FLUENT軟件在工程流體力學教學中的應用

于萍 郭華鋒

摘要：工程流體力學涉及多門學科知識，內容抽象、復雜，本文提出將FLUENT軟件融入到工程流體力學的教學當中，該軟件可以直觀形象的展示流體的流動狀態，幫助學生理解并掌握工程流體力學中抽象的概念。學生通過FLUENT軟件對具體實例的模擬計算過程，就是學習相關工程流體力學相關知識點的過程，學生由被動變為主動學習，既鍛煉了他們的動手能力，又提高了學習的效率。

關鍵詞：工程流體力學；FLUENT軟件；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0271-02

《工程流體力學》是機械設計制造及其自動化專業的一門專業基礎課，屬于力學的一個分支，和實際工程應用聯系緊密。該課程主要研究流體的平衡和運動的基本規律以及流體和固體之間的相互作用，用于分析解決實際工程應用中遇到的問題，同時培養學生的邏輯思維能力[1]。課堂上，教師大多采用多媒體技術（電子課件、圖片、視頻等）進行課堂教學，同學被動地接受知識，由于工程流體力學內容抽象、概念性強，大部分內容都是數學公式的推導，并涉及到高等數學、大學物理、工程力學等多門課程，學生難于理解；另一方面，由于手機和網絡的普及，學生課堂上不聽課而使用手機的現象越發嚴重，時間長了，學生開小差不聽課，對課程產生厭惡感，教師在不同程度上變為放映師、播音員[2]。因此本文提出將FLUENT軟件融入工程流體力學本科教學中，用圖像化的方式展現書本上難以理解的概念和抽象化的問題，從而調動學生學習的積極性，主動探索新知識。

一、FLUENT軟件與教學的結合

除了常規的理論分析和實驗研究，數值計算也是工程流體力學研究方法中很重要的一種。常用的計算流體動力學（CFD）軟件有ANSYS（FLUENT），COMSOL Multiphysics，CFX，PHOENICS，CD-STAR，FLOW3D等，其中以FLUENT最為成熟，應用廣泛。由于涵蓋了Ployflow和Fluent Dynamic International（FDI）的全部計算資源，FLUENT軟件有豐富且先進的物理模型和強大的后處理功能，如層流和湍流，定常流和非定常流，以及無粘性流等[3，4]。學生在數值模擬具體問題時，可以根據具體情況選用不同的模型、計算方法和離散格式，求出數值解，再用圖像或者動畫顯示計算結果，在這個過程中，學生需要對軟件中的命令、參數進行設置，每個環節都涵蓋了工程流體力學的知識，所以學生在用軟件進行數值模擬的過程，就是對該課程進行學習的過程。學生使用FLUENT軟件解決具體實例，可以主動地學習工程流體力學書本上相關的知識點。教師在講解實例時，將FLUENT軟件中的命令和工程流體力學書本上的知識點聯系起來，這樣使該課程有一定的立體感，幫助學生理解并加深概念。另外，FLUENT軟件的應用可以和畢業設計題目聯系起來。學生在大三上學期接觸工程流體力學課程，在課程進行到中期時，可以布置相關的模擬題目，作為課程的一個大作業，擇優進行整理保存，每年對優秀作品拍照和錄視頻，記錄學生模擬過程中的心得體會，供下一屆學生參考和實踐。最后，在大三下學期期末學生開始選擇畢業設計方向時，提供與工程流體力學數值模擬相關的方向選題，為畢業設計的選題和開展提供依據。不僅保證了后期畢業設計有充裕的時間，還在內容上有一定的基礎，提高畢業設計質量。

二、教學案例

在教學過程中，可以將包含知識點的現象讓學生用FLUENT軟件數值模擬出來，學生數值模擬的過程，就是對知識點學習和掌握的過程。學生在使用FLUENT數值模擬之前，首先要掌握Gambit軟件或者ANSYS中Geometry和Mesh模塊，對研究的過程建模、預處理并進行網格劃分，其次要掌握FLUENT軟件里命令按鈕所代表的含義，以及能獨立地進行實際問題的模擬計算，并對計算結果進行后處理。

1.粘性流體和理想流體。在講述粘性流體和理想流體時，我們知道流體是由大量分子組成，當相鄰兩層流體相對滑動或剪切變形時，由于流體分子之間的相互作用力，會在相反方向上產生阻止流體相對滑動或剪切變形的剪應力，稱為粘性應力，不可忽略粘性效應的流體為粘性流體，可忽略粘性效應的流體稱為理想流體[5]。如果只是文字上的灌輸，學生可能會不能很好的理解流體是具有粘性的，但是如果采用軟件模擬的方法，用具體的實例來進行說明，學生會印象深刻，容易理解。課堂上，采用了頂蓋驅動流的經典計算模型來說明實際流體是具有粘性的。在一個方腔內充滿空氣，頂板以一定的速度向右移動，由于流體的粘性效應，頂板的移動會同時帶動方腔內流體的流動，流體中心形成漩渦，如圖1所示。如果給學生一定的時間用FLUENT軟件將計算模型模擬出來，同學不僅理解了該知識點并且會記憶深刻。這種教學方法能讓學生主動學習，教學效果要比傳統的被動接受知識要好。

2.外部繞流。外部繞流是流體力學中的經典問題，在實際工程應用中經常遇到，如水利工程和船舶工程等。課堂上，采用了圓柱繞流的例子，在粘性流體繞流圓柱的過程中會出現邊界層分離的現象，邊界層的分離會出現旋渦，在主流流體的帶動下，圓柱的背面會出現交替出現和消失的尾渦區，如圖2所示。如果僅僅是書本上知識的講解，學生很難理解邊界層的分離過程。如果通過FLUENT軟件將邊界層分離的過程以及旋渦產生和消滅的過程數值模擬展現出來，學生能夠直觀地看到流體流動過程中流場的變化，對問題的理解和掌握要比聽和看深刻很多。

三、總結

工程流體力學涉及多門學科知識，理論性強，公式推導復雜、內容枯燥，又和實際工程應用聯系緊密，所以提出將FLUENT軟件融入到該課程的教學當中，該軟件可以直觀形象的展示流體的流動狀態和規律，以及壓力場、速度場和溫度場等，幫助學生理解并掌握工程流體力學中抽象的概念。通過FLUENT軟件對具體實例的模擬計算，可以鍛煉學生運用知識解決問題的能力，提高學習的主動性和積極性，培養嚴謹鉆研的學習態度。

參考文獻：

[1]李國珍，薛梅.工程流體力學教學中的機電體會[J].中國校外教育，2013：94.

[2]鄭捷慶，鄒鋒，張軍，羅惕乾.CFD軟件在工程流體力學教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2007，（10）：119-121.

[3]謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入CFD教學的探討[J].力學與實踐，2013，35（3）：91-93.

[4]周洋，李玫.工程流體力學中引入FLUENT軟件的教學改革實踐研究[J].廣東化工，2017，44（3）：166-177.

[5]侯國祥，孫江龍.工程流體力學[M].北京：機械工業出版社，2016.