Fluent軟件在能源與動力工程專業課教學中的應用探索

趙麗娟 賈培英 楊賀緒

摘??要：能源與動力工程專業課理論性強、難度大、學生學習起來困難。本文將Fluent軟件引入能源與動力工程專業課教學中，分析了Fluent軟件與專業課結合的現狀，提出了Fluent軟件在專業課中應用的步驟，并結合案例說明了Fluent軟件在專業課中應用的可行性。將Fluent軟件引入能源與動力工程專業課的教學中，不僅可以激發學生學習興趣，還可以培養學生解決工程實際問題的能力，為我們推進教學改革提供了一定的思路。

關鍵詞：Fluent軟件;專業課;教學

隨著高等教育教學應用型改革和發展的需要，我校能源與動力工程專業開始致力于培養立足于社會，服務于地方經濟，面向全國的應用型人才，要求學生不僅要有非常扎實的基本知識，還要具備利用自己所學知識解決實際工程問題的能力。傳熱學、流體力學、汽輪機原理、鍋爐原理與構造、泵與風機等課程是能源與動力工程專業學生必修的課程，這些課程理論性較強，內容難度較大，集理論性、抽象性和實踐性為一體，具有理論抽象、實踐操作技能性強的特點。在實際教學中發現，由于學生缺乏實踐經歷，僅僅停留在理論理解層面上，難以與工程實際結合起來，學生普遍學習興趣不高。另外有些實踐環節流于形式，學生走馬觀花，未能真正掌握和理解實踐課的內容，不利于學生實踐應用能力的提高。

近年來，隨著計算機水平的不斷提高，將計算機模擬與傳統課堂教學模式結合起來，將Fluent軟件數值模擬仿真運用在能源與動力工程多門課程的教學中，將能源與動力工程各專業課程緊密結合起來，通過這樣的教學改革，調動學生積極性，培養學生自主學習的能力，提升學生解決工程實際問題的能力。

1?Fluent軟件與專業課教學結合的現狀分析

Fluent軟件用來模擬求解具有復雜外形的流體流動、熱傳導、熱傳遞、化學反應等相關問題。Fluent軟件以其在非結構網格的基礎上提供豐富的物理模型而著稱，提供了豐富的湍流模型;一系列對流、熱傳導及輻射的模型;與其他傳熱緊密聯系的汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、濕蒸汽模型;復雜的多項流模型及化學反應模型等，應用范圍及其廣泛。

由于能源與動力工程專業課難度較大，專業性較強，學生學習興趣不高，教學效果不理想。將Fluent軟件引入專業課教學中，能夠生動、形象的展示各種數值方法的計算結果，將抽象的概念、理論變成形象的畫面，并結合基礎理論進行對比講解，加深學生對相應知識的理解，從而達到激發學生的學習興趣，改善教學效果的目的。于萍等[1]將Fluent軟件引入到工程流體力學教學中，更直觀的顯示流體的粘性效應，教學效果較好。向夏楠[2]將Fluent軟件引入傳熱學的教學中，引入案例，提升學生學習興趣。劉競之[3]將Fluent軟件引入水利機械課程教學中，展示水利機械內部工作狀態，提升學生學習效果。陳善群等[4]將Fluent軟件引入土建類流體力學課程中，對一些典型流動問題進行數值模擬，提高學生學習興趣。黃茜等[5]將Fluent軟件引入油氣儲運工程專業課程教學中，借助圖形顯示功能，使學生直觀的觀察管道和設備內的流動情況，提升教學效果。楊秀萍等[6]將Fluent軟件引入液壓傳動教學中，直觀展示了流體在元件內部的流動情況，加強了教學與工程應用之間的有機結合。

近年來，Fluent軟件廣泛的應用于本科教學中，直觀的反應流場流動的情況，清晰的展示流體機械內部的流體流動，達到提升學生學習興趣，提高教學效果的目的。能源與動力工程各門專業課緊密相連，引入Fluent軟件，不僅可以模擬單一知識點，還可以將各門課程知識串聯起來，使學生更深層次的掌握所學內容。

2?Fluent軟件與能動專業課結合的步驟

能源與動力工程專業課程聯系密切，從熱力學、流體力學，傳熱學這些專業基礎課到汽輪機原理、鍋爐原理與構造、泵與風機、換熱器原理與設計等專業課、環環相扣、息息相關，在專業基礎課教學時，學生對整個專業知識比較缺乏，教師根據教學內容可以采用教師上課展示或者可以指導學生進行初步的模擬。沈冬梅等[7]在教學中講解流場等基本概念時，引入Fluent軟件，讓學生清晰的觀察到流場的速度場，教學效果較好。在專業課的教學中，學生已經有了一定的積累，對軟件也有了一定的熟悉，教師可以引導，讓學生獨立完成。劉競之[3]等運用Fluent軟件模擬流體機械內部流場，加深學生對流體機械的認識，教學效果較好。

在教學過程中引入Fluent軟件，教師在教學過程中，給學生布置模塊任務，引導學生完成教學任務，圖1呈現了采用Fluent軟件進行數值模擬時的步驟。將數值模擬過程分為前處理和后處理，前處理過程需要學生在課下完成。學生根據教師提供的教學任務，明確所涉及的知識點，初步確定幾何模型，確定模擬過程中需要哪些邊界條件，并采用相關軟件建模及劃分網格。后處理過程需要教師和學生共同在課上完成，課上經過教師的分析講解，學生在課上設置邊界條件，設置求解參數，運行處理，分析結果，學生課下完成分析報告。

將Fluent軟件引入到教學過程中，存在的最大問題是學生對軟件學習困難，不熟練，模擬時間長，占用課堂時間。為了方便在教學過程中學生能盡快熟悉軟件，學會初步的使用，我們編寫了仿真實例指導書，并將操作過程錄制視頻，供學生課下學習。同時，

由于時間限制，教師發布教學任務時要考慮模擬求解所用的時間，盡量都采用二維簡單的模型，網格數量少，盡量在課堂完成。對于不同工況的模擬，教師可以將學生分組，分項目進行模擬，最終匯總對比結果。

3?案例分析

Fluent軟件在能源與動力工程多門專業課中都得到了應用，本文以泵與風機課程為例，講解關于離心泵內部的流場速度壓力的變化情況。

在上課之前，布置教學任務。需要模擬離心泵內部的流場變化情況，需要分析離心泵工作時內部流場速度和壓力的變化規律。已知離心泵的流量、轉速、葉輪直徑、輪轂直徑、葉片數，通過計算得到幾何模型，并完成建模，并導入Fluent軟件，課前將學生進行分組，學生通過小組合作，共同完成作業，每組學生的數據都不一樣，學生根據自己小組的參數進行計算，教師將提前關于離心泵建模的相關視頻錄制好，發給學生提前學習。學生課下完成的作業如圖2所示。