CFD模擬技術在“流體力學”實驗課程教學中的應用

摘 要：隨著CFD模擬技術的不斷成熟與發展，其在“工程流體力學泵與風機”實驗課程教學中的應用逐漸受到關注。本文通過揭示傳統教學程序的不足，搭建了基于虛擬仿真技術現代化背景的教學模式。從CFD模擬技術的相關理論出發，再到工程實例的列舉演示，最后形成完整系統的實驗設計，通過CFD模擬技術在實際工程中的應用，直觀呈現了流體運動規律和現象，提高了實驗結果的準確性和可靠性。CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”實驗課程教學中具有至關重要的作用，并為未來該技術在流體力學教學中的應用提供了有益參考。

關鍵詞：CFD模擬技術；流體力學；泵與風機；實驗教學

中圖分類號：G642.0" 文獻標識碼：A

“工程流體力學泵與風機”作為高校中能源動力、土木工程、石油化工、航空航天等專業的一門重要的專業基礎課，理論知識抽象復雜，概念原理晦澀難懂；而“計算流體力學”則被更加廣泛地列入了農業工程、水利工程、環境工程、生物醫學工程等學科的研究生課程中，因此作為各專業最重要的專業基礎課之一，“流體力學”是一門不可忽視的重要課程。在“流體力學”實驗課程教學中，傳統的教學方法往往以理論知識的講授和實驗操作的演示為主。這種方法雖然能夠為學生提供一定的理論與實踐基礎，但由于受到實驗條件、設備以及時間的限制，其效果并不盡如人意。隨著近年來科技飛速發展、高新技術的不斷涌現，高校實驗教學也需要注入新穎獨創的精神去推進高等教育現代化的腳步，培養具有舉一反三、觸類旁通、創造力豐富的新時代創新人才［12］。

CFD（計算流體力學）模擬技術起源于20世紀60年代，是隨著計算機技術的迅速發展而興起的一門學科。它通過數值方法求解流體動力學方程組，以模擬和分析流體運動規律，從而實現對流體現象的深入理解和預測。CFD模擬技術在實驗教學方面展現出了顯著優勢，在傳統的“工程流體力學泵與風機”實驗課程中，學生通常只能通過實驗設備觀察流體流動的宏觀現象，難以深入探究其內在機理。而引入CFD模擬技術后，學生可以在計算機上模擬各種復雜的流體流動場景，直觀地觀察并分析流體的微觀行為。這種教學方式不僅增強了實驗的趣味性和互動性，還大大提高了學生的實踐能力和創新能力［3］。同時，CFD模擬技術的引入也為“工程流體力學泵與風機”課程的教學改革提供了新的思路，通過結合CFD模擬技術與傳統的實驗教學手段，教師可以設計出更加豐富多樣的教學內容和教學方法，從而更好地激發學生的學習興趣和主動性。因此，本文將CFD模擬技術引入該實驗課程教學中，是一種富有成效的教學改革嘗試，值得進一步推廣和實踐。

1 CFD模擬技術的相關理論

CFD模擬技術的基本原理在于通過數值方法求解流體運動的基本方程，這些方程包括連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，這些方程精確描述了流體在時間和空間上的動態行為。借助先進的計算機技術，通過方程的求解，從而得到流體在各個位置和時間的速度、壓力和溫度等關鍵物理量的分布情況。CFD模擬技術的精確性在很大程度上依賴于所使用的數值方法和計算網格的精細度。例如，在模擬固體/液體懸浮液中的流體流動時，需要使用高網格分辨率和先進的湍流模型，以確保模擬結果的準確性和可靠性。這也反映了CFD模擬技術的復雜性和專業性，要求使用者需要具備扎實的理論基礎和計算能力。

在CFD模擬技術中，數值模擬方法與算法占據著核心地位。這些方法不僅決定了模擬的精度和效率，還直接影響到模擬結果的可靠性和實用性。常用的數值模擬方法主要包括有限體積法（Finite Volume Method，FVM）、有限差分法（Finite Difference Method，FDM）和有限元法（Finite Element Method，FEM）。然而，流體動力學的基本方程在CFD模擬技術中發揮著至關重要的作用，它們不僅為CFD模擬技術提供了堅實的理論基礎，還使得我們能夠更加深入地理解和分析流體流動現象。通過求解這些方程，CFD模擬技術能夠準確地模擬出流體在各種復雜環境下的流動狀態，為工程實踐提供有力的支持。

在實際應用中，CFD模擬技術已被廣泛用于航空航天、汽車工程、能源與環境等領域。例如，在航空航天領域，CFD模擬技術可用于研究飛機機翼附近的流場特性，以優化機翼設計并提高飛行性能。在汽車工程領域，CFD模擬技術則可用于分析汽車車身周圍的空氣流動情況，以降低風阻并提高燃油經濟性。這些應用實例充分展示了流體動力學基礎在CFD模擬技術中的重要性和實用價值。

2 CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”實驗教學中的應用

2.1 CFD模擬技術在實驗教學中的引入

在“工程流體力學泵與風機”的實驗教學中，我們不可否認的是，實驗環節對于學生理解和掌握課程知識至關重要。然而，在實際的教學過程中，我們面臨著諸多挑戰，實驗設備臺套數的不足、傳統講授演示實驗教學方法的局限性、實驗過程中存在的安全風險等，這些問題都迫使我們急需尋找一種新的教學方法來改進“工程流體力學泵與風機”的實驗教學［4］。而CFD模擬技術的引入，便為我們提供了一個可行的解決方案。在“工程流體力學泵與風機”實驗教學中，引入CFD模擬技術是一項富有創新性和實用性的舉措，我們可以在計算機上模擬出流體在泵與風機等設備中的流動情況，通過色彩豐富的流線圖、速度云圖等直觀表達，學生可以更加清晰地觀察到流體流動的細節和變化規律，從而更深入地理解實驗原理，提升對流體動力學的認知層次。這不僅可以解決實驗設備不足的問題，還能幫助學生更深入地理解流體流動的原理，提升他們的學習效果。同時，CFD模擬技術還能減輕教師的教學負擔，提高實驗教學的效率和質量。隨著這一技術的不斷發展和完善，我們有理由相信，它將在未來的工程教育領域發揮更加重要的作用。

2.2 CFD模擬技術的應用案例

2.2.1 泵的性能模擬與分析

泵作為流體力學課程重要的工程實例設備之一，在大部分生產、生活、科研領域都有著廣泛的應用，而CFD模擬技術就可以應用于泵的性能分析中，通過選取某型號離心泵作為具體研究對象，旨在展示CFD模擬技術在模擬和分析復雜流體設備性能方面的強大能力。當泵的葉輪轉動來輸送流體時，內部流動極為復雜，表現出高速量級、轉置流動方向和湍流強度。因此，闡明泵的流體動力學特性，特別是瞬態特性曲線是很困難的研究，如何調整流動條件或表面改性對于減輕泵的壁蝕和節能至關重要。然而，CFD數值模擬技術被廣泛應用于流體在泵中的輸運研究中，揭示了輸運系統中復雜的流體動力學和顆粒運動學，近期尤其在紊流模型方面取得了進展。CFD模擬技術還可以用于預測離心泵在不同工況下的性能表現。通過改變入口流量、轉速等參數，我們可以模擬出離心泵在不同工況下的內部流動情況，并預測其性能曲線，這對于離心泵的選型和使用具有重要的指導意義。

CFD在模擬復雜現象方面得到了廣泛的應用，龐大的泵機系統及其眾多分支領域都是CFD的重點研究對象，由于在這些機械內發生了復雜的物理現象，CFD發展到現在也使用了各種方法去解決這些問題，結果的精度更高，也最具有挑戰性。然而，目前還不能采用一種單一的方法來對這些應用進行CFD模擬，這主要是由于各種機器的內在差異，內在物理現象就是對CFD模擬的一個挑戰。高速旋轉的泵的空化現象會導致氣相的形成，蒸汽的形成不僅大大降低了容積效率，而且還造成了部件的磨損，導致機器的工作壽命縮短，這對泵的正常運行是非常不利的，而對這一物理現象的CFD模擬則改進了工業泵的發展。

總的來說，通過選取離心泵內部流場模擬作為工程案例，我們成功地展示了CFD技術與工程實踐的結合。這一技術不僅可以幫助我們深入了解離心泵的內部流動規律和性能特點，還可以為泵的優化設計和性能改進提供有力的支持。同時，這也為“工程流體力學泵與風機”課程的教學提供了生動的實例和有力的輔助手段。

2.2.2 風機的流場模擬與優化

風機也是“流體力學”課程涉及的一個重要工業機械，應用于諸多領域，如工業領域的冷卻散熱、物料輸送；建筑領域的通風系統、排氣系統；農業領域的作物干燥、溫室通風；交通領域的車輛船舶、隧道通風；以及消防排煙等眾多應用實例。CFD模擬技術通過數值模擬，可以在產品設計階段對風機進行性能預測和優化，從而減少昂貴的實體實驗次數，節省時間和成本。例如，在地鐵軸流風機的設計中，CFD模擬技術可以模擬不同轉速和安裝角度下的風機性能，幫助設計師優化設計方案。地鐵軸流風機因流量大、壓頭高和功率大等特點，試驗成為設計檢驗的一般途徑，但成本高昂。采用CFD模擬技術，可以對地鐵軸流風機在不同轉速和安裝角度進行模擬，通過模擬結果指導設計方案，并與廠家試驗數據進行對比，優化風機設計，提高設計效率和經濟效益。

CFD模擬技術不僅可以應用于傳統風機的設計，還能在風力發電、航空航天等復雜環境中進行高精度的流場分析。隨著技術進步，CFD模擬技術在生物醫學、納米技術等新興領域的應用前景也逐步展開，對風機模擬的精度和復雜度要求不斷提高。在航空航天界，CFD模擬技術最早是在20世紀70年代因模擬跨聲速流動而引起人們的注意。20世紀80年代中期，CFD模擬技術在航空航天領域的應用再次引起人們的關注，因為它模擬了包括再入飛行器在內的航天運輸系統發展中的高超聲速流動。在航空航天領域，CFD模擬技術幫助工程師預測飛行器在各種飛行條件下的氣動性能，優化飛行器設計。

CFD在“工程流體力學泵與風機”實驗教學改革中的應用，不僅提升了實驗教學的質量和效率，還拓展了風機模擬的應用范圍和深度。通過CFD模擬技術，學生可以更加深入地理解風機的工作原理和性能優化方法，提高實際應用能力和解決問題的能力。隨著技術的進步和跨學科應用的擴大，CFD模擬技術在風機模擬中的應用前景將更加廣闊，對風機設計、風力發電、航空航天等領域的發展起到重要推動作用。

2.2.3 實驗設計與實施

2.2.3.1 理論教學與實驗教學相結合

在理論課堂上，教師詳細闡釋流體動力學的核心概念以及CFD模擬技術的基本原理，為學生構建堅實的知識基礎。隨后，在實驗環節中，學生將運用所學的理論知識，通過CFD模擬軟件對泵與風機的性能進行模擬和分析。這種教學模式不僅加深了學生對理論知識的理解，還培養了他們將理論知識應用于實踐的能力。

2.2.3.2 分組實驗與自主學習相結合

在這種模式下，學生被分成若干小組，每組都配備有計算機和相應的CFD模擬軟件。實驗過程中，學生需要在小組內展開討論，共同解決實驗中遇到的問題，并完成實驗任務。這種教學方式有助于培養學生的團隊協作能力和自主學習能力，同時也使得教師能夠更有效地進行個別指導和答疑。

2.2.3.3 實驗值與模擬值對比分析相結合

在實驗結束后，學生需要將CFD模擬結果與實驗結果進行對比，分析二者之間的差異及其產生的原因。這一過程不僅有助于驗證CFD模擬技術的準確性和可靠性，還能幫助學生更深入地理解實驗原理和方法，從而提升他們的實驗技能和科學素養。

結語

在對CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”課程中的應用進行深入探討后，不難發現其蘊含的巨大推廣價值。這種價值不僅體現在對“流體力學”課程教學方法的革新，更體現在對學生能力培養的實質性提升。通過引入這一技術，不僅能夠豐富教學方法和手段，提高教學效果和質量，還能夠為學生的全面發展提供有力支持。CFD模擬技術的引入為傳統的“工程流體力學泵與風機”教學注入了新的活力，其強大的模擬功能使得復雜的流體現象得以直觀展現，從而大幅提高了學生對抽象概念的理解程度。此外，CFD模擬技術的互動性也極大地激發了學生的學習熱情，使他們在主動探索與實踐中深化對流體力學原理的掌握。更為重要的是，CFD模擬技術不僅在教學層面發揮了積極作用，更在培養學生的創新與實踐能力方面展現了顯著效果。通過引導學生參與模擬實驗的設計與操作，本研究發現學生在解決實際問題、分析復雜現象以及創新思維方面均取得了顯著提升。因此，有必要在更廣泛的范圍內推廣和應用這一技術，以推動“流體力學”課程教學的持續改進和學生培養質量的全面提升。

參考文獻：

［1］生悅，侯圣陶，余春紅.“雙一流”建設背景下高校教學實驗室改革與創新［J］.教育教學論壇，2022（02）：7376.

［2］束秀梅，李華南，羅媛媛.流體力學實驗教學改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（07）：310312+320.

［3］許萍，許增光，溫立峰，等.基于虛擬仿真技術的高校實驗教學改革與實踐［J］.中國教育信息化，2023，29（04）：104111.

［4］王燕，鄭健.新工科背景下流體力學課程項目式教學與考核評價體系研究［J］.高教學刊，2021，7（28）：912.

基金項目：2024年哈爾濱商業大學教育教學改革研究項目“新工科背景下《工程流體力學泵與風機》實驗教材架構及創新模式探索與實踐”（HSDJY202457）；2023年黑龍江省高等教育教學高等教育研究課題“‘中國式高等教育現代化’龍江探索背景下的流體力學實驗教學改革與實踐”（23GJYBJ043）；2024年產學合作協同育人項目“基于虛擬VR技術《工程流體力學泵與風機》實驗教學改革體系改革項目”（2410230615）

作者簡介：李立（1989— ），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，講師，研究方向：低溫制冷新技術。