工程流體力學(xué)課程案例式教學(xué)初探

李德玉++李嘉薇++陳更林

摘 要 在分析工程流體力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，為了克服教學(xué)模式單一的弊端，提出在教學(xué)中適時(shí)采用案例式教學(xué)模式的方案。以航空史上發(fā)生的多起空難事故為背景，引出皮托測(cè)速管測(cè)速的工程案例。通過(guò)對(duì)皮托測(cè)速管結(jié)構(gòu)介紹、測(cè)速的流體力學(xué)原理分析和皮托測(cè)速管工程應(yīng)用的拓展等關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，完成流體力學(xué)中關(guān)于伯努利方程的教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞 案例教學(xué)；工程流體力學(xué)；皮托測(cè)速管

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）02-0091-03

Preliminary Study of Case Teaching in Engineering Fluid Me-chanics//LI Deyu， LI Jiawei， CHEN Genglin

Abstract Based on current study and teaching situation of engi-neering fluid mechanics， case teaching method was applied in the teaching process to overcome the drawbacks of traditional teaching mode. This paper mainly focused on a case teaching of Bernoullis Equation. Firstly， several typical cases of airplane crash were intro-duced. Secondly， the investigation results of these cases showed that the velocity meters （Pitot tube） faults were the direct reason. Finally， by discussion of the structure and working principles of Pitot tube，

students can have a good grasp of engineering application of Ber-noullis Equation.

Key words case teaching； engineering fluid mechanics； Pitot tube

1 引言

工程流體力學(xué)課程是高等工科院校的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系前期高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁和紐帶，在學(xué)生能力培養(yǎng)和知識(shí)體系構(gòu)建過(guò)程中起著承上啟下的作用。由于很多學(xué)生缺乏生活經(jīng)驗(yàn)，對(duì)流體力學(xué)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)模糊。同時(shí)，一些流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)規(guī)律很難用語(yǔ)言描述清楚。因此，學(xué)生普遍感覺(jué)流體力學(xué)概念抽象，難以理解，對(duì)該課程產(chǎn)生畏難情緒和厭學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)積極性不高。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

工程流體力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀可以從學(xué)生上課缺勤多、作業(yè)抄襲多和書(shū)看得少、師生交流少這“兩多兩少”來(lái)體現(xiàn)。一方面，這種現(xiàn)狀與學(xué)生的個(gè)人因素有關(guān)；另一方面，這也反映出當(dāng)前工程流體力學(xué)課程教育教學(xué)存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，亟待完善。這主要體現(xiàn)在以下方面。

教學(xué)資源短缺，教學(xué)模式單一 工程流體力學(xué)課程開(kāi)設(shè)已久，但現(xiàn)有的教學(xué)資源比較有限，質(zhì)量不高。數(shù)十年來(lái)，盡管國(guó)內(nèi)出版的工程流體力學(xué)教材種類繁多，但內(nèi)容編排上千篇一律，缺乏新意，可閱讀性差；課堂教學(xué)盡管采用多媒體方式，但現(xiàn)有的多媒體教學(xué)課件形式單一，內(nèi)容不夠豐富，缺乏實(shí)戰(zhàn)性，導(dǎo)致教學(xué)仍以口授為主，課堂互動(dòng)性不足，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、主動(dòng)性不夠。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺乏啟發(fā)性、創(chuàng)新性 實(shí)踐教學(xué)是工程流體力學(xué)課程教學(xué)體系的重要組成部分，是鍛煉學(xué)生科研動(dòng)手能力、培養(yǎng)科學(xué)研究素質(zhì)的基本途徑，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的工程流體力學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，盡管實(shí)驗(yàn)種類較多，但以演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，而且內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)手段老套，測(cè)量技術(shù)落后，很難激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，更難適應(yīng)研究型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。此外，實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)不同步，配合不緊密，使得實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中所起的作用被大大削弱。

缺少有效的師生溝通平臺(tái)，師生交流少 “課程答疑”這種教學(xué)過(guò)程中主要的師生交流方式現(xiàn)已被學(xué)生所忽視，很少有學(xué)生能夠主動(dòng)地去參加答疑。師生交流少，就容易造成“教”與“學(xué)”的分離，給課程教學(xué)的有效開(kāi)展構(gòu)成了障礙。

針對(duì)現(xiàn)階段教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，力圖改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，通過(guò)立體化教材建設(shè)、立體化理論與實(shí)踐教學(xué)模式和多元化的輔助教學(xué)模式建設(shè)，構(gòu)建起工程流體力學(xué)立體化教學(xué)體系。通過(guò)建設(shè)，使學(xué)生更多地了解流動(dòng)問(wèn)題的工程背景和實(shí)際應(yīng)用，加深感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，使工程流體力學(xué)課程的教學(xué)水平邁上一個(gè)新臺(tái)階。本文將詳細(xì)分析工程流體力學(xué)立體化教學(xué)體系建設(shè)過(guò)程中案例式教學(xué)模式的構(gòu)建，并以皮托測(cè)速管的工程應(yīng)用為例，闡述工程教學(xué)案例的設(shè)計(jì)方法。

3 工程案例式教學(xué)法簡(jiǎn)介

工程案例教學(xué)法是一種以工程案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，這種教學(xué)方法可以有效引導(dǎo)學(xué)生參與課堂討論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，提高學(xué)生的綜合能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)而達(dá)到激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)、改善教學(xué)效果的目的[1-2]。

工程案例設(shè)計(jì)是實(shí)施案例式教學(xué)的核心，開(kāi)展案例式授課前，教師應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，精心選擇工程案例[3]。本文以工程流體力學(xué)課程中的伯努利能量方程知識(shí)點(diǎn)為背景，提出有關(guān)皮托測(cè)速管（測(cè)速管或空速管）的實(shí)際工程案例。教學(xué)案例主要包括三個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：工程問(wèn)題的引出（背景介紹）、工程問(wèn)題分析與討論、總結(jié)評(píng)述與拓展。

工程問(wèn)題的引出：皮托測(cè)速管測(cè)速與飛行安全 皮托管（Pitot tube），航空業(yè)界又稱之為“空速管”，是通過(guò)測(cè)量氣流滯止壓力（或稱總壓）與氣流靜壓差值來(lái)確定氣流速度的一種裝置，是飛機(jī)上極其重要的測(cè)速元件。該測(cè)速裝置測(cè)速的準(zhǔn)確性和可靠性直接決定了飛機(jī)飛行的安全性。空速管一般安裝在機(jī)身對(duì)氣流影響較少的區(qū)域，如機(jī)頭正前方、垂尾或翼尖的前方。

在航空發(fā)展史上，由于空速管測(cè)速故障引起的空難已發(fā)生多起，其中最典型的案例是伯根航空301號(hào)航班空難。伯根航空301號(hào)航班隸屬于土耳其伯根航空公司，機(jī)型是波音757大型客機(jī)。1996年2月6日，飛機(jī)于多米尼加共和國(guó)首都圣多明哥起飛后5分鐘突然左傾落海，機(jī)上189人（含機(jī)組成員）無(wú)一生還。據(jù)多米尼加調(diào)查局和美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）共同調(diào)查結(jié)果揭示，安裝在飛機(jī)駕駛艙外下方的空速管被堵塞，從而引起空速管測(cè)速故障，使測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際飛行速度出現(xiàn)較大偏差。錯(cuò)誤的飛行數(shù)據(jù)導(dǎo)致機(jī)組人員采取一系列錯(cuò)誤操作，致使飛機(jī)最終發(fā)生“失速”，釀成慘劇。

類似事故還有2009年發(fā)生的法國(guó)航空447號(hào)航班空難以及2003年秘魯航空603號(hào)航班空難。

工程問(wèn)題分析與討論 從航空空難案例的調(diào)查結(jié)果可以看出，皮托測(cè)速管測(cè)速故障是導(dǎo)致空難發(fā)生的重要因素。那么，皮托測(cè)速管是通過(guò)什么流體力學(xué)原理進(jìn)行飛機(jī)飛行速度測(cè)量的呢？皮托測(cè)速管堵塞現(xiàn)象對(duì)測(cè)速結(jié)果又會(huì)造成什么影響？皮托測(cè)速管在流體工程應(yīng)用中又有哪些要求？由此便引出關(guān)于皮托測(cè)速管測(cè)速的工程問(wèn)題。

結(jié)合本文所給出的實(shí)際工程案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過(guò)的沿流線理想流體伯努力方程的有關(guān)知識(shí)，結(jié)合皮托測(cè)速管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析和討論皮托測(cè)速管靜壓管和總壓管的流動(dòng)特點(diǎn)，使學(xué)生深入理解并掌握伯努力方程的工程應(yīng)用及皮托測(cè)速管工程測(cè)速方法。

1）皮托測(cè)速管結(jié)構(gòu)分析。由于接觸工程實(shí)踐較少，學(xué)生對(duì)絕大多數(shù)流體工程測(cè)量?jī)x表缺乏感性認(rèn)識(shí)，因此，工程問(wèn)題的分析首先應(yīng)從裝置結(jié)構(gòu)分析入手。基本結(jié)構(gòu)上，皮托測(cè)速管由同軸的內(nèi)、外兩根圓管路組成，外管套在內(nèi)管外側(cè)（圖1）。內(nèi)管前端開(kāi)孔（O點(diǎn)，稱為總壓測(cè)點(diǎn)，因而內(nèi)管也被稱為總壓管），測(cè)速時(shí)正對(duì)來(lái)流。外管在距前端適當(dāng)長(zhǎng)距離處的管壁上沿周向均勻布置3～7個(gè)測(cè)壓孔孔（B點(diǎn)，稱為靜壓測(cè)點(diǎn)，因而外管也被稱為靜壓管）。為使用方便，一般會(huì)在測(cè)壓孔后適當(dāng)位置，將皮托測(cè)速管的內(nèi)、外兩管分別彎折90o，構(gòu)成柄狀，并引出兩個(gè)接口[4]。具體使用時(shí)，將差壓計(jì)的兩個(gè)取壓孔分別與皮托測(cè)速管的兩個(gè)接口相連，通過(guò)讀取差壓計(jì)的示數(shù)，就可以獲得流體的流動(dòng)速度。

2）皮托測(cè)速管測(cè)速原理分析。根據(jù)流動(dòng)分析可以知道，當(dāng)把皮托測(cè)速管放入待測(cè)速流體中，首先一部分外部流體在壓力作用下流進(jìn)靜壓管和總壓管內(nèi)，待充滿后，皮托測(cè)速管內(nèi)的流體均保持靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于正對(duì)來(lái)流的O點(diǎn)而言，總壓管內(nèi)的靜止流體對(duì)于前方外部運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生滯止作用（也可理解為外部運(yùn)動(dòng)流體對(duì)總壓管內(nèi)流體時(shí)刻保持一種物理上的沖擊作用），導(dǎo)致總壓管前方流體速度始終保持為零，此點(diǎn)被稱為滯止點(diǎn)。從能量角度來(lái)看，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能，使總壓管內(nèi)流體壓力較高。而流經(jīng)B點(diǎn)的流體受皮托測(cè)速管中靜止流體的影響很小（僅是流體間的剪切作用），可視為維持來(lái)流狀態(tài)，即B點(diǎn)流體壓力為外部流動(dòng)流體的靜壓。

從流場(chǎng)分析的角度來(lái)看，皮托測(cè)速管正前方的A點(diǎn)、總壓測(cè)點(diǎn)O點(diǎn)和靜壓測(cè)點(diǎn)B點(diǎn)可近似看作在同一條流線上，根據(jù)理想流體沿流線的伯努利方程可知：

由于皮托測(cè)速管很細(xì)，它放置于流場(chǎng)中不會(huì)影響氣流速度，即vA=vB，且可認(rèn)為zA=zB，故得：

由上述測(cè)速公式可以看出，當(dāng)外部流體和差壓計(jì)內(nèi)示壓流體種類確定后，外部待測(cè)流體流速僅取決于差壓計(jì)的液面差Δh。結(jié)合流體靜壓特性可以知道，Δh若要正確反映總壓p0與靜壓pB之差，流體必須滿足連通的條件。而伯根航班301航班空難，皮托測(cè)速管的堵塞，卻恰恰造成管內(nèi)流體不滿足該條件，造成外部流體的壓力無(wú)法正確體現(xiàn)到差壓計(jì)上，最終影響實(shí)際飛行速度的測(cè)量值，導(dǎo)致皮托測(cè)速管失效。

總結(jié)評(píng)述與拓展 總結(jié)評(píng)述與拓展是工程案例式教學(xué)的重要組成部分，是對(duì)工程案例教學(xué)過(guò)程的高度概括和提升。設(shè)計(jì)與組織好總結(jié)評(píng)述與拓展環(huán)節(jié)，可以鍛煉學(xué)生的歸納和總結(jié)能力，使學(xué)生開(kāi)闊視野、增強(qiáng)工程觀念，提高分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

結(jié)合本文所給工程案例，對(duì)皮托測(cè)速管工程應(yīng)用加以總結(jié)和擴(kuò)展。皮托測(cè)速管除了可以用來(lái)測(cè)量飛機(jī)飛行速度外，還可用來(lái)測(cè)量飛行高度。要求學(xué)生運(yùn)用流體靜力學(xué)中所掌握的大氣壓分布特點(diǎn)，結(jié)合前述皮托測(cè)速管結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，分析皮托測(cè)速管兼做飛機(jī)飛行高度計(jì)的原理。此外，在流體輸送、化工、礦井通風(fēng)等工程中，皮托測(cè)速管還常被用來(lái)測(cè)量流量。要求學(xué)生結(jié)合流體管道流動(dòng)速度分布特點(diǎn)，分析皮托測(cè)速管測(cè)流量的原理和方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

在工程流體力學(xué)課程立體化教學(xué)體系構(gòu)建過(guò)程中，引入案例式教學(xué)模式。結(jié)合流體力學(xué)工程實(shí)例，目前已設(shè)計(jì)出皮托測(cè)速管、文丘里管、拉瓦爾噴嘴等相關(guān)教學(xué)案例十余個(gè)。這些案例的成功運(yùn)用豐富了課堂教學(xué)形式，激勵(lì)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，增進(jìn)了師生間的交流，收到良好的教學(xué)效果。■

參考文獻(xiàn)

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