在能源動力本科生中開展CFD教學(xué)的必要性和可行性

摘要：本文針對在能源動力類本科生中開展CFD教學(xué)的必要性和可行性進(jìn)行了分析。首先從國內(nèi)外專業(yè)發(fā)展和人才需求的狀況得出在本科生中開展CFD教學(xué)很有必要，接著從教學(xué)內(nèi)容的選擇、基本理念的貫徹和經(jīng)典軟件的應(yīng)用三個方面進(jìn)行了分析，得出在本科生中開展CFD教學(xué)切實(shí)可行，最后從已經(jīng)開展的CFD教學(xué)實(shí)踐中得出在本科生中開展CFD教學(xué)值得深入推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：CFD教學(xué)；本科教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0037-02

一、開展CFD教學(xué)的必要性

CFD技術(shù)，是解決工程中復(fù)雜流動和傳熱問題的一種有效手段，同時也是一門新型的獨(dú)立學(xué)科。它以經(jīng)典理論和數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，從空間和時間上定量描述各種場變量，從而達(dá)到對流動和傳熱問題進(jìn)行研究的目的。CFD技術(shù)集中應(yīng)用了20世紀(jì)直至本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)方面的最新成就，并具有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)。CFD技術(shù)不僅可以作為研究工具，而且還可以作為設(shè)計(jì)工具廣泛應(yīng)用于能源動力工程、機(jī)械工程、材料工程、交通工程、建筑工程、環(huán)境工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域。另外，CFD與CAD、CAE聯(lián)合，還可以進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。CFD教學(xué)主要程針對高年級本科生開展，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的應(yīng)用能力和學(xué)術(shù)能力的培養(yǎng)，教學(xué)的宗旨是讓學(xué)生在了解數(shù)值計(jì)算基本概念和原理的基礎(chǔ)上，通過對一些經(jīng)典商用CFD軟件使用和掌握，增強(qiáng)學(xué)生分析和解決問題的能力。在國內(nèi)，目前在能源動力類本科生中開展CFD教學(xué)的學(xué)校有近20所，大部分為重點(diǎn)本科院校，除我校外，還有如西安交大、清華大學(xué)、上海交大等高校。但隨著CFD技術(shù)在工業(yè)界的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，個人電腦的性價比提升，可以預(yù)計(jì)未來5年，將會有更多的工科院校為能源動力類本科生開展CFD教學(xué)。在國外，早在上世紀(jì)80年代，就已有針對能源動力類本科生開展的CFD教學(xué)，比如英國的帝國理工學(xué)院，美國的加州理工學(xué)院，日本的九州大學(xué)等。尤其以美國的加州理工學(xué)院做得最為突出，它非常重視學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新。由于國外學(xué)生人數(shù)比國內(nèi)少，實(shí)驗(yàn)設(shè)施完備，CFD技術(shù)課程被安排在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行，學(xué)生在進(jìn)行CFD技術(shù)學(xué)習(xí)應(yīng)用的同時，還可以采用實(shí)驗(yàn)方法對CFD的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動實(shí)踐與創(chuàng)新能力。實(shí)際上，開展CFD教學(xué)還有利于拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。由于CFD技術(shù)具有成本低、速度快、可視化等特點(diǎn)，因此在能源動力類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用CFD技術(shù)加強(qiáng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建，將以往學(xué)生的被動性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生為主教師為輔的一種主動性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和解決問題的能力。由此可見，開展CFD教學(xué)符合能源動力類的專業(yè)發(fā)展和人才需求，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時還有利于拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

二、開展CFD教學(xué)的可行性

對于在能源動力類本科生中開展CFD教學(xué)的可行性，下面將從三個方面來進(jìn)行分析。

1.教學(xué)內(nèi)容的選擇。對于能源動力類的大四本科生，CFD教學(xué)的重點(diǎn)將放在CFD技術(shù)的基本理論和軟件應(yīng)用上。具體內(nèi)容包括：控制方程的離散化方法，流場的求解計(jì)算方法，湍流模型，以及商用CFD軟件的基本用法。同時，授課內(nèi)容中還將包含復(fù)雜流動模型以及數(shù)值模擬的最新研究進(jìn)展等，以便開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于課時有限，在商用CFD軟件基本用法的講授中，將選擇能源動力領(lǐng)域常見案例的CFD過程，比如建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、設(shè)置求解器參數(shù)、后處理等內(nèi)容，進(jìn)行有針對性地講解和實(shí)踐，以獲得舉一反三的效果。

2.基本理念的貫徹。在開展CFD教學(xué)中，需要貫徹正確的CFD技術(shù)理念。雖然目前商用CFD軟件快速普及，似乎許多問題都可以通過CFD技術(shù)來解決。但必須強(qiáng)調(diào)，CFD技術(shù)不是萬能的，在很多方面還有局限性。試驗(yàn)研究、理論分析和CFD技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才是解決實(shí)際問題的有效手段。另外，對模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性的認(rèn)識和判斷，也需要一個正確的理念。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性首先取決于數(shù)學(xué)模型是否正確，如果數(shù)學(xué)模型不正確，即使數(shù)值計(jì)算方法先進(jìn)，仍然不能保證數(shù)值解的準(zhǔn)確性。其次，模擬計(jì)算過程中流動介質(zhì)物性參數(shù)是否正確，也是影響模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的一個重要因素。最后，教學(xué)過程中還要注意培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，在講授CFD實(shí)際應(yīng)用時要引導(dǎo)學(xué)生把握工程問題的整體觀念，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生基本理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

3.經(jīng)典軟件的應(yīng)用。從我校能源動力本科專業(yè)現(xiàn)有的課程設(shè)置來看，大四本科生已經(jīng)具備流體力學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值分析方法等方面的基礎(chǔ)知識，對于CFD技術(shù)中所涉及的方程離散，網(wǎng)格劃分、流場求解等方面知識的理解不會有太大難度，而且目前商用CFD軟件智能化程度較高，基本使用方法和技巧易于掌握。因此，選用經(jīng)典CFD軟件開展教學(xué)，在老師的指導(dǎo)下完全可以使學(xué)生在短時間內(nèi)初步掌握CFD軟件的使用方法。在此基礎(chǔ)上，隨著學(xué)生知識面以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和CFD軟件使用技巧的增加，對CFD技術(shù)的理解會進(jìn)一步加深。另外，目前計(jì)算機(jī)硬件水平迅猛發(fā)展，學(xué)生擁有個人電腦的比例逐年增加。從我們能源與動力工程學(xué)院學(xué)生工作組統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，目前學(xué)生擁有個人電腦的比例已達(dá)80%以上，學(xué)生可以在自己的電腦上方便地進(jìn)行CFD軟件的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，這為開展CFD教學(xué)提供了良好的條件。

從2007年開始，華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院就已經(jīng)在本科生中開展了CFD教學(xué)。課程的名稱為CFD技術(shù)，以選修課的形式開設(shè)，學(xué)院每年都有近300名學(xué)生選修這門課程，這門課程實(shí)際上已經(jīng)成為一門受眾面極廣的公共選修課程。由此可見，在能源動力本科生中開展CFD教學(xué)具有較好的必要性和可行性，值得深入推廣應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：本文為華中科技大學(xué)2013年校教學(xué)研究基金項(xiàng)目的階段性成果

作者簡介：張師帥（1970-），副教授，“CFD技術(shù)”課程的主講教師。