基于計算流體力學仿真軟件的實踐教學應用

韓青　門秀花　王曉慧　趙詩奎　孫選

【摘 要】以計算流體力學仿真軟件在《流體力學與傳熱學基礎》課程的本科教學為例，探索實現理論與實踐相結合的教學方法，進一步提高本科教學質量。依據流體力學與傳熱學的理論和實踐特點，在課堂講授中側重于核心知識，力求結合工程實例鞏固基礎知識，激發學生學習該課程的興趣。建立計算流體力學仿真軟件的上機體系，注重實踐教學，培養學生在工程應用中的使用軟件能力。

【關鍵詞】計算流體力學軟件；實踐教學；FLUENT

【Abstract】In this paper， taking the course of “Fundamentals of fluid mechanics and heat transfer” as an example， the teaching method of combining theory with practice is explored in order to further improve the quality of undergraduate teaching. Based on the theoretical and practical characteristics of fluid mechanics and heat transfer， the core knowledge is emphasized in the classroom teaching， which aims at consolidating the basic knowledge and stimulating the students interest in learning the course. We want to establish the computer system of computational fluid dynamics simulation software， to pay attention to practical teaching and to cultivate students ability to use software in engineering application.

【Key words】Computational fluid dynamics software； Practical teaching； FLUENT

隨著計算機科學技術的快速發展，計算流體力學（CFD）技術作為一種數值方法，正逐漸走向成熟，在流體機械中的應用越來越廣泛，借助CFD技術，可以得到流體機械內任意位置的流動細節，如速度、壓力、 能量損失、壓力脈動、湍動量、漩渦等，從而在流體機械結構的設計和優化方面發揮了重要的作用。CFD基本思想可以歸結為：把原來在時域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間的代數方程組，然后求解代數方程組以獲得場變量的近似值[1]。目前，諸多企業和科研院所已經大量采用CFD技術進行生產實際分析，并將這些技術視為產品開發的重要工具，這就要求工作人員掌握流體力學分析、機械結構設計、分析計算及優化設計的能力。

目前，許多國內工科院校在機械類本科和研究生階段都開設流體力學相關課程，我校針對工程教育專業認證，為機械工程專業的本科生開設了《流體力學與傳熱學基礎》的必修課程。結合計算流體力學仿真軟件的優點，在教學過程中可以引入CFD軟件技術，使更多的學生從理論和實踐中深切體會到流體力學與傳熱學基礎知識在生產實際中應用的重要作用，通過工程實例分析解決生產實際遇到的問題，可以充分調動學生的積極性。利用Fluent教學，將先進的設計理念引進課堂教學中，能使學生掌握專業軟件和現代設計方法，拓寬知識面，加強教學與工程應用之間的有機結合。本文以計算流體力學在課程實踐教學中的應用為例，探索實現理論與實踐相結合的教學方法，進一步提高本科教學質量。

1 計算流體力學仿真軟件實踐教學的必要性

《流體力學與傳熱學基礎》這門課程理論性較強，涉及流體力學、熱力學、傳熱學、線性代數、數值分析等方面的基礎知識，需要學生有較深厚的數學和力學基礎知識，對于機械專業的本科生來說，比較抽象，難于理解。因此，在較少課時內教會學生系統掌握流體力學與傳熱學理論體系是比較困難的[2]。此外，依照課本完全進行理論教學，容易理論脫離實際，使學生產生厭學態度。因此，為提高教學效果，使學生在有限學時內更好地掌握流體力學與傳熱學的基礎知識，必須在現有的單純理論教學基礎上增加學習的趣味性，使抽象的公式變得直觀，使復雜的流動問題通過建模與仿真分析變得清晰且切實可行，通過借助CFD仿真軟件增添教學內容，強調實用性，改善目前的學習現狀，使學生在掌握專業基礎知識的前提下體會到專業知識在工程實踐中應用的樂趣。

因此，如何提高學生解決實際工程問題的能力是該課程面臨的重要問題。學生在學習流體力學與傳熱學理論知識的基礎上，應用CFD軟件的FLUENT模塊針對流體力學與傳熱學工程問題進行實例分析，可以培養采用CFD軟件分析實際問題的基本技能，初步具備解決工程問題的能力，滿足社會對人才的需求。因此，建立CFD軟件的實踐教學應用平臺具有重要的實際意義。

2 計算流體力學仿真軟件實踐教學的內容

在仿真軟件的教學內容編排上按照由簡到難的順序，首先將流體力學與傳熱學理論知識結合二維流動的實例，著重使學生掌握建模與計算的簡單框架及操作步驟，其次將實例問題擴展到三維流動的數值模擬中，在鞏固數值仿真的操作流程基礎上，重點介紹復雜的后處理方法，從而使學生逐步掌握利用CFD軟件進行流體流動與傳熱的數值模擬方法。目前常用的CFD仿真軟件主要有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等[3]，我們采用目前國際上比較流行的商用軟件FLUENT軟件與前處理軟件GAMBIT對流體力學與傳熱學實例進行分析。

2.1 建立計算模型

傳熱學和流體力學都是實驗科學， 即在學習前人通過實驗總結出規律性的理論的基礎上，通過CFD數值模擬利用計算機進行仿真實驗解決或提前預知實際工程中出現的各種流體力學及傳熱學問題[4]。對于要解決的實際流體力學與傳熱學工程問題，需要學生具備扎實的數學和物理基礎知識，能夠把實際問題抽象為數學模型，針對所研究的實際流體與傳熱的物理場進行幾何建模，然后進行后續的計算機數值求解和結果分析。

在建模的過程中利用GAMBIT對要求解的具體實例進行計算模型的建立，這一步通過該軟件進行建模也可以通過其他二維、三維軟件建模，我們采用的軟件建模的方式給學生講解從節點到線段再到面和體的建立，使學生熟練掌握各個環節的面板操作，熟練的通過該軟件建模。

2.2 利用求解器進行求解

基礎理論知識中對所要研究的對象進行微分方程描述，需要將高階微分方程轉化為可求解的線性方程組，涉及了大量的公式，推導過程根據假設進行簡化處理，理論求解過程繁雜，大大降低了學生學習的積極性，而利用FLUENT進行方程求解可以選擇要求解的方程，解方程的過程交給計算機處理，學生只要將建好的模型導入到FLUENT中，確定好流體材料、物理屬性及邊界條件，選擇流體符合的方程并確定求解器即可，簡單直觀，易于理解和操作。

2.3 計算結果的后處理

FLUENT具有強大的后處理功能，可以將數據可視化、直觀、有效并能夠根據需要定義顯示的面給出計算結果，可以通過不同顏色描述速度矢量圖、壓力場和溫度場中的流動參數大小。該軟件既可以對某一時刻的穩態場進行直觀顯示，也可以利用流線進行動畫顯示，直觀清楚的了解求解問題中的流體流動情況。

2.4 教學案例

本課程設置了三個教學案例，首先，通過冷、熱水混合器內的二維和三維流動與換熱問題這兩個經典教學案例使學生快速的掌握數值計算過程、GAMBIT操作命令和FLUENT的計算和后處理步驟[3]。其中，圖1為冷、熱水混合器內的二維流動與換熱問題。通過計算雷諾數，判定該流動屬于湍流，圖1（a）為采用初始計算網格，能量方程采用一階離散方法得到的溫度云圖。學生通過實際操作得到計算結果，能夠深刻的理解數值模擬求解過程，且通過結果顯示可以直觀了解拉格朗日方法描述與歐拉方法描述的區別，進一步加深基本概念的理解，例如：標量與矢量，流線與跡線，層流與湍流等。圖1（b）是利用溫度梯度定位網格單元進行網格加密后的網格圖，在這一步的后處理過程中引出網格無關性的概念，使學生更好的理解網格對計算結果的影響。圖1（c）為進行了網格加密且能量方程采用二階離散后得到的溫度云圖，與圖1（a）的溫度云圖對比可以明顯看出數值計算結果的發散性越來越小。

教學案例三是學生通過計算機操作進行自測對所學內容進行鞏固，為三維彎管內水的流動數值計算問題，圖2（a）為出水在管道內流動中心對稱面上的速度矢量場，使學生鞏固了歐拉描述中“場”的概念以及矢量的概念。圖2（b）為沿中心對稱面上的跡線，即流體質點在運動過程中所走過的曲線。

3 計算流體力學仿真軟件實踐教學的效果

采用CFD仿真軟件進行實例教學的方法在《流體力學與傳熱學基礎》這門課程教學中起到了非常重要的作用，學生直接利用所學知識在計算機上進行數值模擬，縮短了教學與實踐應用的差距，提高了學生的工程應用能力及實踐能力，并能夠提高學習的積極性和動手能力。將CFD軟件引入課堂教學的教學方式拓寬了傳統意義上的多媒體技術教學手段，豐富了多媒體的教學模式，同時不失為繼續深入探討高等教育教學改革，提高教學質量的有價值的方向之一[5]。學生從實際問題中提取出物理模型，選擇流體傳動與傳熱的基本方程，分析與流動與傳熱過程中的各項流動參數，通過數值模擬學生掌握了如何應用所學的理論知識解決實際工程問題的方法，通過分析、建模、 數值模擬發現問題，從而進一步修改物理模型并提出解決問題的方案，可以深化并鞏固理論基礎，提出創新性解決方案。因此，通過數值模擬不僅解決了實際問題而且培養了學生理論指導實踐的意識。該教學方法對教師也是一個很大的促進和提高，通過實踐教學不斷更新教學內容，以教促學。總之，為了有效利用現有教學資源，進一步提高學生學習興趣及主動創新性，此種形式的實踐教學應該得以提倡。

【參考文獻】

[1]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]韓占忠，王敬.流體工程仿真計算實例與應用[M]，北京：北京理工大學出版社，2004.

[4]王經.流體力學與傳熱學基礎[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

[5]鄭捷慶，鄒鋒，張軍，羅惕乾.CFD軟件在工程流體力學教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2007，56（10）：119-127.

[責任編輯：朱麗娜]