SPH仿真案例在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

邵家儒　楊瑜

摘 要 傳統(tǒng)工程流體力學(xué)教學(xué)模式相對(duì)枯燥，學(xué)生很難將所學(xué)知識(shí)直接應(yīng)用于工程實(shí)際。近年來逐漸流行的光滑粒子動(dòng)力學(xué)（SPH）仿真能夠很好的分析各類流動(dòng)現(xiàn)象，且在強(qiáng)非線性流動(dòng)仿真方面極具優(yōu)勢(shì)。利用SPH方法對(duì)流體案例進(jìn)行求解，通過后處理軟件呈現(xiàn)流場(chǎng)中的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)及湍流變化，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深知識(shí)點(diǎn)理解，提高解決實(shí)際問題的能力，有利于支撐工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的課程畢業(yè)要求和指標(biāo)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 工程流體力學(xué) 光滑粒子動(dòng)力學(xué) 工程案例 專業(yè)認(rèn)證

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

工程流體力學(xué)是機(jī)械工程、資源環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的核心課程，其主要教學(xué)目的是使學(xué)生獲得工程流體力學(xué)的基本理論和技術(shù)方法，并用于解決工程實(shí)際中的流體力學(xué)問題。該課程理論公式較多，概念相對(duì)抽象，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底和邏輯思維能力要求較高。傳統(tǒng)的教學(xué)過分重視公式的推導(dǎo)，其原理性教學(xué)實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，大多基于簡(jiǎn)單的管流，與工程應(yīng)用的直關(guān)聯(lián)性突出，學(xué)生普遍反映該課程較為枯燥且相關(guān)知識(shí)點(diǎn)難以理解。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證的不斷推進(jìn)，教育過程中越來越注重知行合一及學(xué)以致用。鑒于此，必須對(duì)已有的教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，將工程案例與理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

工程流體力學(xué)研究方法主要有理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真三種。理論研究一般局限于比較簡(jiǎn)單的情形，往往采用線性理論、特征函數(shù)展開法等進(jìn)行求解，在小變形問題上通?？梢缘玫胶芎玫慕Y(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究大多通過控制相似準(zhǔn)則數(shù)（如弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)、空化數(shù)等）開展模型實(shí)驗(yàn)，可以得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式來解決問題。數(shù)值模擬方法花費(fèi)少，耗時(shí)短，可重復(fù)性好，沒有實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)，可以對(duì)各種可能出現(xiàn)的情形做不同模擬以收集完整的模擬信息，從而對(duì)所模擬系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析。近年來流行的光滑粒子動(dòng)力學(xué)（SPH）方法在分析流體流動(dòng)方面具有比較好的前景，能夠很好的分析管道流動(dòng)、流體擾流、物體入水等問題，已經(jīng)成功地應(yīng)用到了水動(dòng)力學(xué)、海洋工程及能源環(huán)境等領(lǐng)域。

目前，高校內(nèi)已有諸多教師探索數(shù)值模擬在流體力學(xué)相關(guān)課程中的應(yīng)用方法。石世杰利用OpenFOAM對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)課程中常見的流動(dòng)問題進(jìn)行了求解，呈現(xiàn)了圓柱擾流、翼型氣動(dòng)分析等結(jié)果。孫澤等人在工程流體力學(xué)教學(xué)中結(jié)合三維激光粒子測(cè)速技術(shù)及相關(guān)軟件，提升了理論學(xué)習(xí)效果。張勃陽(yáng)將液壓支架及排水管道設(shè)計(jì)等煤炭工程案例應(yīng)用在水頭損失及短管水利計(jì)算等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中。這些研究成果表面，在工程流體力學(xué)的教學(xué)中引入數(shù)值仿真算例能夠有效提升教學(xué)效果，然而其具體的實(shí)施方案還有待進(jìn)一步研究。

1工程實(shí)例

光滑粒子動(dòng)力學(xué)（SPH）是一種拉格朗日型無網(wǎng)格粒子方法，它使用粒子離散和代表所模擬的介質(zhì)，基于粒子體系對(duì)固體或流體的控制方程進(jìn)行離散。SPH方法中粒子攜帶了介質(zhì)系統(tǒng)上的各相關(guān)物理量，如密度、壓力、速度、內(nèi)能等。SPH方法既有拉氏計(jì)算的描述物質(zhì)界面準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，又兼?zhèn)錃W拉方法適合模擬大變形問題的長(zhǎng)處。相比于傳統(tǒng)歐拉方法，拉格朗日型方法更符合學(xué)生對(duì)客觀事物的認(rèn)知，不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，有利于其對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。基于SPH仿真框架，應(yīng)用雷諾平均、大渦模擬等湍流模型準(zhǔn)確分析流場(chǎng)中的湍流效應(yīng);應(yīng)用，通過彈塑性體模塊可以有效模擬復(fù)雜的強(qiáng)非線性流固耦合作用?？傮w看來，該方法易于理解，能夠解決大多數(shù)工程流體力學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)問題。

為提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行簡(jiǎn)化及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，工程流體力學(xué)中的案例分析應(yīng)使用開放性命題，在覆蓋相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新思維，案例與工程實(shí)際密切相關(guān)是使學(xué)生保持學(xué)習(xí)熱情的重要基礎(chǔ)。為此，基于水動(dòng)力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)兩組教學(xué)案例。

教學(xué)案例一：近年來，暴雨導(dǎo)致的洪水及潰堤災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)洪流運(yùn)動(dòng)路線上的建筑或結(jié)構(gòu)危害最大，給人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。試對(duì)洪水演進(jìn)問題進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，應(yīng)用SPH仿真預(yù)測(cè)洪水流動(dòng)形態(tài)及壓力變化，并分析防波堤對(duì)洪水的抑制效果（見圖1）。

建立某小區(qū)的簡(jiǎn)化模型，小區(qū)有兩排相同長(zhǎng)方體建筑構(gòu)成，每個(gè)尺寸簡(jiǎn)化為5.0 m？.0 m？.0 m，兩排建筑相距1m，洪水初始簡(jiǎn)化為4.5 m？.0 m？.5 m的靜止水體，建筑及洪水均由粒子構(gòu)成，粒子間距為0.1m，水體在重力的作用下變形并形成洪水流向該小區(qū)，自由流動(dòng)后在距離第一排建筑物4m處位置設(shè)置高度為1m的防波堤。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，洪水水流呈現(xiàn)出復(fù)雜水躍、水波渦旋、水流間斷等三維特征，洪水在建筑物的阻礙作用下水波發(fā)生破碎，水流與防波堤其撞擊后速度大大降低，街區(qū)中的水位變低，降低了城市排水系統(tǒng)的壓力。

教學(xué)案例二：水下兵器如魚雷、水雷等可用于破壞水面或水下艦船等設(shè)施，其水下運(yùn)動(dòng)涉及強(qiáng)烈的非線性流固耦合作用。試建立水下兵器的數(shù)值模型，應(yīng)用SPH仿真預(yù)測(cè)其水下運(yùn)動(dòng)過程中的空穴演化及流場(chǎng)壓力響應(yīng)，為水下兵器的設(shè)計(jì)提供初步的理論指導(dǎo)（見圖2）。

將某水下兵器的外形簡(jiǎn)化為30cm？cm的矩形，初始時(shí)刻位于靜水面上，并與水面呈30凹薪恰H胨笨唐湓碩俁任？m/s，即水平速度vx=-4.33m/s， 垂直方向速度vy=-2.5m/s。水槽尺寸為4m？m，流體與固體的交界面按照無滑移邊界設(shè)置，物體及水體均由SPH粒子組成，粒子間距為0.5cm。入水物體視為剛體，忽略其自身變形，根據(jù)理論力學(xué)相關(guān)方程計(jì)算其平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)速度。如圖2所示，入水沖擊會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊壓力，水體沿物體壁面分離，產(chǎn)生明顯的射流現(xiàn)象。隨入水深度的增加，分離的水體在重力作用下封閉，形成包裹物體的空泡，并伴隨較為劇烈的壓力變化。

2教學(xué)思考

工程案例是開展以應(yīng)用為導(dǎo)向課程教學(xué)的基礎(chǔ)，然而教學(xué)過程中我們也清晰地認(rèn)識(shí)到，案例不應(yīng)是生硬地植入到某教學(xué)章節(jié)，而是應(yīng)該融入到全過程中，通過一條工程應(yīng)用主線貫穿整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開：

一是以案例為重點(diǎn)的緒論課。緒論是工程流體力學(xué)第一課，也是最體現(xiàn)教師工作量的一課。該課將為學(xué)生構(gòu)建工程流體力學(xué)的框架。在講授已有的研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究任務(wù)、發(fā)展簡(jiǎn)史以外，必須擴(kuò)充緒論案例庫(kù)，針對(duì)各章節(jié)用典型的案例加以闡述，將知識(shí)點(diǎn)與工程應(yīng)用直接關(guān)聯(lián)，學(xué)生覺得該課程重要就會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)，效果也就越好。

二是增加案例分析大作業(yè)。工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)的最終目的是將其用于工程實(shí)際。由于學(xué)生未來的就業(yè)方向往往多種多樣，故應(yīng)設(shè)置開放性的案例分析大作業(yè)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化、模擬、處理及分析。傳統(tǒng)的課程考核方法存在諸多不合理因素，如考勤、作業(yè)兩部分平時(shí)成績(jī)很難反映出學(xué)生的真實(shí)狀態(tài)，而最終的課堂考試往往過于僵化，有必要通過案例分析大作業(yè)改善已有的考核方法。

三是加強(qiáng)師生互動(dòng)交流。師生間的互動(dòng)交流分為兩方面，即課上交流及課后討論。一般來講，課上時(shí)間是有限的，交流時(shí)間及效果很難得到充分保障。以工程案例為媒介，建立學(xué)習(xí)小組并開展課下分工協(xié)作、交流討論顯得至關(guān)重要。該形式可以當(dāng)面交流、線上群組討論等形式開展。交流過程中容易形成學(xué)生互相解答、思維創(chuàng)新的局面，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

3結(jié)語(yǔ)

以工程案例為導(dǎo)向的工程流體力學(xué)課程教學(xué)對(duì)應(yīng)培養(yǎng)應(yīng)用型人才至關(guān)重要，能夠適應(yīng)當(dāng)今工程教育專業(yè)認(rèn)證大環(huán)境。光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法易于理解和上手，能夠解決流體力學(xué)中的大多數(shù)工程實(shí)際問題，基于該方法建立仿真案例，并將其應(yīng)用于緒論、大作業(yè)及互動(dòng)交流等環(huán)節(jié)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，大幅度提高其運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

作者簡(jiǎn)介：邵家儒（1986-），博士，副教授，研究方向：流固耦合動(dòng)力學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張土喬，張燕，邵煜，周永潮.問題和工程案例為導(dǎo)向的工程流體力學(xué)課堂教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2019（33）：105-107.

[2] 孫杰，趙磊，代遠(yuǎn)強(qiáng)，賈馮睿，任曉艷，潘顥丹.工程流體力學(xué)教學(xué)探索[J].化工高等教育，2018（05）：98-101.

[3] 王春霞，郭樹勤，石開儀，楊付領(lǐng).工程流體力學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].科教文匯，2019（460）：75-76.

[4] 石世杰.OpenFOAM在空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育觀察，2018，7（19）：90-92.

[5] 孫澤，陳杭，許妍霞，劉程琳，宋興福，于建國(guó).CFD和三維激光粒子測(cè)速技術(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2018（20）：76-78.

[6] 張勃陽(yáng).煤礦工程實(shí)例在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教育研究，2018（52）：161-162.