韓青　門秀花　王曉慧　趙詩奎　孫選

【摘 要】以計算流體力學(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，探索實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方法，進一步提高本科教學(xué)質(zhì)量。依據(jù)流體力學(xué)與傳熱學(xué)的理論和實踐特點，在課堂講授中側(cè)重于核心知識，力求結(jié)合工程實例鞏固基礎(chǔ)知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。建立計算流體力學(xué)仿真軟件的上機體系，注重實踐教學(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】計算流體力學(xué)軟件；實踐教學(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

隨著計算機科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)作為一種數(shù)值方法，正逐漸走向成熟，在流體機械中的應(yīng)用越來越廣泛，借助CFD技術(shù)，可以得到流體機械內(nèi)任意位置的流動細節(jié)，如速度、壓力、 能量損失、壓力脈動、湍動量、漩渦等，從而在流體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化方面發(fā)揮了重要的作用。CFD基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點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)于這些離散點上場變量之間的代數(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)進行生產(chǎn)實際分析，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、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析計算及優(yōu)化設(shè)計的能力。

目前，許多國內(nèi)工科院校在機械類本科和研究生階段都開設(shè)流體力學(xué)相關(guān)課程，我校針對工程教育專業(yè)認(rèn)證，為機械工程專業(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)合計算流體力學(xué)仿真軟件的優(yōu)點，在教學(xué)過程中可以引入CFD軟件技術(shù)，使更多的學(xué)生從理論和實踐中深切體會到流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識在生產(chǎn)實際中應(yīng)用的重要作用，通過工程實例分析解決生產(chǎn)實際遇到的問題，可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性。利用Fluent教學(xué)，將先進的設(shè)計理念引進課堂教學(xué)中，能使學(xué)生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計方法，拓寬知識面，加強教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機結(jié)合。本文以計算流體力學(xué)在課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用為例，探索實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方法，進一步提高本科教學(xué)質(zhì)量。

1 計算流體力學(xué)仿真軟件實踐教學(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，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，需要學(xué)生有較深厚的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)知識，對于機械專業(yè)的本科生來說，比較抽象，難于理解。因此，在較少課時內(nèi)教會學(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，依照課本完全進行理論教學(xué)，容易理論脫離實際，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)時內(nèi)更好地掌握流體力學(xué)與傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識，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)雜的流動問題通過建模與仿真分析變得清晰且切實可行，通過借助CFD仿真軟件增添教學(xué)內(nèi)容，強調(diào)實用性，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)知識的前提下體會到專業(yè)知識在工程實踐中應(yīng)用的樂趣。

因此，如何提高學(xué)生解決實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)理論知識的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD軟件的FLUENT模塊針對流體力學(xué)與傳熱學(xué)工程問題進行實例分析，可以培養(yǎng)采用CFD軟件分析實際問題的基本技能，初步具備解決工程問題的能力，滿足社會對人才的需求。因此，建立CFD軟件的實踐教學(xué)應(yīng)用平臺具有重要的實際意義。

2 計算流體力學(xué)仿真軟件實踐教學(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)理論知識結(jié)合二維流動的實例，著重使學(xué)生掌握建模與計算的簡單框架及操作步驟，其次將實例問題擴展到三維流動的數(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軟件進行流體流動與傳熱的數(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對流體力學(xué)與傳熱學(xué)實例進行分析。

2.1 建立計算模型

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

在建模的過程中利用GAMBIT對要求解的具體實例進行計算模型的建立，這一步通過該軟件進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)點到線段再到面和體的建立，使學(xué)生熟練掌握各個環(huán)節(jié)的面板操作，熟練的通過該軟件建模。

2.2 利用求解器進行求解

基礎(chǔ)理論知識中對所要研究的對象進行微分方程描述，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進行方程求解可以選擇要求解的方程，解方程的過程交給計算機處理，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 計算結(jié)果的后處理

FLUENT具有強大的后處理功能，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算結(jié)果，可以通過不同顏色描述速度矢量圖、壓力場和溫度場中的流動參數(shù)大小。該軟件既可以對某一時刻的穩(wěn)態(tài)場進行直觀顯示，也可以利用流線進行動畫顯示，直觀清楚的了解求解問題中的流體流動情況。

2.4 教學(xué)案例

本課程設(shè)置了三個教學(xué)案例，首先，通過冷、熱水混合器內(nèi)的二維和三維流動與換熱問題這兩個經(jīng)典教學(xué)案例使學(xué)生快速的掌握數(shù)值計算過程、GAMBIT操作命令和FLUENT的計算和后處理步驟[3]。其中，圖1為冷、熱水混合器內(nèi)的二維流動與換熱問題。通過計算雷諾數(shù)，判定該流動屬于湍流，圖1（a）為采用初始計算網(wǎng)格，能量方程采用一階離散方法得到的溫度云圖。學(xué)生通過實際操作得到計算結(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)格對計算結(jié)果的影響。圖1（c）為進行了網(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）的溫度云圖對比可以明顯看出數(shù)值計算結(jié)果的發(fā)散性越來越小。

教學(xué)案例三是學(xué)生通過計算機操作進行自測對所學(xué)內(nèi)容進行鞏固，為三維彎管內(nèi)水的流動數(shù)值計算問題，圖2（a）為出水在管道內(nèi)流動中心對稱面上的速度矢量場，使學(xué)生鞏固了歐拉描述中“場”的概念以及矢量的概念。圖2（b）為沿中心對稱面上的跡線，即流體質(zhì)點在運動過程中所走過的曲線。

3 計算流體力學(xué)仿真軟件實踐教學(xué)的效果

采用CFD仿真軟件進行實例教學(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)知識在計算機上進行數(shù)值模擬，縮短了教學(xué)與實踐應(yīng)用的差距，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力及實踐能力，并能夠提高學(xué)習(xí)的積極性和動手能力。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)量的有價值的方向之一[5]。學(xué)生從實際問題中提取出物理模型，選擇流體傳動與傳熱的基本方程，分析與流動與傳熱過程中的各項流動參數(shù)，通過數(shù)值模擬學(xué)生掌握了如何應(yīng)用所學(xué)的理論知識解決實際工程問題的方法，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際問題而且培養(yǎng)了學(xué)生理論指導(dǎo)實踐的意識。該教學(xué)方法對教師也是一個很大的促進和提高，通過實踐教學(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，進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及主動創(chuàng)新性，此種形式的實踐教學(xué)應(yīng)該得以提倡。

【參考文獻】

[1]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]韓占忠，王敬.流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[4]王經(jīng).流體力學(xué)與傳熱學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

[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]