基于多学科交叉的“流体力学”课程融合式教学方法研究_陈宇.pdf

第 36 卷第 1 期2023 年 2 月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyVol 36No 1Feb 2023doi:10 3969/j issn 1671-0436 2023 01 016收稿日期:2022-04-06基金项目:江苏省教育厅高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师项目(苏教师函2021 11 号);江苏理工学院教学改革与研究项目(11610112123、11610112120)作者简介:陈宇(1987)，男，辽宁抚顺人，博士，讲师，主要研究方向为流体动力学特性分析。通信作者:俞成涛(1987)，男，安徽六安人，博士，副教授，412536046 qq com。基于多学科交叉的“流体力学”课程融合式教学方法研究陈宇，孔庆杰，俞成涛，张陈，刘凯磊(江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州 213001)摘要:应用型人才培养是我国高等教育的重要组成部分。文章将不同专业课程内容与“流体力学”课程内容相结合，并考虑应用型人才培养目标，以“流体力学”课程中气穴现象内容为例进行了融合式教学方法研究，构建“流体力学”课程教学新模式，形成了多学科交叉的融合式教学模式。关键词:“流体力学”;融合式教学;多学科交叉中图分类号:G642 0文献标志码:B文章编号:1671-0436(2023)01-0093-06Mixed Teaching Method of“Fluid Mechanics”CourseBased on Multidisciplinary IntegrationCHEN Yu，KONG Qingjie，YU Chengtao，ZHANG Chen，LIU Kailei(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001)Abstract:The training of applied talents is an important part of higher education in our country Thispaper combines the contents of different professional courses with the contents of“Fluid Mechanics”course，and considering the training objectives of applied talents，takes the content of cavitation phenome-non in“Fluid Mechanics”as an example to study the integrated teaching method，and constructs a newteaching model of“Fluid Mechanics”course，thus forming a multidisciplinary integrated teaching modelKey words:“Fluid Mechanics”;mixed teaching method;multidisciplinary integration“流体力学”是机械类学生的专业基础课，是后续“液压与气动技术”“工程热力学”以及实践类课程(课程设计、毕业设计)的基础，是机械类学生专业培养方案中的重要组成部分1 3。在“流体力学”课程中要求学生了解流体的基本物理性质，掌握流体在不同状态时的力学特性，并应用流体力学相关理论分析、解决实际工程问题。而“机械设计”是工科专业学生的基础课程，也是机械产品设计的基础，对机械类应用型人才的培养起到至关重要的作用。因此，建立“机械设计”和“流体力学”融合式教学方法对机械类 应 用 型 人 才 专 业 能 力 的 培 养 具 有 重 要意义。近年来，国内外相关学者针对多学科交叉式教学方法进行了研究4 6。迟金玲7考虑到气体流动过程中的力学特性，将伯努利方程引入“工程热力学”课程中。葛梦滢等8以提高学生分析、解决实际问题为前提，提出了一种在“大常州工学院学报2023 年工程”背景下的多学科融合教学方法，并与传统教学模式进行了对比和分析。魏伟等9针对流体力学传统教学模式下的不足进行讨论，以实际工程问题为引入点，讲解了液体在静止状态时的力学特征，并获得了较好的教学效果。考虑气穴现象影响，Lin 等10对高速轴承油槽结构进行了分析，详细对比了不同油槽结构参数对高速轴承动力学性能的影响，为高速轴承设计提供了理论参考。基于流体动力学理论，Chetti11结合紊流特征和弹性变形影响，研究了轴承微观力学变化特征对其油膜压力的影响，获得了流体介质和固体轴承之间的关联特性。基于上述分析，本文以“流体力学”课程中的气穴现象知识点为例进行融合式教学设计，并对学生综合能力进行评估，优化教学评价体系。1融合式教学方法设计通过查看专业培养方案了解前期已开课程，并掌握相关课程的教学内容及学生成绩，包括相关课程的教学目标、教学重点和难点等，该过程可以有效了解学生对“流体力学”课程的相关理论知识点的掌握程度。在教学过程中，明确教学背景、教学目标、教学重点和难点，针对教学内容进行知识点分解和教学方法设计。同时，在教学设计中需要根据教学内容，提炼工程问题，并结合相关交叉学科内容进行融合式教学案例设计。在教学过程中，首先对理论知识点进行讲解，使学生对本节课知识点有一定程度的认知。然后，结合实际工程案例进行实践性教学环节设计，在该过程中可根据教学内容增加实验设计与操作、数值模拟仿真、团队协同合作等环节，培养学生分析问题、解决问题等能力，加深学生对所学知识点的理解，从而提高学习效率。在课后学习过程中，除布置传统课后作业外，还可以开展拓展训练，鼓励学生参加科研训练、项目竞赛、撰写科技论文与专利等，进而调动学生自主学习的能动性。为更好地培养学生的综合应用能力，对“流体力学”课程内容知识点分布、知识点掌握难易程度进行合理性分析，采用多种方式检测、巩固、强化学生对知识点的掌握，建立做中学，学中做的教学体系，并根据“流体力学”教学大纲建立学生自我评价体系。2教学案例设计教学设计是课程教学过程中重要的基础环节，合理的教学设计有助于知识点的讲授，加强学生对知识点的理解和掌握。因此，有必要按逻辑顺序对课程知识点进行整合，建立知识点结构框架图，充分挖掘教学内容中各知识点之间的关联特征，并制定教学目标。本文以“流体力学”课程中气穴现象内容为例进行教学案例设计，教学知识点框架如图1 所示。图 1教学知识点框架根据机械类专业培养方案了解到学生在此之前已经完成“机械设计”“理论力学”“材料力学”等专业课的学习，在“机械设计”教学内容中轴系零件、部件是重要的教学内容，而其中的滑动轴承49第 1 期陈宇，等:基于多学科交叉的“流体力学”课程融合式教学方法研究是常用转动副元件。滑动轴承设计方法是该教学内容中的重要知识点，润滑性能是评价滑动轴承动力学性能的重要指标，润滑介质在滑动轴承油槽内的流动状态会对这一指标产生决定性的影响，而气穴现象是滑动轴承中的常见现象，因此以滑动轴承油槽设计为切入点进行“流体力学”课程中气穴现象的融合式教学设计。2 1基础理论讲授液体在流动过程中速度场具有时变性，根据伯努利方程可知，流体速度的改变会对流体的流动状态和液体压强产生影响，速度较高的流域压强会降低，当液体压强降低到空气分离压时，液体中的空气会游离出来，在局部区域产生微小气泡(肉眼看不见)。随着液体压力的持续降低达到其饱和蒸汽压时，微小的气泡聚集成较大气泡(肉眼可见)，这一现象被称为气穴现象。流体流动状态判别方程(雷诺数)和伯努利方程为:e=vd(1)z1+p1g+v212g=z2+p2g+v222g(2)式(1)(2)中:v 为管道平均流速;v1、v2为截面1、截面 2 的流速;d 为管道内径;为运力黏度;为流体密度;g 为重力加速度;z 为液体位置高度;z1、z2为截面 1、截面 2 的液体位置高度;p 为液体压强;p1、p2为截面 1、截面 2 的液体压强。气穴系数是判断气穴现象产生的标准，其表达式为:=p psv2/2(3)式中 ps为液体饱和压强。由上述分析可知气泡产生的原因主要是由于液体压力的变化。当气泡随着液体流动到高压区时，气泡内的蒸汽会迅速凝结，发生破裂。而气泡破裂时会产生巨大的瞬态冲击力，使其周围区域内的压力突然增大，促使局部温度也急剧上升，这种现象的反复发生会对固体壁面造成损伤，破坏固体壁面结构。同时，气泡的产生对流体流动的连续性也会造成阻碍作用。为了有效地对流体气穴现象进行预测，有必要对气泡破裂和再形成的边界进行分析。滑动轴承是常见的转动副元件，润滑油是滑动轴承的主要润滑介质，而气穴效应是滑动轴承润滑油膜中的常见现象之一，本文以滑动轴承油膜气穴效应为例对油膜破裂边界条件进行分析。2 2工程案例分析设计为了加强学生对理论知识点的理解，基于本节内容的理论知识，进行滑动轴承气穴现象实际案例分析。选取滑动轴承为研究对象，轴承间隙尺寸为 0 052 mm，轴承宽度为 50 mm，轴承直径为 100 mm，润滑油黏度为 0 068 Pas，润滑油密度为 890 kg/m3，轴承转速为 600 r/min。滑动轴承油膜润滑特征如图 2 所示。图 2滑动轴承油膜压力分布值由数值仿真计算结果可知，在轴承高速旋转状态时油膜出现了明显的气穴现象。收敛区内有完整的油膜，而发散区内从最小油膜间隙处润滑油开始气化，油膜破裂边界也会发生改变，气穴体积分数随着间隙的增大而增加，在最大间隙处达到最大值。此外，从油膜压力分布特征可以看出油膜压力最大值出现在 270附近，数值仿真结果与实验测试结果变化区域相似，进一步说明了理论分析的正确性。学生可以通过工程案例的分析更加深入地对气穴现象产生认识，掌握气穴现象、流体流速、流体压力之间的关联特性。进一步，结合“机械设计”课程中滑动轴承知识点进行滑动轴承油槽设计与分析。通过前文分析可知，间隙尺寸的大小对滑动轴承油膜压力分布特征会产生明显的影响，在滑动轴承设计中，油槽结构特征必须予以考虑。滑动轴承油槽结构通常包括方槽和螺旋槽两种形式，根据油槽结构参59常州工学院学报2023 年数，对学生下达方槽滑动轴承结构设计任务。油槽宽度角为 a，油槽深度为 hg，离心率为，轴和轴承圆心分别用 O 和 O表示，方槽滑动轴承设计参数如表 1 所示。表 1滑动轴承设计参数参数数值轴承宽度 L/mm180油槽深度 hg/mm2间隙尺寸 hr/mm0 1饱和蒸气压 ps/Pa2000转速/(rmin1)800轴承直径 D/mm200润滑油密度/(kgm3)890润滑油黏度/(Pas)0068工作温度 T/C20油槽数 n2，3，4，6为深入研究油槽对滑动轴承油膜压力和气穴效应的影响，建立了 3 种不同结构形式的滑动轴承进行仿真计算。在计算过程中将轴承和轴定义为刚体，故不发生局部变形。选取轴承宽度角为20，偏心率为0 7，转速为800 r/min，进行仿真计算，获得不同结构形式的滑动轴承润滑特性，结果如图 3 所示。由计算结果可知，不同结构形式的轴承都出现了压力较低的区域，在该区域内容易发生气穴现象。双油槽结构的滑动轴承最大压力为 6 106 MPa，在不同结构形式轴承中压力最大。根据结果还可知，油膜最大压力值几乎都位于滑动轴承 270位置。相对而言，六油槽结构的滑动轴承收敛区面积较小，产生这种现象的原因是油槽数量和位置的变化改变了润滑油的流动状态。由此可见，油槽结构形式在滑动轴承润滑特性中起到了至关重要的作用。(a)双油槽(b)四油槽(c)六油槽图 3油膜压力分布图进一步，以偏心率为变量，分别对 4 种不同结构形式的滑动轴承进行仿真分析，偏心率分别选取 0 3、0 5、0 7 和 0 9，油槽数分别为 2、3、4 和6，并读取油膜达到稳定后仿真计算结果进行对比。偏心