水利工程類學(xué)生水力學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)研究

高柱

摘 要 水力學(xué)計(jì)算應(yīng)用能力的培養(yǎng)是水利工程類學(xué)生計(jì)算應(yīng)用能力培養(yǎng)的重要組成部分，作者結(jié)合具體實(shí)例從計(jì)算建模能力，編程能力，商用和開源軟件的使用以及文獻(xiàn)閱讀四個(gè)方面，討論了如何多途徑提高學(xué)生的水力學(xué)計(jì)算能力，為其將來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 水力學(xué) 計(jì)算應(yīng)用能力 水利工程

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.02.011

Abstract The capability of computing in hydraulics course is an important part in the capability development of the students in the hydraulic engineering. Incorporating with practical examples， the author discusses how to improve the computing capability by multiple methods which are the modeling capability， programming capability， commercial and open source software and bibliography reading， hoping to pave the road for a better development for the students.

Keywords Hydraulics； computing capability； water conservancy project

0 引言

伴隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，水利工程設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的新問題和新需求對(duì)水利工程類學(xué)生的計(jì)算應(yīng)用能力提出新的要求，其中的水力學(xué)計(jì)算應(yīng)用能力的培養(yǎng)是重要的組成部分，而水力學(xué)課程是該能力培養(yǎng)的重要一環(huán)。隨著高校改革的深入，專業(yè)課學(xué)時(shí)都不同程度地被壓縮，如何在有限的課堂學(xué)時(shí)中利用好現(xiàn)有的經(jīng)典水力學(xué)教科書，幫助學(xué)生培養(yǎng)起相應(yīng)的知識(shí)體系和計(jì)算應(yīng)用能力，同時(shí)引導(dǎo)他們利用課外時(shí)間對(duì)新的技術(shù)方法和研究方向有所了解，以便他們?cè)谧呱瞎ぷ鲘徫缓螅龅较鄬?duì)陌生的水力學(xué)計(jì)算問題時(shí)，知道如何下手和高效地學(xué)習(xí)補(bǔ)充相應(yīng)的內(nèi)容，盡快解決掉實(shí)際問題。這就要求水力學(xué)專業(yè)課教師平時(shí)要深挖教材，組織好課堂授課內(nèi)容，多了解行業(yè)和實(shí)際工程的應(yīng)用需求，不斷更新補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段，既要“授之以魚”，更要“授之以漁”，培養(yǎng)并建立起學(xué)生的水力學(xué)計(jì)算能力。作者結(jié)合自己多年的教學(xué)體會(huì)，從以下幾個(gè)方面談?wù)勛约旱睦斫狻?/p>

1 計(jì)算建模能力的培養(yǎng)

水力學(xué)問題本質(zhì)就是物理問題，數(shù)學(xué)是有力的量化工具，水力學(xué)問題的良好解決需要將物理和數(shù)學(xué)兩方面很好地結(jié)合，同時(shí)工程問題又相當(dāng)復(fù)雜，涉及的影響因素多，如果全部考慮，則可能無解，因此如何簡(jiǎn)化問題，提出好的模型，使得數(shù)學(xué)、物理和工程應(yīng)用三個(gè)方面都能兼顧，得到實(shí)用的問題解決方案，就需要學(xué)生（未來的工程師）具備良好的計(jì)算建模能力，這也是水力學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)中最重要的部分。

本科生階段，課堂上教師講授的經(jīng)典內(nèi)容是可以給學(xué)生啟發(fā)的。例如水力學(xué)中的恒定總流的能量方程推導(dǎo)過程，就是一個(gè)很好的例子。總流能量方程需要在過水?dāng)嗝嫔蠈?duì)微小流束進(jìn)行積分，這個(gè)積分包括位置頭z，壓頭p/ 和流速水頭u2/2g，如公式（1）所示[1，2]：

初看公式（1）的積分，會(huì)覺得從數(shù)學(xué)上處理起來很困難，因?yàn)榭赡芤谝粋€(gè)不規(guī)則的斷面上對(duì)一個(gè)復(fù)雜的流速分布進(jìn)行積分，經(jīng)典的處理方法是引入動(dòng)能修正系數(shù) ，即將水流的分布視為均勻分布，這樣靜壓項(xiàng)z+p/ （測(cè)壓管水頭）可以視為常數(shù)直接放到積分號(hào)的外面，避免了一個(gè)復(fù)雜的積分過程。學(xué)生可能馬上就對(duì)流速的斷面分布近似均勻這個(gè)前提提出疑問，這時(shí)任課老師就應(yīng)該補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)，由于水流紊動(dòng)的存在（可附帶簡(jiǎn)要介紹水流的紊動(dòng)特性），在水利工程中最常見的管流和明渠流中，除了近壁面的極小區(qū)域以外，漸變流過水?dāng)嗝嫔系慕^大部分流速分布是較均勻的，從而靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)，這是漸變流的一個(gè)基本物理特性，也正是這個(gè)特性讓積分過程得到極大簡(jiǎn)化。任課教師還可以結(jié)合水力學(xué)實(shí)驗(yàn)相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容和錄像，讓學(xué)生更加直觀地體會(huì)靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)這個(gè)簡(jiǎn)化前提。同時(shí)也解釋了在漸變流大多數(shù)情況下，動(dòng)能修正系數(shù) 為何取值較小（1.05～1.10），有時(shí)候就取1.0，即不需要修正，而不會(huì)對(duì)工程實(shí)際問題的計(jì)算精度產(chǎn)生大的影響。通過上述多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)合講解，讓學(xué)生真實(shí)感受到，對(duì)一個(gè)（工程）計(jì)算問題，在滿足工程精度的前提下，如何利用問題自身的物理特性去簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，理解和重視起來水力學(xué)試驗(yàn)的重要（靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證），以及公式中引入的各種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（本例中的 ）取值背后所反映的物理數(shù)學(xué)量化關(guān)系。

還是在總流的能量方程中，學(xué)生會(huì)接觸到局部水頭損失的計(jì)算，公式的形式很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)局部水頭損失系數(shù)乘上流速水頭，課本的例題和水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)算問題（小尺度），學(xué)生都很好理解，但是當(dāng)我們向?qū)W生提出一個(gè)實(shí)際的工程問題的時(shí)候（大尺度），學(xué)生們?cè)趹?yīng)用該基本公式的時(shí)候，就顯得信心不足。為此，作者嘗試將實(shí)際工程算例引入到課堂中，比如在Aguamilpa大壩的施工期安全分析中，[3]需要計(jì)算兩條導(dǎo)流隧洞的過流能力，整個(gè)的計(jì)算過程就是利用基本的總流能量方程，隧洞截面為16€？6m，長(zhǎng)度分別為783m和894m，每條隧洞有兩個(gè)轉(zhuǎn)彎部分（局部水損失的計(jì)算），通過講解該工程案例的計(jì)算過程，讓學(xué)生知道課本上的基本公式是如何應(yīng)用到實(shí)際工程中的，同時(shí)也增強(qiáng)了同學(xué)們學(xué)習(xí)專業(yè)外語的積極性。

作者建議充分利用和挖掘教材實(shí)例，適當(dāng)結(jié)合工程案例，在有限的課堂教學(xué)中激發(fā)本科生專業(yè)課程興趣，引導(dǎo)學(xué)生自己去重視和思考如何提升計(jì)算建模能力，并動(dòng)手實(shí)踐。

2 編程能力的培養(yǎng)

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛普及，各種復(fù)雜程度的水力學(xué)計(jì)算問題已經(jīng)離不開計(jì)算機(jī)的使用，編程的目的是解決如何將人的想法變成機(jī)器程序，高效完成計(jì)算任務(wù)，這是水力學(xué)計(jì)算能力中的必要一環(huán)。編程能力的培養(yǎng)同樣也要遵循從易到難的基本教學(xué)規(guī)律，本科生對(duì)office軟件相對(duì)熟悉，因此水力學(xué)中的各種試算，比如管道的直徑選擇，明渠斷面參數(shù)設(shè)計(jì)，水面曲線的計(jì)算和繪制，都可以通過excel表格完成。老師可以鼓勵(lì)學(xué)生提交excel表格計(jì)算的作業(yè)。當(dāng)學(xué)生感覺到excel表格的輕松和高效時(shí)，可以進(jìn)一步引入VBA（Visual Basic for Applications），或者結(jié)合學(xué)生已有的MATLAB和C語言課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)語言編寫出小程序，解決水力學(xué)課后作業(yè)或者實(shí)際的工程計(jì)算問題，比如自動(dòng)繪制水面曲線。將做的好的同學(xué)的作業(yè)進(jìn)行大班展示和表揚(yáng)，增加他們的平時(shí)成績(jī)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3 商用和開源軟件的使用

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics-CFD）[4]相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)作為主要章節(jié)出現(xiàn)在國外的教科書中，這部分內(nèi)容，建議讓學(xué)有余力并對(duì)CFD感興趣的同學(xué)，通過課外活動(dòng)學(xué)習(xí)完成，比如大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)和數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽等。本科生有能力掌握商用和開源軟件的基本操作。比如常見的水面曲線的計(jì)算繪制，就可以利用DHI Mike軟件完成，恒定水頭的水箱自由出流時(shí)間估算，可以利用ANSYS Fluent軟件完成，潰壩的模擬計(jì)算可以選擇開源軟件OpenFOAM軟件的自帶算例，接著讓學(xué)生將軟件模擬結(jié)果與手算成果/簡(jiǎn)化模型結(jié)果做對(duì)比，分析比較不同方法所得結(jié)果的差異。目的是讓本科生知道商用和開源軟件的基本使用方法，為將來可能的深入使用打下基礎(chǔ)，也激勵(lì)他們?nèi)ニ伎挤抡嬗?jì)算背后的建模原理和計(jì)算方法。

4 文獻(xiàn)閱讀

有關(guān)水力學(xué)的各種工程案例和計(jì)算方法都出現(xiàn)在國內(nèi)外的主流學(xué)術(shù)期刊上，其中的英文文獻(xiàn)和主流商用或者開源軟件的界面和幫助文件一般都是英文的，老師應(yīng)鼓勵(lì)本科生旁聽留學(xué)生的“水力學(xué)”/“流體力學(xué)”英文課程，并與各類外語的考級(jí)考證相結(jié)合，激勵(lì)他們提高外語的實(shí)際應(yīng)用能力，逐步培養(yǎng)起他們對(duì)專業(yè)外語內(nèi)容的興趣。一旦本科生跨越了語言障礙之后，他們將更加樂意通過外文資料的閱讀和學(xué)習(xí)，更快地提升自身的計(jì)算程序使用和開發(fā)能力。

5 總結(jié)

水力學(xué)任課教師可以嘗試從上述四個(gè)方面有針對(duì)性地逐步培養(yǎng)起學(xué)生的水力學(xué)計(jì)算能力，學(xué)生如果能熟練地計(jì)算得到水力學(xué)問題的正確量化結(jié)果，表明學(xué)生已經(jīng)掌握了相關(guān)的知識(shí)體系和技能，并已經(jīng)能靈活應(yīng)用，這是教師們最希望看到的結(jié)果。

基金項(xiàng)目：三峽大學(xué)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（J2015002），中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（IWHR-SKL-201616）

參考文獻(xiàn)

[1] 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）編，吳持恭主編.水力學(xué)（第4版）（上冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）編，吳持恭主編.水力學(xué)（第4版）（下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3] Marengo H. Case Study： Dam Safety during Construction， Lessons of the Overtopping Diversion Works at Aguamilpa Dam[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2006，132（11）：1121-1127.

[4] Potter Merle C， Wiggert David C， Ramadan Bassem H. Mechanics of Fluids SI Version[M]. Nelson Education，2011.