流體力學實驗教學探討

摘 要 實驗是研究科學技術的重要手段，是流體力學教學的一個重要環節。在理論聯系實際、激發學習興趣、鍛煉觀察與分析能力、培養創新意識等方面探討實驗教學所起的重要作用。

關鍵詞 流體力學；實驗教學；創新意識

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2011)24-0122-02

Discussion on Experiment Teaching of Fluid Mechanics//Lin Guangfeng， Zhou Qiushu

Abstract As one of the means of scientific research， experiment is very important to fluid mechanics teaching. In this paper， it is discussed the vital function of experiment teaching on various aspects such as combining theory with practice， arousing the students’ curiosity， improving analytic ability and cultivating a taste of innovation.

Key words fluid mechanics; experiment teaching; taste of innovation

Author’s address Ocean College， Yantai University， Yantai， Shandong， China 264005

流體力學是力學的一個獨立分支，它是研究流體的平衡和流體的機械運動規律及其在工程實際中應用的一門學科。在人們的生產和生活中隨時隨地都可遇到流體，所以流體力學與人類的日常生活和生產活動密切相關，是航空航天、水利工程、采礦冶金、給水排水、空調通風、土木建筑以及環境保護等學科重要的理論基礎，應用范圍十分廣泛。

實驗方法是研究科學技術的重要手段，由于流體運動的復雜性，使得流體力學離不開科學實驗。現代流體力學就是在純理論的古典流體力學與偏重實驗的古典流體力學結合后才蓬勃發展起來的，理論分析、實驗研究和數值計算是其三大支柱。因此，實驗教學是流體力學課程必不可少的重要環節之一。通過實驗教學，可以達到如下目的。

1 增強感性認識，鞏固理論知識

流體力學由于其理論的抽象、較多公式的繁雜，學起來普遍會感到比較吃力，時間一長就會逐漸失去學習的興趣，只滿足于死記硬背課本上的理論，不善于思考推究，其主觀能動性得不到應有的發揮。而實驗卻可以較好地解決這一問題，通過實驗，可以把抽象的理論知識轉化為具體的、可見的液流現象，從而增強感性認識，在幫助理解流體力學的基礎理論方面起到事半功倍的效果。

如雷諾實驗，該實驗的目的是觀察層流、紊流的流態及其轉換特征；測定臨界雷諾數，掌握流態判別準則。實驗過程中，先通過調整閥門開度，改變有壓管中水流的流速，觀察液流的流態轉化，可以看到：管中水流流速較小時，顏色水是一條清晰的規則的直線，說明此時水流是分層流動，各流層間互不摻混，流態為層流；隨著閥門逐漸開大，流速逐漸增加，管中顏色水開始出現擺動，由原來的直線變為曲線；繼續增大流速，顏色水彎曲越來越厲害，終于不再保持一個線條，而是向四周擴散，與周圍的清水混到一起，使整個管中的水流全部著色，表明此時液體質點的運動軌跡是極不規則的，各部分流體互相劇烈摻混，該流態為紊流。學生通過觀察這一具體的、有趣的液流現象，極大地增強對粘性液體流動的感性認識，深刻地理解層流和紊流的本質特征；并且實驗過程中還要求測定臨界雷諾數，理解為什么把臨界雷諾數作為流態判別準則。

2 觀察液流現象，培養分析能力

流體力學實驗的一個非常重要的目的是，在觀察液流現象，獲得感性認識的基礎上，還要思考實驗中出現的各種問題，分析并總結流體的運動規律，由感性認識上升到理性認識，不僅可極大地提高學生分析問題和解決問題的能力，而且可以培養其獨立的工作能力和實事求是的嚴謹的工作作風。

如流動現象演示實驗可以觀察管流、射流、明渠流的多種流動現象，演示邊界條件對水頭損失的影響。在逐漸擴大段可看到邊界層分離而形成的漩渦，而在逐漸收縮段，主流和邊壁沒有分離，沒有形成漩渦——說明逐漸擴大段的局部水頭損失大于逐漸收縮段。在突擴段出現較大的漩渦，突縮段在收縮斷面后出現較小的漩渦區，可見突擴比突縮有較大的局部損失，而且突擴、突縮比漸擴和漸縮漩渦區長，水頭損失大。這也就是為什么工程中多采用圓弧形管嘴或喇叭形取水口而較少采用直角銳緣形管嘴的原因。

3 理論聯系實際，培養探索能力

傳統的理論教學，教師往往向學生灌輸大量的理論知識，學生處于被動接受的地位，理論與實際脫節的結果是抑制學生主動性和創造性的發揮，而要在這一方面有所改進，實驗教學是一個非常好的手段。

如單圓柱繞流實驗可以看到邊界層分離狀況、分離點位置以及卡門渦街的產生與發展過程。卡門渦街在工程實際中有很重要的意義。實驗中要求學生根據實驗現象，理論聯系實際，分析為什么風吹電線，電線會發出共鳴？解決繞流體的振動問題有哪些途徑？

而多圓柱繞流實驗可看到流體混合、擴散、組合旋渦等流譜。多圓柱繞流廣泛應用于傳熱系統的熱交換器中：流體流經圓柱時，邊界層內的流體與柱體發生熱交換，柱體后的旋渦起摻混作用，然后流經下一柱體，再交換，再摻混，換熱效果較好。

由此可見，將實驗現象與工程實踐和生活實際聯系起來，可有效地激發學生的學習興趣，促進學生對實驗的主動思維和積極探索，在一定程度上培養其創新意識和實踐能力。

4 設計實驗方案，培養創新能力

實驗是流體力學教學過程中不可或缺的重要環節，它不僅有助于強化理解書本上抽象、艱澀的理論知識，而且在激發學生創新意識、培養創新能力方面起著舉足輕重的作用。

流體力學實驗內容分為演示型和驗證型兩部分，其中以驗證型實驗為主。這些實驗方法單一，學生只要按照實驗指導書上的實驗步驟一步一步地做下去，測量幾個實驗數據，進行簡單的數據分析，就可形成一篇完整的實驗報告。這種實驗過程，學生只是在被動參與，其主觀性和積極性沒有得到發揮，更談不上創新能力的培養。為此，在實驗教學中有必要在演示型和驗證型實驗的基礎上，有意識地增加幾個綜合性和設計性實驗。

采用流體力學綜合試驗臺，各管段采用絲扣連接，便于對不同材質管段進行替換，管線可以自由選擇連接，在研究新型管材及其連接件時，可直接組合安裝在管道上進行測量。如能量方程實驗管段，其上既有測速管，又有測壓管；既可測定斷面平均流速，又可利用二者組成畢托管，測量管道中某點流速，還可利用測壓管測定流動阻力。實驗時，學生根據教師給定的實驗目的和要求，查閱實驗資料，設計實驗方案，選擇不同的管材和管段，有計劃、有步驟地進行組合安裝，記錄完整的實驗數據，進行嚴謹的數據分析，最后形成一份詳實的實驗報告。這種綜合性、設計性實驗，學生完成從設計、操作到分析的一個完整過程，可將所學的理論知識融會貫通，極大地鍛煉學生分析問題、思考問題和解決問題的能力，在激發學生創新意識、啟發創新思維、培養創新型人才方面起到事半功倍的作用。

5 結語

流體力學是很多工科專業必修的一門專業基礎課，理論性和實踐性都很強，而實驗是將流體力學基本理論與工程實踐相結合的非常重要的教學環節。一方面，在對理論知識的理解和驗證上，實驗課有著理論教學無法替代的關鍵作用；另一方面，在鍛煉學生操作能力、提高分析能力、激發學習興趣、培養創新意識以及嚴謹的科學態度上，實驗也是不可或缺的教學手段，有必要在實驗的教學內容、教學方法和實驗設備等方面進行進一步的探討研究。

參考文獻

[1]蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].4版.北京:中國建筑工業出版社，1999

[2]吳班.流體力學實驗教學改革探討[J].唐山學院學報，2007，3(2):105-106

[3]楊曉新.流體力學綜合試驗臺的開發與應用[J].西安航空技術高等專科學校學報，2008，1(1):73-74

[4]王英，謝曉晴，李海英.流體力學實驗[M].長沙:中南大學出版社，2005