北京冬奥会的中国“黑科技”：边界层分离

课程名称：环境工程原理

课程代码：1113327

课程类别：专业必修课

开课院系：环境与生态工程系

授课教师：张梦辰

【教师简介】

张梦辰，博士，研究方向以氧化石墨烯膜为代表的新型二维材料膜用于分子/离子分离。主讲课程为《环境工程原理》、《仪器分析》。在教学工作中，认真落实课程思政建设工作，充分挖掘课程思政教育元素，把思想政治教育落实到每一门课程，切实提高人才培养质量。

【课程简介】

本课程是纺织工程（纺织化学与清洁生产）专业的一门重要的专业基础课。主要内容包括环境工程原理基础、分离工程原理和化学与生物反应工程原理。教学目的是通过不断总结、提炼环境工程学科形成的成熟的、具有共性的污染防治技术原理，构筑环境工程基础理论，培养和提高学生的工程意识、解决复杂问题的综合能力和系统、整体优化的观念。

【专业内容】

边界层理论、流体流动的阻力损失。

【课程思政目标】

1、增强学生专业自信、科技自信，激发爱国情怀与民族自豪感；

2、树立学以致用、求真务实、突破创新的科学精神。

【案例内容】

2022年2月4日-20日北京冬奥会成功举办。给世界留下深刻印象的除了奥运健儿们的精彩表现，“科技冬奥”也同样成为本次奥运会的一大亮点。运动员创造更好成绩的背后，是无与伦比的科技保障。北京冬奥会上的科技成果，向世界展示了中国力量。

在现代体育赛事当中，运动装备已经成为了影响运动员比赛成绩的一个重要因素。速度滑冰等竞速类比赛追求“快”，所以服装必须考虑风的阻力。在竞速类项目比赛服设计中，并不是越光滑的表面风阻越小，恰恰是一种有肌理的凹坑结构面料，阻力最小。由中国品牌安踏自主设计的、被誉为“冰上鲨鱼皮”的短道速滑比赛服大放异彩。一件轻薄的比赛服，采用了空气湍流控制减阻和边界滑移减阻技术等4大减阻“黑科技”，面料采用类似高尔夫球上的蜂窝结构的粗糙纹理，在身体不同部位，设计了形状、大小、深度都不同的凹坑结构，可以减少尾流现象，从而达到减阻效果。经风洞测试验证，最佳姿态的新款速滑服比之前的比赛服减少了11%的空气阻力。这其中的原因就涉及我们环境工程原理课程流体流动章节中的边界层分离知识。

在本届冬奥会上，安踏为12支代表队提供了专业的比赛装备，打破了冬季运动项目专业科技产品长期由发达国家垄断的局面，推出了一系列民族品牌自主创新成果。

课程思政资源包括网页报道（冬奥黑科技！减少11%阻力的速滑服）、学习强国报道（减阻、防割、吸能……冬奥运动员的“战袍”中竟然有这么多高科技！）、科普视频（关于我穿着北京冬奥会国家队短道速滑服火影跑这件事）。

1、课程知识点

当流体流过曲面时，流体的速度和压力都有变化。随着流体沿物面向后流动，边界层内的流体会逐渐减速，增压。若流动在逆压梯度作用下，则会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层分离。边界层分离现象导致流体能量大量损失，是流体流动时产生能量损失的重要原因之一。与层流边界层相比，湍流边界层的分离点延迟产生，可以减小边界层分离产生的尾流区，从而减小由物体前后压强差引起的形体阻力。

2、思政元素引入

在北京冬奥会的赛场上，由中国品牌安踏自主设计的短道速滑比赛服就基于边界层分离的知识，通过采用类似高尔夫球上的蜂窝结构的粗糙纹理，在身体不同部位，设计了形状、大小、深度都不同的凹坑结构。这些凹坑结构增大了表面粗糙度，使得表面流体边界层湍流化，从而使边界层分离点后移，减小边界层分离产生的尾流区，达到减小形体阻力的效果。

3、思政内涵升华

北京冬奥会的中国代表队速度滑冰等竞速类比赛服是由中国品牌安踏自主研发制造的。习近平总书记强调：“要营造有利于创新创业创造的良好发展环境。要向改革开放要动力，最大限度释放全社会创新创业创造动能，不断增强我国在世界大变局中的影响力、竞争力。”我们的民族企业以“科技+”的中国制造为北京冬奥保驾护航，让中国冰雪运动装备摆脱对海外的依赖，用科技助力中国速度。

4、课程思政预期成效

结合北京冬奥会主题与环境工程原理课程内容，特别是面向纺织工程（纺织化学与清洁生产）专业的学生，以竞速类比赛的比赛服设计作为切入点，将思政元素与教学案例有机融合，不仅能够让学生更好地理解流体流动边界层分离的知识点，而且能够引导学生增强专业自信、科技自信，激发爱国情怀与民族自豪感，树立学以致用、求真务实、突破创新的科学精神。