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      2. 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

        時間:2024-08-21 16:00:55 工程力學(xué)畢業(yè)論文 我要投稿
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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

        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

          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)時都不同程度地被壓縮,如何在有限的課堂學(xué)時中利用好現(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,同時引導(dǎo)他們利用課外時間對新的技術(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,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,從以下幾個方面談?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,會覺得從數(shù)學(xué)上處理起來很困難,因?yàn)榭赡芤谝粋不規(guī)則的斷面上對一個復(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前提提出疑問,這時任課老師就應(yīng)該補(bǔ)充強(qiáng)調(diào),由于水流紊動的存在(可附帶簡要介紹水流的紊動特性),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),這是漸變流的一個基本物理特性,也正是這個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)生更加直觀地體會靜壓項(xiàng)z+p/ 可視為常數(shù)這個簡化前提。

          同時也解釋了在漸變流大多數(shù)情況下,動能修正系數(shù)為何取值較小(1.05~1.10),有時候就取1.0,即不需要修正,而不會對工程實(shí)際問題的計(jì)算精度產(chǎn)生大的影響。通過上述多個知識點(diǎn)的聯(lián)合講解,讓學(xué)生真實(shí)感受到,對一個(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生提出一個實(shí)際的工程問題的時候(大尺度),學(xué)生們在應(yīng)用該基本公式的時候,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,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),通過課外活動學(xué)習(xí)完成,比如大學(xué)生科技創(chuàng)新活動和數(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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