CFD流場(chǎng)模擬虛擬實(shí)驗(yàn)在《流體力學(xué)》課程教學(xué)中應(yīng)用的思考

陸亮 訚耀保 米智楠 李萬(wàn)莉 李晶

摘要：《流體力學(xué)》是機(jī)械工程、熱能動(dòng)力工程、航空航天、環(huán)境工程等工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是機(jī)械、能源類(lèi)專業(yè)必修的主干核心課程。《流體力學(xué)》課程教學(xué)一般在理論傳授基礎(chǔ)上輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但常因?qū)W生人數(shù)多、硬件配置不足等問(wèn)題，僅少量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以全程參與，多數(shù)則以演示為主甚至放棄，學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的學(xué)習(xí)效果不佳，難以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)探索的熱情。本文擬利用CFD流場(chǎng)仿真技術(shù)，整合課程虛擬實(shí)驗(yàn)案例，形成與理論相配合的虛擬實(shí)驗(yàn)體系，一方面彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件或人員配置條件不足帶來(lái)的問(wèn)題，提升理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合學(xué)習(xí)的效果；另一方面讓學(xué)生從流體力學(xué)典型問(wèn)題的底層數(shù)學(xué)模型出發(fā)，認(rèn)知方程組構(gòu)建的封閉性與可計(jì)算性，認(rèn)知目前新興的流體力學(xué)研究第三種方法，即計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法，以提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：《流體力學(xué)》；數(shù)值仿真；虛擬實(shí)驗(yàn)；課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）13-0223-02

一、引言

1.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。《流體力學(xué)》課程重理論、偏基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)相對(duì)枯燥，難以激發(fā)學(xué)生的熱情，國(guó)內(nèi)外大學(xué)為此想盡了辦法。如哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)等美國(guó)著名大學(xué)及國(guó)內(nèi)高等院校，在大一或大二開(kāi)設(shè)了新生研討課程，以有趣的流體力學(xué)現(xiàn)象，如“樹(shù)結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化中的微流動(dòng)應(yīng)該”、“船航行最大能有多快”來(lái)啟迪學(xué)生對(duì)流體力學(xué)知識(shí)的熱情，讓學(xué)生一開(kāi)始就認(rèn)為《流體力學(xué)》是一門(mén)“令人神往”的課程。這種互動(dòng)性的研討課程通常需要輔以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)提升效果，但前沿的流體力學(xué)問(wèn)題通常依賴精密的設(shè)備與復(fù)雜的操作，學(xué)生難以通過(guò)全程參與獲得直觀的感受。在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，國(guó)內(nèi)高校也做了大量的工作，如盡量讓每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，但通常只能是操作相對(duì)簡(jiǎn)單的“圓管層流/湍流”實(shí)驗(yàn)、“管路粘性阻力”實(shí)驗(yàn)等。盡管如此，還常常因?qū)W生人數(shù)較多而在一次簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中消耗過(guò)多的課時(shí)，有的學(xué)校則采用分組實(shí)驗(yàn)的辦法來(lái)減少課時(shí)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的依賴性大大增加。鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可操作性不強(qiáng)、演示效果不佳、時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本較高等缺點(diǎn)，近期流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革研究將目光投向虛擬實(shí)驗(yàn)，如基于Flash開(kāi)發(fā)的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析等，或通過(guò)Web形式實(shí)現(xiàn)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)一步提升感性認(rèn)識(shí)。盡管基于Flash和Web平臺(tái)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)相對(duì)緩解了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的壓力，并在一定程度上提升了學(xué)生的參與程度，但流動(dòng)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均源自“人為制造”，只有實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，沒(méi)有為何實(shí)現(xiàn)此類(lèi)結(jié)果的解釋，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性存在一定的疑慮，虛擬實(shí)驗(yàn)顯得過(guò)于“虛擬”了。

2.實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)尚存的問(wèn)題。《流體力學(xué)》作為大量工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，增強(qiáng)工程系案例實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，增強(qiáng)案例問(wèn)題解析方法的啟發(fā)式思考和探索，已成為目前專業(yè)教學(xué)發(fā)展方向的重點(diǎn)需求。就上述國(guó)內(nèi)大學(xué)現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況而言，依然存在較大的完善空間。①因各種因素的相互制約，《流體力學(xué)》理論與實(shí)驗(yàn)課程通常分開(kāi)開(kāi)設(shè)，理論章節(jié)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)有效的穿插和促進(jìn)。②因硬件配套及人員配置等多種因素，要么簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，要么減少實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以減少課時(shí)的負(fù)擔(dān)，弱化了學(xué)習(xí)的效果。③基于軟平臺(tái)開(kāi)設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)，不如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)前隳軌蛟谄淞鲃?dòng)機(jī)理與數(shù)據(jù)真實(shí)性上獲得充分的認(rèn)可。④實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置的學(xué)科專業(yè)或?qū)W校特色針對(duì)性不強(qiáng)，不夠體系化，對(duì)學(xué)生認(rèn)知完整性的幫助不夠。基于以上問(wèn)題，本文擬基于CFD流場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)，結(jié)合液壓傳動(dòng)專業(yè)技術(shù)后續(xù)課程案例，整合虛擬實(shí)驗(yàn)案例并實(shí)施，預(yù)期在結(jié)果上形成與課程理論體系配套的實(shí)驗(yàn)案例，在過(guò)程上結(jié)合方程組在CFD平臺(tái)上的計(jì)算實(shí)施方法，形成對(duì)案例流力問(wèn)題的底層認(rèn)知。如此，既獲得了教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)與理論的相互印證，又實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)驗(yàn)過(guò)程的深入認(rèn)知。

二、課程建設(shè)的思考與設(shè)想

1.改革內(nèi)容。基于課程知識(shí)體系，進(jìn)一步細(xì)化和豐富現(xiàn)有原理性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具體如下：管中流動(dòng)：①基于已獲得的數(shù)值仿真結(jié)果展示層流向湍流轉(zhuǎn)變的過(guò)程及兩種流動(dòng)狀態(tài)的對(duì)比；②展示仿真數(shù)據(jù)曲線與莫迪圖實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比。孔口流動(dòng)：①基于薄壁孔口和厚壁孔口兩種“流動(dòng)域”，展示計(jì)算獲得的流量、流速及各系數(shù)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比；②展示兩種流動(dòng)域結(jié)構(gòu)不同氣穴數(shù)條件下的氣穴程度與動(dòng)態(tài)變化情況。縫隙流動(dòng)：①基于UDF展示偏心率變化過(guò)程中的縫隙流動(dòng)速度、壓力分布變化及輸出流量變化與理論公式對(duì)比；②忽略氣體可壓縮性，展示“零件長(zhǎng)度測(cè)定”案例的仿真結(jié)果。氣體一元流動(dòng)：展示不同噴管結(jié)構(gòu)流動(dòng)域的流速和波速隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。

2.實(shí)施方法。首先講述理論及案例內(nèi)容并列舉方程組，進(jìn)而結(jié)合CFD方法闡述方程組可計(jì)算性的封閉性與收斂性要求，闡述CFD如何實(shí)現(xiàn)方程組的計(jì)算以及判斷收斂的準(zhǔn)則。對(duì)于可壓縮氣體介質(zhì)，闡述可壓縮性和波動(dòng)特性帶來(lái)的變化，并闡述CFD數(shù)值仿真特征及設(shè)置的區(qū)別。在常規(guī)知識(shí)點(diǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法以及實(shí)驗(yàn)與理論交叉教學(xué)的基礎(chǔ)上，新增“伺服閥射流沖擊及波動(dòng)”、“柱塞泵吸空氣穴及其壓縮時(shí)間效應(yīng)”、“圓柱繞流漩渦附壁”等案例的基本原理闡述，要求學(xué)生課后實(shí)現(xiàn)上述案例之一的仿真計(jì)算，作為課程考核的內(nèi)容之一。

三、預(yù)期成效與持續(xù)改進(jìn)

1.改革的優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)想的基于CFD流場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)獲得與流體力學(xué)理論體系對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，預(yù)期可在如下幾個(gè)方面獲得較優(yōu)的效果：①第一個(gè)效果不言而喻，CFD虛擬實(shí)驗(yàn)可大大減輕現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在硬件、人員和課時(shí)分配等方面的負(fù)擔(dān)，同時(shí)可更好的實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的穿插，而不是分離，教學(xué)效果好。②基本的數(shù)值計(jì)算可獲得流動(dòng)過(guò)程中壓力、速度、流量、溫度等場(chǎng)所包括的所有信息，基于UDF可實(shí)現(xiàn)流域和參數(shù)變化過(guò)程中的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)比，信息完整，演示清楚。③CFD虛擬實(shí)驗(yàn)源自實(shí)際問(wèn)題底層數(shù)學(xué)方程的解析，而不是基于已知結(jié)果的主觀動(dòng)畫(huà)演示，真實(shí)性和接受性更好。④通過(guò)CFD如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際問(wèn)題方程的解析計(jì)算闡述，學(xué)生可進(jìn)一步獲得流體力學(xué)第三研究方法的認(rèn)知，加深對(duì)流體力學(xué)這一物理數(shù)學(xué)問(wèn)題的認(rèn)知。

2.學(xué)生培養(yǎng)預(yù)期成效。原理性虛擬實(shí)驗(yàn)的細(xì)化和豐富化，建立理論知識(shí)的模型載體，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解效果，提升學(xué)生對(duì)現(xiàn)有流體力學(xué)理論缺失的探索興趣；了解實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題的底層數(shù)學(xué)架構(gòu)、數(shù)學(xué)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法及其在計(jì)算平臺(tái)上的實(shí)施，讓學(xué)生更為深入的了解流體力學(xué)的內(nèi)涵，并豐富研究方法。

3.持續(xù)改進(jìn)的思考。根據(jù)流體力學(xué)案例的學(xué)生課后作業(yè)反饋情況，了解學(xué)生對(duì)數(shù)值仿真這一流體力學(xué)第三研究方法的認(rèn)知程度，考慮在下次教學(xué)中更加合理的安排此部分內(nèi)容的學(xué)時(shí)與知識(shí)框架。比對(duì)前一期未實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合教學(xué)的班級(jí)考試成績(jī)，查看學(xué)生知識(shí)掌握的總體情況，并結(jié)合學(xué)生的評(píng)學(xué)和課后交流，進(jìn)一步完善新設(shè)課程體系的架構(gòu)和內(nèi)容安排。

四、結(jié)語(yǔ)

流體力學(xué)是大量工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，現(xiàn)行教學(xué)一般在理論傳授的基礎(chǔ)上輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但常因硬件匹配、學(xué)時(shí)分配等種種因素，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法有效的穿插于理論教學(xué)之中，盡管目前出現(xiàn)了不少的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例與方法，但多基于已知結(jié)果通過(guò)動(dòng)畫(huà)直接演示，其結(jié)果的由來(lái)缺乏真實(shí)性和可接受性。本文擬結(jié)合CFD數(shù)值仿真方法，在理論教學(xué)中同步闡述流體力學(xué)問(wèn)題的底層數(shù)學(xué)模型以及數(shù)學(xué)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法，讓學(xué)生了解問(wèn)題發(fā)生的深層本質(zhì)，并利用計(jì)算結(jié)果在課堂理論教學(xué)過(guò)程中穿插虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，預(yù)期在學(xué)生認(rèn)知的完整性和深入性方面有更大的提高。

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