流體力學課程中引入CFD的探討與實踐

沈陽航空航天大學航空航天工程學院 劉 凱 曾 文 劉愛虢

流體力學課程中引入CFD的探討與實踐

沈陽航空航天大學航空航天工程學院 劉 凱 曾 文 劉愛虢

流體力學概念抽象，理論復雜，對數學基礎要求較高，是相關專業學生公認的厭學、難學課。本文從激發興趣出發，以應用為驅動，在課程中引入CFD這一近些年發展最為活躍的流體力學分支。實踐證明，CFD是流體力學教學的有益補充，是學生理論與實踐之間最直接、最簡易的橋梁，可以極大激發學生主動學習動力，實現理論與實踐的相互促進，滿足與時俱進的教學改革目標。

流體力學 教學改革 CFD 實踐

流體力學作為力學的一個分支，既具有較系統的理論體系，又密切聯系工程實際，對學生學習相關專業課及此后的專業發展來說都是不可缺少的理論基礎，是熱能動力工程、飛行器動力工程、流體機械、水利工程等專業重要的專業基礎課，為學好后續的專業課程、從事專業技術工作和科學研究打好必要的基礎。隨著各專業相互融合，機電液一體化已成趨勢。目前，機械、電子等越來越多的專業陸續開設了流體力學課程，流體力學已成為高校中一門重要的公共課，越來越受到重視。

一、流體力學教學中的困惑

流體力學以高等數學為基礎，概念抽象，理論復雜。而由于網絡吸引、就業壓力等各種原因，現在的大學生已無法像以前那樣專注于各門課程的學習，特別是高數、物理等基礎課。而學生較差的高數基礎使流體力學學習更加困難，基本方程無法理解，如靜壓強的積分求解，控制體的微分方程的建立與求解等問題。學生越是聽不懂，越是沒興趣，越是學不會，如此惡性循環。流體力學一般學時較長，特別是熱能動力工程等專業，學時可達70個課時以上，很多同學中途放棄，等到期末想突擊已經來不及了。很強的理論性使學生失去興趣，進一步喪失學習動力，學生不能按要求掌握流體力學的知識，嚴重影響后續專業課的學習，進而影響畢業、就業及今后的工作。主觀能動性是解決任何難題的最有力工具，如何找到流體力學教學中的興趣點，讓學生主動投入到學習中來，是所有流體力學乃至任一學科教師的首要任務。

二、CFD的快速發展

CFD（computational fluid dynamics）是近些年發展并逐漸完善起來的流體力學的一個分支。CFD以計算機為載體，以數理模型為核心，結合圖像顯示技術，成功解決了由于流體力學復雜性，理論方程不完善甚至無法求解，實驗難度大、周期長、費用高、適用有局限的問題。CFD以數值解的方式解決流動問題，其快速、靈活、低成本的特點很快在流體力學領域得到迅猛發展，越來越多的問題都可以借助CFD予以解決。特別是隨著計算機技術及計算模型的快速發展與完善，CFD在越來越多的領域得到重視和應用，其可靠性也得到驗證和認可。正如國家計算流體力學實驗室主任李椿萱院士所言，“目前的 CFD 商業軟件在一般機械和工程問題中的應用已經相當廣泛。對于低速及亞、超聲速流動和傳熱問題的模擬計算，包括湍流、較簡單的多相流動的計算，在算法上已發展成熟；商業軟件一般也已具備很強的網格生成技術，可以對復雜幾何外形的流動進行高逼真度的模擬仿真。已有的CFD技術可為許多企業遇到的流動問題提供高精度和可靠的解決手段?！?/p>

三、教學中引入CFD的探索與實踐

1.引入CFD的目的和意義。如前所述，CFD可以快速、靈活地實現流動問題的分析求解，直觀再現流動現象，使流體力學抽象的概念便于理解，激發學生學習興趣。另外，CFD已深入工程各個領域，用人單位也需要此類人才。因此，從就業的角度學生也會增加對CFD學習的主動性。而CFD的核心理論就是流體力學，對于學習應用CFD過程中遇到的問題，學生就會主動尋求流體力學相關主題幫助解決。學生以CFD為切入點，基本掌握CFD的同時，也促進了流體力學理論的學習。

學生參與老師的科研課題是教育教學改革的途徑之一，通過參與真正的科研課題，既達到理論聯系實際的教學目的，又培養了科研技能，為今后工作打下了基礎。鑒于學生知識儲備及能力，掌握CFD方法是學生有效參與教師科研課題最現實的途徑之一。

2.引入CFD的方式與途徑。教學引入CFD的方式應該是自然的，教師借助課本某章節的實際需求，讓學生覺得它是解決某一問題的最好工具，引入時間點應該是大部分學生喪失學習興趣前。流體力學中湍流流動是學生最難理解的一章，也是引入CFD較合適的一章。流體力學界有一句話：流體力學是一門精彩的、引人入勝的學科，它充滿了未知和謎團等待你去發現。這句話指的就是湍流部分，未知和謎團可以吸引人，同樣也可以讓人迷惑甚至失去興趣。這一章的流動方程更加復雜，而且大部分方程需要引入實驗系數、經驗系數，甚至即使這樣也無法求解，無法解決實際問題，最簡單的流動問題也要做大量假設。學生覺得這部分內容和實際脫節，工作中不會用到，也就失去了學習興趣。教師可以在此時推出CFD，如講到納維—斯托克斯方程，雖然它封閉但復雜到至今無解，改進后的雷諾方程雖然簡化卻不封閉，解決的途徑就是采用CFD手段建立湍流模型。學生看到了復雜理論和實際應用的橋梁，教師可以再應用一個適當的例子讓學生看到CFD的魅力，如講到流體繞流邊界層分離的卡門渦街，就可以應用CFD演示流動現象，見圖1。

圖1 不同雷諾數下的卡門渦街

設置不同的來流條件可以動態顯示卡門渦街的形成和發展，對學生的吸引力很大。另外，教師可以結合學生的專業展示CFD在專業領域的應用。例如，飛行器動力工程專業教學可引入CFD在航空發動機上的應用，如圖2所示。

圖2詳細給出了燃燒室各截面速度分布，對燃燒室的設計、運行以及改進提供了詳盡的第一手資料。如果沒有CFD技術，對于如此復雜的流場，理論方法只能通過大量假設簡化為一維定常理想流體，給出大致趨勢，設計后通過大量實驗修正結果。目前，航空航天領域，由于設備結構復雜、運行工況苛刻、實驗難度大，CFD已成為不可或缺的重要研究手段。

ISSN2095-6711/Z01-2015-12-0058