Fluent軟件在水力機械課程教學中的應用

摘 要：《水力機械》是流體機械專業一門重要的基礎課程，也是學生在水力機械研究過程中應掌握的基礎知識，具有理論抽象、內容復雜的特點。本文提出利用Fluent軟件直觀形象和可視化的優點，在課堂教學過程中生動展示水力機械內部工作狀態，使學生在理解水力機械課程中抽象概念的同時，激發自身的創造性思維。對學生掌握應有的專業知識有著重要意義，對學生開展進一步研究有著指導性作用。

關鍵詞：水力機械;Fluent軟件;可視化;教學研究

一、緒論

《水力機械》是流體機械專業開設的一門專業基礎課程，屬于機械領域的一個分支。本課程要求學生學習掌握葉片式水泵、水輪機和水泵水輪機的工作原理、工作參數、主要類型和選擇方法等相關基礎知識，了解水力機械振動問題等內容[1]。通過學習《水力機械》，學生牢固掌握了專業知識，也為今后在水力機械領域的深層次研究打下了堅實基礎。

然而，《水力機械》的教學過程比較困難，學生對其知識的理解不夠理想。一方面，課程內容抽象、概念性強，如：葉片泵按照工作原理分為離心泵、軸流泵、混流泵。而離心泵按照結構型式進一步分為單級單吸臥式離心泵、單級雙吸臥式離心泵、分段式多級離心泵、井用水泵。這給學生理解葉片泵的工作原理和基本結構造成了困擾。另一方面，由于課時的不斷壓縮，學生在短時間內難以充分理解模型，對課程容易厭倦，缺乏主動學習的同時，也難以建立自身創造性思維。

隨著計算機可視化軟件的發展，有限元仿真軟件代表之一的Fluent為短時間、高質量的學習提供了可能。欒一剛等[2]將Fluent軟件應用于工程流體力學課程教學中，使用有限元軟件展示了牛頓平板流動現象。楊小平等[3]將Fluent軟件應用于計算流體力學課程教學中，使用有限元軟件展示了塔式太陽能吸熱器的吸熱管傳熱現象。于萍等[4]將Fluent軟件應用于工程流體力學課程教學中，使用有限元軟件展示了粘性流體外部繞流現象。胡朋等[5]將Fluent軟件應用于土木工程專業工程結構抗風實驗教學中，使用有限元軟件展示了風場結果。許靜等[6]將Fluent軟件應用于流體機械原理課程教學中，使用有限元軟件展示了離心泵流場壓力。

本文將Fluent軟件應用于水力機械課程教學中，使用有限元軟件對離心泵內部流場進一步仿真，展示包括離心泵內部流體軌跡、離心泵內部流體速度、離心泵內部流場壓力。幫助學生獲得感性認識，形象理解離心泵內部流動情況。

二、Fluent軟件介紹

Fluent軟件在國際上是較為流行的商用CFD軟件之一，凡是與流體、熱傳遞及化學反應等相關的工程問題，運用Fluent均可以進行求解。

Fluent包含大量的物理模型、前沿的數值方法以及優異的前后處理功能，在汽車設計、化工、航空航天、機械工程等方面有著廣泛的應用。例如，在石油天然氣工業上的應用包括井下作業、噴射控制、油氣消散與聚集、燃燒、環境監測、多相流、管道流動等。

Fluent軟件具有模擬層流、紊流、熱量傳遞和化學反應等現象的能力，在工業領域上可以分析很多具體實例，從血液流動到流過飛機機翼的氣流，從鉆井平臺到鼓泡塔，從半導體生產到爐膛內的燃燒，從污水處理裝置到無塵室設計等。軟件中的特殊模型可以用于進行渦輪機械、空氣聲學、缸內燃燒和多相流系統的模擬工作。[7]

在水力機械課程教學中，運用Fluent軟件模擬流體機械內部流場，既解決了傳統課堂內容抽象枯燥的問題，又解決了實物模型的笨重、缺乏變通等問題。課堂內容更加形象化，立體感鮮明，加深了學生對流體機械的認識，實現了課堂教育的目的。

三、Fluent軟件教學實例

在水力機械課程教學中，通過Fluent軟件仿真結果講解離心泵內部流場狀況，以及能量轉化過程等內容。

如圖1，2所示葉片式離心泵有限元計算模型，設計參數為：流量Q=50m3/h，轉速n=3000r/min，出口壓力P=0.80MPa，葉輪外徑D=280mm。

從圖4仿真結果可以看到，水流在離心泵葉輪的作用下，壓力有逐漸增大的趨勢。此時，旋轉的葉輪對水流做功，葉片轉動產生的機械能一部分轉化為水流的靜壓能。

四、結論

本文通過Fluent軟件仿真水力機械中單級離心泵的案例，直觀展示了離心泵內部流體軌跡、離心泵內部流體速度、離心泵內部流場壓力，將《水力機械》中的理論與可視化仿真模型巧妙結合。在增強學生對水力機械認知的同時，幫助學生進行拓展性研究，有利于激發學生創造性思維，培養自身的創新能力，一定程度上提高了學生的學習熱情和效率。使學生在有限的學習時間內，獲得更高質量的學習效果。

參考文獻：

[1]陳婧，張宏戰，王剛.水力機械[M].北京：中國水利水電出版社，2015：1.

[2]欒一剛，萬雷，孫濤，孫海鷗.Fluent軟件在牛頓平板流動現象可視化演示中的應用[J].黑龍江科學，2019，10（4）：22-23.

[3]楊小平，蔡卓第.數值模擬在傳熱流動教學中的應用案例[J].廣東化工，2018，15（45）：232-233.

[4]于萍，郭華鋒.FLUENT軟件在工程流體力學教學中的應用[J].教育教學論壇，2018，16：271-272.

[5]胡朋，韓艷.Fluent在工程結構抗風實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2017，4（34）：138-142.

[6]許靜，錢昆，李斌，孫珺，倪敬.Fluent軟件在流體機械原理課程教學中應用[J].科技風，2016，（12）：5.

[7]丁欣碩，劉斌.Fluent17.0流體仿真從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2018：21.

作者簡介：劉競之，男，太原理工大學碩士研究生。