流體力學理論與實驗課教學改革探討

秦浩 宋文武 史廣泰

【摘要】將CFD引入流體力學理論教學課程，可激發學生學習和創造的熱情，進而優化教學效果，促進學生對流體力學理論的掌握。通過教學方法創新和改革，引導學生理解流體力學數值模擬的思想，正確認識流體力學數值模擬方法，同時促進學生對流體力學理論本身的學習和理解，為日后從事工程和科研工作打下堅實的基礎。

【關鍵詞】計算流體力學 實驗教學 教學改進

【中圖分類號】O35 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0136-01

引言

一直以來，本科流體力學教學內容著重于經典的流體力學理論和常規的實驗驗證，教學內容非常抽象、單一，不能直觀反映流體力學所描述的流動現象，無法展現當前學科發展的主要趨勢，不利于拓寬學生的知識面，提高學生的學習能力和創新能力，更不利于學生應用流體力學理論解決實際的工程問題。因此，對教學內容和方法進行改革，促進課程建設，應結合流體力學學科發展的趨勢，盡早引入流體力學數值計算的內容。

1.CFD課程設計

流體力學理論課程引入CFD的主要目的是讓學生認識到，在流體力學的研究領域除了理論推導、流體力學實驗外還有第三種非常重要的手段和工具——流體力學數值模擬，引導學生對數值計算有一個正確認識，在課堂設計中，可相應減少流體力學數值計算理論方面的教學內容，相對的以具體的案例加以演示，增加CFD的實際運用方面的內容，降低CFD理論知識的授課量。

2.數值計算流程與問題討論

從CFD的指導思想中可知，數值模擬計算方法的關鍵在于偏微分方程的代數化以及空間域和計算時步的離散化。以簡單例子引入數值計算讓學生領會數值模擬基本思想，掌握利用計算機實現數值計算的基本方法，引導學生發現在數值計算中面臨的一些基本問題及相應的對策，促使學生掌握數值計算的核心內容。

計算機能進行邏輯運算和加法計算，多個相同的數相加是乘法運算，加法運算和乘法運算的逆運算分別是減法和除法運算，也就是說計算機最基本的運算是邏輯運算和加、減、乘、除代數運算，數值計算就是用加、減、乘、除和邏輯運算解決復雜的數學問題。

這樣，只需給一個初始值y0，即可利用迭代計算關系計算出y1、y2、y3、…yn，比如y0=0，經過16次迭代計算后，■的值已經精確到小數點后第5位。接下來討論數值計算面臨的問題。

①初值對計算結果的影響，當y0=4時，多次迭代計算后，發現計算結果是發散的，這說明所構造的計算方法不一定收斂，對初值敏感。

④最后講解計算值和真實值之間的誤差分析，介紹關于數值計算理論方面的參考書目，培養學生發現問題和查找資料自學獨立解決問題的習慣和能力。

3.圓柱繞流

CFD比較擅于研究非定常問題，其中圓柱繞流就是一例。圓柱繞流，斯特勞哈爾數（St）與雷諾數（Reynolds number）有關。課堂教學中的CFD算例為二維圓柱繞流，對應的雷諾數1000，繞流形式應為層流渦街。圓柱直徑1m，繞流流場計算域，上下各10m，前12m，后24m。

計算采用Fluent商用軟件。設置工作流體屬性：假定流體動力粘度μ=0.001Pa·s，密度ρ=1kg/m3，入口流速u=1m/s，此時雷諾數為1000。

前處理為確定計算域，包括建模型和分網，網格劃分可采用O型分塊，減小網格畸變，保證網格質量，見圖1。

關于圓柱繞流的問題，可以繼續以實驗課程的方式加以研究和討論，增加不同網格劃分、邊界層分離、雷諾數、二維模型到三維模型等一系列數值流體力學的相關內容，鞏固學生對CFD數值模擬的理解和認識，同時也讓學生認識到流體力學中難以研究的非定常流的一些特性及研究方法。

結束語

將CFD引入流體力學理論教學課程，可激發學生學習和創造的熱情，進而優化教學效果，促進學生對流體力學理論的掌握。通過直觀的實例及實驗課中讓學生上機模擬流動現象，既可感受到流體力學廣泛的應用及重要性，又能體會到自己研究問題解決問題的成就感，以此提高學習興趣，增強學生學習流體力學的積極性和主動性，進而真正掌握流體力學相關知識，為日后從事工程和科研工作打下堅實的基礎。

參考文獻：

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