流體力學實驗與數值模擬仿真技術結合方法探討

趙恩金　程飛　孫均楷　唐鉞詔

摘要：流體力學實驗為許多高等院校流體相關專業的必修課程。通過流體力學實驗可以使學生加深對流體原理的理解，在物理層面上提高流體力學的教學效率。隨著計算機的發展，數值模擬技術逐漸成為流體分析的另外一種工具。如何實現流體力學實驗和數值模擬仿真的有效結合，一直是現在流體力學教學體系的關鍵點，文章從理論和實踐兩個方面論述了相應的結合方法，從而達到提高教學效果的目的。

關鍵詞：流體;實驗;數值模擬;教學方法;能力培養

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0378-02

一、研究背景

流體一般包括液體和氣體兩類，與人類的日常生活及社會發展密切相關。流體力學具有典型的物理屬性，通過實踐能更好地加深對該門學科的理解。因此，現代流體力學教學中，流體力學實驗成了流體力學這門課的典型配套課程。實驗課程一般要求以學生為核心，確立學生在整個學習中的學習地位，教師起輔助作用，這種教學模式已經在國內的多數高校中持續了多年，并且起到了一定的積極作用。但是，隨著科學技術的發展，流體數值仿真在科學研究、教育教學過程中得到了廣泛的應用[1-2]，如何能將物理實驗與數值模擬技術有機結合一直是現在教學研究中的一個熱點，為了能在結合方面有所突破，應對流體力學實驗和數值模擬仿真技術進行深入剖析，找到其共同點。除此之外，在教學方法上也應有所突破，提高學生學習的積極性。

二、流體力學實驗分析

經過流體力學多年的發展，流體力學實驗也有了完整的教學體系。流體力學實驗遵循一定的物理規律，能夠更直觀地反映流體的變化情況。因此，流體力學實驗是物理規律的重要體現形式，具有物理規律的課程應圍繞著教學實驗開展。在課堂上，教學模式一般是老師首先對實驗進行演示性操作并進行原理講解，學生根據已有的實驗條件，按照規定的步驟完成基礎實驗，在基礎實驗的基礎上，自己涉及實驗條件并進行拓展操作得出結論。然而，在進行實驗前，理論課部分，一些學生已經對實驗結論進行了估計，實驗只表現成了一種形式。這樣實驗教學并沒有達到預期的實驗設計效果。通過對開展實驗的學生進行調查發現，在進行實驗時發現存在著一些問題。教師操作太快，講述不清，導致學生跟不上教學節奏;學生理論學習不扎實或對實驗不感興趣，遇到問題無法自行解決，不求甚解。由于長期進行理論知識的培養，學生對實驗在思維上進行了淡化，而忽略了實驗的真實意義，出現問題不能有效指出實驗中的錯誤。

三、虛擬仿真分析

虛擬仿真技術主要指通過模擬的方法把一些物理現象虛擬顯示的技術，關鍵在于在完全虛擬的系統上建立模擬的真實系統，并且該技術已經應用到了多種學科和領域[3-4]。在流體力學實驗中實現虛擬仿真需要三個方面的步驟：第一，對流體力學的理論知識能熟練掌握，能夠將一些理論公式進行編程，依靠計算機技術生成環境;第二，能夠將計算的數據進行整合并可視化顯示，能夠對這種虛擬環境有一定的感知，使其具有高度逼真的特點;第三，能夠通過一些方法實現參數控制，使模擬結果能夠快速響應輸入參數的同時，實時更新圖像，顯示結果。一般來說，虛擬仿真一種綜合性的技術，能夠將流體力學中的理論知識進行轉化，利用較先進的信息技術進行實驗的動態顯示。在進行模擬時，需要建立一個用于仿真的真實工程文件，比如，某一種流體力學實驗設備，然后，對數據進行模擬。一方面節省物力，另一方面，參數可調性高，進行實驗的合理性及科學性高，不需要耗費過長的時間。針對流體力學實驗的虛擬模擬涉及計算流體力學知識，主要用到的方法是對流體的質量守恒、動量守恒及能量守恒方程的離散。

四、物理實驗與數值模擬相結合的方法

為了提高教學實驗效果，有必要在傳統的物理實驗的基礎上結合現在的模擬仿真技術，實現物理實驗與數值仿真的有效結合。

第一，教師應提前做好準備工作，理解學生現有的知識體系結構，盡量利用較多的授課方式吸引學生對流體力學實驗的興趣，營造活躍的課堂氛圍，促使學生積極主動地學習新知識，同時，培養學生的主觀能動性。

第二，教師在授課過程中，注意理論和實驗的結合性，由淺入深地建立流體力學學科的教學結構，調節好每一次的教學步驟及實驗方案，并保持這種物理學科的邏輯思維一致性，使整個實驗課程的教學體系具有完整性及嚴謹性。

第三，學生應做好預習工作，掌握流體力學的基本規律是最基本的要求，注意理解流體力學物理規律中蘊含的科學方法，并能夠利用這些規律解釋流體力學的實驗現象，做到理論與實驗的有效結合。

第四，在學生進行物理實驗時，仔細揣摩實驗儀器的每個部件在實驗操作過程中的作用，并按照流體力學實驗指導書進行規范實驗，一方面，觀察實驗現象，并總結實驗結論;另一方面，對照流體力學的理論規律，能充分解釋實驗現象。

第五，在本科生階段，學生難以完全建立真正的數值模型，需要借助已經搭建好的數值模擬平臺進行流體力學實驗的數值模擬。教師需要提前借助現有的一些軟件或者程序布置好數值模擬的環境，并將一些流體力學的基本理論在計算中的模擬進行細致講解，使學生能了解數值模擬后臺運行的程序。教授學生一些程序或者軟件控制的方法，能使學生自行建立模擬文件及參數控制。

第六，教師教授學生將生成的數值模擬文件進行后期分析及制作，實現數據文件的可視化，對比物理實驗結果和數值模擬結果，在學生對流體力學掌握的基礎上，提高學生的科研能力。并能借助數值模擬軟件解決一些實際中的問題，引導學生的科研興趣，端正科學態度和保持理性的科學思維。

五、總結

通過對流體力學物理實驗及流體數值模擬仿真的研究，發現兩者的共同點，利用該共同點，建立兩者的關系，利用先進的計算機模擬技術實現對流體力學實驗的數值模擬并可視化，對比實驗結果和數值仿真結果，總結流體的現象并利用基本理論知識進行解釋，提高學生的學習及科研能力。

參考文獻：

[1]趙恩金，牟林，程飛，蔣浩宇，李健.基于虛擬實驗的海洋工程專業大學生培養模式探討[J].教育教學論壇，2018，386（44）：151-153.

[2]牟林，趙恩金，蔣浩宇，鄭好.數值仿真技術在物理海洋課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2018，392（50）：118-120.

[3]蔣浩宇，趙恩金，程飛，牟林.海洋環境數值模擬在海洋工程專業研究生教育中的應用[J].教育教學論壇，2019，399（05）：147-149.

[4]趙恩金，牟林，蔣浩宇，李健，程飛.海洋發展新形勢下海洋工程與技術學科的建設探討[J].中國地質大學學報（社會科學版），2018，（增刊）：293-298.

Discussion on the Combination of Fluid Dynamics Experiments and Numerical Simulation Technology

ZHAO En-jin，CHENG Fei*，SUN Jun-kai，TANG Yue-zhao

（College of Marine Science and Technology，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan，Hubei 430074，China）

Absrtact：Fluid mechanicsexperiment is a compulsory course for many fluids-related majors in universities.Through the experiment of fluid mechanics，students can deepen their understanding of the principle of fluid and improve the teaching efficiency of fluid mechanics at the physical level.With the development of computer，numerical simulation technology has become another tool for fluid analysis.How to realize the effective combination of fluid mechanics experiment and numerical simulation has always been the key point of the current teaching system of fluid mechanics.This paper discusses the corresponding combination methods from both theoretical and practical aspects.

Key words：fluid;experiment;numerical simulation;teaching model;ability training

收稿日期：2019-07-17

項目資助：中國地質大學（武漢）研究生教育教學改革項目基金（編號：YJG2019201）;中國地質大學（武漢）本科教學項目基金（編號：2019A72，2019A48）;中國地質大學（武漢）教學實驗室開放基金（編號：SKJ2019129）;中國地質大學（武漢）實驗教材項目基金（編號：SJC201907）

作者簡介：趙恩金（1986-），博士，講師，主要從事海洋環境水動力等方面的教學與研究工作。

通訊作者：程飛（1987-），博士，副教授，主要從事勘探地球物理方面的教學和科研工作。