关于研究水利工程类学生水力学计算能力培养的论文

  0 引言

  伴随着传统水利向现代水利的转变,水利工程设计和施工中出现的新问题和新需求对水利工程类学生的计算应用能力提出新的要求,其中的水力学计算应用能力的培养是重要的组成部分,而水力学课程是该能力培养的重要一环。随着高校改革的深入,专业课学时都不同程度地被压缩,如何在有限的课堂学时中利用好现有的经典水力学教科书,帮助学生培养起相应的知识体系和计算应用能力,同时引导他们利用课外时间对新的技术方法和研究方向有所了解,以便他们在走上工作岗位后,遇到相对陌生的水力学计算问题时,知道如何下手和高效地学习补充相应的内容,尽快解决掉实际问题。这就要求水力学专业课教师平时要深挖教材,组织好课堂授课内容,多了解行业和实际工程的应用需求,不断更新补充教学内容,改进教学手段,既要“授之以鱼”,更要“授之以渔”,培养并建立起学生的水力学计算能力。作者结合自己多年的教学体会,从以下几个方面谈谈自己的理解。

  1 计算建模能力的培养

  水力学问题本质就是物理问题,数学是有力的量化工具,水力学问题的良好解决需要将物理和数学两方面很好地结合,同时工程问题又相当复杂,涉及的影响因素多,如果全部考虑,则可能无解,因此如何简化问题,提出好的模型,使得数学、物理和工程应用三个方面都能兼顾,得到实用的问题解决方案,就需要学生(未来的工程师)具备良好的计算建模能力,这也是水力学计算能力培养中最重要的部分。

  本科生阶段,课堂上教师讲授的经典内容是可以给学生启发的。例如水力学中的恒定总流的能量方程推导过程,就是一个很好的例子。总流能量方程需要在过水断面上对微小流束进行积分,这个积分包括位置头z,压头p/ 和流速水头u2/2g,如公式(1)所示[:

  ( 1 + 1 ) +

  21

  2

  = ( 2 + 2 ) +

  22

  2

  + (1)

  初看公式(1)的积分,会觉得从数学上处理起来很困难,因为可能要在一个不规则的断面上对一个复杂的流速分布进行积分,经典的处理方法是引入动能修正系数,即将水流的分布视为均匀分布,这样静压项z+p/(测压管水头)可以视为常数直接放到积分号的外面,避免了一个复杂的积分过程。学生可能马上就对流速的断面分布近似均匀这个前提提出疑问,这时任课老师就应该补充强调,由于水流紊动的存在(可附带简要介绍水流的紊动特性),在水利工程中最常见的管流和明渠流中,除了近壁面的极小区域以外,渐变流过水断面上的绝大部分流速分布是较均匀的,从而静压项z+p/ 可视为常数,这是渐变流的一个基本物理特性,也正是这个特性让积分过程得到极大简化。任课教师还可以结合水力学实验相应章节的内容和录像,让学生更加直观地体会静压项z+p/ 可视为常数这个简化前提。

  同时也解释了在渐变流大多数情况下,动能修正系数为何取值较小(1.05~1.10),有时候就取1.0,即不需要修正,而不会对工程实际问题的计算精度产生大的影响。通过上述多个知识点的联合讲解,让学生真实感受到,对一个(工程)计算问题,在满足工程精度的前提下,如何利用问题自身的物理特性去简化数学模型和计算,理解和重视起来水力学试验的重要(静压项z+p/ 可视为常数的试验验证),以及公式中引入的各种经验参数(本例中的)取值背后所反映的物理数学量化关系。

  还是在总流的能量方程中,学生会接触到局部水头损失的计算,公式的形式很简单,就是一个局部水头损失系数乘上流速水头,课本的例题和水力学实验室中的计算问题(小尺度),学生都很好理解,但是当我们向学生提出一个实际的工程问题的时候(大尺度),学生们在应用该基本公式的时候,就显得信心不足。为此,作者尝试将实际工程算例引入到课堂中,比如在Aguamilpa 大坝的施工期安全分析中,需要计算两条导流隧洞的过流能力,整个的计算过程就是利用基本的总流能量方程,隧洞截面为16×16m,长度分别为783m和894m,每条隧洞有两个转弯部分(局部水损失的计算),通过讲解该工程案例的计算过程,让学生知道课本上的基本公式是如何应用到实际工程中的,同时也增强了同学们学习专业外语的积极性。

  作者建议充分利用和挖掘教材实例,适当结合工程案例,在有限的课堂教学中激发本科生专业课程兴趣,引导学生自己去重视和思考如何提升计算建模能力,并动手实践。

  2 编程能力的培养

  当前,计算机已经广泛普及,各种复杂程度的水力学计算问题已经离不开计算机的使用,编程的目的是解决如何将人的想法变成机器程序,高效完成计算任务,这是水力学计算能力中的必要一环。编程能力的培养同样也要遵循从易到难的基本教学规律,本科生对office 软件相对熟悉,因此水力学中的各种试算,比如管道的直径选择,明渠断面参数设计,水面曲线的计算和绘制,都可以通过excel 表格完成。老师可以鼓励学生提交excel 表格计算的作业。当学生感觉到excel 表格的轻松和高效时,可以进一步引入VBA(Visual Basic for Applications),或者结合学生已有的MATLAB 和C 语言课程内容,引导学生利用所学的计算机语言编写出小程序,解决水力学课后作业或者实际的工程计算问题,比如自动绘制水面曲线。将做的好的同学的作业进行大班展示和表扬,增加他们的平时成绩,激发学生的学习积极性。

  3 商用和开源软件的使用

  计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)相关内容已经作为主要章节出现在国外的教科书中,这部分内容,建议让学有余力并对CFD感兴趣的同学,通过课外活动学习完成,比如大学生科技创新活动和数学建模竞赛等。本科生有能力掌握商用和开源软件的基本操作。比如常见的水面曲线的计算绘制,就可以利用DHIMike软件完成,恒定水头的水箱自由出流时间估算,可以利用ANSYS Fluent 软件完成,溃坝的模拟计算可以选择开源软件OpenFOAM 软件的自带算例,接着让学生将软件模拟结果与手算成果/简化模型结果做对比,分析比较不同方法所得结果的差异。目的是让本科生知道商用和开源软件的基本使用方法,为将来可能的深入使用打下基础,也激励他们去思考仿真计算背后的建模原理和计算方法。

  4 文献阅读

  有关水力学的各种工程案例和计算方法都出现在国内外的主流学术期刊上,其中的英文文献和主流商用或者开源软件的界面和帮助文件一般都是英文的,老师应鼓励本科生旁听留学生的“水力学”/ “流体力学”英文课程,并与各类外语的考级考证相结合,激励他们提高外语的实际应用能力,逐步培养起他们对专业外语内容的兴趣。一旦本科生跨越了语言障碍之后,他们将更加乐意通过外文资料的阅读和学习,更快地提升自身的计算程序使用和开发能力。

  5 总结

  水力学任课教师可以尝试从上述四个方面有针对性地逐步培养起学生的水力学计算能力,学生如果能熟练地计算得到水力学问题的正确量化结果,表明学生已经掌握了相关的知识体系和技能,并已经能灵活应用,这是教师们最希望看到的结果。

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