Fluent軟件在流體機械原理課程教學中應用

許靜 錢昆 李斌 孫珺 倪敬

摘 要：基于流體機械原理的教學內容及特點，在葉片式離心泵結構優化問題教學過程中，引人Fluent軟件，通過其計算后展示出的可視化的流場，學生可以直觀地看到流體在離心泵流道內的流動情況，該方法擴寬了現有的教學方式，極大程度地將理論的教學內容形象化，有助于提升學生的設計能力、增強學生的學習積極性、激發學生的創新能力，對學生快速掌握專業知識有著巨大的幫助。

關鍵詞：Fluent軟件；流體機械原理；教學

《流體機械原理》是流體機械專業學生的專業必修課程，也是熱能與動力工程、過程裝備與控制等相關專業的必修或選修課程。它要求學生掌握葉片式流體機械的基本工作原理、結構型式、能力轉換、設計計算、特性曲線、選型等知識點，培養學生運用流體機械專業知識，引導學生分析流體機械性能的能力與設計能力，并最終啟發學生在流體機械上的創新意識。

近年來，隨著世界經濟和技術的快速發展，Fluent商業仿真軟件已成為國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，它以其豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，以及適用面廣、高效省時、穩定性好精度高等優點很好的融入于各個行業領域，如航天航空、機械制造業等行業，并已在各個行業領域內發揮著自身強大的計算作用。

在課堂教學和專業課程設計中，引入Fluent商業仿真軟件，用數值和動畫描述流體在流體機械中的流場情況，定量的展現流道中壓力、速度等參數的分布規律，并根據流動特性分析其對流體機械性能的影響，這極大的加深學生理解抽象的流體力學理論，以及加深學生對流體機械基本工作原理的掌握，豐富教學資源，拓展現有的教學方式[ 1 ]。

與此同時，Fluent商業仿真軟件已廣泛應用于工程設計，這使得良好的產學研結合，能夠提供多元化的特色教學素材。它要求教師努力探索理論與工程實踐相結合同時，需要能將個人科研與教學相融合，將自己最新科研成果能夠有效轉變成教學內容，培養學生創新意識。

通過引入Fluent軟件進行教學，將實際解決流體機械領域的科研案例，有機融合到教學過程中，使學生掌握專業軟件和現代設計方法，拓寬知識面，加強教學與工程應用之間的有機結合。

1 Fluent軟件實例

在流體機械原理課程教學過程中，利用Fluent軟件講解葉片式流體機械元件和內部流道間的流體力學計算，元件及系統的性能分析和優化設計等內容。

離心泵（centrifugal pump）是葉片式流體機械主要的型式之一，約占生產用泵的 80～90%，它是利用葉輪旋轉而使液體發生離心運動來工作的[ 2 ] [ 3 ]。而葉輪是離心泵的核心部分，離心泵在啟動前，必須使泵殼和吸水管內充滿液體，然后啟動電機，使泵軸帶動葉輪和液體做高速旋轉運動，液體發生離心運動，被甩向葉輪外緣，經蝸形泵殼的流道流入離心泵的壓水管路，因此離心泵流道流體的流動情況直接影響其運行性能。

筆者以流體流經主油泵（離心泵）流道的流動特性為例，應用ANSYS FLUENT 14.0，針對實例主油泵在全工況下內部流動進行流場數值模擬，分析從小流量到大流量工況下流場的變化并繪制特性曲線，從而找出適合離心泵優化設計方法，將其計算過程展示給學生，以此說明仿真技術在教學中的應用。

如圖1所示單級離心泵有限元計算模型。該主油泵參數：流量Q=60m3/h，出口表壓P=0.98Mp（g），轉速n=2989r/min，葉輪外徑D=300mm。

從圖2計算結果可以看出如下流動特征：

1）在全體計算域范圍內，總體上靜壓沿徑向呈均勻增長趨勢。

2）采用周期性對稱的導流環結構，使得導流環出口處壓力分布均勻化，從壓力云圖上看明顯減輕了非周期性的壓力變化，有利于減小振動及噪聲。

綜上所述，從動輪進口至導流環的出口，流動設計符合流體動力學的規律，結構設計合理，可以得到穩定的運轉特性、良好的吸入性能。

2 結語

將Fluent商業計算軟件應用于流體機械原理課程教學中，擴寬了現有的教學方式，極大程度地將理論的教學內容形象化，激發學生的學習興趣，加強對葉片式離心泵基礎理論及設計的掌握，有助于提升學生的設計能力、增強學生的學習積極性、激發學生的創新能力，對學生快速掌握專業知識有著巨大的幫助。

參考文獻：

[1] 楊秀萍，陳煒，郭津津等. Fluent軟件在液壓傳動教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2013，15（175）： 4-5.

[2] 張克危.流體機械原理上冊[M].機械工業出版社， 2010.

[3] 潘剛. Fluent軟件在本科傳熱學教學中的應用①[J].創新教育， 2015， 25： 144-145.

基金項目：國家自然科學基金（51505112）

杭州電子科技大學高教研究課題編號：YB201547

作者簡介：許靜，女，博士，講師。