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關(guān)于研究水利工程類學(xué)生水力學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)的論文
0 引言
伴隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，水利工程設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的新問題和新需求對水利工程類學(xué)生的計(jì)算應(yīng)用能力提出新的要求，其中的水力學(xué)計(jì)算應(yīng)用能力的培養(yǎng)是重要的組成部分，而水力學(xué)課程是該能力培養(yǎng)的重要一環(huán)。隨著高校改革的深入，專業(yè)課學(xué)時(shí)都不同程度地被壓縮，如何在有限的課堂學(xué)時(shí)中利用好現(xiàn)有的經(jīng)典水力學(xué)教科書，幫助學(xué)生培養(yǎng)起相應(yīng)的知識體系和計(jì)算應(yīng)用能力，同時(shí)引導(dǎo)他們利用課外時(shí)間對新的技術(shù)方法和研究方向有所了解，以便他們在走上工作崗位后，遇到相對陌生的水力學(xué)計(jì)算問題時(shí)，知道如何下手和高效地學(xué)習(xí)補(bǔ)充相應(yīng)的內(nèi)容，盡快解決掉實(shí)際問題。這就要求水力學(xué)專業(yè)課教師平時(shí)要深挖教材，組織好課堂授課內(nèi)容，多了解行業(yè)和實(shí)際工程的應(yīng)用需求，不斷更新補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段，既要“授之以魚”，更要“授之以漁”，培養(yǎng)并建立起學(xué)生的水力學(xué)計(jì)算能力。作者結(jié)合自己多年的教學(xué)體會(huì)，從以下幾個(gè)方面談?wù)勛约旱睦斫狻?/p>
1 計(jì)算建模能力的培養(yǎng)
水力學(xué)問題本質(zhì)就是物理問題，數(shù)學(xué)是有力的量化工具，水力學(xué)問題的良好解決需要將物理和數(shù)學(xué)兩方面很好地結(jié)合，同時(shí)工程問題又相當(dāng)復(fù)雜，涉及的影響因素多，如果全部考慮，則可能無解，因此如何簡化問題，提出好的模型，使得數(shù)學(xué)、物理和工程應(yīng)用三個(gè)方面都能兼顧，得到實(shí)用的問題解決方案，就需要學(xué)生(未來的工程師)具備良好的計(jì)算建模能力，這也是水力學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)中最重要的部分。
本科生階段，課堂上教師講授的經(jīng)典內(nèi)容是可以給學(xué)生啟發(fā)的。例如水力學(xué)中的恒定總流的能量方程推導(dǎo)過程，就是一個(gè)很好的例子。總流能量方程需要在過水?dāng)嗝嫔蠈ξ⑿×魇M(jìn)行積分，這個(gè)積分包括位置頭z，壓頭p/ 和流速水頭u2/2g，如公式(1)所示[：
( 1 + 1 ) +
21
2
= ( 2 + 2 ) +
22
2
+ (1)
初看公式(1)的積分，會(huì)覺得從數(shù)學(xué)上處理起來很困難，因?yàn)榭赡芤谝粋�(gè)不規(guī)則的斷面上對一個(gè)復(fù)雜的流速分布進(jìn)行積分，經(jīng)典的處理方法是引入動(dòng)能修正系數(shù)，即將水流的分布視為均勻分布，這樣靜壓項(xiàng)z+p/(測壓管水頭)可以視為常數(shù)直接放到積分號的外面，避免了一個(gè)復(fù)雜的積分過程。學(xué)生可能馬上就對流速的斷面分布近似均勻這個(gè)前提提出疑問，這時(shí)任課老師就應(yīng)該補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)，由于水流紊動(dòng)的存在(可附帶簡要介紹水流的紊動(dòng)特性)，在水利工程中最常見的管流和明渠流中，除了近壁面的極小區(qū)域以外，漸變流過水?dāng)嗝嫔系慕^大部分流速分布是較均勻的，從而靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)，這是漸變流的一個(gè)基本物理特性，也正是這個(gè)特性讓積分過程得到極大簡化。任課教師還可以結(jié)合水力學(xué)實(shí)驗(yàn)相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容和錄像，讓學(xué)生更加直觀地體會(huì)靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)這個(gè)簡化前提。
同時(shí)也解釋了在漸變流大多數(shù)情況下，動(dòng)能修正系數(shù)為何取值較小(1.05~1.10)，有時(shí)候就取1.0，即不需要修正，而不會(huì)對工程實(shí)際問題的計(jì)算精度產(chǎn)生大的影響。通過上述多個(gè)知識點(diǎn)的聯(lián)合講解，讓學(xué)生真實(shí)感受到，對一個(gè)(工程)計(jì)算問題，在滿足工程精度的前提下，如何利用問題自身的物理特性去簡化數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，理解和重視起來水力學(xué)試驗(yàn)的重要(靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證)，以及公式中引入的各種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(本例中的)取值背后所反映的物理數(shù)學(xué)量化關(guān)系。
還是在總流的能量方程中，學(xué)生會(huì)接觸到局部水頭損失的計(jì)算，公式的形式很簡單，就是一個(gè)局部水頭損失系數(shù)乘上流速水頭，課本的例題和水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)算問題(小尺度)，學(xué)生都很好理解，但是當(dāng)我們向?qū)W生提出一個(gè)實(shí)際的工程問題的時(shí)候(大尺度)，學(xué)生們在應(yīng)用該基本公式的時(shí)候，就顯得信心不足。為此，作者嘗試將實(shí)際工程算例引入到課堂中，比如在Aguamilpa 大壩的施工期安全分析中，需要計(jì)算兩條導(dǎo)流隧洞的過流能力，整個(gè)的計(jì)算過程就是利用基本的總流能量方程，隧洞截面為16×16m，長度分別為783m和894m，每條隧洞有兩個(gè)轉(zhuǎn)彎部分(局部水損失的計(jì)算)，通過講解該工程案例的計(jì)算過程，讓學(xué)生知道課本上的基本公式是如何應(yīng)用到實(shí)際工程中的，同時(shí)也增強(qiáng)了同學(xué)們學(xué)習(xí)專業(yè)外語的積極性。
作者建議充分利用和挖掘教材實(shí)例，適當(dāng)結(jié)合工程案例，在有限的課堂教學(xué)中激發(fā)本科生專業(yè)課程興趣，引導(dǎo)學(xué)生自己去重視和思考如何提升計(jì)算建模能力，并動(dòng)手實(shí)踐。
2 編程能力的培養(yǎng)
當(dāng)前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛普及，各種復(fù)雜程度的水力學(xué)計(jì)算問題已經(jīng)離不開計(jì)算機(jī)的使用，編程的目的是解決如何將人的想法變成機(jī)器程序，高效完成計(jì)算任務(wù)，這是水力學(xué)計(jì)算能力中的必要一環(huán)。編程能力的培養(yǎng)同樣也要遵循從易到難的基本教學(xué)規(guī)律，本科生對office 軟件相對熟悉，因此水力學(xué)中的各種試算，比如管道的直徑選擇，明渠斷面參數(shù)設(shè)計(jì)，水面曲線的計(jì)算和繪制，都可以通過excel 表格完成。老師可以鼓勵(lì)學(xué)生提交excel 表格計(jì)算的作業(yè)。當(dāng)學(xué)生感覺到excel 表格的輕松和高效時(shí)，可以進(jìn)一步引入VBA(Visual Basic for Applications)，或者結(jié)合學(xué)生已有的MATLAB 和C 語言課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)語言編寫出小程序，解決水力學(xué)課后作業(yè)或者實(shí)際的工程計(jì)算問題，比如自動(dòng)繪制水面曲線。將做的好的同學(xué)的作業(yè)進(jìn)行大班展示和表揚(yáng)，增加他們的平時(shí)成績，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
3 商用和開源軟件的使用
計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics-CFD)相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)作為主要章節(jié)出現(xiàn)在國外的教科書中，這部分內(nèi)容，建議讓學(xué)有余力并對CFD感興趣的同學(xué)，通過課外活動(dòng)學(xué)習(xí)完成，比如大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)和數(shù)學(xué)建模競賽等。本科生有能力掌握商用和開源軟件的基本操作。比如常見的水面曲線的計(jì)算繪制，就可以利用DHIMike軟件完成，恒定水頭的水箱自由出流時(shí)間估算，可以利用ANSYS Fluent 軟件完成，潰壩的模擬計(jì)算可以選擇開源軟件OpenFOAM 軟件的自帶算例，接著讓學(xué)生將軟件模擬結(jié)果與手算成果/簡化模型結(jié)果做對比，分析比較不同方法所得結(jié)果的差異。目的是讓本科生知道商用和開源軟件的基本使用方法，為將來可能的深入使用打下基礎(chǔ)，也激勵(lì)他們?nèi)ニ伎挤抡嬗?jì)算背后的建模原理和計(jì)算方法。
4 文獻(xiàn)閱讀
有關(guān)水力學(xué)的各種工程案例和計(jì)算方法都出現(xiàn)在國內(nèi)外的主流學(xué)術(shù)期刊上，其中的英文文獻(xiàn)和主流商用或者開源軟件的界面和幫助文件一般都是英文的，老師應(yīng)鼓勵(lì)本科生旁聽留學(xué)生的“水力學(xué)”/ “流體力學(xué)”英文課程，并與各類外語的考級考證相結(jié)合，激勵(lì)他們提高外語的實(shí)際應(yīng)用能力，逐步培養(yǎng)起他們對專業(yè)外語內(nèi)容的興趣。一旦本科生跨越了語言障礙之后，他們將更加樂意通過外文資料的閱讀和學(xué)習(xí)，更快地提升自身的計(jì)算程序使用和開發(fā)能力。
5 總結(jié)
水力學(xué)任課教師可以嘗試從上述四個(gè)方面有針對性地逐步培養(yǎng)起學(xué)生的水力學(xué)計(jì)算能力，學(xué)生如果能熟練地計(jì)算得到水力學(xué)問題的正確量化結(jié)果，表明學(xué)生已經(jīng)掌握了相關(guān)的知識體系和技能，并已經(jīng)能靈活應(yīng)用，這是教師們最希望看到的結(jié)果。
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