CFD數(shù)值模擬在計(jì)算流體力學(xué)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

王瑩+孫曉晶

摘要：計(jì)算流體力學(xué)是熱能動(dòng)力工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容與特點(diǎn)，探討了將CFD數(shù)值模擬技術(shù)引入到項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的教學(xué)方法，并以Fluent仿真軟件為例，描述了CFD數(shù)值模擬技術(shù)在計(jì)算流體力學(xué)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué);CFD數(shù)值模擬;項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）06-0141-02

計(jì)算流體力學(xué)CFD是流體力學(xué)的一個(gè)分支，是能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課。課程講授CFD數(shù)值模擬的基本思想、基本方法以及常用CFD數(shù)值模擬工具的使用，通過(guò)教學(xué)使學(xué)生了解、掌握CFD數(shù)值模擬的基本知識(shí)，為將來(lái)在涉及流體流動(dòng)問(wèn)題的研究和設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用CFD數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)。在計(jì)算流體力學(xué)教學(xué)中，可將仿真技術(shù)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式加入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以加深對(duì)概念、公式以及數(shù)值方法的理解，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)能力。如何利用好仿真軟件的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，將其引入到計(jì)算流體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，提高教學(xué)效果是本文要探討的主要問(wèn)題。

一、CFD數(shù)值模擬在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)課程教學(xué)任務(wù)及其特點(diǎn)，選擇適用的教學(xué)方式是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師授課為中心，注重基礎(chǔ)理論知識(shí)的傳授與講解。在教學(xué)過(guò)程中，教師往往花費(fèi)大量的時(shí)間和精力介紹計(jì)算流體力學(xué)的基本原理并進(jìn)行相關(guān)理論公式的推導(dǎo)，學(xué)生并不能理解計(jì)算流體力學(xué)的工程應(yīng)用背景和意義，學(xué)生所接受的理論知識(shí)絕大部分來(lái)源于授課教師的灌輸。

由于計(jì)算流體力學(xué)課程涉及內(nèi)容的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的教學(xué)方法與手段，使得教師和學(xué)生在此課程的講授和學(xué)習(xí)中都遇到一定的困難和問(wèn)題。涉及基本方程和數(shù)值方法公式推導(dǎo)的部分，傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)方式可使學(xué)生對(duì)推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行邏輯思維，對(duì)推導(dǎo)得到的公式和結(jié)果也會(huì)更加印象深刻。對(duì)于比較復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容以及公式的應(yīng)用，則可借助計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的方式進(jìn)行輔助教學(xué)，讓學(xué)生直觀地了解不同公式的應(yīng)用過(guò)程和數(shù)值模擬結(jié)果。由于流體力學(xué)控制方程一般是非線(xiàn)性的，只有極少數(shù)情況下才能得到解析解，與工程相關(guān)的復(fù)雜流體力學(xué)問(wèn)題幾乎不能得到解析解，而實(shí)驗(yàn)研究一般是在模擬條件下完成的，幾乎所有的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備都不能完全滿(mǎn)足所有參數(shù)和相似定理的要求。通過(guò)CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可以設(shè)計(jì)一些虛擬的實(shí)驗(yàn)，過(guò)程中可選用不同公式模型和數(shù)值方法，數(shù)值模擬所得的結(jié)果直觀，彌補(bǔ)了理論教學(xué)內(nèi)容的不足。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，或稱(chēng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，是一種以學(xué)生為中心的教育方式。要求學(xué)生通過(guò)一系列個(gè)人或合作完成的任務(wù)，借助他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，獲取知識(shí)和技能[1]。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中，借助CFD數(shù)值模擬形象的模型分析與演示，既便于教師對(duì)計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用于工程問(wèn)題的知識(shí)講述，又使學(xué)生對(duì)計(jì)算流體力學(xué)理論知識(shí)有更加深刻的理解。

二、CFD數(shù)值模擬在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題

1.根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)教材，結(jié)合學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況，對(duì)某些重點(diǎn)、難點(diǎn)以及不宜課堂講解的地方，考慮能否應(yīng)用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行輔助教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)捻?xiàng)目案例，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)方法，使其發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)才能獲得更好的教學(xué)效果。

2.在教學(xué)過(guò)程中，向?qū)W生展示CFD數(shù)值模擬在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的前沿應(yīng)用、經(jīng)典案例。在課程教學(xué)中可以隨時(shí)調(diào)用視頻錄像或仿真軟件，將計(jì)算流體力學(xué)的一些前處理、流場(chǎng)計(jì)算和后處理等復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真演示。這樣可以激發(fā)學(xué)生利用相關(guān)數(shù)值模擬軟件對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至展開(kāi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

3.選取若干具體案例為“項(xiàng)目”任務(wù)以達(dá)到對(duì)前一階段課堂講授知識(shí)、技能傳授的總結(jié)與升華;項(xiàng)目?jī)?nèi)容中含有學(xué)生從來(lái)未遇到的問(wèn)題，需要具備有一定難度。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算流體力學(xué)仿真分析實(shí)例庫(kù)，這樣老師就可以方便地進(jìn)行講解，并給學(xué)生提供直觀、形象的過(guò)程與結(jié)論，學(xué)生理解起來(lái)會(huì)更容易。

三、CFD數(shù)值模擬在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用案例

1.概念設(shè)計(jì)。氣力輸送過(guò)程非常復(fù)雜，過(guò)去和現(xiàn)在多依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)解決問(wèn)題。對(duì)一般粉體材料，在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分時(shí)，可以得到比較可靠的結(jié)果。傳統(tǒng)方式靠人工計(jì)算過(guò)于費(fèi)時(shí)間，現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，能較快地得到計(jì)算結(jié)果。計(jì)算機(jī)能在較短的時(shí)間內(nèi)繪出初步的圖紙，因此在粉體的氣力輸送過(guò)程中能做更多的方案比較，使設(shè)計(jì)更加合理。數(shù)值模擬可以提供一些實(shí)驗(yàn)測(cè)量中無(wú)法提供的數(shù)據(jù)。在概念設(shè)計(jì)階段，老師和學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的討論。教師起初先不必框定具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而是要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際情況進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，獲得設(shè)計(jì)的大方向，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步通過(guò)閱讀文獻(xiàn)和資料收集，確立實(shí)施思路和初步的方案，獲取可借鑒的工程案例。

2.詳細(xì)設(shè)計(jì)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，教師需要預(yù)先講授CFD數(shù)值模擬工具的使用，以Fluent為例，該軟件是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車(chē)設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在這個(gè)階段，學(xué)生通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣力輸送過(guò)程的調(diào)研資料和文獻(xiàn)資料，結(jié)合氣力輸送設(shè)備工藝特點(diǎn)，利用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件Fluent建立可靠的氣力輸送三維數(shù)學(xué)模型。對(duì)所建立的數(shù)值模擬模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，在此過(guò)程中，教師可以為學(xué)生講解計(jì)算域離散成網(wǎng)格點(diǎn)的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，利用所建立的氣力輸送三維數(shù)學(xué)模型對(duì)飛灰的氣力輸送進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，由此對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型的可靠性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)中教師需要著重引導(dǎo)學(xué)校在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，挖掘?qū)е聠?wèn)題產(chǎn)生的根源，在CFD模擬過(guò)程中，要確定邊界條件、數(shù)學(xué)模型和求解方法。氣力輸送屬于大型工業(yè)輸送物料設(shè)備，雖然輸送管道幾何形狀簡(jiǎn)單，但是總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，并且管道內(nèi)的輸送過(guò)程涉及到固相和氣相相互作用、物料顆粒湍動(dòng)粘度以及顆粒間的相互碰撞，過(guò)程非常復(fù)雜。在此過(guò)程中，老師可以為學(xué)生講解各種邊界條件的優(yōu)缺點(diǎn)以及選擇依據(jù)、數(shù)學(xué)模型的原理和應(yīng)用范圍、求解格式的選擇及相應(yīng)的計(jì)算方法和方程。

4.改進(jìn)設(shè)計(jì)。將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行分析和比較，分析邊界條件、數(shù)學(xué)模型和求解方法對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過(guò)查閱文獻(xiàn)了解最新CFD數(shù)值模擬技術(shù)和方法，并嘗試應(yīng)用到項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中，提高數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。可以利用該數(shù)值模擬數(shù)據(jù)研究氣力輸送旁管道內(nèi)壓降隨著顆粒直徑、顆粒密度的變化規(guī)律，并通過(guò)改變旁通管幾何比以及壁面粗糙度的大小，研究管道結(jié)構(gòu)和管道特性對(duì)壓降的影響。

從“概念設(shè)計(jì)”、“詳細(xì)設(shè)計(jì)”、“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”和“改進(jìn)設(shè)計(jì)”這幾個(gè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以看到，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的最主要的特征就是教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)尋找完成工作任務(wù)的途徑與方法，圍繞工作項(xiàng)目完成調(diào)查研究、網(wǎng)絡(luò)信息搜集、文獻(xiàn)查閱、個(gè)人獨(dú)立思考、討論答辯、團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)等各項(xiàng)相關(guān)的實(shí)踐與創(chuàng)造活動(dòng)[2]。

在實(shí)施過(guò)程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生查閱資料獲取類(lèi)似項(xiàng)目的技術(shù)路線(xiàn)、解決方案與相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)錯(cuò)誤明顯的方案做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)、糾正，使方案盡量集中在合理的范圍之內(nèi)[3]。需要選擇貼近實(shí)踐的項(xiàng)目案例，將CFD數(shù)值模擬軟件融入到分組學(xué)習(xí)和應(yīng)用指導(dǎo)的整個(gè)過(guò)程，使學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)及完成過(guò)程中加深對(duì)理論知識(shí)的理解及實(shí)際應(yīng)用，提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在實(shí)施的過(guò)程中，表現(xiàn)出以項(xiàng)目為本位、以學(xué)生為主體的重要特征。教師教授和引導(dǎo)的是項(xiàng)目實(shí)施所需的技能、系統(tǒng)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)，最終考核的是學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、應(yīng)用、創(chuàng)新和總結(jié)。將CFD數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算流體力學(xué)理論教學(xué)，可以使教學(xué)質(zhì)量得到明顯提高，可以幫助克服客觀實(shí)際條件對(duì)理論教學(xué)的制約，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，并激發(fā)學(xué)習(xí)和研究的興趣。

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