基于計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

韓青　門秀花　王曉慧　趙詩奎　孫選

【摘 要】以計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件在《流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)》課程的本科教學(xué)為例，探索實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，進(jìn)一步提高本科教學(xué)質(zhì)量。依據(jù)流體力學(xué)與傳熱學(xué)的理論和實(shí)踐特點(diǎn)，在課堂講授中側(cè)重于核心知識(shí)，力求結(jié)合工程實(shí)例鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。建立計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件的上機(jī)體系，注重實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在工程應(yīng)用中的使用軟件能力。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算流體力學(xué)軟件；實(shí)踐教學(xué)；FLUENT

【Abstract】In this paper， taking the course of “Fundamentals of fluid mechanics and heat transfer” as an example， the teaching method of combining theory with practice is explored in order to further improve the quality of undergraduate teaching. Based on the theoretical and practical characteristics of fluid mechanics and heat transfer， the core knowledge is emphasized in the classroom teaching， which aims at consolidating the basic knowledge and stimulating the students interest in learning the course. We want to establish the computer system of computational fluid dynamics simulation software， to pay attention to practical teaching and to cultivate students ability to use software in engineering application.

【Key words】Computational fluid dynamics software； Practical teaching； FLUENT

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)作為一種數(shù)值方法，正逐漸走向成熟，在流體機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣泛，借助CFD技術(shù)，可以得到流體機(jī)械內(nèi)任意位置的流動(dòng)細(xì)節(jié)，如速度、壓力、 能量損失、壓力脈動(dòng)、湍動(dòng)量、漩渦等，從而在流體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面發(fā)揮了重要的作用。CFD基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組以獲得場(chǎng)變量的近似值[1]。目前，諸多企業(yè)和科研院所已經(jīng)大量采用CFD技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際分析，并將這些技術(shù)視為產(chǎn)品開發(fā)的重要工具，這就要求工作人員掌握流體力學(xué)分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。

目前，許多國內(nèi)工科院校在機(jī)械類本科和研究生階段都開設(shè)流體力學(xué)相關(guān)課程，我校針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證，為機(jī)械工程專業(yè)的本科生開設(shè)了《流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)》的必修課程。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)過程中可以引入CFD軟件技術(shù)，使更多的學(xué)生從理論和實(shí)踐中深切體會(huì)到流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的重要作用，通過工程實(shí)例分析解決生產(chǎn)實(shí)際遇到的問題，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。利用Fluent教學(xué)，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念引進(jìn)課堂教學(xué)中，能使學(xué)生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，拓寬知識(shí)面，加強(qiáng)教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機(jī)結(jié)合。本文以計(jì)算流體力學(xué)在課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用為例，探索實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，進(jìn)一步提高本科教學(xué)質(zhì)量。

1 計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)的必要性

《流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)》這門課程理論性較強(qiáng)，涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)值分析等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，需要學(xué)生有較深厚的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于機(jī)械專業(yè)的本科生來說，比較抽象，難于理解。因此，在較少課時(shí)內(nèi)教會(huì)學(xué)生系統(tǒng)掌握流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論體系是比較困難的[2]。此外，依照課本完全進(jìn)行理論教學(xué)，容易理論脫離實(shí)際，使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)態(tài)度。因此，為提高教學(xué)效果，使學(xué)生在有限學(xué)時(shí)內(nèi)更好地掌握流體力學(xué)與傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，必須在現(xiàn)有的單純理論教學(xué)基礎(chǔ)上增加學(xué)習(xí)的趣味性，使抽象的公式變得直觀，使復(fù)雜的流動(dòng)問題通過建模與仿真分析變得清晰且切實(shí)可行，通過借助CFD仿真軟件增添教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，改善目前的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，使學(xué)生在掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下體會(huì)到專業(yè)知識(shí)在工程實(shí)踐中應(yīng)用的樂趣。

因此，如何提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力是該課程面臨的重要問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD軟件的FLUENT模塊針對(duì)流體力學(xué)與傳熱學(xué)工程問題進(jìn)行實(shí)例分析，可以培養(yǎng)采用CFD軟件分析實(shí)際問題的基本技能，初步具備解決工程問題的能力，滿足社會(huì)對(duì)人才的需求。因此，建立CFD軟件的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用平臺(tái)具有重要的實(shí)際意義。

2 計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容

在仿真軟件的教學(xué)內(nèi)容編排上按照由簡到難的順序，首先將流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論知識(shí)結(jié)合二維流動(dòng)的實(shí)例，著重使學(xué)生掌握建模與計(jì)算的簡單框架及操作步驟，其次將實(shí)例問題擴(kuò)展到三維流動(dòng)的數(shù)值模擬中，在鞏固數(shù)值仿真的操作流程基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹復(fù)雜的后處理方法，從而使學(xué)生逐步掌握利用CFD軟件進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬方法。目前常用的CFD仿真軟件主要有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等[3]，我們采用目前國際上比較流行的商用軟件FLUENT軟件與前處理軟件GAMBIT對(duì)流體力學(xué)與傳熱學(xué)實(shí)例進(jìn)行分析。

2.1 建立計(jì)算模型

傳熱學(xué)和流體力學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)， 即在學(xué)習(xí)前人通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出規(guī)律性的理論的基礎(chǔ)上，通過CFD數(shù)值模擬利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)解決或提前預(yù)知實(shí)際工程中出現(xiàn)的各種流體力學(xué)及傳熱學(xué)問題[4]。對(duì)于要解決的實(shí)際流體力學(xué)與傳熱學(xué)工程問題，需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)知識(shí)，能夠把實(shí)際問題抽象為數(shù)學(xué)模型，針對(duì)所研究的實(shí)際流體與傳熱的物理場(chǎng)進(jìn)行幾何建模，然后進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算機(jī)數(shù)值求解和結(jié)果分析。

在建模的過程中利用GAMBIT對(duì)要求解的具體實(shí)例進(jìn)行計(jì)算模型的建立，這一步通過該軟件進(jìn)行建模也可以通過其他二維、三維軟件建模，我們采用的軟件建模的方式給學(xué)生講解從節(jié)點(diǎn)到線段再到面和體的建立，使學(xué)生熟練掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的面板操作，熟練的通過該軟件建模。

2.2 利用求解器進(jìn)行求解

基礎(chǔ)理論知識(shí)中對(duì)所要研究的對(duì)象進(jìn)行微分方程描述，需要將高階微分方程轉(zhuǎn)化為可求解的線性方程組，涉及了大量的公式，推導(dǎo)過程根據(jù)假設(shè)進(jìn)行簡化處理，理論求解過程繁雜，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而利用FLUENT進(jìn)行方程求解可以選擇要求解的方程，解方程的過程交給計(jì)算機(jī)處理，學(xué)生只要將建好的模型導(dǎo)入到FLUENT中，確定好流體材料、物理屬性及邊界條件，選擇流體符合的方程并確定求解器即可，簡單直觀，易于理解和操作。

2.3 計(jì)算結(jié)果的后處理

FLUENT具有強(qiáng)大的后處理功能，可以將數(shù)據(jù)可視化、直觀、有效并能夠根據(jù)需要定義顯示的面給出計(jì)算結(jié)果，可以通過不同顏色描述速度矢量圖、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)中的流動(dòng)參數(shù)大小。該軟件既可以對(duì)某一時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)進(jìn)行直觀顯示，也可以利用流線進(jìn)行動(dòng)畫顯示，直觀清楚的了解求解問題中的流體流動(dòng)情況。

2.4 教學(xué)案例

本課程設(shè)置了三個(gè)教學(xué)案例，首先，通過冷、熱水混合器內(nèi)的二維和三維流動(dòng)與換熱問題這兩個(gè)經(jīng)典教學(xué)案例使學(xué)生快速的掌握數(shù)值計(jì)算過程、GAMBIT操作命令和FLUENT的計(jì)算和后處理步驟[3]。其中，圖1為冷、熱水混合器內(nèi)的二維流動(dòng)與換熱問題。通過計(jì)算雷諾數(shù)，判定該流動(dòng)屬于湍流，圖1（a）為采用初始計(jì)算網(wǎng)格，能量方程采用一階離散方法得到的溫度云圖。學(xué)生通過實(shí)際操作得到計(jì)算結(jié)果，能夠深刻的理解數(shù)值模擬求解過程，且通過結(jié)果顯示可以直觀了解拉格朗日方法描述與歐拉方法描述的區(qū)別，進(jìn)一步加深基本概念的理解，例如：標(biāo)量與矢量，流線與跡線，層流與湍流等。圖1（b）是利用溫度梯度定位網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格加密后的網(wǎng)格圖，在這一步的后處理過程中引出網(wǎng)格無關(guān)性的概念，使學(xué)生更好的理解網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。圖1（c）為進(jìn)行了網(wǎng)格加密且能量方程采用二階離散后得到的溫度云圖，與圖1（a）的溫度云圖對(duì)比可以明顯看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果的發(fā)散性越來越小。

教學(xué)案例三是學(xué)生通過計(jì)算機(jī)操作進(jìn)行自測(cè)對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行鞏固，為三維彎管內(nèi)水的流動(dòng)數(shù)值計(jì)算問題，圖2（a）為出水在管道內(nèi)流動(dòng)中心對(duì)稱面上的速度矢量場(chǎng)，使學(xué)生鞏固了歐拉描述中“場(chǎng)”的概念以及矢量的概念。圖2（b）為沿中心對(duì)稱面上的跡線，即流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中所走過的曲線。

3 計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)的效果

采用CFD仿真軟件進(jìn)行實(shí)例教學(xué)的方法在《流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)》這門課程教學(xué)中起到了非常重要的作用，學(xué)生直接利用所學(xué)知識(shí)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬，縮短了教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的差距，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力及實(shí)踐能力，并能夠提高學(xué)習(xí)的積極性和動(dòng)手能力。將CFD軟件引入課堂教學(xué)的教學(xué)方式拓寬了傳統(tǒng)意義上的多媒體技術(shù)教學(xué)手段，豐富了多媒體的教學(xué)模式，同時(shí)不失為繼續(xù)深入探討高等教育教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量的有價(jià)值的方向之一[5]。學(xué)生從實(shí)際問題中提取出物理模型，選擇流體傳動(dòng)與傳熱的基本方程，分析與流動(dòng)與傳熱過程中的各項(xiàng)流動(dòng)參數(shù)，通過數(shù)值模擬學(xué)生掌握了如何應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的方法，通過分析、建模、 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)問題，從而進(jìn)一步修改物理模型并提出解決問題的方案，可以深化并鞏固理論基礎(chǔ)，提出創(chuàng)新性解決方案。因此，通過數(shù)值模擬不僅解決了實(shí)際問題而且培養(yǎng)了學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐的意識(shí)。該教學(xué)方法對(duì)教師也是一個(gè)很大的促進(jìn)和提高，通過實(shí)踐教學(xué)不斷更新教學(xué)內(nèi)容，以教促學(xué)?？傊瑸榱擞行Ю矛F(xiàn)有教學(xué)資源，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及主動(dòng)創(chuàng)新性，此種形式的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該得以提倡。

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[5]鄭捷慶，鄒鋒，張軍，羅惕乾.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，56（10）：119-127.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]