CFD和三維激光粒子測速技術(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

孫澤 陳杭 許妍霞 劉程琳 宋興福 于建國

摘 要：工程流體力學(xué)是資源循環(huán)科學(xué)與工程的核心課程之一，在課堂教學(xué)中除了講授流體力學(xué)知識，教會學(xué)生使用先進(jìn)的流場測試手段以及數(shù)值模擬工具也是極其重要的一個環(huán)節(jié)。結(jié)合科研實踐，將目前先進(jìn)的三維激光粒子測速技術(shù)（V3V）講授給學(xué)生，同時將計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值軟件Fluent的相關(guān)使用和操作教授給學(xué)生，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行良好的實踐，加深理論學(xué)習(xí)效果，同時培養(yǎng)了相關(guān)技能，對學(xué)生將來工作和繼續(xù)深造都有重要作用。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；CFD；三維粒子測速技術(shù)；資源循環(huán)科學(xué)與工程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-000X（2018）20-0076-03

Abstract： Engineering fluid mechanics is one of the core courses of Resource Recycling Science and Engineering. In addition to teaching fluid mechanics knowledge， teaching students to use advanced flow field testing methods and numerical simulation tools is also an extremely important part. In combination with scientific research practice， the current advanced Volumetric 3-Component Velocimetry （V3V） is taught to students， and the related use and operation of Computational Fluid Dynamics （CFD） numerical software， which is known as Fluent， is taught to students. Thus， students can combine the theoretical study and practical application， as well as develop their related skills， which will play an important role in students' future work and further education.

Keywords： Engineering Fluid Mechanics； CFD； Volumetric 3-Component Velocimetry； Resource Recycling Science and Engineering

華東理工大學(xué)資源循環(huán)科學(xué)與工程是國家級特色專業(yè)，類屬化學(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科，是全國首批設(shè)置的十個資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)之一。該專業(yè)依托學(xué)校化學(xué)工程與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與工程兩個一級學(xué)科，以化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室、國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)中心、大型工業(yè)反應(yīng)器教育部工程研究中心、資源過程工程教育部工程研究中心、能源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理研究所等科研基地，構(gòu)建了教學(xué)與科研、理論與實踐教學(xué)、教學(xué)與科研基地建設(shè)、產(chǎn)學(xué)研合作與工程能力培養(yǎng)密切結(jié)合的一體化教學(xué)體系。

工程流體力學(xué)是資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，主要通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生獲得工程流體力學(xué)的基本理論和技術(shù)方法，并能運(yùn)用所學(xué)的方程和方法去解決工程實際中的有關(guān)流體力學(xué)問題，同時培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新思維能力。課程既具有理論性，又具有實踐性，所以在理論講授的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)實踐內(nèi)容，是課程內(nèi)在的需求。

現(xiàn)代流體力學(xué)研究方法包括理論分析，數(shù)值計算和試驗研究三個方面。這些方法針對不同的角度進(jìn)行研究，相互補(bǔ)充。理論分析為數(shù)值計算和試驗研究提供有效的指導(dǎo)；試驗是認(rèn)識客觀現(xiàn)實的有效手段，驗證理論分析和數(shù)值計算的正確性；計算流體力學(xué)CFD是數(shù)值計算的重要表達(dá)方式，用來補(bǔ)充理論及試驗的空缺。

計算流體力學(xué)CFD是解決流體力學(xué)問題的有效手段，同時通過電腦的可視化操作，可以增加流體流動現(xiàn)象的直觀認(rèn)識，所以在流體力學(xué)課程講授基礎(chǔ)理論的過程中，教會學(xué)生使用數(shù)值模擬軟件，解決實際流體力學(xué)問題，是工程流體力學(xué)課程必要的環(huán)節(jié)。

三維激光粒子測速技術(shù)（V3V）是基于兩維激光粒子測速發(fā)展而成，是目前三維流場測量的最先進(jìn)的手段之一。資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)課程之前，已經(jīng)完成了專業(yè)實驗“圓柱繞流尾渦流場的PIV可視化測量”，學(xué)生已經(jīng)掌握了激光粒子測速的基本原理和基本操作。所以在工程流體力學(xué)課程講授過程中，可以增加三維激光粒子測速儀（V3V）的相關(guān)原理和操作，拓寬學(xué)生的視野，同時激發(fā)學(xué)生對科研的興趣。

一、CFD和V3V輔助教學(xué)

學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)時對一些公式、原理沒有直觀認(rèn)知，學(xué)習(xí)起來比較吃力。使用CFD軟件輔助工程流體力學(xué)教學(xué)，使得學(xué)生既可以直觀的學(xué)習(xí)一些流體力學(xué)基礎(chǔ)知識，又可以對CFD軟件有所認(rèn)識，為下一步的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。常用的CFD 計算軟件有FLUENT 、CFX、Phoenix 等。Fluent是目前國際上比較通用的商用CFD軟件包，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的流體問題均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

由于社會的進(jìn)步，高校學(xué)生目前基本都配備有筆記本電腦，筆記本電腦雖然無法運(yùn)行大型的流體案例，但是作為課堂教學(xué)，運(yùn)用筆記本電腦運(yùn)算兩維的簡單案例，完全可以實現(xiàn)，所以在目前的CFD軟件教學(xué)中，不需要另外配置運(yùn)算資源，使得CFD教學(xué)易于實現(xiàn)。在工程流體力學(xué)課堂教學(xué)的同時，安排學(xué)生在課外安裝Fluent軟件，課堂上對Fluent的基本操作進(jìn)行講解，同時安排若干兩維平面的經(jīng)典流動，學(xué)生進(jìn)行實際操作，實現(xiàn)學(xué)生對軟件的掌握。

例如課程進(jìn)行到管流時，可以利用CFD軟件直接進(jìn)行求解，獲得管流的相關(guān)特征參數(shù)，并實現(xiàn)可視化，這樣學(xué)生會更加的牢固的掌握流體知識。講授到邊界層時，兩維的卡門渦階是最好的案例，同時學(xué)生在做案例的時候，也學(xué)會了大型CFD軟件的使用，以后學(xué)生無論是讀研究生還是直接工作，都掌握了數(shù)值模擬工具，對其將來的發(fā)展具有積極意義。

除了講授數(shù)值計算知識和軟件求解，工程流體力學(xué)還開展了實驗測量輔助課堂教學(xué)。目前，流體研究領(lǐng)域最先進(jìn)的流場測試為無接觸測量，激光粒子測速儀（PIV）是無接觸測量的代表：1. 由于它以非接觸方式測量流體的瞬時速度場，測量裝置對流體的干擾幾乎可以不計，因此測量結(jié)果精度高；2. 可以將整個流場成像并將流場的全部速度矢量進(jìn)行細(xì)致的描述，因此人們可以獲得對整個流場的全面認(rèn)識，這一特點是其它流體測量技術(shù)不可比擬的。

在PIV發(fā)展的基礎(chǔ)上，美國TSI公司又開發(fā)了三維流場測試技術(shù)V3V。V3V原理和PIV技術(shù)一樣，都是測量示蹤粒子在？駐t時間內(nèi)的位移，再通過計算機(jī)計算獲得的示蹤粒子的運(yùn)行速度，通過示蹤粒子的速度來計算流場的速度分布，但是PIV只能測量片狀激光照亮的平面區(qū)域，缺乏對流場三維空間的分析，而V3V技術(shù)利用三個相機(jī)鏡頭，通過小孔成像原理，實現(xiàn)了流場三維空間的測量和分析。目前這樣的三維無接觸流場測量技術(shù)還屬于流場測量領(lǐng)域的前沿。在工程流體力學(xué)教學(xué)過程中，將無接觸測量技術(shù)融入課堂教學(xué)，同時講解最新的進(jìn)展，組織學(xué)生參觀V3V的拍攝過程，增強(qiáng)學(xué)生對先進(jìn)流場測量技術(shù)的認(rèn)識，同時加深學(xué)生對流體知識的掌握。

二、具有專業(yè)特色的內(nèi)容，因材施教

雖然課程教學(xué)中引入了CFD軟件和三維流體測量設(shè)備，但是，由于學(xué)生人數(shù)較多，同時學(xué)生興趣不一，所以在基礎(chǔ)教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行因材施教的擴(kuò)展。

工程流體力學(xué)是資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，所以教學(xué)過程中，V3V的實驗演示、CFD的算例，都是和本專業(yè)密切相關(guān)的實驗和項目，由國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心博士生執(zhí)行。主要的實驗和計算：電解鎂多相流場實驗測量、氯化鎂直接熱解獲得高純氧化鎂顆粒的噴霧流場數(shù)值模擬，如圖2、圖3所示。教學(xué)班學(xué)生分為2-4組進(jìn)行實驗參觀，有興趣的學(xué)生還可以在其他時間和博士生繼續(xù)進(jìn)行實驗和計算，拓展知識面。

CFD的教學(xué)則在基本案例的前提下，對于愿意進(jìn)一步深入的學(xué)生，進(jìn)行單獨的教學(xué)，國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心提供計算資源，由任課教師對這些學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的案例講授，同時進(jìn)行上機(jī)實習(xí)。由于計算資源已實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，所以學(xué)生在非上課時間都可以進(jìn)行上機(jī)練習(xí)，培養(yǎng)了對流體有濃厚興趣學(xué)生的能力，同時一部分保送研究生的學(xué)生也加強(qiáng)了數(shù)值計算的能力。

三、良好的教學(xué)效果

經(jīng)過幾年的探索，CFD和高級先進(jìn)流體測量技術(shù)進(jìn)課堂的嘗試已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗，但是由于CFD和先進(jìn)測量技術(shù)的復(fù)雜性，這一部分的探索還在繼續(xù)，以達(dá)到逐步完善，臻于完美的境界。

通過因材施教的教學(xué)，流體知識掌握較好的學(xué)生在班級中形成了學(xué)習(xí)流體知識的核心，圍繞這些學(xué)生，其他同學(xué)也在積極的進(jìn)行流體知識探索，而這些學(xué)習(xí)領(lǐng)先的學(xué)生又可以對其他學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，形成了教師講授、優(yōu)秀學(xué)生學(xué)習(xí)消化、同時進(jìn)行知識擴(kuò)散的良性循環(huán)，實現(xiàn)了資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生對流體力學(xué)知識的良好掌握，教學(xué)取得了良好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王小兵，劉揚(yáng)，趙會軍.PIV在“工程流體力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育，2012，25：53-55.

[2]沈妍，姚江，何曉 ，等.工程流體力學(xué)與CFD軟件、創(chuàng)新實踐平臺的結(jié)合[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017，259：46-48.

[3]蔣光彪，殷水平，陳勝銘，等.CFD軟件及源程序輔助工程流體力學(xué)課程教學(xué)的探索與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（5）：154-157.

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

[5]張引弟，廖銳全，李元鳳，等.《工程流體力學(xué)》課程考核方式的教學(xué)改革與實踐[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，40（4）：139-143.

[6]Hang Chen， Ze Sun， Xingfu Song， Jianguo Yu. A pseudo-3D model with 3D accuracy and 2D cost for the CFD-PBM simulation of a pilot-scale rotating disc contactor[J].Chemical Engineering Science. 2016，139：27-40.

[7]Yanxia Xu， Xingfu Song， Ze Sun， Bo Tang and Jianguo Yu. Steady-State Distribution of Air-Core in a Hydrocyclone[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2017，95（4）：757-766.

[8]Toufik Boushaki， Amine Koched， Zakaria Mansouri， Florian Lespinasse. Volumetric velocity measurements （V3V） on turbulent swirling flows[J].Flow Measurement and Instrumentation.2017，54：46-55.

[9]Chenglin Liu， ZeSun， GuiminLu， XingfuSong， JianguoYu. 3D and 2D experimental views on the flow field of gas-evolving electrode cold model for electrolysis magnesium[J].Flow Measurement and Instrumentation.2015，45：415-420.