基于理實一體化的“雷諾數”教學內容模塊設計

1課程背景

1.1 課程特點

“雷諾數”是“水力學”課程中涉及實踐操作較多的一個專業知識點。知識點涵蓋水流慣性與慣性力、水流黏滯性與黏滯力、層流和過渡流等許多基礎理論，以及物理量綱、流量、流速等水力學基礎的計算技術[1]。實踐發現，僅靠課堂講解難以使學生充分理解，并且離開實際操作的理論與計算較為枯燥和抽象，也會使學生對課堂教學內容不感興趣，影響教學效果。

1.2 教學指導思想

在課程教學中，教師應秉持理論聯系實際，學以致用的原則，充分利用課堂時間，有重點地選擇內容，用優化的講授方法，將知識傳授給學生，拓寬學生的知識面，要求學生在掌握基本知識的同時，學會分析問題和解決問題的能力。

1.3教學模式選用

理實一體化教學模式是教師們在職業教育實踐中摸索出來的理論與實際結合的新型教學方法。該模式以一個專業課程知識點為載體，由教師主導創立實際操作教學情境。讓學生在實際操作過程中，在教師的引導與講解下，將課本知識應用于實踐。這能使學生真正成為學習主人，充分發揮學生的自主能動性，非常貼合現階段的職業教育。理實一體化教學模式克服了理論與實踐相脫節的弊端。通過設定教學任務和教學目標，發揮教師教學主動性，豐富課堂教學和實踐教學環節，引導學生邊學邊做，在學做中培養職業素質和提高實踐技能。

2 預備知識

2.1 水流慣性與慣性力

水流的慣性是指水流維持原有運動狀態的性質，可用質量來表征其慣性的大小，質量愈大，慣性愈大，運動狀態愈難改變。想改變水流的運動狀態，必須克服水流慣性力的作用。需注意的是慣性力是一種假想力，與水流運動的加速度大小和質量有關。一般水流的慣性力越大，水流保持和強化擾動的能力越強。

2.2水流黏滯性與黏滯力

由于水流各流層的流速不同，相鄰流層間有相對運動，便在接觸面上產生一種相互作用的剪切力，這種力稱為水流的內摩擦力，也叫黏滯力。水流在運動時，由于內摩擦力的作用，水流具有抵抗相對變形（相對運動）的性質，即水流的黏滯性。水流體黏滯性的大小，通常用動力黏滯系數 u 和運動黏滯系數 v 來表示。

2.3層流

層流是水流的一種流動狀態，水流作層狀的流動，此時水流質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。一般水流在圓管內低速流動時呈現為層流。

2.4紊流

紊流是水流的一種流動狀態。圓管中的水流流速大幅增加時，其流線不再清晰可辨，水流中有許多小漩渦。紊流是有渦流動，這是其重要的外觀特征。

紊流的特點：（1）無序性。流體質點的運動極不規則，相互混摻，呈現無序狀態，運動要素具有隨機性。（2）耗能性。除了黏性耗能外，更主要的是由于紊動產生附加切應力引起的耗能。（3）擴散性。除分子擴散外，還有質點紊動引起的傳質、傳熱和傳遞動量等擴散性能。

2.5 過渡流

過渡流是水流的一種流動狀態。當逐漸增加圓管水流流速時，水流的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增大，此種流態稱為過渡流。過渡流是存在于層流和紊流間水流的一種流動狀態。

3雷諾數

3.1 雷諾數的概念

雷諾數是水力學中用于表征黏滯性影響，判別水流流動形態的判別數，是為紀念發現者雷諾而命名，記作 Re^[2] 。1883年英國人雷諾通過研究水在圓管內的流動，首先提出水流的流動形態除了與流速 （v） 有關外，還與圓管徑 （d） 、水的動力黏滯系數（μ） 有關。綜合考慮這些影響因素，可用雷諾數Re來判別。

Re=vd/μ

μ 為水的動力黏滯系數，與溫度有關的常數。

v 為水流的特征速度，一般取圓管內的斷面平均流速。d 為圓管直徑。

3.2雷諾數的物理意義

研究表明，水流慣性力和黏滯力是影響水流流態的主要因素。慣性力使水流保持和強化擾動，是推動其進一步發展成為紊流的動力；而黏滯力則是抑制擾動，起著促使水流趨于穩定、保持層流狀態的作用。因此，水流的流態實質上是水流慣性力和黏滯力作用處于一定對比關系時的表現。

通過對力學量綱的分析表明，雷諾數實際上反映了慣性力作用與黏滯力作用的對比關系。所以可以用雷諾數來判別水流的流動狀態。雷諾數較小時，黏滯力對水流的影響大于慣性力，水流流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對水流的影響大于黏滯力，水流流動較不穩定，形成紊亂、不規則的紊流。

3.3臨界雷諾數的概念

在水流層流狀態與紊流狀態相互轉變中，存在臨界雷諾數 Reα 。當水流從層流轉變為紊流時的雷諾數是上臨界雷諾數；水流從紊流向層流轉變時的雷諾數是下臨界雷諾數。

上臨界雷諾數和下臨界雷諾數都是用來判斷水流流動狀態的臨界值，但它們的應用和穩定性存在差異。下臨界雷諾數通常被認為更穩定，約為2000，相比之下，上臨界雷諾數不穩定，其變化范圍大，一般在 12 000～40 000 之間，這使得它在實際應用中的參考價值較低。通常將下臨界雷諾數作為判別水流流態的臨界雷諾數。一般認為 Reα=2000 ，當Relt;2 000 時，管內水流處層流狀態；當 Regt;2000 ，管內水流處紊流狀態。

3.4雷諾數的工程意義

雷諾數在工程上能夠預測和優化水流在工程結構中的流動狀態，從而降低水頭阻損失，提高水流能量的傳遞效率[3]

（1）水流流動狀態的判斷。雷諾數可以用來判斷水流是處于層流狀態還是紊流狀態。層流狀態下水流流動較為穩定，水頭損失較小；紊流狀態下水流流動不穩定，水頭損失較大。這對于設計和優化輸水管道和熱交換管網等工程設備至關重要，因為不同的水流狀態會導致不同的能量損失和傳熱效率。

（2）工程優化。在某些水工工程中，若要降低水頭損失或提高傳熱效率，可以通過調整雷諾數來實現。例如，通過減小雷諾數或將流動調整為層流狀態，可以降低水頭損失，從而提高系統效率。反之，利用紊流狀態下的高能量損失、高傳熱，可以優化熱交換管網的性能。

（3）模型試驗的雷諾數效應。在水工模型試驗中，雷諾數效應也是一個重要考慮因素。由于模型與原型的雷諾數可能相差很大，這會影響試驗數據的準確性和可靠性。因此，在進行模型試驗時，需要特別注意雷諾數的相似準則，以確保試驗結果能夠準確地反映原型的實際行為。

4 雷諾實驗

1883年，雷諾做了一系列經典實驗，以驗證前人所做的同類實驗，并力求找到水流流動由層流狀態過渡到紊流狀態所需的條件，提出雷諾數指標。通過現代實驗設備，再現雷諾實驗，可以驗證加深對雷諾數相關理論的理解與掌握。

4.1 實驗目的和要求

（1）學會觀察水流的2種流動形態：層流和紊流。（2）掌握測量圓管流雷諾數的方法。（3）學會測定水流在圓管中流動的下臨界雷諾數。

4.2 實驗設備

實驗設備為自循環實驗系統。

4.3 實驗水流特征

在雷諾實驗裝置中，通過觀察有色水體的質點運動，可以清晰展現2種流態的根本差異。當有色液體與水互不混摻，呈直線運動狀態，水流處層流；當管內有大小不等的漩渦振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻，水流處紊流；兩者間，水流處過渡流。

5 實施建議

良好的教學效果，需要許多要素條件保證，需要各方的努力付出。現就如何提高學生學習積極性，促進學生學習的主動性，提出幾點實施建議，僅供參考。

5.1 課堂思政

講課之前，教師可利用幾分鐘的時間，通過介紹雷諾刻苦認真的科學家精神，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。引導學生養成做事遵守規定、工作認真細心、評價實事求是的工作原則

5.2設計角色互換，促進學生自主學習

教師可以把預備知識內容布置給學生自主學習。預備知識內容多，難度小，是已學習過的內容。教師可以把這部分內容的學習主動權交給學生，學生組成小組，成員協作備課、制作PPT、選代表講課，并解答同學及教師提出的問題，最后由教師補充和歸納。

5.3組織實驗小組競賽，促進學生學習

在實訓室上課時，雷諾實驗可以作為競賽的任務，促進學生主動學習。學生組成實驗小組，成員協作實驗。通過小組比賽，能正確找出臨界雷諾數，能正確求得層流、紊流、過渡流對應的流量、流速和雷諾數的小組即完成競賽任務，用時短的小組獲勝，可以給予該組一定的物質獎勵。

6結語

對“雷諾數”的教學內容設計作了概述，說明了理實一體化下教學內容模塊體系的建立，介紹了各個教學內容模塊的組成，提出了教學內容設計實施的幾點建議，以期與同行交流學習。

參考文獻：

[1］柳素霞.水力學[M].北京：水利水電出版社，2021.

[2］朱首軍.水力學[M].北京：科學出版社，2013.

[3］張小兵.水力學[M].北京：水利水電出版社，2004.