CFD技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境工程流體力學(xué)教學(xué)探析

鮑超明 胡俊明 張代雨

摘? 要? 在新工科建設(shè)背景下，高校教學(xué)應(yīng)及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容、引進(jìn)先進(jìn)教學(xué)方法。流體力學(xué)是環(huán)境工程專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已經(jīng)在環(huán)境工程中有了長足發(fā)展。通過項(xiàng)目式教學(xué)法將CFD技術(shù)引入環(huán)境工程流體力學(xué)教學(xué)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究能力。

關(guān)鍵詞? 環(huán)境工程流體力學(xué)；項(xiàng)目式教學(xué)；CFD技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.41? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）20-0031-04

0? 引言

目前國家正大力開展新工科建設(shè)，以培養(yǎng)和造就一批具有交叉創(chuàng)新能力、基礎(chǔ)扎實(shí)、素質(zhì)卓越的復(fù)合型工程技術(shù)人才[1]。在這種新需求、新理念下，高校人才培養(yǎng)應(yīng)該及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容、引進(jìn)先進(jìn)教學(xué)方法，使得學(xué)生能夠適應(yīng)當(dāng)下及未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

項(xiàng)目式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，通過要求學(xué)生個(gè)人或團(tuán)體合作完成一系列項(xiàng)目任務(wù)，自主查找必要的參考資料，選擇和學(xué)習(xí)有效的工具，以解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題，在這個(gè)過程中鍛煉學(xué)生獲取知識(shí)和解決問題的能力。項(xiàng)目式教學(xué)融入CDIO理念，即一般分為構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四步驟[2]，整個(gè)過程由學(xué)生和教師共同討論完成，學(xué)生將由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變主動(dòng)參與。

1? 環(huán)境工程流體力學(xué)

環(huán)境工程流體力學(xué)是流體力學(xué)在環(huán)境工程專業(yè)中的應(yīng)用。眾多的環(huán)境污染問題都涉及流體運(yùn)動(dòng)的問題。環(huán)境一般都包括大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。由于工業(yè)的發(fā)展和人類的集中生活，大量有害于人類和其他生物的工業(yè)廢物和生活廢棄物被排放到大氣、河流、湖泊等流體環(huán)境中，并隨著這些流體的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移而擴(kuò)大影響范圍。環(huán)境工程主要研究不同形式排放的污染物進(jìn)入環(huán)境流體的污染特征及變化規(guī)律，為環(huán)境污染的控制管理及污染事故做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，為擬建設(shè)的水利工程等環(huán)境影響評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)[3]。各類環(huán)境污染問題中，通常以有害固氣體和顆粒物等為特征污染物，這些污染物在環(huán)境流體中的運(yùn)動(dòng)涉及流體力學(xué)中復(fù)雜困難的多相流問題，包括分層流和顆粒流等兩相流，以及更加復(fù)雜的三相流問題。

傳統(tǒng)環(huán)境工程流體力學(xué)本科教學(xué)主要是教師向?qū)W生傳授流體力學(xué)經(jīng)典理論知識(shí)，沒有將現(xiàn)代的流體力學(xué)研究方法和發(fā)展成果應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，一些教學(xué)方式和模式?jīng)]有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。而且由于交叉學(xué)科的不斷涌現(xiàn)，既有的一些知識(shí)體系滯后于市場需求。如在現(xiàn)實(shí)生活中，環(huán)境污染問題常涉及復(fù)雜的流體多相流問題，而環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)對(duì)這方面也涉及較少。這些理論知識(shí)內(nèi)容深?yuàn)W、數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生難以學(xué)懂并往往認(rèn)為學(xué)而無用。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dyna-mics，CFD）是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)上的一門學(xué)科，它通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到求解物理問題的目的[4]。作為一種研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效工具，CFD能夠形象地展示流場內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從機(jī)理的角度解釋相應(yīng)流動(dòng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)注重傳授基礎(chǔ)理論知識(shí)，只能對(duì)一些簡單模型進(jìn)行流場分析，與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。而CFD技術(shù)具有簡單易操作、可視化等諸多優(yōu)點(diǎn)，與環(huán)境工程流體力學(xué)本科教學(xué)緊密聯(lián)系，可以取得較好的教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)理論知識(shí)的理解。本文以環(huán)境工程流體力學(xué)教學(xué)為例，基于項(xiàng)目式教學(xué)理念，探析CFD技術(shù)在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

2? 課程目標(biāo)

“中國工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”中畢業(yè)要求第一條就是能夠?qū)?shù)學(xué)、科學(xué)、工程基礎(chǔ)知識(shí)以及某個(gè)特定專業(yè)的工程知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問題[5]。新工科人才培養(yǎng)應(yīng)該使學(xué)生掌握更先進(jìn)的知識(shí)，包括自然科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程科學(xué)、人文社科、專業(yè)和學(xué)科等方面的知識(shí)[6]。流體力學(xué)是環(huán)境工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是水污染控制工程和給排水管網(wǎng)系統(tǒng)課程的共同基礎(chǔ)。通過流體力學(xué)課程教學(xué)，學(xué)生應(yīng)該掌握?qǐng)稣摰葦?shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，了解流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)表述形式并能夠利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，掌握支配流體運(yùn)動(dòng)的基本物理定律及基本方程的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問題的能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及未來從事專業(yè)工作和科學(xué)研究工作打下數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。通過課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生需要掌握的流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)有：

1）掌握流體力學(xué)中的一些基本概念，以及描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方法和基本方程；

2）理解和應(yīng)用粘流理論、邊界層理論等內(nèi)容；

3）掌握壓力、速度和流體動(dòng)力的測量方法；

4）對(duì)管道中的一般流動(dòng)問題具有分析和計(jì)算的能力；

5）一些與環(huán)境密切相關(guān)的流體力學(xué)理論內(nèi)容，比如擴(kuò)散理論。

新工科教育模式下，還需要有先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容。CFD已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究時(shí)代，已經(jīng)迅速成為現(xiàn)代工程應(yīng)用中解決復(fù)雜問題的一種常用方法，成為一門與環(huán)境工程息息相關(guān)的交叉學(xué)科。CFD技術(shù)預(yù)測會(huì)成為解決環(huán)境問題的核心技術(shù)，如程昊淼等[7]利用CFD商用軟件Ansys-Fluent對(duì)研究范圍的污染物全時(shí)空擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，考察城市住區(qū)規(guī)劃中平面布局、豎向設(shè)計(jì)與建筑選型等方面對(duì)街區(qū)通風(fēng)條件和大氣污染物消散的影響。CFD能夠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段，在不建立實(shí)際物理模型的前提下，利用數(shù)值方法對(duì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本門課程應(yīng)養(yǎng)成學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，能主動(dòng)利用網(wǎng)絡(luò)資源、仿真軟件等自主學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的入門知識(shí)，包括CFD分析流程：前處理、求解器以及后處理。教師也要將CFD技術(shù)應(yīng)用到流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的教學(xué)，通過將典型流動(dòng)利用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬，在教學(xué)中對(duì)軟件調(diào)試過程進(jìn)行演示，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析，在這一過程中加深對(duì)流體力學(xué)概念的理解。如對(duì)圓柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，幫助學(xué)生理解流線、漩渦、邊界層分離以及卡門渦街等流體知識(shí)。

3? 教學(xué)方法

根據(jù)新工科教育模式的需求，教學(xué)方法需要整合各個(gè)方面的教學(xué)資源，將與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)教學(xué)方法整合到傳統(tǒng)教學(xué)中，及時(shí)吸取新的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和手段，創(chuàng)新教學(xué)和學(xué)習(xí)方法。本課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐運(yùn)用、課堂討論、課后動(dòng)手，使學(xué)生獲得知識(shí)運(yùn)用能力、實(shí)驗(yàn)分析能力和工程設(shè)計(jì)能力。教師在教學(xué)中應(yīng)注重工程實(shí)例的引入和分析，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和自主分析，并因材施教；應(yīng)結(jié)合授課內(nèi)容，適當(dāng)安排不同難度的復(fù)習(xí)思考題（建議分成基本、提高、綜合三個(gè)層次）或?qū)嵺`項(xiàng)目題（貫穿整個(gè)教學(xué)過程，分階段檢查推進(jìn)）。本課程建議采用以下教學(xué)方法。

3.1? 傳統(tǒng)教學(xué)的課堂講授

引入新概念或新實(shí)例，講解重點(diǎn)和難點(diǎn)，以便學(xué)生課后學(xué)習(xí)；習(xí)題課上，通過課堂練習(xí)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，回答學(xué)生的問題；結(jié)合所學(xué)知識(shí)對(duì)環(huán)境工程領(lǐng)域與水動(dòng)力學(xué)相關(guān)的工程問題進(jìn)行調(diào)研，學(xué)生匯報(bào)交流。

3.2? 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)

教師從實(shí)際問題出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生一步步解決問題、化解矛盾，在這一過程中訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力及解決問題的能力。通過利用CFD軟件解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的興趣。通過對(duì)軟件的實(shí)際操作，讓學(xué)生熟練掌握軟件的使用方法。

3.3? 自主學(xué)習(xí)

讓學(xué)生利用公開課、微課、MOOC等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源以及仿真軟件自主學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)課堂教學(xué)內(nèi)容，完成思考題和實(shí)踐項(xiàng)目等。互聯(lián)網(wǎng)上存在大量的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣主動(dòng)搜索相應(yīng)學(xué)習(xí)材料。

4? 教學(xué)反饋

經(jīng)過新工科模式下的學(xué)習(xí)，學(xué)生除了應(yīng)該掌握流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，也應(yīng)該學(xué)會(huì)利用商用CFD軟件解決實(shí)際問題。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，教師應(yīng)該對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有所掌握，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況及時(shí)反饋學(xué)習(xí)進(jìn)度。教師可以根據(jù)教學(xué)活動(dòng)的不同階段，采取不同方法，加強(qiáng)與學(xué)生的聯(lián)系。教師在了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果后，可以通過各種渠道積極修改教學(xué)計(jì)劃。

1）學(xué)生可以采用郵件、QQ等形式及時(shí)將學(xué)習(xí)情況反饋給教師，教師應(yīng)相應(yīng)地及時(shí)調(diào)整和靈活應(yīng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2）每次作業(yè)批改后，教師應(yīng)及時(shí)反饋學(xué)生的作業(yè)情況，并提出適當(dāng)?shù)囊庖姟Ｗ鳂I(yè)應(yīng)至少評(píng)分 1/3的學(xué)生，每個(gè)學(xué)生應(yīng)至少評(píng)分一次。

3）根據(jù)每次教學(xué)研討會(huì)的實(shí)際情況，教師認(rèn)真分析研討會(huì)計(jì)劃和每個(gè)小組中其他團(tuán)隊(duì)成員的積極參與程度，總結(jié)每個(gè)學(xué)生的優(yōu)缺點(diǎn)，找出每個(gè)學(xué)生感興趣的知識(shí)點(diǎn)，在課堂上積極引導(dǎo)并適當(dāng)拓展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

4）教師認(rèn)真糾正學(xué)生提交的綜合實(shí)踐項(xiàng)目的大型作業(yè)，總結(jié)分析計(jì)算方法的合理性、計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性、設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)報(bào)告的完整性等，找出學(xué)生的知識(shí)薄弱環(huán)節(jié)，適當(dāng)修改教學(xué)安排， 并專注于解釋。

5）教師應(yīng)采用課堂練習(xí)等適當(dāng)形式，分階段檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并適當(dāng)調(diào)整教學(xué)安排。定期檢查應(yīng)不少于2次。

教學(xué)結(jié)束后，教師應(yīng)仔細(xì)分析教學(xué)活動(dòng)的課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，特別是不同評(píng)價(jià)方法下的不一致之處，并在下一輪教學(xué)活動(dòng)中繼續(xù)改進(jìn)。此外，對(duì)學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)和下班后利用本課程知識(shí)解決相關(guān)工程問題的能力進(jìn)行適當(dāng)跟蹤，關(guān)注與本課程相關(guān)的社會(huì)需求和技術(shù)發(fā)展，并將其用于本課程的持續(xù)改進(jìn)，及時(shí)修訂教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃。

5? 教學(xué)考核

目前的流體力學(xué)課程注重理論知識(shí)傳授，通過卷面考試進(jìn)行考核。在新工科建設(shè)背景下，單純的卷面考試方式已經(jīng)不能滿足考核學(xué)生思考并解決實(shí)際環(huán)境工程問題能力的要求。基于項(xiàng)目式教學(xué)方法，本課程需要解決傳統(tǒng)流體力學(xué)考核僅局限于教材的問題，應(yīng)該思考調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和積極創(chuàng)新的能力，并提出合理的考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。所以，在傳統(tǒng)的卷面考試考核基礎(chǔ)上，還需要制定針對(duì)項(xiàng)目式教學(xué)的評(píng)估方法。

流體力學(xué)的基本概念和知識(shí)是學(xué)習(xí)CFD的重要基礎(chǔ)。課程考核由過程考核（30%）+期末考試（70%）組成，加強(qiáng)過程考核。在過程考核中應(yīng)注意學(xué)生個(gè)體差異，適當(dāng)制定個(gè)性化評(píng)價(jià)方式，并適時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。期末考試采用閉卷筆試形式，時(shí)間120分鐘，滿分100分；試題難度等級(jí)分為基本題、應(yīng)用題和設(shè)計(jì)題，大致比例為2∶3∶5。其中，基本題考查學(xué)生的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況；應(yīng)用題考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力；設(shè)計(jì)題考查學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。題量應(yīng)保證中等水平學(xué)生可以2小時(shí)內(nèi)做完，并有時(shí)間復(fù)查。試卷內(nèi)容應(yīng)充分支撐課程目標(biāo)要求，各教學(xué)單元的主要考查知識(shí)點(diǎn)如表1所示。

針對(duì)項(xiàng)目式教學(xué)，教學(xué)階段可以查找利用CFD技術(shù)處理環(huán)境問題的論文，讓學(xué)生利用CFD軟件進(jìn)行還原，以此培養(yǎng)學(xué)生的收集資料能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力以及協(xié)作能力。課程考核可以讓學(xué)生分組，多個(gè)學(xué)生組成一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)感興趣的環(huán)境問題，利用CFD軟件完成環(huán)境工程數(shù)值模擬分析并形成報(bào)告。組內(nèi)學(xué)生應(yīng)說明為完成項(xiàng)目報(bào)告所完成的任務(wù)，包括提供選題、查閱資料、數(shù)值模擬、撰寫報(bào)告以及初稿修改等工作，每個(gè)小組還應(yīng)確定成員各自的貢獻(xiàn)度。教師通過審閱報(bào)告質(zhì)量、成員貢獻(xiàn)度以及日常記錄等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6? 結(jié)束語

在國家大力開展新工科建設(shè)背景下，高等院校人才培養(yǎng)應(yīng)緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。環(huán)境工程流體力學(xué)是流體力學(xué)在環(huán)境工程中的應(yīng)用。要將現(xiàn)代的流體力學(xué)研究成果和教學(xué)方法應(yīng)用到實(shí)際流體力學(xué)教學(xué)中，采用項(xiàng)目式教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，通過利用CFD技術(shù)解決一系列項(xiàng)目任務(wù)，并引入流體力學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，掌握利用商業(yè)CFD軟件解決實(shí)際問題的方法，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究能力，以適應(yīng)當(dāng)下及未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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作者：鮑超明、胡俊明、張代雨，江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)、船舶水動(dòng)力性能（212100）。