基于车辆工程专业认证的流体力学教学实践
肖国权
摘 要：根据车辆工程专业认证分解的流体力学课程对学生毕业的支撑要求，针对流体力学课堂教学缺乏针对复杂工程问题建模、分析和深入研究的教学环节，提出流体力学课程四个方面的教学目标，并结合目标重点探讨了实现流体力学课程目标的教学实践：（1）基于流体基础理论，解释汽车空气动力学特性;（2）结合汽车气动减阻，讲授建模与求解技术;（3）结合冷却模块建模求解，讲透“数形”结合法;（4）针对汽车造型设计问题，采用数值风洞教学。通过上述实践，为学生多角度、多方位地分析汽车气动减阻和造型设计问题提供了进行各种尝试的机会，有效提高了流体力学理论教学效果，并促进了学生对车辆工程中复杂的空气动力学问题的建模、分析和深入研究的应用。
关键词：流体力学 理论教学 汽车CFD 衔接 教学实践
The Teaching Practice of Fluid Mechanics based on the Certification of Vehicle Engineering
Xiao Guoquan
Abstract：According to the requirements of the fluid mechanics course decomposed by the vehicle engineering professional certification to support students" graduation， aiming at the fluid mechanics classroom teaching lacking the teaching links for modeling， the article conducts an in-depth analysis and research of complex engineering problems， and proposes the four aspects of the fluid mechanics course teaching goals. The article focuses on the teaching practice to achieve the fluid mechanics course objectives：（1）Based on the basic theory of fluids， the article explains the aerodynamic characteristics of automobiles;（2）Combining automobile aerodynamic drag reduction， the article discusses the teach modeling and solving techniques;（3）Combining the modeling and solving of the cooling module， the article explains the "number and shape" combination method;（4）Aiming at the problem of automobile modeling design， the article adopts numerical wind tunnel teaching. Through the above practice， it provides students with opportunities to analyze automobile aerodynamic drag reduction and styling design issues from multiple angles and directions， which effectively improves the teaching effect of fluid mechanics theory， and promotes students" understanding of the application of modeling， analysis and in-depth study of dynamics problems of the complex air engineering.
Key words：fluid mechanics， theoretical teaching， automobile CFD， cohesion， teaching practice
1 引言
流體力学是车辆工程与机械工程等专业本科生的必修课。该课程概念与原理多，抽象难懂，且对高等数学、大学物理与理论力学等先修课程要求高。基于工程教育专业认证的毕业要求，本课程的贡献需要体现在以下三方面：（1）工程知识方面：掌握流体基础和专业知识解释复杂工程问题，并能建立正确的数学、力学模型;（2）问题分析方面：能够应用流体力学的基本原理，识别、表达复杂机械工程问题;（3）研究方面：能够基于流体力学科学原理和方法分析与解释试验数据、并通过信息综合得到合理有效的结论，完成对专业相关复杂工程问题进行研究。传统的流体力学课堂教学缺乏针对复杂工程问题建模、分析和深入研究的教学环节。
近几年在教学中要求学生自行设计汽车外型，结合流体力学所学相关理论，推导获得汽车空气动力学阻力公式，运用CFD软件模拟汽车空气动力学阻力，并分析提出优化设计建议。帮助学生理解汽车空气动力学流动现象，并熟悉阻力构成、评价及阻力系数影响规律;掌握汽车空气动力学阻力性能仿真方法和流程;掌握汽车造型优化设计尽可能减小车身风阻的方法，并能开展汽车空气动力学阻力性能基础研究，探索基于工程教育专业认证要求的流体力学教学改革方法。
2 流体力学课程教学目标
根据工程专业认证需要流体力学课程对毕业要求的支撑，提出的流體力学课程教学目标主要包括四个方面：（1）掌握流体的基本属性、基本概念、基本规律、分类、流体作用力、流体方程中各公式的物理意义等，用于解释工程中常见的流动现象;（2）掌握流体运动的描述方法、流体微团受力分析及流体基本方程组。并能针对实际流动问题建立流体方程组、构建数学模型，确立合理的边界条件、选用正确的数值方法求解;（3）掌握流动研究的基本计算方法，结合流体方程组的综合应用得到合理有效的结论;（4）针对汽车气动阻力与汽车造型设计问题进行数值建模和模型制作试验研究，掌握常见流动测试的原理，学会测试数据分析掌握流动的相似原理和量纲分析方法，并针对实际流动问题会推导一些工程可用的流体公式。
3 实现课程目标的教学实践
3.1 基于流体基础理论，解释汽车空气动力学特性
教学中流体力学的基本属性、基本概念、基本规律、分类、流体作用力、流体方程中各公式的物理意义等概念抽象、枯燥、难懂。汽车行驶过程中周围的空气也看不见摸不着，但今天的中国，汽车已进入千家万户，每天出行离不开汽车，学生对汽车表面所受空气动力学阻力与周围气流的分布情况有浓厚的兴趣。
在课堂教学设计中引入采用CFD模拟给出的可视化图像，譬如汽车表面的压力与气流分布特性分别如图1和图2所示。
由图1与图2可知，让原本看不见、学生头脑中很难想象的行驶过程中汽车气动特性非常直观地展现在学生面前，结合基本理论和伯努利方程分析，学生能更好地理解汽车气动阻力与流体力学基本守恒方程的联系，激发学生努力学好流体力学来满足汽车开发过程中的真实需求的兴趣，激烈他们学会用流体力学的基本原理和方程来解释行驶过程中的汽车的空气动力学特性，使《流体力学》成为一门实用而又“令人神往”的课程。
3.2 结合汽车气动减阻，讲授建模与求解技术
分散在不同章节的流体基础理论与基本方程组，学生觉得很抽象、难懂。教学中以汽车气动减阻问题求解为例， 通过构建汽车空气动力学CFD仿真模型中计算域，给定边界和初始条件，定义空气属性，指定环境条件，设置解算器控制参数和收敛监控曲线等，并通过后处理给出汽车空气动力学特性分布，如图3所示。
如图3所示的汽车运动中全三的维流场信息直观地演示给学生看，有助于学生理解汽车空气动力学特性。在通过CFD软件建模、设置、求解与后处理操作中每个窗口命令的选择可以将分散的概念如边界层、（非）定常、（不）可压、有（无）旋、层（湍）流模型及基本物性参数（粘度、压缩系数等）等全部串讲起来，从解决实际问题出发，加深对概念和基本方程组的整体认识，加深概念的理解与应用。
3.3 结合冷却模块建模求解，讲透“数形”结合法
针对汽车前端冷却模块的流动问题，结合描述流体运动的欧拉法的讲解，引入控制体建立数学模型，如图4所示。
欧拉法通过引入场（控制体、流线等）的概念，构建几何的“形”，针对冷却模块流动问题引入“数”，即从数学的角度给出基于控制体的质量、动量、能量守恒方程。
通过“数形”结合，建立冷却模块流动问题的数学模型，并通过CFD计算收敛后获得结果。这样的建模与求解过程可以加深欧拉法和控制体的概念的理解，并将分散在各个章节的基于欧拉法的质量守恒方程、N-S方程（欧拉方程）及能量守恒（伯努利）方程结合起来，帮助学生从实际流动问题出发，深入理解质量、动量和能量方程组的联系，掌握流动研究中的“数形”结合法。
针对建模和流体方程组求解得到的结论的合理性和有效性问题，在教学中一般通过开展研讨式教学，引导学生参与教学讨论，激发学生从实际流动问题本质的描述、物理模型选择的正确性、流动现象（如三维效应、湍流、可压缩性、非定常等）简化的合理性等方面反复确认;从计算域选择、初始值的设定、边界类型与边界条件的确定等方面优化模型;并从边界的分辨率是否需要改进、自适应网格后精度是否提高，解是否与网格无关，网格是否足够等方面改进网格。通过建模与求解各环节反复确认和改善，有助于学生针对具体问题进行深入分析，培养独立思考的习惯和能力。通过针对实际流动问题建模和求解获得更精确的仿真结果，可以让同学们在在积累建模和求解经验的同时， 能系统全面地掌握流体力学理论和基本方程组及其在汽车开发中的应用。
3.4 针对汽车造型设计问题，采用数值风洞教学
汽车造型直接影响汽车的油耗和安全性等，传统的汽车气动阻力实验一般有以下两种方法：
（1）风洞实验。通过开发车型的初步设计，构建汽车外型的油泥模型，开展真实的风洞实验，包括整车风洞实验和“缩比模型”实验。整车风洞初始投资数以亿计、每小时实验数以万计，运行维护成本昂贵，即使国内已有几座汽车空气动力学整车风洞，学生也难以获得整车风洞实验的机会;一些学校建有模型风洞，基于汽车行驶中流动是相似原理制作“缩比模型”开展模型的空气动力学试验，再基于量纲分析方法获得汽车空气动力学特性参数。虽然已大大降低成本，操作也相对简单，但还是对实验设备的依赖性很大。
（2）“虚拟”实验。通常是源自“人为制造”的基于Web或Labview平台开发的虚拟实验，一般只能结合理论或查阅实验数据库给出预先设定好的实验的结果，实验过程描述不清，实验过程中学生往往来不及仔细地思考和提问，实验结果的真实性无从考证，这类“虚拟”实验信息量大 但实验结果的精度和误差缺乏解释，学生对实验结果会产生疑惑，并不知道怎样才能改善实验结果，不利于学生从流体力学的基本原理和方程出发理解实验的结果。
基于车辆工程专业认证对课程所要达到的工程能力培养需要，基于长年在汽车空气动力学方面的研究积累，在教学中基于虚拟风洞，采用数值风洞建模与求解的方法开展汽车造型与汽车空气动力学实验教学。主要是针对汽车行驶的场景，构建虚拟风洞，演示风洞实验的基本方法，同时基于流体力学的基本原理和方程建立汽车空气动力学CFD仿真模型求解，并通过后处理将空气绕流汽车的流场显示出来，如图5所示。
由图5可以看出，学生能夠直观地看到汽车周围的压力和流线等流场参数的变化，能加深对气动减阻问题的理解和掌握。这样的CFD数值风洞实验，在建模与求解过程中包含了对汽车气动减阻现象的认识、通过对气动阻力的分析、不断探索比较和判断结果的方法。这种实验对缺乏风洞实验条件下的传统流体力学教学起到补充和扩展作用，可以取代一部分汽车风洞实验，通过不断更新实验内容和方法，有助于学生理解汽车行驶过程中复杂的流动特性，熟悉汽车空气动力学阻力构成、评价及阻力系数影响规律;掌握汽车空气动力学阻力性能仿真方法和流程，增强对汽车气动减阻的本质的理解。同时，这种高效率、低成本的数值风洞实验可以丰富实验内容和教学方法，为多角度、多方位地分析汽车气动减阻和造型设计问题提供了进行各种尝试的机会。有助于培养本科生的科研思想和工程概念，也有助于学生养成善于尝试和探求规律的习惯，对学生参与毕业设计与科研、工程实践是一个很好的训练。
基金项目：2018年华南理工大学校级教研教改项目（Y1180521）
参考文献：
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