北京冬奧會(huì)的中國(guó)“黑科技”：邊界層分離
課程名稱(chēng)：環(huán)境工程原理
課程代碼：1113327
課程類(lèi)別：專(zhuān)業(yè)必修課
開(kāi)課院系：環(huán)境與生態(tài)工程系
授課教師：張夢(mèng)辰
【教師簡(jiǎn)介】
張夢(mèng)辰，博士，研究方向以氧化石墨烯膜為代表的新型二維材料膜用于分子/離子分離。主講課程為《環(huán)境工程原理》、《儀器分析》。在教學(xué)工作中，認(rèn)真落實(shí)課程思政建設(shè)工作，充分挖掘課程思政教育元素，把思想政治教育落實(shí)到每一門(mén)課程，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。
【課程簡(jiǎn)介】
本課程是紡織工程（紡織化學(xué)與清潔生產(chǎn)）專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。主要內(nèi)容包括環(huán)境工程原理基礎(chǔ)、分離工程原理和化學(xué)與生物反應(yīng)工程原理。教學(xué)目的是通過(guò)不斷總結(jié)、提煉環(huán)境工程學(xué)科形成的成熟的、具有共性的污染防治技術(shù)原理，構(gòu)筑環(huán)境工程基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程意識(shí)、解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和系統(tǒng)、整體優(yōu)化的觀(guān)念。
【專(zhuān)業(yè)內(nèi)容】
邊界層理論、流體流動(dòng)的阻力損失。
【課程思政目標(biāo)】
1、增強(qiáng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)自信、科技自信，激發(fā)愛(ài)國(guó)情懷與民族自豪感；
2、樹(shù)立學(xué)以致用、求真務(wù)實(shí)、突破創(chuàng)新的科學(xué)精神。
【案例內(nèi)容】
2022年2月4日-20日北京冬奧會(huì)成功舉辦。給世界留下深刻印象的除了奧運(yùn)健兒們的精彩表現(xiàn)，“科技冬奧”也同樣成為本次奧運(yùn)會(huì)的一大亮點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造更好成績(jī)的背后，是無(wú)與倫比的科技保障。北京冬奧會(huì)上的科技成果，向世界展示了中國(guó)力量。
在現(xiàn)代體育賽事當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)裝備已經(jīng)成為了影響運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)的一個(gè)重要因素。速度滑冰等競(jìng)速類(lèi)比賽追求“快”，所以服裝必須考慮風(fēng)的阻力。在競(jìng)速類(lèi)項(xiàng)目比賽服設(shè)計(jì)中，并不是越光滑的表面風(fēng)阻越小，恰恰是一種有肌理的凹坑結(jié)構(gòu)面料，阻力最小。由中國(guó)品牌安踏自主設(shè)計(jì)的、被譽(yù)為“冰上鯊魚(yú)皮”的短道速滑比賽服大放異彩。一件輕薄的比賽服，采用了空氣湍流控制減阻和邊界滑移減阻技術(shù)等4大減阻“黑科技”，面料采用類(lèi)似高爾夫球上的蜂窩結(jié)構(gòu)的粗糙紋理，在身體不同部位，設(shè)計(jì)了形狀、大小、深度都不同的凹坑結(jié)構(gòu)，可以減少尾流現(xiàn)象，從而達(dá)到減阻效果。經(jīng)風(fēng)洞測(cè)試驗(yàn)證，最佳姿態(tài)的新款速滑服比之前的比賽服減少了11%的空氣阻力。這其中的原因就涉及我們環(huán)境工程原理課程流體流動(dòng)章節(jié)中的邊界層分離知識(shí)。
在本屆冬奧會(huì)上，安踏為12支代表隊(duì)提供了專(zhuān)業(yè)的比賽裝備，打破了冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目專(zhuān)業(yè)科技產(chǎn)品長(zhǎng)期由發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷的局面，推出了一系列民族品牌自主創(chuàng)新成果。
課程思政資源包括網(wǎng)頁(yè)報(bào)道（冬奧黑科技！減少11%阻力的速滑服）、學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)報(bào)道（減阻、防割、吸能……冬奧運(yùn)動(dòng)員的“戰(zhàn)袍”中竟然有這么多高科技?。⒖破找曨l（關(guān)于我穿著北京冬奧會(huì)國(guó)家隊(duì)短道速滑服火影跑這件事）。
1、課程知識(shí)點(diǎn)
當(dāng)流體流過(guò)曲面時(shí)，流體的速度和壓力都有變化。隨著流體沿物面向后流動(dòng)，邊界層內(nèi)的流體會(huì)逐漸減速，增壓。若流動(dòng)在逆壓梯度作用下，則會(huì)進(jìn)一步減速，最后整個(gè)邊界層內(nèi)的流體的動(dòng)能不足以長(zhǎng)久的維持流動(dòng)一直向下游進(jìn)行，以致在物體表面某處其速度會(huì)與勢(shì)流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會(huì)把邊界層向勢(shì)流中排擠，造成邊界層分離。邊界層分離現(xiàn)象導(dǎo)致流體能量大量損失，是流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量損失的重要原因之一。與層流邊界層相比，湍流邊界層的分離點(diǎn)延遲產(chǎn)生，可以減小邊界層分離產(chǎn)生的尾流區(qū)，從而減小由物體前后壓強(qiáng)差引起的形體阻力。
2、思政元素引入
在北京冬奧會(huì)的賽場(chǎng)上，由中國(guó)品牌安踏自主設(shè)計(jì)的短道速滑比賽服就基于邊界層分離的知識(shí)，通過(guò)采用類(lèi)似高爾夫球上的蜂窩結(jié)構(gòu)的粗糙紋理，在身體不同部位，設(shè)計(jì)了形狀、大小、深度都不同的凹坑結(jié)構(gòu)。這些凹坑結(jié)構(gòu)增大了表面粗糙度，使得表面流體邊界層湍流化，從而使邊界層分離點(diǎn)后移，減小邊界層分離產(chǎn)生的尾流區(qū)，達(dá)到減小形體阻力的效果。
3、思政內(nèi)涵升華
北京冬奧會(huì)的中國(guó)代表隊(duì)速度滑冰等競(jìng)速類(lèi)比賽服是由中國(guó)品牌安踏自主研發(fā)制造的。習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)：“要營(yíng)造有利于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造的良好發(fā)展環(huán)境。要向改革開(kāi)放要?jiǎng)恿Γ畲笙薅柔尫湃鐣?huì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造動(dòng)能，不斷增強(qiáng)我國(guó)在世界大變局中的影響力、競(jìng)爭(zhēng)力?！蔽覀兊拿褡迤髽I(yè)以“科技+”的中國(guó)制造為北京冬奧保駕護(hù)航，讓中國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)裝備擺脫對(duì)海外的依賴(lài)，用科技助力中國(guó)速度。
4、課程思政預(yù)期成效
結(jié)合北京冬奧會(huì)主題與環(huán)境工程原理課程內(nèi)容，特別是面向紡織工程（紡織化學(xué)與清潔生產(chǎn)）專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，以競(jìng)速類(lèi)比賽的比賽服設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn)，將思政元素與教學(xué)案例有機(jī)融合，不僅能夠讓學(xué)生更好地理解流體流動(dòng)邊界層分離的知識(shí)點(diǎn)，而且能夠引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)自信、科技自信，激發(fā)愛(ài)國(guó)情懷與民族自豪感，樹(shù)立學(xué)以致用、求真務(wù)實(shí)、突破創(chuàng)新的科學(xué)精神。
