基于数据驱动的流体力学教学改革与实践探索

玉霞 韩(内蒙古工业大学能动学院，中国)
建民 郭(内蒙古工业大学能动学院，中国)
晓英 刘(内蒙古工业大学能动学院，中国)
亚军 相(内蒙古工业大学能动学院，中国)

摘要

本文针对传统流体力学教学中存在的理论与实践脱节、数值模拟与实验分析分离等突出问题，将数据同化技术和模态分解方法系统引入流体力学课程教学改革体系。通过构建”基础理论+专题模块+挑战项目”的三层次课程结构，创新案例驱动与项目导向相结合的教学模式，并依托流体力学仿真平台和PIV实验系统强化实践环节，有效增强了学生对复杂流动问题的理解深度与综合分析能力。在具体实施中，学生通过数据同化技术整合数值模拟与实验数据，借助本征正交模态及动态模态分解方法解析复杂湍流结构，识别杂乱随机湍流中的拟序结构，显著提升了理论应用能力和创新思维。教学实践表明，此项改革不仅激发了学生的探索兴趣，还有效培养了其跨学科融合与工程解决问题的能力，为流体力学教学适应新时代工程实际需求提供了有益借鉴与实现路径。

关键词

流体力学；数据同化；模态分解；教学改革；工程教育

参考

Matsfelt J, Davidson L. Large eddy simulation: A study of clearings in forest and their effect on wind turbines[J]. Wind Energy, 2021, 24(12): 1388-1406.

Arabgolarcheh A, Jannesarahmadi S, Benini E. Modeling of near wake characteristics in floating offshore wind turbines using an actuator line method[J]. Renewable Energy, 2022,185: 871-887.

De Cillis G, Cherubini S, Semeraro O, et al. The influence of incoming turbulence on the dynamic modes of an NREL-5MW wind turbine wake[J]. Renewable Energy, 2022, 183:601-616.

高晓霞，王腾渊，赵飞，等．基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究[J]．太阳能学报，2019，040(012)：3645-3650.

Zhan L, Letizia S, Valerio I G. LiDAR measurements for an onshore wind farm: Wake variability for different incoming wind speeds and atmospheric stability regimes[J]. Wind Energy, 2020, 23(3): 501-527.

Samadiani E, Joshi Y. Reduced order thermal modeling of data centers via proper orthogonal decomposition: a review[J]. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 2010,20(5): 529-550.

Schmid P J. Dynamic mode decomposition of numerical and experimental data[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2010, 656: 5-28.

侯晓真,马栋,屈曼等.基于二维经验模态分解的河北省及邻区流动重力场时空动态变化分析[J].中国地震, 2023, 39(02): 356-366.

张伟伟,王旭,寇家庆.面向流体力学的多范式融合研究展望[J].力学进展,2023,53(2):433-467.

赵洪洋，胡鹏，杨志国，黄煜，潘军廷，以能力培养为核心的流体力学实验教学改革，实验室科学第 2021,24(6):100-107

邓辉，张志宏，王冲．流体力学研讨课模式实验教学的研究[J]．实验室科学，2018，21(1):118－120．

DOI: http://dx.doi.org/10.12345/xdjyjz.v3i24.34385