.::课程介绍::.

本课程校内发展的主要历史沿革

我院“流体力学(气体动力学)”课程创建于1952年,与南航二专业同时开始建设,当年,刘世兴教授、彭成一教授等开创了南航二专业气体动力学课程建设的先河。

经过近半个世纪的发展和建设,流体力学(含气体力学)已成为一门学术基础扎实,教材和教学大纲完备、教师队伍整体水平高、实验条件优良、特色鲜明的优秀课程。如今流体力学已是南航二院的基础骨干课程,先后已为数千名本科生授课。有十余名教授和博士生导师执教该课程(如彭成一教授、刘世兴教授、方人凇副教授、刘伦副教授、施网兴副教授,刘德彰教授,目前在美国的刘超群教授、张封北副教授、方良伟副教授、盛春华副教授、林峰副教授,在英国的尹军飞博士,以及仍在一线的梁德旺教授、郭荣伟教授、张堃元教授等。)

该课程曾先后编写出版了6种不同的教材,取得了良好的教学效果,80年代编写的气体动力学教材至今还广为人们参考。

根据多年的教学实践,深深体会到流体力学实验环节对本科生培养的极端重要性,它对学生理解流动现象的物理本质起着无可替代的作用。经过数十年的建设,该课程本科教学实验室无论在规模上还是在设备完善程度上在全国三所重点航空航天大学(北航、南航、西工大)中名列前茅,这也是我院十余年来唯一坚持对学生全天开放的实验室,已成为一个能开出8个教学实验的重要的教学基地。目前投入本科生教学使用的设备有伯努利方程专用试验台两座,雷诺试验台四座,多功能流动显示水槽一座,气体摩擦管流试验台一座,动量方程试验台两座,激波形态观察试验台一座,拉瓦尔喷管试验台两座,平板附面层发展实验风洞一座。与上述实验配套,实验室还配备了TSI公司的电子压力测量扫描阀和相应的计算机数据采集系统,配置了双反纹影仪,建设了配套的小型教学专用高低压气源。

由于各方面的成绩显著,本课程93年被评为江苏省课程建设和教改二等奖,99年被评为江苏省二类优秀课程,1999年流体力学课程建设项目获得江苏省教改成果二等奖,课程组负责人张堃元教授2003年被评为南航首届奖教金二等奖,2005年该课程组所进行的“强化动手能力,培养创新思维的本科流体力学设计性实验”获得了专家的好评,并获得2005年度校优秀教学成果二等奖。“突出航空航天特色,强化设计性、实践性的《工程流体力学》课程体系建设”,2005年获得南京航空航天大学教学改革研究立项建设项目。

上世纪90年代,流体力学教师队伍面临新老交替的关键时刻,60年代初毕业的教师大量退休,此时骨干教师张堃元教授一直从事流体力学本科生的教学工作,起到了重要的承上启下作用。随着年轻教师的先后加盟,流体力学课程组顺利地完成了教师队伍的新老交替。目前承担流体力学课程教学的是一支以年轻博士为主体的全新的教师队伍,正以全新的面貌,充满信心地为创建流体力学精品课程而努力。

理论课和理论课教学内容

流体力学首先是一门应用面广的专业基础课,尤其是在航空、航天、能源、动力、机械、化工等领域更为重要。另外,它还为许多后续课程打下了基础,比如发动机原理、叶片机原理、燃气轮机原理与构造、传热学、燃烧学、粘性流体力学、计算流体力学,计算传热学等。我校的办学定位是为培养航空航天专业的专门人才服务,而我院主要为我国的航空航天领域培养从事航空航天动力研究和生产的专门人才,该领域中流体力学的知识应用得更加广泛。因此在能源动力专业,本课程是最重要和最基础的专业基础课程之一。

为了适应新知识、新技术的不断进步,也为了考虑学生将来可能从事航空航天动力的不同领域,本课程的课程目标是尽量做到宽口径、厚基础,尽量贴近航空航天的实际问题,使学生能够无缝地跟工程实际相衔接,同时又能够在将来的研究和生产过程中,举一反三,解决实际问题,成为有用的专门人才。

作为工科特色鲜明的一门课程,我们特别注意对学生动手实践能力的培养,并对此做了有益的探索和实践,取得了较好的评价和效果。

知识模块顺序及对应的学时

本课程包括流体基本性质、流体静力学、流体运动学、流体动力学、气体动力学基础五个部分。课程知识模块及学时的安排,根据不同专业方向有所选择,但基本相同。大致上,各个模块及对应的学时是:

    • 流体的基本力学性质(2个学时);
    • 流体静力学,包括欧拉静平衡方程、静止流体产生的作用力等(8个学时);
    • 流体运动学,包括流体微团的运动分析、流线和迹线等(4个学时);
    • 流体动力学,包括流体运动的基本方程、伯努利方程等(16个学时);
    • 相似理论和量纲分析,包括相似原理和量纲分析(4个学时);
    • 流动损失和管路计算,包括湍流初步理论、沿程损失和局部损失等(6个学时);
    • 平面势流理论和附面层理论(8个学时);
    • 气体动力学基本概念(4个学时)
    • 膨胀波和激波(8个学时)

10、一维定常流(8个学时)

11、二维定常超声速气流的特征线法(4个学时)。

课程的重点、难点及解决办法

本课程的主要特点是:数学份量重,抽象概念多,理论性强,实践性强。在初学这门课时,弄清概念,掌握理论,学会运用基本理论分析解决工程中的实际问题,常常是最重要的也是学生最困难的。

具体的主要重点内容有:欧拉静平衡方程、流体对固壁的作用力;流体运动的描述、雷诺输运定理、积分形式的动量(矩)方程、伯努利方程、附面层的概念及流动分离、气体动力学的参考状态(滞止状态、极限状态和临界状态)、激波和膨胀波的概念与计算方法、变截面管流中的气流参数变化规律;收敛喷管和拉瓦尔喷管的分析等。

主要难点有:流体对固壁的作用力;流体运动的描述、雷诺输运定理、积分形式的动量方程、激波和膨胀波的概念与计算方法、拉瓦尔喷管的分析。

在教学过程中,围绕这些重点和难点,课程组采取了一系列的方法和手段,尽量深入重点,化简难点。采取的方法和手段主要有:

●强调课程的重要性:在不同的环节和重点地方,结合实际问题,阐述问题的重要性和实践性。

●采用大量的工程实例、实验照片和计算流体力学的计算结果,增加同学们的感性认识,突出物理概念和物理背景,消除学生畏难的情绪:采用不同角度讲解、反复强调、列举大量实例、加强课后练习等方法,使学生广开眼界,充分领会,并自己动手练习,及时消除难点。

●加强实验验证:在许多重点和难点的地方,基本上有配套的实验,从实验中学习,既能培养学生从实践中发现问题并进行深入分析的思维习惯,激发他们的学习热情,同时也是加强印象、加深理解、克服难点的手段之一。

●精心备课、认真讲解:首先尽可能保证理论体系的严谨和完整,另一方面加强对基本理论推导过程的物理意义的解释,使得原本枯燥的数学表达式具有了明确、清晰的物理意义。

●善于启发和诱导:同时,作为一门实践性很强的工程学科,着重培养同学发现问题、分析问题、解决问题的能力,不仅需要讲解大量的例题,而且需要布置相当数量的精选习题,使同学能把书本上死的知识通过消化吸收后变成自己活的能力。

●强化实践性和动手能力的培养:除了基本实验外,还开出2-3个设计性、综合性的实验,教师只给出必要的条件和所要完成的任务,实验的具体过程由同学自己设计,这是真正意义上的设计性实验。开设流体力学设计性实验的目的,就是为一部分学有余力、学有所长的学生提供一个发挥创造性的平台,让学生充分利用所学知识、充分发挥个人和团队的想象力和智慧,自己动手,从设计实验过程开始,到自己制造简单的实验模型,最终组织实施并完成实验,在失败-改进-成功的循环中达到实验预定目标。同时希望对现有的流体力学实验进行新的尝试,能够在一个实验当中比较全面地对部分优秀或者有兴趣的同学进行上述各种能力的培养和训练,加深他们对所学知识的理解,激发他们的学习兴趣,引导他们活学活用知识,创造性地解决实际问题,锻炼实际动手能力,进而提高本科生教学水平,为培养高素质航空动力人才创造条件。

实践教学的设计思想与效果

在实践教学方面,课程组采取了下列措施,加强实践教学的效果:

●坚持一丝不苟地完成基本教学实验,要求学生认真做完每个基本实验,自己独立写出实验报告,并进行仔细分析;

●进一步开拓新的流体力学实验内容和实验方式。新开流体力学综合实验和设计性实验, 一方面充分体现创新性和启发性并举的思想,另一方面与现有的流体力学实验配套,使对学生的综合能力的培养提高了一个层次;

●进行计算机虚拟流体力学实验,进一步加深对所学知识的理解,提升学生的计算机数值模拟能力,进一步提高教学效果;

●充分利用现代多媒体技术和CFD技术的的优势,使该课程成为教学效果好、课堂气氛活跃、互动充分、实践机会多、学生学习兴趣浓厚的理工科大学机械类专业流体力学课程。

●对成绩比较优秀的学生,提前加入课程组老师及其他一线老师的科研工作中,承担部分它们能够胜任的科研工作。

●经过几年的实践,实践性教学在本课程的教学中,越来越起到核心的作用,并且也充分激发了学生的学习兴趣和认真思考的风气。一些优秀的学生在教师所承担的科研工作中,也充分反映出他们坚实的理论基础和良好的动手能力。例如,最近两年来,每年进行本硕连读推荐或者是保送研究生时,性能与气动方向都是最热门、竞争最激烈的方向。

教学条件

目前使用的教材是本课程组1999年编写的、由航空工业出版社出版的教材,该教材自出版以来,对流体力学的教学工作起到了很好的促进作用。目前,课程组相关教师正在着手编写新的流体力学教材,希望在保持原有教材内容和主要特色基本不变的前提下,及时加强新知识的传授,该教材也已列入2005年江苏省精品教材建设规划。另外,已经引进部分原版教材,计划在恰当的时候实行双语教学,目前课程组中已经有3人参加了学校组织的双语教学培训,其中一人即将赴澳大利亚集中学习3个月。

在促进学生自学方法,围绕着不同内容,有目的地留下一些内容,引导学生自觉地参考各种文献资料,补充自己的知识。同时,也及时地开列出各个环节的相关参考资料,特别是经典文献,供学生在学习,甚至是将来工作实际中参考。

流体力学实验是我校较早实现了开放性的教学实验,与此配套的实验大纲、实验指导书、实验设备、测量仪器、实验场地和试验人员都已齐全。为了加强实验课的效果,目前正在陆续更新、增加流体力学教学实验台和实验设备,尽可能增加每一位同学的动手机会。目前投入本科生教学使用的设备有伯努利方程专用试验台两座,雷诺试验台四座,多功能流动显示水槽一座,气体摩擦管流试验台一座,动量方程试验台两座,激波形态观察试验台一座,拉瓦尔喷管试验台两座,平板附面层发展实验风洞一座。最近新进了一批流体力学综合实验台,相信这将会进一步促进流体力学的教学水平和教学效果。

除此之外,本课程组在教学常规实验之外,又进行了流体力学综合性、设计性实验,目前已经进行了两届。通过设计性实验,大大提高了同学们的动手能力,加深了对所学内容的理解和运用能力,使得各方面的能力都得到了较好的锻炼。因此该设计性实验得到了有关效内外专家和同学的一致好评,因此获得了2005年度教学优秀成果二等奖。与上述实验配套,实验室还配备了目前国际最先进的粒子影像测速仪(PIV)、压力测量扫描阀和相应的计算机数据采集系统,配置了双反纹影仪,建设了配套的小型教学专用高低压气源。

课程组任课教师所从事的高水平科研活动为大学生提供了实践的机会和场所,开拓了他们的视野,大大激发了学生的学习兴趣,培养他们发现问题、分析问题、解决问题的能力,提高了科研能力和教学效果。不少学生在教师的组织、安排下积极主动地参加到与内流气动力学相关的科技创新活动中,这样既丰富了知识,又尝试了应用流体力学理论知识分析和理解复杂的流动现象,从而加深了对流动现象物理概念的认识。

课程组实现了多媒体教学,有效加强了课程教学效果;并且已经初步将其进一步扩展到网络教学环境中去。

教学方法与教学手段

作为一门与生产实际和日常生活密切相关的重要学科,课程组在讲授流体力学时,灵活采取了不同的教学方法,以期能让学生真正掌握这门重要的专业基础课。

这些方法包括:

●充分注意理论联系实际,尽可能多地联系生活中的实际例子,以减轻由于理论深奥、数学要求高、公式多等使学生产生的畏惧心理,有助于从实践中发现现象并进行深入分析的思维习惯,激发他们的学习热情。

●作为一门理论性强、发展成熟、研究对象十分复杂的专业基础课,我们一方面尽可能保证本课程理论体系的严谨和完整,另一方面也加强了对基本理论推导过程的物理意义的解释,使得原本枯燥的数学表达式具有了明确、清晰的物理意义。

●同时,作为一门实践性很强的工程学科,我们着重培养同学发现问题、分析问题、解决问题的能力,不仅讲解大量的例题,而且布置了相当数量的精选的习题,使同学能把书本上死的知识通过消化吸收后变成自己活的能力。

●配套开设了8个经典的流体力学实验,让同学亲自动手操作,提高他们的动手能力。为了加强实验课的效果,目前正在陆续更新、增加流体力学教学实验台和实验设备,尽可能增加每一位同学的动手机会。同时编撰配套流体力学习题解答,使之成为一个完整的系统。

●我们已经开出2个设计性的、综合性的实验,教师只给出必要的条件和所要完成的任务,实验的具体过程由同学自己设计。通过这样的实践性环节,大大激发了同学的学习热情,提高了他们的实际动手能力,培养了他们的实践精神。

●充分利用现代多媒体技术和CFD技术的的优势,使该课程成为教学效果好、课堂气氛活跃、互动充分、实践机会多、学生学习兴趣浓厚的理工科大学机械类专业流体力学课程。

●课程组教师授课时都制作多媒体课件,实现了多媒体教学,并且在如何充分发挥多媒体的优势,进一步提高教学质量等方面进行了有益的实践和探索,有效加强了课程教学效果;

●在多年的教学与科研工作中,本课程组老师积累了大量的实验图像、曲线、数据和表格,这些都是非常宝贵的资源。目前我们已经整理开发了一些资料,并将这些结果补充到日常的教学工作和多媒体网站上,以丰富教学资源,进一步改善教学效果。

●教师是教学工作成败的关键和灵魂。在本科生教学一线的本课程组教师都是国家重要科研任务的承担人和完成人,如国家自然科学基金、863航天高技术项目、973项目、国家重要武器装备型号研制和预研等。长期高水平的科学研究不仅提高了教师的素质,而且使教师在本科生课堂教学中做到游刃有余,能结合课堂授课内容随时介绍最新的科研进展,进而激发学生的兴趣,提高学习自觉性。长期的本科生教学又促进了科研水平的提高,教学、科研相互促进是本课程组教学的一大特色。

教学效果

经过多年的积淀,本课程在学院乃至学校具有一定的声誉,获得各种好评。其中,学校和学院的教学督导小组多人多次跟踪听课、访问学生,对本课程组的主讲教师对本课程的授课情况给予了较高的评价,几年来,各届各班学生的评价也较高。其中实验教学特色鲜明,特别是设计性实验得到同学和有关专家的一致好评。

在最近几年,本课程组获得了多项教学成果奖:

  • “流体力学课程建设和改革的实践”,省级二等奖,1993.6,方人凇 张堃元 梁德旺 尹军飞 张荣学
  • 1999年“流体力学”获江苏省普通高等学校二类优秀课程,获奖人员为:张堃元、梁德旺、赵一鹗、钟易成、张荣学;
  • 流体力学课程建设,江苏省教改成果二等奖,获奖人员为:张坤元 梁德旺 张荣学
  • 2003年获南航教学优秀二等奖,获奖人员为:张堃元;
  • 2005年南航教学成果二等奖,获奖人员为:徐惊雷, 张堃元;
  • 2005年徐惊雷流体力学教学综合评估优秀
  • 2005年谭慧俊流体力学教学学生评估优秀