数值模拟方法在本科生风工程课程教学中应用

数值模拟方法在本科生风工程课程教学中的应用

摘要：风工程是土木工程专业本科生教学的新兴专业课程，属于多领域交叉学科，在教学过程中存在诸多困难。结合南京航空航天大学本科生多年风工程教学实践经验，提出基于数值模拟方法和现代多媒体教学技术相结合的风工程教学理念，侧重对该教学理念的主要思路、应用范围、可行性和存在的问题进行探讨。

关键词：风工程数值模拟方法风洞试验教学方法

中图分类号：g64 文献标识码：a 文章编号：1673-9795（2013）04（a）-0046-01

风工程是一门涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特

性的交叉学科，属于土木工程一级学科领域中比较新兴的专业科目[1]。国际上最早的风工程研究始于1940年美国塔科马大桥的风毁事故，我国是在20世纪80年代开始风工程领域的研究，经过30

余年的发展，特别是近十年的快速发展，我国风工程领域的研究规模已经基本成熟，已经建成的大气边界层风洞实验室达到20余座。但是由于我国风工程研究起步比国外要晚40年左右，受到硬件和软件条件的制约，风工程领域人才的培养远远跟不上我国土木建设的需要。目前全国仅有少数几个高校在本科生中开设风工程课程，其中不少还是选修课，与经济高速发展对风工程知识的需求程度明显不符。当然这其中很大一部分原因也是由于风工程学科的交叉性极强，教学方法比较困难和教学设备不完全具备，因为风工程学科对教学试验、教学案例和多媒体技术比较依赖。南京航空航天大学

自2005年就较早在土木工程专业本科生中开设了风工程课程[2]，本文旨在结合南京航空航天大学多年风工程本科教学实践经验，提出基于数值模拟方法和现代多媒体教学技术相结合的教学理念，探讨风工程的本科生教学方法。

1 数值模拟方法在风工程教学中的应用范围

数值模拟[3]也叫计算机模拟，它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。对风工程专业课程的教学试验及课程重的有关风荷载和风振的内容进行数值模拟和仿真分析，并在课堂上展现数值模拟的过程和结果，结合多媒体技术来进行教学会调动本科生对风工程课程的学习兴趣，提高学习效率。该方法的主要应用范围如下。

1.1 重现经典的风毁事件

在风工程课程的概述课上，我们一定要介绍风工程的发展历程、国内外一些重要的风毁事件及其意义。像塔科马桥的风毁事故、渡桥电厂的冷却塔风毁事件、大跨空间结构的风灾、台风的形成过程及危险等等。这就要求授课教师能尽量去重现或构造这些风毁过程，最好的办法就是风洞试验和cfd数值模拟，由于风洞试验造价太高，因此，采用数值模拟方法来对学生进行案例分析具有重要的意义。

1.2 补充常规教学试验

数值模拟方法能有效地弥补一些常规教学试验在经费、时间和精

力上的不足。比如我们可以采用数值模拟方法对不同高宽比的高层建筑进行风荷载分布模拟，也可以对不同矢跨比的桥梁进行颤振形态模拟等等。这是数值模拟方法较为突出的一个特点，实际教学中是无法做到对每个课堂内容都进行风洞试验教学的。

1.3 深入讲解教学重点难点内容

通过数值模拟方法，可以对风工程课程中的重难点问题进行深入详细的演示讲解，从而使得学生理解深刻、记忆牢固。比如在讲解脉动风荷载的随机特性时，可以采用数值模拟方法仿真脉动风荷载时程，结合多媒体教学进行该部分内容的讲解；在进行桥梁结构的抖振响应时，可以采用数值仿真方法模拟桥梁抖振的全过程，从而让学生有个全面深刻的认识。

总之，采用数值模拟方法进行风工程教学可以进行全面、形象、反复重演教学，使学生对风工程课程重点、难点更加容易理解和掌握，而且数值模拟方法成本比较低、不受实验设备、经费的限制，在风工程的本科生教学中具有广泛的应用前景。

2 数值模拟方法在风工程教学中的可行性分析

我国从事风工程研究的稳定队伍已超过百人，并且随着我国经济的快速发展和大量超高层、大跨度空间结构的建设，对从事风工程教学的科研人员需求也越来越大。大多数从事风工程研究的教师均师从国外著名风工程专家或国内较早从事风工程研究的重点大学，具有较高的科研综合素质和学位。这些条件为数值模拟方法在风工程教学中的顺利实施提供了很好的条件和保证。

2.1 数值模拟技术自身的发展

数值模拟和计算仿真技术目前的发展非常迅速、应用也极为广泛。以cfd和有限元技术为基础的数值模拟方法在风荷载仿真、风振响应和风振控制等多个领域应用非常普遍，也是目前风工程研究的重要手段之一。这也为数值模拟方法在教学中的应用提供了基础。

2.2 本科生课程特色和教师队伍水平

本科生的风工程教学主要是一些基础和概念性的内容，这样采用数值模拟方法和多媒体教学技术相结合可以更好地帮助学生理解和记忆，例如，对于结构的风致振动只需考虑线性问题，很少涉及到非线性非平稳问题，因为在数值模拟中也比较容易实现。并且在教学过程中不断的去利用数值模拟软件和有限元软件，对于高校从事风工程教学的教师队伍来说也有助于他们自身教学和科研水平的提高。

3 数值模拟方法在风工程教学中应用存在的问题

目前，国内开设风工程课程的高校中很少系统地采用数值模拟方法进行教学，尽管我们在数值模拟方法和多媒体教学技术相结合中进行了一些探索，但还未形成一个完善的系统。还存在以下问题要解决。

3.1 cfd和fem商业通用程序的购置

由于风工程的数值模拟必须要具有商业通用cfd和有限元软件，这些软件具有较好的前后处理功能和界面，很适合作为数值模拟的

平台和教学材料，因此，要进行数值模拟方法教学必须要购置相关的通用商业软件和相关人员的软件使用培训。目前大多数风工程开设高校都具有相应的数值模拟软件和应用开发能力，但具体应用到教学中去还有待实施，而且从长远来看，应该联合风工程开设高校开发出风工程课程教学数值模拟平台。

3.2 数值模拟和多媒体教学相结合

数值模拟技术应用到多媒体教学中去是一个复杂的、涉及面广、专业性强的工作，需要花费大量的人力、物力和时间，因此，学校可以成立教研组合作进行该教学课件的开发和制作，这样可以取得较好的效果。另外也可以购买国外一些标准的风工程教学录像和视频资料，结合多媒体技术进行播放教学。

4 结论

本文基于数值模拟和多媒体教学技术相结合的方法对本科生风工程课程的教学方法进行探讨，认为该方法在土木工程专业风工程课程教学中具有广泛的应用范围和诸多优点，而且具有良好的可行性，具备较大的应用前景，文章最后也给出了进一步的完善方法和建议。

参考文献

[1] 马文勇，尉耀元，谷玉荣，等.本科生风工程教学方法探索[j].教育教学论坛，2012，30：118-121.

[2] 吴谨，夏逸鸣，张丽芳.土木工程结构抗风设计[m].科学出版社，2007.