基于CFD 輔助的工程流體力學課程教學改革與實踐

洪 鋒 胡 濤 張彬航 唐海波

（三峽大學機械與動力學院 湖北·宜昌 432300）

0 引言

“工程流體力學”是三峽大學能源與動力工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程，它是一門基礎性很強、應用性很廣的學科。由于該課程理論性與抽象性較強，大篇幅的微分方程推導常使學生感到該課程理論高深莫測，也不知該如何學好該課程。此外，傳統(tǒng)的課堂教學模式逐漸由板書過渡到PPT，課堂教學，特別是基本概念、原理的講解，很多時候呈現(xiàn)出一種“走馬觀花，一跳而過”的形式，使得學生逐漸產(chǎn)生學習畏難心理，甚至喪失學習的興趣。因此，對“工程流體力學”課程內(nèi)容與教學方法進行改革，是我校培養(yǎng)學生具有解決流體力學問題及工程應用能力的重要任務。

1 CFD 輔助教學的優(yōu)勢

在數(shù)學與計算機技術高速發(fā)展的今天，不論工程實踐還是科學研究，CFD 技術在求解流體力學問題時得到了廣泛應用。CFD 是專門用來進行流場分析、流場計算、流場預測的軟件。[1]CFD技術與傳統(tǒng)的理論分析方法、實驗方法組成了研究流體流動問題的完整體系。然而，絕大多數(shù)的非線性流動無法采用理論分析得到解析解，且實驗的方法存在諸多方面的限制，而CFD 技術恰好克服了這兩種傳統(tǒng)方法的弱點。通過CFD 計算，不但解決了無法采用理論分析求解的復雜流動問題，而且通過數(shù)據(jù)處理還能得到整個流場的速度分布、壓力分布以及其它物理量分布，達到在空間和時間上定量描述流場的目的。[2-4]因此，我們應該結合流體力學學科建設與發(fā)展，在本科“工程流體力學”課程中借助CFD進行輔助教學，是對教學內(nèi)容與方法進行改革一個非常合適有效的途徑。

2 CFD 輔助教學改革實踐需要解決的問題

CFD 全部工作是借助計算機完成，整個流程包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計算及后處理，分別在不同的軟件中完成。教師在授課過程中，教會學生軟件操作及對流動現(xiàn)象分析是主要任務。因此，在本科“工程流體力學”課程內(nèi)容與教學方法改革實踐中，需要解決如下問題：

（1）建立數(shù)值仿真實驗室，安裝相應軟件。

（2）編寫上機指導手冊，熟悉數(shù)值計算的流程。為使學生盡快熟悉CFD計算流程，特別是網(wǎng)格劃分、求解設置及后處理流程，指導教師需為學生編寫上機指導手冊。

（3）數(shù)值計算仿真學時的安排。在課堂內(nèi)通過2-4 學時完成這些簡單的流動問題CFD 現(xiàn)場教學。而對復雜三維流動問題的計算，課堂內(nèi)只對網(wǎng)格如何劃分、求解設置及結果處理進行展示，其具體的操作步驟及計算過程鼓勵學生自主安裝CFD軟件，課后進行自我練習。

（4）實際學習效果的評估。教師可以給學生提供某一工程實際問題案例，如橋墩繞流（即方柱繞流），通過圖表的方式為學生提供該問題的實驗測量數(shù)據(jù)，如速度分布；然后，對班級同學進行分組，每一個小組分別研究一個影響數(shù)值計算精度的因素，如邊界條件類型、網(wǎng)格類型、數(shù)值計算時間步長、湍流模型等；最后，通過不同計算方案的流動計算結果，來探究影響方柱繞流問題計算精度的主要因素，旨在培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

3 CFD 輔助教學改革實踐具體實施方法

在CFD 計算過程中，主要包含如下4 個步驟：（1）物理模型構建，即通過三維造型軟件對實際流動問題進行流體計算域繪制；（2）網(wǎng)格劃分，即基于離散的思想，通過微小體積的單元對計算域進行貼體填充，網(wǎng)格是CFD 計算的載體；（3）數(shù)值模型的構建，即選擇合適的湍流模型、邊界條件、控制方程求解格式等對流動問題進行數(shù)值描述；（4）計算及后處理，即選擇商用軟件（如FLUENT、CFX）對數(shù)值模型進行計算，并利用CFDPOST 等后處理軟件對流場計算結果進行分析及數(shù)據(jù)處理。

以翼型繞流流動為例，對伯努利方程的本質加以輔助說明，伯努利方程的物理意義可以描述為：對于理想不可壓縮且單值有勢的單位質量流體的機械能沿一條流線守恒。為幫助學習該方程本質及其工程應用，可讓學生上機，并在教師的指導下對二維CLARK-Y翼型繞流流動進行數(shù)值計算，后處理可以得到翼型表面總壓云圖（如圖1）、速度云圖（如圖2）等，這些云圖即反映了翼型外部流場特征。從壓力云圖中可以看到，在翼型頭部位置，由于水流在該處發(fā)生沖擊，導致頭部出現(xiàn)了局部高壓區(qū)，其外部為次高壓區(qū)；而再對比速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，此時翼型頭部的高壓區(qū)速度明顯低于次高壓區(qū)速度，這說明了在翼型繞流過程中，壓力大的地方，其速度就小，反之亦然。從能量角度，壓力體現(xiàn)壓能，速度體現(xiàn)動能，進一步說明流動中壓能與動能之間可以相互轉化，這與伯努利方程的本質相呼應。此外，分析壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，翼型上下表面壓力是不對稱的，這種壓力差作用在翼型表面上就產(chǎn)生了升力效果。

圖1 壓力分布

4 結束語

CFD計算可以將流體流動過程中抽象的概念具體化，使得流動更加形象和直觀。在工程流體力學課堂中，利用CFD 案例對課程中的一些抽象的概念、原理進行輔助教學，一方面可以激發(fā)學生的學習熱情，消滅學生學習上的惰性與畏難心理，使學生對這些理論知識有更加直觀形象的認識與學習，加深對基礎理論的理解和掌握；另一方面，進行CFD 案例分析，還可以拓寬學生知識面，培養(yǎng)學生的動手、獨立思考能力，以及發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，這對學生參與科研和工程實踐是一個很好的訓練，也是“工程流體力學”課程建設的需要和發(fā)展方向。

圖2 速度分布