王瑩+孫曉晶

摘要：計算流體力學(xué)是熱能動力工程等相關(guān)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。結(jié)合計算流體力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容與特點，探討了將CFD數(shù)值模擬技術(shù)引入到項目驅(qū)動實踐教學(xué)中的教學(xué)方法，并以Fluent仿真軟件為例，描述了CFD數(shù)值模擬技術(shù)在計算流體力學(xué)項目驅(qū)動實踐教學(xué)中的具體應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué);CFD數(shù)值模擬;項目驅(qū)動;實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）06-0141-02

計算流體力學(xué)CFD是流體力學(xué)的一個分支，是能源與動力工程類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。課程講授CFD數(shù)值模擬的基本思想、基本方法以及常用CFD數(shù)值模擬工具的使用，通過教學(xué)使學(xué)生了解、掌握CFD數(shù)值模擬的基本知識，為將來在涉及流體流動問題的研究和設(shè)計工作中應(yīng)用CFD數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)。在計算流體力學(xué)教學(xué)中，可將仿真技術(shù)以項目驅(qū)動的方式加入到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以加深對概念、公式以及數(shù)值方法的理解，進而激發(fā)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)能力。如何利用好仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，將其引入到計算流體力學(xué)實踐教學(xué)中來，提高教學(xué)效果是本文要探討的主要問題。

一、CFD數(shù)值模擬在項目驅(qū)動實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

根據(jù)課程教學(xué)任務(wù)及其特點，選擇適用的教學(xué)方式是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師授課為中心，注重基礎(chǔ)理論知識的傳授與講解。在教學(xué)過程中，教師往往花費大量的時間和精力介紹計算流體力學(xué)的基本原理并進行相關(guān)理論公式的推導(dǎo)，學(xué)生并不能理解計算流體力學(xué)的工程應(yīng)用背景和意義，學(xué)生所接受的理論知識絕大部分來源于授課教師的灌輸。

由于計算流體力學(xué)課程涉及內(nèi)容的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的教學(xué)方法與手段，使得教師和學(xué)生在此課程的講授和學(xué)習(xí)中都遇到一定的困難和問題。涉及基本方程和數(shù)值方法公式推導(dǎo)的部分，傳統(tǒng)的板書教學(xué)方式可使學(xué)生對推導(dǎo)過程進行邏輯思維，對推導(dǎo)得到的公式和結(jié)果也會更加印象深刻。對于比較復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容以及公式的應(yīng)用，則可借助計算機仿真平臺的方式進行輔助教學(xué)，讓學(xué)生直觀地了解不同公式的應(yīng)用過程和數(shù)值模擬結(jié)果。由于流體力學(xué)控制方程一般是非線性的，只有極少數(shù)情況下才能得到解析解，與工程相關(guān)的復(fù)雜流體力學(xué)問題幾乎不能得到解析解，而實驗研究一般是在模擬條件下完成的，幾乎所有的地面實驗設(shè)備都不能完全滿足所有參數(shù)和相似定理的要求。通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可以設(shè)計一些虛擬的實驗，過程中可選用不同公式模型和數(shù)值方法，數(shù)值模擬所得的結(jié)果直觀，彌補了理論教學(xué)內(nèi)容的不足。

項目驅(qū)動教學(xué)，或稱項目驅(qū)動下的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)，是一種以學(xué)生為中心的教育方式。要求學(xué)生通過一系列個人或合作完成的任務(wù)，借助他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，解決現(xiàn)實中的問題，獲取知識和技能[1]。在項目驅(qū)動實踐教學(xué)中，借助CFD數(shù)值模擬形象的模型分析與演示，既便于教師對計算流體力學(xué)應(yīng)用于工程問題的知識講述，又使學(xué)生對計算流體力學(xué)理論知識有更加深刻的理解。

二、CFD數(shù)值模擬在項目驅(qū)動實踐教學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

1.根據(jù)計算流體力學(xué)教材，結(jié)合學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況，對某些重點、難點以及不宜課堂講解的地方，考慮能否應(yīng)用CFD數(shù)值模擬進行輔助教學(xué)。在教學(xué)過程中，需要根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)捻椖堪咐?，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)方法，使其發(fā)揮各自優(yōu)勢才能獲得更好的教學(xué)效果。

2.在教學(xué)過程中，向?qū)W生展示CFD數(shù)值模擬在計算流體力學(xué)領(lǐng)域的前沿應(yīng)用、經(jīng)典案例。在課程教學(xué)中可以隨時調(diào)用視頻錄像或仿真軟件，將計算流體力學(xué)的一些前處理、流場計算和后處理等復(fù)雜問題進行動態(tài)仿真演示。這樣可以激發(fā)學(xué)生利用相關(guān)數(shù)值模擬軟件對理論知識進行進一步的學(xué)習(xí)的積極性和主動性，為后續(xù)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計乃至展開創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目打下基礎(chǔ)。

3.選取若干具體案例為“項目”任務(wù)以達到對前一階段課堂講授知識、技能傳授的總結(jié)與升華;項目內(nèi)容中含有學(xué)生從來未遇到的問題，需要具備有一定難度。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬軟件建立計算流體力學(xué)仿真分析實例庫，這樣老師就可以方便地進行講解，并給學(xué)生提供直觀、形象的過程與結(jié)論，學(xué)生理解起來會更容易。

三、CFD數(shù)值模擬在項目驅(qū)動實踐教學(xué)的應(yīng)用案例

1.概念設(shè)計。氣力輸送過程非常復(fù)雜，過去和現(xiàn)在多依靠試驗數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)來解決問題。對一般粉體材料，在經(jīng)驗數(shù)據(jù)充分時，可以得到比較可靠的結(jié)果。傳統(tǒng)方式靠人工計算過于費時間，現(xiàn)在可以利用計算機進行數(shù)值模擬，能較快地得到計算結(jié)果。計算機能在較短的時間內(nèi)繪出初步的圖紙，因此在粉體的氣力輸送過程中能做更多的方案比較，使設(shè)計更加合理。數(shù)值模擬可以提供一些實驗測量中無法提供的數(shù)據(jù)。在概念設(shè)計階段，老師和學(xué)生進行項目的討論。教師起初先不必框定具體的設(shè)計內(nèi)容，而是要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工程應(yīng)用的實際情況進行頭腦風(fēng)暴，獲得設(shè)計的大方向，進而指導(dǎo)學(xué)生進一步通過閱讀文獻和資料收集，確立實施思路和初步的方案，獲取可借鑒的工程案例。

2.詳細設(shè)計。在詳細設(shè)計階段，教師需要預(yù)先講授CFD數(shù)值模擬工具的使用，以Fluent為例，該軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在這個階段，學(xué)生通過對現(xiàn)場氣力輸送過程的調(diào)研資料和文獻資料，結(jié)合氣力輸送設(shè)備工藝特點，利用計算流體力學(xué)仿真軟件Fluent建立可靠的氣力輸送三維數(shù)學(xué)模型。對所建立的數(shù)值模擬模型進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，在此過程中，教師可以為學(xué)生講解計算域離散成網(wǎng)格點的過程。在此基礎(chǔ)上，利用所建立的氣力輸送三維數(shù)學(xué)模型對飛灰的氣力輸送進行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果和實驗測量值進行對比，由此對所建立的數(shù)學(xué)模型的可靠性和適用性進行驗證。

3.發(fā)現(xiàn)問題。項目驅(qū)動的教學(xué)中教師需要著重引導(dǎo)學(xué)校在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，挖掘?qū)е聠栴}產(chǎn)生的根源，在CFD模擬過程中，要確定邊界條件、數(shù)學(xué)模型和求解方法。氣力輸送屬于大型工業(yè)輸送物料設(shè)備，雖然輸送管道幾何形狀簡單，但是總長度較長，并且管道內(nèi)的輸送過程涉及到固相和氣相相互作用、物料顆粒湍動粘度以及顆粒間的相互碰撞，過程非常復(fù)雜。在此過程中，老師可以為學(xué)生講解各種邊界條件的優(yōu)缺點以及選擇依據(jù)、數(shù)學(xué)模型的原理和應(yīng)用范圍、求解格式的選擇及相應(yīng)的計算方法和方程。

4.改進設(shè)計。將模型預(yù)測結(jié)果與實驗測量值進行分析和比較，分析邊界條件、數(shù)學(xué)模型和求解方法對結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過查閱文獻了解最新CFD數(shù)值模擬技術(shù)和方法，并嘗試應(yīng)用到項目驅(qū)動實踐教學(xué)中，提高數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的準確性。可以利用該數(shù)值模擬數(shù)據(jù)研究氣力輸送旁管道內(nèi)壓降隨著顆粒直徑、顆粒密度的變化規(guī)律，并通過改變旁通管幾何比以及壁面粗糙度的大小，研究管道結(jié)構(gòu)和管道特性對壓降的影響。

從“概念設(shè)計”、“詳細設(shè)計”、“發(fā)現(xiàn)問題”和“改進設(shè)計”這幾個項目驅(qū)動的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以看到，項目驅(qū)動式教學(xué)的最主要的特征就是教師引導(dǎo)學(xué)生通過尋找完成工作任務(wù)的途徑與方法，圍繞工作項目完成調(diào)查研究、網(wǎng)絡(luò)信息搜集、文獻查閱、個人獨立思考、討論答辯、團隊合作學(xué)習(xí)等各項相關(guān)的實踐與創(chuàng)造活動[2]。

在實施過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生查閱資料獲取類似項目的技術(shù)路線、解決方案與相關(guān)專業(yè)知識點，對錯誤明顯的方案做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)、糾正，使方案盡量集中在合理的范圍之內(nèi)[3]。需要選擇貼近實踐的項目案例，將CFD數(shù)值模擬軟件融入到分組學(xué)習(xí)和應(yīng)用指導(dǎo)的整個過程，使學(xué)生在項目學(xué)習(xí)及完成過程中加深對理論知識的理解及實際應(yīng)用，提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

四、結(jié)束語

項目驅(qū)動教學(xué)在實施的過程中，表現(xiàn)出以項目為本位、以學(xué)生為主體的重要特征。教師教授和引導(dǎo)的是項目實施所需的技能、系統(tǒng)知識和應(yīng)用知識，最終考核的是學(xué)生對知識的理解、應(yīng)用、創(chuàng)新和總結(jié)。將CFD數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到計算流體力學(xué)理論教學(xué)，可以使教學(xué)質(zhì)量得到明顯提高，可以幫助克服客觀實際條件對理論教學(xué)的制約，加深學(xué)生對理論知識的理解，并激發(fā)學(xué)習(xí)和研究的興趣。

參考文獻：

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[2]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2004.

[3][美]約翰D.安德森（John D. Anderson）.計算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].吳頌平，劉趙淼，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]俞國燕，王貴，劉煥牢，安芬菊，趙娟.機械類專業(yè)項目驅(qū)動式實踐教學(xué)模式的探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014，（12）.

[5]呂汝金，魏德強，劉建偉，王喜社.模塊化項目驅(qū)動模式下工程訓(xùn)練研究探索[J].實驗技術(shù)與管理，2014，（01）.