將CFD技術融入船舶與海洋工程專業基礎教學的設想

孫士艷 陳林烽

摘? 要：隨著計算機技術的不斷進步，計算流體力學技術（CFD）飛速發展，在CFD技術浪潮下，許多科研人員對CFD技術開展研究，CFD技術已成為船舶工業的重要組成部分。在此背景下，文章提出將CFD技術融入船舶與海洋工程專業基礎類課程，加深學生對船舶與海洋工程專業基礎知識的理解，激發學生對本專業的學習興趣，培養學生的動手能力和創新能力。

關鍵詞：船舶與海洋工程;教學;計算流體力學技術;專業基礎課程

作者簡介：孫士艷，江蘇科技大學船舶與海洋工程學院講師，研究方向為水動力學、砰擊、波物相互作用;陳林烽，江蘇科技大學副教授，研究方向為粘性流體力學、大渦模擬。（江蘇 鎮江 212003）

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1671-0568（2019）21-0039-02

實踐教學是高校教學中的一種重要教學手段，有效的實踐教學不僅能夠鞏固深化理論知識，還能夠激發學生的探索熱情，從實踐中發現并解決問題。船舶與海洋工程作為一門專業性較強的學科，要求學生既具有一定的專業水平，又具有較強的實踐能力，因此，實踐教學模式的設計和豐富在船舶與海洋工程專業教學建設中發揮了重大作用。[1]與船舶與海洋工程專業結合最緊密的基礎理論學科為流體力學，流體可分為液體和氣體，在船舶與海洋工程專業中，液體主要指水，因此很多船舶與海洋工程專業的從業人員開展船舶水動力學方向的基礎研究和應用研究。計算流體力學技術（CFD）是開展船舶水動力學研究的重要方法之一，然而，在本科生專業教學方面，CFD技術與本科生幾乎沒有聯系，學生對水動力學的理解僅限于課本知識。此外，水動力學與固體力學不同，水動力學是以連續介質假設為基礎，涵蓋以流體質點為基本單位的運動學和動力學，理論性強，難以理解。因此，大部分本科學生畢業后，對本專業的認識仍然非常模糊。CFD技術引入成本低，容易入手，對學生的學習有一定的啟發作用。因此，將CFD技術融入本科專業基礎教學是非常有必要的。

一、計算流體力學（CFD）技術

CFD是計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，是流體力學和計算機科學相互融合的新興交叉學科。CFD興起于20世紀60年代，受計算機技術和成本限制，CFD技術并未得到廣泛發展。20世紀90年代以后，計算機硬件工業迅猛發展，為CFD的發展提供了堅實的物質基礎，CFD飛速發展，與實驗流體力學共同成為產品開發中的重要技術。

目前主流的CFD軟件有CFX、Fluent、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD等。這些軟件具有良好的人機交互界面，讓使用者無須精通CFD相關理論就能夠解決實際問題。在CFD之前，水動力學的研究方法主要為理論分析或模型實驗方法，這兩種方法都有較大的局限性，前者通常只適用于一些簡單流場或模型，后者則成本昂貴，這兩者對本科生的引導和啟發非常有限。相比之下，CFD技術具有易操作、可視化、可重復性、成本低廉等諸多優點，將其與水動力相關的本科生課程緊密聯系起來，能取得較好的教學效果。CFD的教學應用不僅可以加深學生對基礎理論的理解，還有助于開發學生的創新思維。

二、將CFD技術融入船舶與海洋工程專業教學的思路

CFD雖屬于一種邊緣學科，但其在數學領域和計算機領域均具有強大的生命力，沒有任何一項技術能夠取代CFD。在現實工作中，任何運動都遵循一定的自然規律，因此，利用 CFD 技術對流體力學進行研究時，也要遵循一定的自然規律。常用的自然規律包括：能量守恒定律、質量守恒定律、動量守恒定律等。此外，外界因素容易干擾流體的運動，并且流體運動會因此發生一系列的變化，CFD 技術的出現克服了外界因素對流體運動的干擾。CFD 技術的基礎是數學計算和流體力學，首先通過先進的科學計算機程序對數據進行研究分析，然后根據研究結果建立離散型數字模型，最后通過對離散型數學模型的分析來達到計算的目的。[2]

1.CFD在“船舶流體力學”課程中的應用實例。“船舶流體力學”是船舶與海洋工程專業的一門專業基礎課程。學習船舶流體力學的前提條件是掌握高等數學、張量分析和力學等基礎學科知識，學生在高中階段并未涉及前兩者，本科階段僅涉及到后者的靜力學部分，而對于更加難以理解的動力學部分，并未學習過，這使得船舶流體力學幾乎成為船舶與海洋工程專業最難的一門專業課。在一般情況下，學生學習完這門課程以后，只能達到會做題或考試的程度，而對問題背后的物理機理幾乎不理解。例如，如何用亥姆赫茲速度分解定理描述流體微團的運動，平動、線變形運動、角變形運動、旋轉分別對應什么樣的流體微團運動現象，如何用數學方式將這些分解后的運動清楚表達出來等問題。若想理解這些抽象的概念，學生需要在頭腦中對其進行形象加工，還有另外一種方法把抽象的問題形象化地表達出來，加深對物理問題本質屬性的理解。例如，在學習波浪理論時，最開始介紹的是波浪滿足的邊界條件，其中最重要的是自由液面邊界條件，自由液面邊界條件包括運動學邊界條件和動力學條件，運動學邊界條件本質上是在勢流理論范圍內建立關于流體質點的運動學表達式，流體質點的運動決定了波形的變化，因此可以通過波形的變化曲線推導出流體質點的運動速度，這是從理論角度考慮波浪問題的方法。為了讓理論問題更加形象化，可以采用CFD軟件將波浪中的運動描繪出來，圖1采用OpenFOAM模擬的波物相互作用流場，上課時以動畫形式展示此算例，可以加深學生對波面變化情況的理解。

2.CFD在“船舶阻力和推進”課程中的應用實例。“船舶阻力與推進”是集理論、實踐于一體的一門綜合性課程，要求學生具有一定的理論功底，因此“船舶流體力學”通常是這門課的先修課程。這門課程具有非常強烈的實踐性，實踐教學是此課程的重要教學方法之一靈活多變。例如，開展企業實踐教學，參加海洋航行器大賽和互聯網大賽等國內外重要比賽項目。其核心思想是以教材為主體，以課程大綱為指導，注重教學質量的提高和學生能力的培養，最大限度地調動學生的學習興趣，變被動學習為主動聽講，增強學生對知識的掌握和運用能力。[3]通過前面的分析，理解實踐教學對于“船舶阻力和推進”課程的重要性，但是實踐教學也有其局限性，例如，航行器大賽等比賽項目并不是所有學生都會參加，因此，在課堂上增設基于CFD技術的動畫演示，有助于增強學生對此課程的理解。若鼓勵學生采用一些CFD軟件對螺旋槳影響的流場進行數值模擬，學生將有更多的收獲。

三、結語

CFD技術在工業領域大量應用，在船舶領域也占據著重要的地位。CFD技術飛速發展，船舶與海洋工程專業也進入了迅猛發展的時期。目前在船舶與海洋工程水動力問題的分析中，大部分專業人員均采用CFD軟件進行數值模擬和物理現象分析。因此，將CFD技術融入專業基礎類學科的課堂教學，不僅會加深學生對理論知識的理解，還可以激發學生的學習興趣，拓寬學生的學術視野，提高學生的創新意識。

參考文獻：

[1] 趙珂，雷林，趙藤，袁培銀.船舶與海洋工程專業實踐教學模式探索[J].科技經濟導刊，2018，26（27）： 168+151.

[2] 梁孟.試論流體機械中CFD技術的應用進展與趨勢[J].建材與裝飾，2018，（51）：196.

[3] 張寶吉，周暉.卓越工程師培養計劃的“船舶阻力與推進”課程的教學改革與實踐[J].船海工程，2016，45（6）：158-160.

責任編輯? 陳? 佩