簡單，或者教學內容有相似重復處。如將雷諾輸運定理應用于連續方程、動量方程等的推導，教師講授連續方程的推導，而其后對于動量定理、能量定理等的推導引導學生獨立完成。通過這樣的引導過程，使得學生能夠舉一反三，牢固掌握基本原理，并培養了自學能力和創新能力。
3.3引入現代網絡教學方法
為了能夠有效的利用現代網絡技術進行教學，推進課程的網絡化改革，建設了流體力學網絡課程。為避免網絡課程成為簡單的課堂內容的重復再現，在網絡課程的設計過程中考慮與實際的課堂教學的互動性與互補性，除了提供課程教學視頻錄像供學生復習以外，還提供了非常豐富的相關多媒體教學資源、輔導資料，并將網絡課程作為學生自學的一個重要的課后輔導工具，提供在線答疑。另外學生還可以網絡課程提出對于教學過程的各種建議反饋，促進教學改革。網絡課程的開設，使得流體力學的整個教學過程具有了交互性、共享性、開放性、協作性和自主性等特點。
4.結語
通過近幾年較為系統的流體力學課程教學改革，包括更新教學理念、調整和補充部分海洋特色的教學內容、運用現代化的教學手段、改革課堂教學過程等途徑，大大調動了學生學習的積極性，顯著提升了教學效果，提高了課程的教學質量。但仍需進一步完善教學體系，提高教學水平，將教與學有機結合，對海洋科學類專業流體力學課程的教學改革進行不斷探索和實踐。
參考文獻：
[1]孟祥林.不同教學模式下師生角色、教學效率對比及改革思路.湖南師范大學教育科學學報，2004年1月，第3卷第1期.
[2]萬三敏，沈振劍.多媒體教學方式與傳統教學方式的耦合機制研究.首都師范大學學報（自然科學版），2010年10月，第31卷第5期.
關鍵詞計算流體力學；農業環境科學；應用；發展趨勢
中圖分類號：O35；X53文獻標志碼：B文章編號：1673-890X（2015）15--02
計算流體力學是模擬流場特性、熱傳遞、流體擴散等應用的重要技術之一。隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學在諸多理論研究領域和實際工程應用里面都獲得了很高的關注度，其在國外已被很大程度上投入到了農業環境科學里面，但國內對于這一方面的研究還不是很成熟還屬于比較落后的狀態[1]。因此，國內基本上沒有學者對計算流體力學在農業環境科學中的應用展開研究和總結。本文在大概介紹計算流體力學的基本原理同時，闡明其可以應用在農業環境科學里面的原因；歸納并總結其相關應用以鼓勵農業環境工作者在具體實際工作里面能夠最大程度的利用這一類型的工具；同時，探究其未來的走向用來激發以后的學者對這一方面展開更加深入的研究，促進我國在計算流體力學在農業環境中的具體運用，催動我國農業環境的發展和提高[2]。
1基本原理
計算流體力學主要是將連續流體離散化并對各個單元進行Navier-Stokes及其它相關方程的求解。連續、動量和能量方程是流體運動的主要控制方程，其中連續方程描述了質量守恒，動量方程由牛頓第二定律推導而得，而能量方程則基于能量守恒。在計算流體力學中，解此控制方程的重要一步是將方程離散化從而使偏微分方程轉換為離散方程，廣泛應用的離散方法有3種：有限差分法、有限元法和有限體積法[3]。其中，有限體積法結合了前兩種方法的優點，而且在計算機計算方面有很大的優勢。因此，有限體積法在計算流體力學里面是最為常見的。當控制方程和離散方法選定后，設定相應的邊界條件與初始條件則可對研究問題的流場進行計算，若同時在計算中結合了其它方程，如泥沙運輸方程，則可對研究現象進行耦合模擬。綜上，只要根據具體問題選取合適的控制方程、離散方法、邊界條件、初始條件和耦合方程，計算流體力學則可以應用在此問題當中，當然包括許多農業環境科學的應用中。
2相關應用
計算流體力學在農業環境科學中的應用主要能夠分歸為3類：農業建筑物的設計、農業水土治理以及氣味與灰塵散播。
2.1農業建筑物的設計
隨著科學技術的不斷發展與提高，近幾十年計算流體力學已經在大量的農業建筑物設計中得到了普及推廣與使用，如溫室、禽舍和畜舍的優化設計。其中，在農業水利建筑物的設計里面是眾多設計里面最為成功。在農業擋水建筑物方面，計算流體力學可以預測擋水閘的應力與表面壓力。閘門運動與流體分析可以結合起來，分析閘門在不同狀態下的水流及壓力特性，得到的動態數據可用于高效地優化設計擋水閘門。在農業泄水建筑物方面，計算流體力學可以用于溢洪道的流量和氣穴分析中。農業灌溉排水渠道的模擬相對較為復雜，因為其具有明顯的湍流與三維特性、非規則的幾何邊界、非光滑的河床以及自由表面。目前，在這方面的模擬一般使用流體體積法進行自由表面的追蹤，模擬結果與測量或實驗數據的比較證明了此方法的有效性。
2.2農業水土治理
在農業水土方面，計算流體力學可以用于確定污染物在水土中的傳播以及對水土質量的影響，對合理選用肥料、保證灌溉水源及土壤的健康進行指導。計算一般需要一定的觀測數據以確定模擬參數，其結果可以用于分析水資源退化的影響因素、化學物質對地下水的影響及污染物在含水層的散輸等。除了對水質的分析，計算流體力學也可用于預測土壤侵蝕。例如，可以整合三維湍流和非均勻泥沙運輸模型并考慮影響河岸侵蝕的其它因素，以此來模擬沖積河道在河岸侵蝕作用下的形態變化等，對農業工程選址提供信息。
2.3氣味與灰塵散播
氣味與灰塵散播是農業環境科學里面的另一個比較重要內容，其對自然環境尤其是空氣環境有著非常大的影響作用。計算流體力學既可以模擬溫室還有禽畜舍內部的空氣流通的具體特點，也可以模擬其氣味在外部的傳輸散播。對氣味散播的準確預測相對難度比較大，因為其范圍及速度在很大程度上取決于氣味散發點、氣味濃度、地形條件及氣象特性等多種不確定因素。傳統的觀測法可得到準確數據，但是這個方法難以分析大量的影響條件。經過驗證的數值模型則可以更加經濟地對不同情況進行試驗研究，此類研究的例子有：考慮了降雨、蒸發和熱量傳輸的氣味傳播模型、風及空氣溫度對氣味散播的影響、噴灑農藥后溫室氣味散播對周邊環境的影響等。另外，計算流體力學也可以用于模擬灰塵擴散，可對農業荒漠化防治提供參考。
3發展趨勢
計算流體力學在農業環境科學領域里面的應用已經取得了非常大的成功，對于未來的展望，它一定能夠獲得更大程度上的發展，取得更高的成就，具體的主要表現在下面3個方面：第一，將來其一定能在更多的農業環境問題里面得到推廣和普及，并且通過具體的實踐與應用得到驗證；第二，隨著科學的不斷前進與發展，技術也在不斷的提升，所以進行計算精確度也會有很大的提高，因為會有越來越多的細微的影響因素將會被考慮進模擬系統里面而且其作用機制也會有更深層次的了解和認識。此外，隨著計算技術的進步以及模型操作的大眾化需求，它在計算速度和操作方式的簡易度方面也將會有很大的提高。
論文關鍵詞：流體力學；制冷與低溫工程；教學改革
目前，鄭州輕工業學院（以下簡稱“我院”）的制冷與低溫工程專業已被評為國家級特色專業。為了加強制冷與低溫工程專業學生能力的培養，造就人才，有必要對制冷與低溫工程專業的教學進行全面的改革。
“流體力學”是制冷與低溫工程專業的一門重要的專業基礎課，主要分為流體靜力學和流體動力學，研究流體平衡、運動規律、流體和周圍物體之間的相互作用力及其實際應用的科學。由于流動現象和流動規律及其影響因素十分復雜，故其具有理論性強、概念抽象和公式較多、實際工程應用廣、對學生的綜合分析處理問題的能力要求較高等特點。加上學生對流體流動機理普遍缺乏感性認識，導致“流體力學”課程歷來被公認為是教師難教、學生難學難懂的課程之一。因此，迫切需要進行“流體力學”課程教學改革，使學生學好本門課程，提高課程教學質量，使學生能更深刻地理解和掌握專業理論知識，培養學生的綜合分析應用能力和創新能力，全面提高專業素質。
分析目前我院制冷與低溫工程專業“流體力學”課程教學的現狀，發現存在以下主要問題：首先，“流體力學”理論性強，概念多而抽象，難以理解，學生普遍缺乏對流體力學問題的感性認識，學習興趣不高；其次，課程中公式繁多，推導過程復雜，且大多涉及到“高等數學”的偏微分方程，另還涉及到“大學物理”、“理論力學”、“材料力學”等方面的知識，學生理解困難；另外，學生對所學的知識不能靈活應用。因此怎樣激發學生的學習興趣，選擇合適的教學模式組織教學，全面實現該課程教學目標，提高教學質量，是該課程教學亟待解決的問題。
一、改革教學方法
學好“流體力學”這門課對于制冷與低溫工程專業的學生來說至關重要。讓學生理解流體靜止和運動的規律及其影響因素，不僅能為學生學習后續的專業課程提供必要的理論基礎，也能為學生以后分析解決實際工程中的實際問題提供理論指導。怎樣才能讓學生學好這門課，筆者結合自己的教學經驗，認為可以從以下幾方面著手。
1.激發學生學習興趣
學生是學習的主體，而“流體力學”又是大家公認難學的課程，因此學生的學習積極性高低決定著“流體力學”這門課教學的成敗。
要提高學生學習“流體力學”的積極性，首先要上好“緒論”課?！熬w論”課是學生接觸和了解“流體力學”這門課的窗口，也是教師的教學水平和教學方式的第一次展示，“緒論”課上得好不好直接影響到“流體力學”課程教學的成功與否。通過“緒論”課讓學生對“流體力學”的發展及其廣泛的工程實際應用有一個大致的了解，使他們充分意識到“流體力學”知識和我們的生活及國家的建設密切相關，深刻理解“流體力學”知識在今后的學習和解決實際工程問題中的重要作用。
教師在講授一些理論知識之前，可先舉出很多貼近生活的有趣實例或者先提一些問題來激發學生的學習興趣，啟發引導學生積極地思考。例如在講液體的粘性之前，可以先問學生：在水中游得快還是在油中游得快？為什么？又如在描述流體運動有兩種方式——拉格朗日法和歐拉法時，可以將在座的學生和教室里的每個座位作為研究對象來進行類比，從而讓學生很容易的理解兩種方式。通過舉例和提問的方式，讓學生帶著問題去學習，讓學生親身感受到參與教學活動是一件樂事、趣事，由愿學到愛學再到樂學。實踐表明：列舉事例或提問的方式可以避免學生學習的枯燥感，活躍課堂氣氛，不僅可以吸引學生的注意力，激發學生學習的主觀能動性，還可以使學生充分意識到本課程對今后學習和工作的重要意義，并且能加深學生對所學知識的理解和記憶，使學生分析問題和解決問題的能力得以提高。
另外，還應充分利用多媒體，通過圖片、動畫讓學生直觀了解各種流動現象，而不是停留在抽象層面，從而提高學生學習“流體力學”的興趣。
2.巧妙講解公式
為了定量地描述流動現象和分析流動機理，需要應用數學工具。學生要真正理解基本概念、重要公式，首先就要讀懂數學，然而讀懂了數學不一定意味著明白了數學符號背后所代表的物理意義?！傲黧w力學”教學實踐表明，學生從讀懂數學到理解流動問題的物理本質有一個過程。教師的一個重要任務就是做好各方面的工作，幫助學生完成從讀懂數學到理解流動的物理本質這一過程的轉變，進一步建立起科學的思維方式。
“流體力學”在分析介紹歐拉平衡微分方程、歐拉運動方程、連續方程、動量方程、伯努利方程等理論知識時都有大量的公式，這些公式涉及一些高數、物理、力學方面的知識，特別是大量的偏微分方程，加上“流體力學”的公式推導采用歐拉法，與物理及其他力學不同，學生的觀念不易改變，而且推導過程復雜，學生理解掌握很困難。如果過分強調“流體力學”知識的嚴密性和完整性，對每個公式的每個推導細節都逐一介紹，推導過程將會枯燥無味，學生只會被弄得糊里糊涂，興趣全無。而如果直接給出公式，讓學生死記硬背，只能讓學生不知其所以然，當然也就不能真正用所學知識來解決實際問題了。
根據多年的教學經驗，筆者認為：“流體力學”中公式的講解應將重點放在概念引入、理論模型建立的思想、基本原理和主要步驟以及公式的物理意義與應用限制上。首先對基本概念力爭講透，概念清楚了，公式的講解推演才有意義。然后重點使學生明確公式的物理意義及公式中各項參數的物理意義和幾何意義，只有真正理解了公式的物理意義，才能靈活使用公式解決實際工程問題。最后應強調公式的應用范圍及應用注意事項。由于流動的多樣性，“流體力學”中的很多方程都是在一定的條件下得到的，如伯努利方程就有多種形式（理想流體、實際流體、流體是否可壓等），在具體運用時，要根據具體情況選用正確的形式。
3.充分利用作業
學習的最終目的是讓學生能夠獨立自主地解決實際工程問題。如果基本原理掌握了，接下來就是如何用這個原理去解決實際問題。課后作業是檢查學生對所學知識理解、掌握程度的一種手段，同時也是培養學生分析、解決問題能力的一種方法。
首先應由學生獨立地完成一定量的課后練習題，這是“流體力學”學習過程的重要組成部分，解題過程實質就是利用“流體力學”的基本原理和基本方程分析和解決實際問題的一個訓練過程，課后習題可以幫助學生加深對基本概念和基本理論知識的理解。
然后再由教師通過習題課的方式，利用具有代表性的習題和一些學生普遍認為困難、出錯多的習題，講述流體力學原理在工程實例中的應用。在講解習題時，重在提供條理清晰的解題思路、詳細具體的解題步驟，使學生在此過程中掌握解決問題的正確方法和技巧，以便在以后的學習工作中舉一反三、觸類旁通、學以致用。這一過程增強了學生對流動過程物理本質的理解，將物理問題與數學工具有機地結合起來，有助于學生對與專業相關聯的實際工程問題進行認真思考，有效的增強了學生分析并解決實際問題的能力。
二、改革教學手段
多媒體教學以其形象、直觀、生動、具體、易于理解的教學特點，豐富的教學內容，被高等院校廣泛采用，并深受廣大師生的歡迎。
多媒體教學在“流體力學”教學過程中發揮著重要的作用。利用多媒體，可將“流體力學”中那些難以用語言描述的流動圖像、抽象難懂的知識點，如拉格朗日和歐拉法的描述，流線與跡線、層流、湍流等，通過圖片、動畫和視頻資料直觀形象地展現給學生，使其從感性認識開始建立清晰的物理概念，較容易地掌握相關內容，并使學生的邏輯思維、綜合分析能力得以提升。另外一些需占用大量時間寫板書表述的和不易通過板書表述的內容也可利用多媒體制作Power Point課件。如莫迪圖、水頭線、各種流場和一些典型的例題習題等。采用多媒體教學，授課的信息量增多了，教學內容更豐富了，學生在有限的時間內接收的知識更多了，學生的學習興趣提高了，學生的思路拓寬了，教學質量也提高了。
多媒體教學的發展并不意味著要摒棄傳統的板書教學。有很多學生認為板書能讓他們有更多的時間去思考消化一些抽象的東西，更有利于對基礎知識的理解和掌握。根據“流體力學”既有抽象復雜的流動機理又有大量的基本概念、基本方程的特點，在教學過程中應將多媒體教學與板書教學相結合，揚長避短，發揮各自的優勢，為教學工作更好地服務。如對某些特定的流動現象，可以通過多媒體教學，加深學生對流動現象和機理的理解。而對于較重要的公式及一些重點難點內容還是采用板書教學，例如流體力學基本方程的推導過程依然使用傳統教學中的板書，有利于學生集中注意力，讓學生更清楚地看清步驟、方法和解題思路。這樣既可留給學生足夠的思考時間，又可加深學生對重要知識的理解，從而獲得良好的教學效果。
關鍵詞：計算流體力學；求解；基本原理；化學工程；應用
化學工程在我國具有較長的研究與應用歷程，并在實際的生產與生活中取得到巨大的應用成效，不僅能夠供給正常的生活需求，同時根據新材料的開發，能夠滿足現代型環保材料的使用。在化學工程中，較多的反映環境和反應機制都是在溶液中進行的，具有質量守恒和熱量守恒定律的應用。而這種質量與能量的關系正是計算流體力學的主要原理。通過對實際應用環境和原理的分析，能夠優化工程設計和工藝改進，提高化學工程的生產效率。
1計算流體力學在化學工程中的基本原理
計算流體力學簡稱CFD，是通過數值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內的動量、熱量、質量方程等流動主控方程，從而發現化工領域中各種流體的流動現象和規律，其主要以化學方程式中的動量守恒定律、能量守恒定律及質量守恒方程為基礎。一般情況下，計算流體力學的數值計算方法主要包括數值差分法、數值有限元法及數值有限體積法，其也是一門多門學科交叉的科目，計算流體力學不僅要掌握流體力學的知識，也要掌握計算幾何學和數值分析等學科知識，其涉及面廣。針對計算流體力學的真實模擬，其主要目的是對流體流動進行預測，以獲得流體流動的信息，從而有效控制化工領域中的流體流動。隨著信息技術的發展，市場上也出現了計算流體力學軟件，其具有對流場進行分析、計算、預測的功能，計算流體力學軟件操作簡單，界面直觀形象，有利于化學工程師對流體進行準確的計算。
2計算流體力學砸你化學工程中的實際應用
2.1在攪拌中的應用分析
在攪拌的化學反應中，反映介質之間的流動性比較復雜，依據傳統的計算形式根本無法解決，并在化學試劑在攪拌中存在不均勻擴散的特點，在湍流的形式中能量的分布狀況也存在著空間特點。若是依據實驗手段測得反映中物質、能量和質量的變化規律，其得出的結構往往存在較差時效性，實驗騙差加大。通過對二維計算流體力學的應用，能夠對攪拌中流體的形式進行模擬，并進行質量、能量等數據的驗證。但是流體的變化，不僅與化學試劑的濃度、減半速度有關，還與時間、容器的形狀等有著之間的聯系，需要建立三維空間模擬形式進行計算流行力學。隨著科學技術和研究水平的提高，在通過借助多普勒激光測速儀后，已經對三維計算形式有了較大的突破，這對于化工工程中原料的有效應用和工程成本的減低具有促進的作用，但是在三維計算流體力學中還存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不斷的完善。
2.2CFD在化學工程換熱器中的應用分析
換熱器是化學工程中主要的應用設備，通過管式等換熱器、板式換熱器、冷卻塔和再沸器等的應用，能夠有效的控制化學試劑在反應中的溫度變化。其中根據換熱器的形式不同，計算流體力學的方式也就不同。在管式換熱器中主要是通過流體湍流速度的改變，增加換熱速率的。在板式換熱器中是通過加大流體的接觸面積，提高換熱效率的。而在冷卻塔和再沸器中，熱量交換的形式更為復雜，但是卻群在重復性換熱的特點，增加了換熱的時間，提高了換熱的效果。從總體上分析，計算流量力學中，需要對溫度變化、流體的速度變化、熱交換面積變化和時間變化進行分析。通過CFD計算流體力學的應用，能夠計算出不同設備的熱交換效果，并根據生產的實際需求進行換熱器的選擇使用。
2.3在精餾塔中的應用
CFD已成為研究精餾塔內氣液兩相流動和傳質的重要工具,通過CFD模擬可獲得塔內氣液兩相微觀的流動狀況。在板式塔板上的氣液傳質方面,Vi-tankar等應用低雷諾數的k-ε模型對鼓泡塔反應器的持液量和速度分布進行了模擬,在塔氣相負荷、塔徑、塔高和氣液系統的參數大范圍變化的情況下,模擬結果和現實的數據能夠較好的吻合。Vivek等以歐拉-歐拉方法為基礎,充分考慮了塔壁對塔內流體的影響,用CFD商用軟件FLUENT模擬計算了矩形鼓泡塔內氣液相的分散性能,以及氣泡數量、大小和氣相速度之間的關系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一種用塔內典型微型單元(REU)的流體力學性質來預測整塔的流體力學性質的方法,對每一個單元用FLUENT進行了模擬計算,發現塔內的主要能量損失來自于填料內的流體噴濺和流體與塔壁之間的碰撞,且用此方法預測了整塔的壓降。Larachi等發現流體在REU的能量損失(包括流體在填料層與層之間碰撞、與填料壁的碰撞引起的能量損失等)以及流體返混現象是影響填料效率的主要因素,而它們都和填料的幾何性質相關,因此用CFD模擬計算了單相流在幾種形狀不同的填料中流動產生的壓降,為改進填料提供了理論依據。CFD模擬精餾塔內流體流動也存在一些不足,如CFD模擬規整填料塔內流體流動的結果與實驗值還有一定的偏差。這是由于對于許多問題所應用的數學模型還不夠精確,還需要加強流體力學的理論分析和實驗研究。
2.4CFD在化學反應工程中的應用研究
在化學反應工程中，反應物和生成物的化學反應速率與反應器、溫度和壓力等有著較大的聯系，在實際的反應中可以利用計算流體力學進行數據的獲取。但是這數據的獲取具有一定的溫度限制，當反應中溫度過大，就會造成分子的劇烈運動，其運動軌跡的變化規律就會異常，在利用計算流體力學的模型計算中，計算數據與實際情況會發生較大的偏差。由于高溫中分子的運動軌跡和運動速度難以獲取，在計算流體力學的實際計算中，就要借助FLUENT進行三維建型，并利用測速反應器進行速度的測量，通過綜合的比較分析，利用限元法進行數據的計算?？梢缘贸霾煌h境下的反應器的流線、反應器內部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟件預測反應器的速度、溫度及壓力場，可以更進一步理解化學反應工程中的聚合過程，詳細、準確的數據可以優化化學反應中的操作參數。
結束語
計算流體力學對于化學工程的應用具有實際意義，并在經濟效益的提高上具有重要的價值，在近幾年，化學工程技術人員不斷的計算流體力學中展開研究，以二維空間計算和模擬為基礎，不斷的完善三維空間的流量計算，并得出了一系列的流體流動規律。根據計算流體力學在化學工程中的廣泛應用，在今后的化學工程發展中，應加強此類學科的教學與延伸，提供出更有效的反應設備和工藝操作。
參考文獻
[1]余金偉,馮曉鋒.計算流體力學發展綜述[J].現代制造技術與裝備,2013(06).
