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摘要：流體力學(xué)課程理論性與實(shí)踐性較強(qiáng)，在課堂教學(xué)中理論聯(lián)系實(shí)踐合理設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。本文對(duì)流體力學(xué)基本理論及其工程實(shí)踐案例應(yīng)用進(jìn)行了闡述，包括流體的黏性、帕斯卡原理、伯努利方程、動(dòng)量方程、邊界層分離及卡門(mén)渦街。旨在使學(xué)生能夠充分掌握流體力學(xué)理論并能夠解決工程實(shí)踐問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；課堂教學(xué)；工程實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）51-0246-03

一、引言

流體力學(xué)課程是土木工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它是用理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。通過(guò)應(yīng)用物理學(xué)中的質(zhì)量守恒、動(dòng)量定理、能量守恒原理結(jié)合高等數(shù)學(xué)描述來(lái)分析工程中的流動(dòng)問(wèn)題；通過(guò)應(yīng)用量綱分析、相似理論為開(kāi)展模型實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

流體力學(xué)作為力學(xué)課程，一般安排在理論力學(xué)課程之后，雖然研究?jī)?nèi)容都分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，但其研究對(duì)象流體與剛體之間存在根本差別，研究方法也相差很大。流體力學(xué)課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容較抽象，公式繁多且其推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，涉及到高等數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)較多。雖然在土木工程專(zhuān)業(yè)一般選用的教材中多已大大簡(jiǎn)化這方面的內(nèi)容，但是必要的公式、推導(dǎo)還是不可或缺，無(wú)法完全回避的。其次，學(xué)生對(duì)于流體和流體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不如固體，造成學(xué)習(xí)中的不適應(yīng)。因此，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，使學(xué)生能夠掌握流體力學(xué)基本理論，流體力學(xué)教學(xué)工作者提出了諸多教學(xué)方法、教學(xué)思想和教學(xué)探討。例如，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神，可提高和豐富緒論課程的講解[1]，在教學(xué)中引入重大工程實(shí)例[2]，以工程案例引入流體力學(xué)理論的教學(xué)[3]，基于生活實(shí)踐案例以問(wèn)題鏈形式進(jìn)行啟發(fā)性工程流體力學(xué)教學(xué)[4]，在流體力學(xué)課堂教學(xué)中利用開(kāi)放性問(wèn)題以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維[5]，將CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)引入到課堂教學(xué)當(dāng)中[6]。

在流體力學(xué)課程講授設(shè)計(jì)過(guò)程中，緒論課程應(yīng)該要起到重要的作用，一方面通過(guò)緒論課程的內(nèi)容，引起學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)的興趣，使學(xué)生明確流體力學(xué)課程的內(nèi)容和意義；另一方面，可通過(guò)對(duì)緒論課程中內(nèi)容的設(shè)計(jì)串聯(lián)起流體力學(xué)所要教授的主要基本理論，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容有一個(gè)初步的整體認(rèn)識(shí)。

對(duì)緒論課程中列舉的實(shí)例，應(yīng)該主要提出問(wèn)題，引起學(xué)生的思考，給出結(jié)論或涉及到的理論，而不必對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行具體解釋?zhuān)揭院笳n程講到該理論時(shí)，再對(duì)緒論中提出的問(wèn)題、現(xiàn)象進(jìn)行具體的解釋。如在上海交通大學(xué)丁祖榮教授編著的《工程流體力學(xué)》中，緒論中引出了三個(gè)對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的例子，分別為吹乒乓球：是推力還是吸力？水管出流：水柱凝聚還是發(fā)散？花徑迎風(fēng)：前后擺還是左右擺[7]？同樣在丁祖榮教授編著的《流體力學(xué)》教材中，緒論中也列舉了三個(gè)例子：高爾夫球表面光滑還是粗糙飛行更遠(yuǎn)？汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？機(jī)翼升力來(lái)自下部還是上部[8]？這些例子很好地引出了學(xué)生對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)和思考，貼近日常生活又具有工程意義。對(duì)這些現(xiàn)象的解釋所包含的流體力學(xué)理論都會(huì)在后續(xù)課堂中呈現(xiàn)。

在課堂中提出開(kāi)放性思考問(wèn)題也有助于學(xué)生的思考和興趣，如大禹治水的故事人盡皆知，進(jìn)而可以引申出現(xiàn)代城市內(nèi)澇防洪的問(wèn)題，每當(dāng)暴雨來(lái)襲，多數(shù)城市就進(jìn)入“看?！蹦Ｊ?，地鐵、地下車(chē)庫(kù)等低洼地區(qū)往往受災(zāi)嚴(yán)重，如何解決此問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)很好的思考問(wèn)題。

流體力學(xué)課程不僅理論性強(qiáng)，其日常生產(chǎn)和生活的實(shí)踐性也很強(qiáng)，課程包含的基本理論大多都能找到生產(chǎn)或生活實(shí)例，而這些應(yīng)用是對(duì)理論很好的解釋。下面對(duì)部分基本理論及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述：

二、流體的黏性

流體的黏性是流體特有的性質(zhì)，描述阻止流體流動(dòng)和變形的能力。牛頓黏性定律是重要的講授內(nèi)容。在牛頓黏性定律的應(yīng)用中，可講述流體黏性的測(cè)量原理，如通過(guò)同軸圓筒系統(tǒng)測(cè)量（見(jiàn)圖1）。用同心圓筒測(cè)量液體的粘度，已知同心圓筒外筒固定，半徑為r1，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，半徑為r2，高度為h，內(nèi)筒上測(cè)得的力矩為T(mén)，同心圓筒間隙中的液體流速為線性分布，不計(jì)上下端部的粘性影響，顯然內(nèi)筒側(cè)壁上受到的液體內(nèi)摩擦力形成了對(duì)于軸的力矩，由內(nèi)摩擦力

凡是符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體為牛頓流體，不符合為非牛頓流體，與土木專(zhuān)業(yè)相關(guān)的材料大多為非牛頓流體，如新拌和的混凝土、水泥，室內(nèi)墻壁用的涂料等。國(guó)外還存在以非牛頓流體設(shè)計(jì)的減速帶，西班牙Badennove公司所研發(fā)出一種新型的非牛頓流體的液態(tài)減速帶：BIV，這種減速帶利用非牛頓流體獨(dú)特的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)減速的功能，汽車(chē)低速通過(guò)（低速剪切）時(shí)，保持流體狀態(tài)，汽車(chē)可以平緩?fù)ㄟ^(guò)，當(dāng)高速剪切時(shí)類(lèi)似固體狀態(tài)變硬，汽車(chē)就像壓在普通減速帶一樣。

三、液壓的原理

在現(xiàn)實(shí)生活中，可以利用液體壓強(qiáng)的傳遞特性實(shí)現(xiàn)省力的功能。如常見(jiàn)的液壓傳動(dòng)裝置，只需要使用很小的力就可以抬起很重的重物。圖2是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。根據(jù)帕斯卡原理，靜止液體中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)變化，將等值的傳遞到其他各點(diǎn)。液壓千斤頂中小柱塞施加給液壓油的壓強(qiáng)將傳遞到大柱塞一側(cè)，若大柱塞的面積是小柱塞的10倍，則作用在大柱塞上的壓力即為小柱塞上的10倍。

四、伯努利方程及其應(yīng)用

伯努利方程作為流體動(dòng)力學(xué)基本方程之一，有著非常重要的應(yīng)用，如畢托管測(cè)速、文丘里管測(cè)流量、虹吸管輸水等。此外，它還可以解釋足球運(yùn)動(dòng)中的弧線球、風(fēng)雨中撐傘雨傘易翻折等現(xiàn)象。

由伯努利方程可知，兩計(jì)算斷面上流體的速度和壓強(qiáng)成反比，即流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。足球比賽中經(jīng)常能見(jiàn)到球員踢出精彩的弧線球，其原理可以解釋為（見(jiàn)圖3），旋轉(zhuǎn)的球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，另一側(cè)氣體減速，形成壓差力，使足球拐彎，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為馬格努斯效應(yīng)。風(fēng)雨天撐傘，傘與風(fēng)向平行或傾斜迎風(fēng)，然而雨傘容易翻折過(guò)去（見(jiàn)圖4），雨傘形狀上凸下凹，氣流在上表面速度大壓強(qiáng)小，下表面速度小壓強(qiáng)大，上下表面形成向上的壓力差，致使雨傘翻折。在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中（見(jiàn)圖5），會(huì)發(fā)現(xiàn)有兩列數(shù)據(jù)，臺(tái)風(fēng)中心壓強(qiáng)和風(fēng)力大小，可以從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律：風(fēng)力越大（即風(fēng)速越大），壓強(qiáng)越小。

在課堂上還可以采用簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)說(shuō)明伯努利方程的應(yīng)用，如（1）吹氣可以吸住乒乓球，通過(guò)漏斗用力向下吹乒乓球，乒乓球能夠被吸住而不掉下來(lái)。（2）小球可以追著風(fēng)跑，只需要兩支鉛筆作為軌道，將乒乓球放在軌道上，用吸管在乒乓球的前方連續(xù)吹氣并不斷向前運(yùn)動(dòng)。（3）對(duì)著靠近的兩張平行的紙中間吹氣，兩張紙會(huì)吸在一起。

五、動(dòng)量方程及其應(yīng)用

動(dòng)量方程作為流體動(dòng)力學(xué)基本方程之一，主要解決流體與固體相互作用力的問(wèn)題。動(dòng)量方程表明作用于控制體上的外力等于單位時(shí)間流出控制體流體的動(dòng)量與流入流體的動(dòng)量之差。自由射流問(wèn)題作為其重要的應(yīng)用之一。在園藝工作中常見(jiàn)到給草坪澆水采用噴灌的形式，搖臂式噴頭是使用最廣泛、性能最穩(wěn)定的噴頭之一，在噴管上方的搖臂軸上，套裝一個(gè)前端設(shè)有偏流板（擋水板）和導(dǎo)流板的搖臂，壓力水從噴管的噴嘴中噴出時(shí)，經(jīng)偏流板沖擊導(dǎo)流板，可做360度旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)形式可見(jiàn)圖6。

六、邊界層分離和卡門(mén)渦街

邊界層理論是流體力學(xué)中最重要的理論之一，標(biāo)志著近代流體力學(xué)階段的開(kāi)始，解決了繞流阻力的問(wèn)題。前述高爾夫球和汽車(chē)的阻力問(wèn)題都可以用邊界層分離理論進(jìn)行解釋。卡門(mén)渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，在自然界中?？捎龅?，在一定條件下的定常來(lái)流繞過(guò)某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地交替脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、交叉排列的渦列，稱(chēng)為卡門(mén)渦街?？ㄩT(mén)渦街能夠引起高層建筑的橫向振動(dòng)，例如，美國(guó)紐約的帝國(guó)大廈在大風(fēng)盛行的季節(jié)左右搖擺的振幅可達(dá)1m左右[7]?？ㄩT(mén)渦街對(duì)建筑安全上的重要作用還體現(xiàn)諸如美國(guó)華盛頓州塔科瑪橋風(fēng)毀事故上，塔科瑪海峽大橋的毀壞，就是由周期性旋渦的共振引起的[9]。

七、結(jié)論

流體力學(xué)課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，涉及到的自然、工程問(wèn)題眾多，文中僅就部分流體力學(xué)基本理論及其應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)闡述，旨在拋磚引玉，流體力學(xué)課程授課教師可在教學(xué)及日常科研活動(dòng)中不斷積累工程實(shí)例，做到理論聯(lián)系實(shí)踐，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)好課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生能夠充分掌握流體力學(xué)理論并能夠解決工程實(shí)踐問(wèn)題。

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