水力学论文
水力学研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科,又称水动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。液体动力学是一门应用科学,所研究的课题皆来自生产实践,与工程技术密切相关,建造水力发电站和抽水工程时,需要研究水力机械的出力、发生振动的条件、启闭过程中的特性变化,主要防止或减少空蚀破坏。这些方面都是水动力学的研究内容。
水力学论文1
水力学是一门实践性很强的专业课程,在工程中有广泛的应用,如在修筑水坝,开通运河和输水渠道等许多土建工程中,都需要解决一系列水力学问题。如道路桥涵孔径的设计、铁路战场与路基的排水设计中均要进行大量的水力计算。在给水排水工程及建筑设备工程中也要解决一系列水力学问题。如在室内消防给水系统的设计中,便要计算消防给水管路中的流量、流速、水压和水头损失等一系列水力计算问题。我校的水力学课程学时有限,主要讲授连续性方程、伯努利方程和动量方程等重要方程,覆盖的知识面广、理论性和实用性强,教师讲得费劲,学生不好理解,常出现"听着懂了,做题时就出问题"的情况。针对此现象,笔者从多方面分析了导致水力学教学效果不佳的原因。
一、当前水力学教学存在的问题
(一)学习目标不明确
大学的教育是培养出能够主动学习、具有实践能力和创造能力的人,目前情况下,教师把完整系统的知识体系讲授给学生,学生掌握的好坏程度有一部分决定于学生的积极性和主动性,然而对新入学者来说缺乏专人或专门的机构对他们进行专业指导,他们进入大学的学习目标和任务不够明确,还依然习惯有高中的"填鸭式"、"老师后面催着"教育模式,学生的学习很被动,甚至有的学生到大四还不知道自己的专业到底是干啥的,更何况一门两门专业课的重要性。没有明确的学习目标,就不会有主动的学习劲头,教学效果很难提高。
(二)统编教材的模式化
国外的大学课堂气氛很活跃,学生们没有统编教材,只有听课笔记和自学搜集的材料,教师讲授的内容不系统,但讲课的过程中教师会提出一些问题,需要学生寻找答案,寻找思路,这个过程也是教与学的完美结合,教师既教给了学生知识也教给了学生学习方法。而我们课堂教学就是模式和机械化的过程,学生在学的过程中知识体系就是以教材为框架,以教材为纲,课下学生很少积极主动地去学,课堂上教师也是照本宣科,学生很少做笔记,教师很卖力地讲,而台下的学生甚至听得很痛苦,学生没有真正地参与到课堂中来,整个学习的过程很被动,缺少学习的激情。
(三)课堂教学的系统化
在长期的课堂教学中,师生往往习惯于"我要你学"的教学方式,教师在备课的过程中不断进行教学积累、教学反思和教学总结,争取教学内容系统起来,在近年来的考试中发现部分同学连最基本的公式都写不正确,更谈不上灵活应用了。在这种教学活动中学生是教学的客体,作为好学生,也只能把教师讲课的知识点诵记于心。所学的知识都是教师整理好的模式和套路,"学会这部分内容,在今后的工作中对你会有帮助",整个学习过程中学生成了被动者,没有明确目标的学习过程,在很大的程度上限制了学生学习的兴趣和积极性,很难使教学质量达到一个好的效果。
(四)实验教学缺乏创新
实验教学是理论教学的补充。它能加深学生的感性认识以及对基本概念和基础理论的理解掌握。目前,我校实验室开设的水力学实验项目有:液体静力学实验、不可压缩液体恒定流能量方程实验、不可压缩液体动量方程实验、雷诺实验、沿程水头损失实验、局部水头损失实验、孔口和管嘴出流实验,以及流谱、水击、虹吸、堰流等演示实验。然而传统的实验教学存在诸多与现代教学不适应之处,主要表现在:(1)多为验证性的实验,实验结果根据课堂教学已经知道实验结果缺乏新意,不利于激发学生学习的积极性和主动性;(2) 实验教学中,实验由任课教师与实验教师准备,学生的任务是照着实习指导书上的操作步骤进行,学生缺乏主动思考以及对所学知识的消化和重组。就这样重复性的实验过程也没有考核指标监督和评价,实验报告的书写和评阅也是各个任课教师自己决定,没有统一的规范标准,最终实验课教学质量没有保证,浪费了人力和物力。
(五)水力学课程考核存在问题
教师对水力学课程的考试目标不够明确,采用任课教师出试卷闭卷考试,甚至有的教师考前给学生划重点,内容枯燥呆板,缺乏实用性,考试内容不全面,往往局限于课本和教科书,考试内容比较重视对基本概念、基本理论的理解记忆及简单的计算问题,导致试题的覆盖面过窄,不能全面反映课程的学习内容,忽视考察学生解决实际问题的能力,失去了考试的实际意义。通常这种考试往往是名词解释、问答题、填空题,客观性题居多,而与实际结合的综合分析的主观题试题较少,学生可能花几个小时强化记忆就能取得优良的成绩,而对知识的理解和运用知识的能力方面却不能进行全面考查,不利于真正地考查学生对该课程主要内容的掌握。
二、水力学教学模式的改革
(一)明确大学生学习的目标
培养能够自主获取知识、挑战知识、创造知识的人是大学教育的最终目标。在招生简章、入学教育阶段以及基础课学习阶段就要有专职教师引导,讲解本专业的就业去向以及所学课程之间的联系以及各门功课的重要性,只要学生有很明确的学习目标和任务,就会积极主动地去学,有了兴趣,教学效果自然会好。
(二)充分利用图书馆和网络资源,发挥学生学习的积极性
在今后的教学中也要提供一些自主的时间让学生自己去找答案,例如,学完水力学的前五章内容后,给学生布置一个喷灌或滴管的管路设计,让学生通过图书馆以及网络发挥作用,分析完成一项工程应该考虑哪些方面,让学生能将理论与实际相结合,达到学以致用的目的。
(三)以人为本的教育理念在课堂教学中的应用
水力学的课堂教学的主要目的除了学生必须掌握课程的基本理论之外,还要掌握学习该类知识的方法和技巧。在平时的教学环节中,可以通过课前知识点的回顾、课堂上相关知识点的回忆以及实验中对所学知识点的讨论等多方面深入了解学生对知识的掌握程度与学习方法上存在的误区。由于本校水力学理论学时只有38学时,所以讨论课仅能占总学时的一少部分,讲完对应章节之后对本章课后重要的习题,通过布置作业的方式进行本章知识点的开卷测试,下次课收上来评阅并记平时成绩,为最终的考核提供了参考,目前已经给20xx级学生进行了初步的尝试,学生每次对课后题都进行认真的思考而且必须明白,因为交作业以后要抽查一部分同学对该题的理解和讲题的思考,对里面涉及的知识点进行讨论,加深印象理解对知识点的理解。本次课堂讨论主要是讲完第五章有压管道恒定流的计算以后,针对管灌工程问题进行讨论,要掌握管路的布置、水泵的选择等问题,教师结合所学的知识提出问题,让学生通过查阅图书、网络以及图书馆等方式准备材料,留给学生足够的时间去思考和准备,然后下一次课针对上述问题进行了讨论。由于每个学生都准备了,对这个问题都从自己的角度进行了思考和整理,学生会集中精力参与到讨论中来,不会轻易地走神。在讨论课上,教师引导学生围绕重点内容展开讨论,例如讲到管嘴和孔口出流问题时,提问:在相同的水头情况下,哪种出水流量大?为什么?首先根据沿程水头损失的知识产生疑问,然后按照问题的出现去分析寻找答案,在自学基础上由教师引导的课堂讨论式教学,经过教学实践和不断完善,应该可以取得理想的教学效果。力学掌握的好坏有一部分决定于多练,每次课后都要布置几道作业题和思考题,通过对已讲授知识的复习加以巩固,也让学生驾驭整个课堂,有助于学习积极性的提高。
(四)调整实验内容和授课模式
由于以前的实验教学内容基本上都是验证性的,不利于培养学生动手能力、创造性思维能力,为达到高等教育的目标,在实验内容的安排上,逐步优化实验内容和实验的方式。验证性实验紧紧围绕水力学理论,以培养学生独立思考能力和自主设计能力为目标进行设计性实验;综合性实验在于培养学生的创造思维能力和开拓进取精神。
(五)构建评价考核体系
1.加强试题库建设。可以提高教师的教学质量和培养应用型创新型人才。为此必须注意以下几个方面:第一,对命题教师的要求:命题教师必须是本学科的专业人员或者是本行当的专家,对本学科的教学方法和教学内容有较高的研究水平,掌握理论考试的方式和方法。第二,考试的目标要明确:依据教学大纲制定考试大纲。第三,考试题型及结构要合理:试卷要注意考查对"三基"的掌握情况,试题中的主、客观试题的比例应合理、恰当。第四,试卷编制要新颖合理:编制试题试卷要注意阐述的准确性、严密性,各知识点布局要合理,难易度要适中。第五,题库完成后,必须综合分析是否符合考试大纲。
2.考核体系的构建。目前考核方式就是最后的期末考试,部分同学可以通过突击的方式造成成绩表面上合格。为避免此情况,我们可以采用课堂开卷测试、课堂讨论、课堂回答问题、工程案例分析等形式多样的综合评价考核方式。例如对要求学生必须掌握的水力学的连续性方程、伯努利方程、动量方程中的基本概念、及理论等知识点,可以采取期末闭卷考试的形式;对一些考核知识点设计的多,而且考虑角度多计算复杂的问题,比如明渠渠道的设计,可以采取课堂讨论、工程案例分析等形式考核。
课程教学改革是个长期的、永动的课题,而非是一蹴而就的事情,需要不断探究和尝试,只要师生共同努力,脚踏实地地坚持下去,我们的改革总会有成效的。最终会达到"转识成智,知行合一"的目标,真正促进教学质量的提高。
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一、工程概况。
功果桥水电站位于云南省云龙县大栗树西侧的澜沧江上,坝址控制流域面积xx万 km2,多年平均流量xxm3/s,年均径流量xx亿 m3。枢纽工程主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水及发电建筑物等组成,其中,拦河大坝为碾压混凝土重力坝;坝身泄洪,布置在主河床略靠右侧;引水发电系统布置在右岸地下。坝顶高程xxm,坝顶长xxm,最大坝高xxm。
上游围堰防渗墙xxm2,轴线长xxm,最大墙深xxm,距坝轴线xxm,堰顶高程xxm。自上而下主要为人工回填层、河床原始覆盖层和基岩层。人工回填层主要由石渣及风化料组成,在抛填过程中部分细料被水流带走,虽然经过了碾压,但基本上还是处于松散状态,特别是底部更是这样。河床覆盖层厚度xxm,主要由漂石、块石、卵石、砾石以及含少量泥质的中粗砂组成,级配不良,存在架空现象。施工平台仅比江水高xx左右。
采用C20W6混凝土防渗墙,墙厚xxcm,设计要求渗透系数不大于 5×10—7cm/s。
为了综合了解澜沧江功果桥水电站工程过水围堰的工作状态,评价围堰的各项性能指标,保证度汛与施工安全,结合上下游围堰结构型式和规模特点,中国水利水电第四工程局有限公司勘测设计研究院功果桥监测室,根据《大坝土建及金属结构安装工程招标文件(合同编号:GGQ/C3)》的要求进行监测。功果桥水电站上游过水围堰于 20xx 年 6 月竣工,同年8 月开始实施水力学原型观测,监测内容主要包括:堰面流速监测、渗透压力监测和消能平台中部脉动压力监测等。
二、监测目的。
本次监测的目的主要有三点:一是通过水力学原型监测和渗透压力监测,为控制和显示各种不利情况下的工程性能进行评估,以及在施工期、运行初期和正常运行期对工程安全进行连续评估提供所需要的资料;二是提高人们关于各种水力学参数对工程性能影响的认识;三是为以后的水力学原型监测积累组织及技术经验。
三、监测内容及测点布置。
为了取得过水围堰过流时较为理想的水力学原型监测成果,了解围堰安全运行状态,确保安全度汛与施工安全,脉动压力、流速的观测布置在2个监测断面,1—1断面位于围堰中部,2—2断面靠近右岸。共安装了 支流速仪和2支脉动压力计,用于测定相应位置的流速及脉动压力。电缆用镀锌钢管保护,沿护坡底部统一引至进水口道路处集线箱内。本次功果桥上游过水围堰水力学监测具体布置如表 1。
四、监测方法。
功果桥上游围堰过水期间,水尺、流态采用人工读数及摄像,渗透压力采用WV—102A弦式读数仪,流速和脉动压力采用中国水电科学研究院研制开发并经多次水力学原型观测检验的DJ800多功能水工数据采集分析系统。
DJ800型多功能监测系统是由计算机、多功能监测仪器和各种传感器组成的数据采集和处理系统,能对多种物理量进行准同步采集,例如水位、波高、脉动压力、拉力、流速、温度、应变以及模拟电压等。系统的软件大约占6M内存空间,在 MS—DOS环境下运行,数据采集是巡回式的。取得一个测点的数据,大约需要40μm 的时间,包括选中通道号、模拟转换和数据传送等时间。采集频率随着测点数量的增加而降低,系统设定的最小采集时间间隔为1ms。
五、监测工况与监测成果。
1、监测工况及内容。
功果桥上游围堰过水的水力学监测存在两大特点:一是各项监测内容及数据相互关联,可实施同步监测;二是监测数据多,技术要求高,采集仪器及采样频率必须满足不同监测参数的需要。基于此,对监测组织工作提出了很高的要求。首先,在过水期间为了获得完整、连续、同步的观测数据,分别设立了4个监测小组在4个观测点(上下游围堰左、右岸各设1 个监测点)实施24h 监测,从而保证了各参数监测及数据的同步性,确保了各项数据间的相关性;其次,考虑到过水期间监测组次及测点多,监测数据量大,后处理及分析工作任务十分繁重,故以4个监测小组为主体,在后方组建了资料整编组,以便及时进行数据分析与处理。具体监测于20xx年xx月xx日实施,实时上游流量最大xxm3/s,水位为xxm。
2、监测成果。
(1)脉动压力。
可以看出运行工况 I、II 情况下上游围堰堰面的压强监测成果,其特点:一是作用在消力平台上的脉动压力随流量变化而变化;二是在同一工况下,最大压强与最小压强相差不大,表明作用在消力平台上的水流相当平稳。
(2)底流速。
各测点流速监测成果见表 3。从流速的分布可以看出:
一是堰面上流速随上游水的流量增长而增长;
二是第一测点的流速大于第三测点流速,表明进过消力平台对水流的消能,流速明显降低;
三是在基坑蓄水之后,第三测点流速趋于稳定。
(3)渗透压力。
可以看出:
一是堰体内各测点渗透压力随上游水位变化而变化;
二是堰体内不同深度测点的渗透压力不同;
三是各测点渗透压力远小于各测点所处位置的实际水压,表明堰体工作状态良好。
六、监测结果。
围堰过水期间,通过对过水水位、渗透压力、温度、流速、脉动压力等项目实地监测,取得了大量的第一手观测资料,从资料整理分析结果,可得出以下结论:
(1)温度—时间过程线基本上呈一水平线,没有突出变化,表明堰体内混凝土不会因温度变化产生应力而导致堰体变形。
(2)从水位—时间过程线可以看出,从过水开始至结束,曲线呈抛物线状,符合自然规律。
(3)从渗透压力—时间过程线可以看出,渗透压力曲线与水位曲线具有相似性,表明渗透压力处于正常情况。
(4)导流洞进口处水流比较稳定,在小流量下泄时由于横向流速较大,左岸分流墩上会有局部的绕流现象发生;上游围堰堰前水流稳定,堰面水流平稳;过堰水流在流量增大后,流速明显增大。
(5)从流速—时间过程线可以看出,流速曲线与水位曲线也具有相似性,表明流速符合设计要求。
(6)脉动压力随着水位的稳定趋于稳定且值不大,表明在消能平台中未形成大的涡旋,对堰体发生空蚀的可能性较小。
七、监测评价。
(1)对澜沧江功果桥水电站上游围堰双重消力平台堰面压力、流速和堰体渗透压力的综合监测成果表明,在上游围堰设置消力平台,可有效地缓解高水头对堰体的冲刷,台阶上的压力及流速明显降低,说明在堰面上设置消力平台是经济合理的。
(2)通过对堰体内的渗透压力观测结果表明,采用沙砾石或石渣填充、用块石做护坡、用混凝土面板保护,能有效防止渗流,并起到截流作用,具有重要的技术创新性。
(3)监测成果证明,功果桥水电站采用胶凝砂砾石护坡和混凝土楔型护面板施工,即可加快工程进度,又可节省工程投资,有着极为重要的技术价值。
(4)DJ800 系统操作简单,并有很强的数据处理功能,能绘制波形图、玫瑰图、频谱图、断面图及等值线图等,还能打印波高、峰谷值、平均值、最大值、最小值和瞬间值,也能对原始数据进行修改和滤波,宜于推广应用。
参考文献:
[1]刘俊峰。岩土工程安全监测手册[M].北京:中国水利水电出版社,1999。
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水力学论文3
摘要:水力学是水利类工科专业重要的专业基础课。近年来随水利类专业培养模式不断调整变化,水力学课程教学各环节也相应做出调整。目前面对工程教育专业认证欲接轨世界同类课程教育,结合课程特点及专业要求,分析水力学课程教学过程中存在问题,提出了进行水力学课程教学改革的思路与理念。
关键词:工程教育专业认证;水力学;课程改革;水利类专业
一、前言
工程教育专业认证体系是遵从《华盛顿协议》多边互认工程教育本科专业学位,认可工程教育资格,推动工程学位互认和工程技术人员的国际范围流动[1]。工程教育专业认证体系通用标准对要通过其认证专业的课程体系进行了规范。水力学为技术基础课,注重于工程实际水流现象的分析和计算,有很强的专业技术性[2]。为适应工程教育专业认证,水力学课程应做出改革调整。水利类专业专门培养在地表水和地下水资源的勘探、评价、开发、管理及其工程设计、施工等方面的工程技术人才。目前我国在水利类专业学科体系齐全,教育水平在世界范围内名列前茅,为国家培养了大批的人才。但是随着经济社会的进步,各种新兴媒体技术的冲击,以及综合素质人才培养要求等的需求,原有的学科培养系统不能满足要求,所以近年来对课程体系进行了改革,现正处于改革调整期后的适应阶段。笔者有幸从事水力学教学多年,为水文与水资源工程、水力工程、水力电力设备、给水与排水等工程类专业讲授水力学课程,同时又留学美国亚利桑那大学做博士后参与水文与水资源工程学院、土木工程学院水力学课程的实验实践环节,审视近年来水力学课程的教学改革,分析面临水利类专业进行工程教育专业认证时水力学课程存在问题,并为以后的改革提出发展思路。
二、存在问题
工程教育专业认证要求符合本专业培养目标的工程基础类课程、专业基础类课程与专业类课程的课时量至少占总学分的30%,专业基础类课程应能体现数学和自然科学在本专业应用能力培养,并实现创新能力的培养[3]。对比这些要求目前水利类专业的《水力学》课程教学存在以下问题:1.学时一再压缩。目前高校在课程设置时,为提高学生基础课的能力培养,侧重基础课程学习,压缩专业基础课的教学时间。目前许多院校水力学学时由原来的100多个学时,减到80多个学时,有部分学校甚至压缩为40多个学时,学时的大量压缩,使学生对水力学知识的运用能力、实验动手能力都有所下降[4]。2.学生兴趣的转移。学生在水力学课程学习中多对工程应用方面的知识有较大兴趣,而对水流本身的问题探究即纯水力学理论问题较少关注,因而在学习中对水流现象的学习仅局限于肤浅的表层,而未涉及水流现象的理论实质探索与学习,这对以后的更深层次的学习十分不利。3.传统教学手段受到挑战。1998年学科专业目录调整后,要求强化基础、深化专业、提高素质,各门课程学时大幅减少,方向课增多。教学质量要求提高,要求学生对基本概念的理解、理论方法的应用、实验技能的提高均比过去严格许多。传统的教学手段难以达到上述要求。4.公式及推导冗繁。水力学有许多理论及公式,在工程实际中又衍生出大量的半经验、半理论公式、系数公式或经验常数等等[5]。而目前各种版本的水力学教材尽管做了一些修改,但由于其强调学科的系统性、整体性,都按部就班详细推导,强调技术基础为专业服务等特点,所以水力学课程与其他专业课程相比公式多、概念多、系数多[6]。因而水力计算的内容很多,而且计算复杂,很多问题无解析算,只能用试算法,所有这些都使学生感到不习惯,从而导致学习困难。5.实验条件有待改善。工程教育专业认证要求工程实践与设计至少占到总学分的20%,同时应设置完善的实践教学体系,并应该与企业合作,开展实验实训,进一步培养学生的动手能力和创新能力[7]。部分水利类专业建设中还有一些实验设备没有到位,不能进行正常的教学实验,因此实验教学条件还有待于进一步完善。
三、课程教学改革思路
基于以上面临工程教育专业认证时存在的问题,欲实现水利类专业多边互认、技术人员的国际范围流动,笔者认为应从以下方面着手进行水力学课程改革:1.明确主线重组教学内容。由于水力学课程学时的压缩,且需要保证教学质量不下降,同时教学内容不能缩水的情况下,应采取的改革措施是:对专业基础内容进行重新整合,使重点更加突出,且使课程精练,更符合工程教育专业认证要求。2.选用适当的教材。教材建设是课程的核心,是教师实现教学之本,为实现工程教育专业认证,应结合和参考国外优秀教材内容适当选取。由于水利类专业都开设水力学或流体力学课程,不同专业对水力学知识深度、广度要求也不一样。而目前流行的水力学教材版本不同、难易程度不同、内容侧重不同,因此各有所长,在综合考虑对比情况下,结合专业培养与实现工程教育专业认证目标认证选择。3.改革课堂教学方法。积极实施启发式教学。坚持采用教师主讲与课堂讨论相结合的方法,或者有讲有问,每节课的最后几分钟留作讨论,使学生增强了敢想、敢问的信心和勇气,以期达到双向交流,保证教学相长,为将来的工程技术人员的力学问题有效沟通解决进行能力培养[8]。传统的水力学教学学生的能动性、个性发挥不够,影响教学效果,被称为一块黑板、一支笔的呆板教学方式[9]。因此制作多媒体课件,演示水力软件于授课过程中,以有利于学生对水利工程中的水力学现象和基本理论的认识与理解,以提高教学效果。4.加强学生计算能力培养。计算机技术的应用为水力计算提供了条件,学生对计算机学习一般兴趣浓厚,这为水力学课程结合计算机教学创造了良好条件。学生计算能力不仅是指一般常规非线性方程的解算及其程序编制能力,而且还应该包括偏微方程的某些部分及其算法,强调计算机及算法应用[10]。因此,在水力学需要试算内容讲授时应启发学生动手编程的热情,这样既加深了学生对解题过程的理解,又提高了程序设计水平,同时满足了工程教育专业认证中有关学生综合应用所学知识解决实际问题能力培养的要求[11],使学生计算能力实现质的飞跃,以适合水利类专业工程教育专业认证的需要,为以后参加工作打下了坚实的基础。
四、结语
面对工程教育专业认证,水力学课程教学质量的提高,需要有一套不断适应新形势的课程体系改革和课程内容更新为之保障,而课程体系改革和课程内容更新是一个复杂的系统工程,也是一个不断优化的过程,需要从业者不断地进行探索、改革、实践与提高。
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