CFD軟件在計算空氣動力學課程中的應用

張立棟　薛琳

摘要：本文簡要分析了采用CFD軟件在計算空氣動力學課程產生的效果，通過與空氣動力學相關理論知識進行結合，既可以有助于學生們掌握空氣動力學的理論知識，加深對繞翼型流動過程的理解，又可以提高學生學習的興趣，拓展學生想象力。

關鍵詞：CFD；風電場；多媒體教學

中圖分類號：G642.421 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）31-0248-02

近年來，我國風力發電產業發展迅猛[1]，國內多所學校開設風能專業。傳統的“計算空氣動力學”是采用數值計算及公式推導抽象，不易理解，隨著計算機科學的發展，計算流體動力學得到了廣泛使用，相關軟件也發展迅速。CFD可形象地展示風力機葉片周圍流場狀態，實際與模擬對比，從晦澀的公式中解脫有助于提高學生的興趣[2，3]。

一、計算空氣動力學課程存在的問題

計算空氣動力學的教學內容豐富，如穩態及非穩態數值計算、不同模型等。傳統的黑板式教育可以對靜態、公式等進行細致推導，但對動態過程難以生動的描述。由于計算中涉及到迭代等較為抽象，學生理解費力。

實驗教學，可以幫助學生較好地理解尾流渦脫落，但每個學生都做一次實驗，其人工成本及實驗成本都較高，而且實驗的操作復雜，高精度實驗設備等價格昂貴，不能滿足學生人手一機的需求。同時，實驗過程中，葉片尾流渦的脫落過程受較多限制，為實驗教學帶來了不小的困難。

因此，CFD軟件可以通過數值計算對空氣動力學物理模型（葉片翼型）進行仿真和數據匯總處理、對比分析。分析不同風速對葉片的擾流及后續尾流產生及脫落；分析不同空氣密度對翼型升力及阻力系數變化等。

二、計算空氣動力學教學過程流程圖

通過參考有關書籍[4]及學生課堂反應情況，總結出計算空氣動力學，用CFD軟件教學過程流程圖，如圖1所示。根據教學大綱，學生按照操作流程逐步學習，每步具體內容再展開講解。這樣，可以使學生既掌握相關計算空氣動力學知識，又提高動手能力。操作步驟，即為貫穿計算空氣動力學課程主線可以使學生鞏固所學成果，加深學生計算空氣動力學的教學內容。學生親自算出來的結果，使學生對CFD軟件產生濃厚興趣，加大學習本門課程的源動力。

三、教學應用實例

授課過程中，學生遇到問題及學生創新思路進行舉例說明，幫助學生們更好的理解，拓展學生們的思維。采用saratov翼型進行仿真模擬前期網格劃分，生成圖2所示相應的網格文件。從圖2中，我們可以看出，翼型周圍所采用的是四邊形網格。圖2b是學生根據計算圖2a翼型時，通過思考，自己動手建立的二維網格模型，再對該網格進行仿真。

邊界條件及參數設置，選擇穩態模型，紊流模型選擇S-A模型二階迎風差分格式，來流速度V為8m/s。按照圖1的逐步設置，得到流場數據。

圖3是saratov翼型及其組合翼型周圍壓力分布圖，可看出吸力面及壓力面據相關知識分析翼型前緣壓力高的原因。

圖4是翼型周圍速度分布圖，沿來流方向組合后的翼型后速度最低，在翼型葉根處速度較大，是符合常識的，通過舉例說明使抽象的問題形象化。

圖5是翼型周圍速度的矢量圖，我們可以看到翼型后渦的產生過程。

三、結論

綜上，結合空氣動力學相關理論知識，對計算空氣動力學講解說明，可以使學生們加深空氣動力學的理論知識。通過組合翼型并對其進行分析，可以看出學生們的想法是新奇的，這說明學生們在學習的過程中進行了充分的思考，又通過這個計算空氣動力學這門課所講授的內容進行了理解與進一步拓展，不僅僅激發對計算空氣動力學的學習興趣，而且可以探索翼型未知問題。

參考文獻：

[1]秦云甫.淺談我國風電發展現狀、問題與對策[J].中國電力教育，2011，（3）：45-46.

[2]趙琴，楊小林，嚴敬.CFD技術在工程流體力學教學中的應用[J].高等教育研究，2008，25（1）：28-29.

[3]柏靜儒，辛思諭，王擎.CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析[J].中國電力教育，2014，（29）：43-45.

[4]韓占忠.FLUENT-流體工程仿真計算實例與分析[M].第一版，北京理工大學出版社：69-80.