Fluent軟件在水力機(jī)械課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：《水力機(jī)械》是流體機(jī)械專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生在水力機(jī)械研究過程中應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識，具有理論抽象、內(nèi)容復(fù)雜的特點。本文提出利用Fluent軟件直觀形象和可視化的優(yōu)點，在課堂教學(xué)過程中生動展示水力機(jī)械內(nèi)部工作狀態(tài)，使學(xué)生在理解水力機(jī)械課程中抽象概念的同時，激發(fā)自身的創(chuàng)造性思維。對學(xué)生掌握應(yīng)有的專業(yè)知識有著重要意義，對學(xué)生開展進(jìn)一步研究有著指導(dǎo)性作用。

關(guān)鍵詞：水力機(jī)械;Fluent軟件;可視化;教學(xué)研究

一、緒論

《水力機(jī)械》是流體機(jī)械專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于機(jī)械領(lǐng)域的一個分支。本課程要求學(xué)生學(xué)習(xí)掌握葉片式水泵、水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)的工作原理、工作參數(shù)、主要類型和選擇方法等相關(guān)基礎(chǔ)知識，了解水力機(jī)械振動問題等內(nèi)容[1]。通過學(xué)習(xí)《水力機(jī)械》，學(xué)生牢固掌握了專業(yè)知識，也為今后在水力機(jī)械領(lǐng)域的深層次研究打下了堅實基礎(chǔ)。

然而，《水力機(jī)械》的教學(xué)過程比較困難，學(xué)生對其知識的理解不夠理想。一方面，課程內(nèi)容抽象、概念性強(qiáng)，如：葉片泵按照工作原理分為離心泵、軸流泵、混流泵。而離心泵按照結(jié)構(gòu)型式進(jìn)一步分為單級單吸臥式離心泵、單級雙吸臥式離心泵、分段式多級離心泵、井用水泵。這給學(xué)生理解葉片泵的工作原理和基本結(jié)構(gòu)造成了困擾。另一方面，由于課時的不斷壓縮，學(xué)生在短時間內(nèi)難以充分理解模型，對課程容易厭倦，缺乏主動學(xué)習(xí)的同時，也難以建立自身創(chuàng)造性思維。

隨著計算機(jī)可視化軟件的發(fā)展，有限元仿真軟件代表之一的Fluent為短時間、高質(zhì)量的學(xué)習(xí)提供了可能。欒一剛等[2]將Fluent軟件應(yīng)用于工程流體力學(xué)課程教學(xué)中，使用有限元軟件展示了牛頓平板流動現(xiàn)象。楊小平等[3]將Fluent軟件應(yīng)用于計算流體力學(xué)課程教學(xué)中，使用有限元軟件展示了塔式太陽能吸熱器的吸熱管傳熱現(xiàn)象。于萍等[4]將Fluent軟件應(yīng)用于工程流體力學(xué)課程教學(xué)中，使用有限元軟件展示了粘性流體外部繞流現(xiàn)象。胡朋等[5]將Fluent軟件應(yīng)用于土木工程專業(yè)工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)中，使用有限元軟件展示了風(fēng)場結(jié)果。許靜等[6]將Fluent軟件應(yīng)用于流體機(jī)械原理課程教學(xué)中，使用有限元軟件展示了離心泵流場壓力。

本文將Fluent軟件應(yīng)用于水力機(jī)械課程教學(xué)中，使用有限元軟件對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)一步仿真，展示包括離心泵內(nèi)部流體軌跡、離心泵內(nèi)部流體速度、離心泵內(nèi)部流場壓力。幫助學(xué)生獲得感性認(rèn)識，形象理解離心泵內(nèi)部流動情況。

二、Fluent軟件介紹

Fluent軟件在國際上是較為流行的商用CFD軟件之一，凡是與流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)的工程問題，運用Fluent均可以進(jìn)行求解。

Fluent包含大量的物理模型、前沿的數(shù)值方法以及優(yōu)異的前后處理功能，在汽車設(shè)計、化工、航空航天、機(jī)械工程等方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括井下作業(yè)、噴射控制、油氣消散與聚集、燃燒、環(huán)境監(jiān)測、多相流、管道流動等。

Fluent軟件具有模擬層流、紊流、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象的能力，在工業(yè)領(lǐng)域上可以分析很多具體實例，從血液流動到流過飛機(jī)機(jī)翼的氣流，從鉆井平臺到鼓泡塔，從半導(dǎo)體生產(chǎn)到爐膛內(nèi)的燃燒，從污水處理裝置到無塵室設(shè)計等。軟件中的特殊模型可以用于進(jìn)行渦輪機(jī)械、空氣聲學(xué)、缸內(nèi)燃燒和多相流系統(tǒng)的模擬工作。[7]

在水力機(jī)械課程教學(xué)中，運用Fluent軟件模擬流體機(jī)械內(nèi)部流場，既解決了傳統(tǒng)課堂內(nèi)容抽象枯燥的問題，又解決了實物模型的笨重、缺乏變通等問題。課堂內(nèi)容更加形象化，立體感鮮明，加深了學(xué)生對流體機(jī)械的認(rèn)識，實現(xiàn)了課堂教育的目的。

三、Fluent軟件教學(xué)實例

在水力機(jī)械課程教學(xué)中，通過Fluent軟件仿真結(jié)果講解離心泵內(nèi)部流場狀況，以及能量轉(zhuǎn)化過程等內(nèi)容。

如圖1，2所示葉片式離心泵有限元計算模型，設(shè)計參數(shù)為：流量Q=50m3/h，轉(zhuǎn)速n=3000r/min，出口壓力P=0.80MPa，葉輪外徑D=280mm。

從圖4仿真結(jié)果可以看到，水流在離心泵葉輪的作用下，壓力有逐漸增大的趨勢。此時，旋轉(zhuǎn)的葉輪對水流做功，葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為水流的靜壓能。

四、結(jié)論

本文通過Fluent軟件仿真水力機(jī)械中單級離心泵的案例，直觀展示了離心泵內(nèi)部流體軌跡、離心泵內(nèi)部流體速度、離心泵內(nèi)部流場壓力，將《水力機(jī)械》中的理論與可視化仿真模型巧妙結(jié)合。在增強(qiáng)學(xué)生對水力機(jī)械認(rèn)知的同時，幫助學(xué)生進(jìn)行拓展性研究，有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)自身的創(chuàng)新能力，一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效率。使學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時間內(nèi)，獲得更高質(zhì)量的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳婧，張宏戰(zhàn)，王剛.水力機(jī)械[M].北京：中國水利水電出版社，2015：1.

[2]欒一剛，萬雷，孫濤，孫海鷗.Fluent軟件在牛頓平板流動現(xiàn)象可視化演示中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2019，10（4）：22-23.

[3]楊小平，蔡卓第.數(shù)值模擬在傳熱流動教學(xué)中的應(yīng)用案例[J].廣東化工，2018，15（45）：232-233.

[4]于萍，郭華鋒.FLUENT軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2018，16：271-272.

[5]胡朋，韓艷.Fluent在工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2017，4（34）：138-142.

[6]許靜，錢昆，李斌，孫珺，倪敬.Fluent軟件在流體機(jī)械原理課程教學(xué)中應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2016，（12）：5.

[7]丁欣碩，劉斌.Fluent17.0流體仿真從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018：21.

作者簡介：劉競之，男，太原理工大學(xué)碩士研究生。