CFD技術(shù)在無環(huán)量圓柱繞流多媒體教學(xué)中的應(yīng)用研究

李國威 董金玲

遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧阜新 123000

CFD技術(shù)在無環(huán)量圓柱繞流多媒體教學(xué)中的應(yīng)用研究

李國威 董金玲

遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧阜新 123000

CFD技術(shù)是當(dāng)前高等院校多媒體教學(xué)的熱門手段和方法，特別是在如流體力學(xué)這樣概念抽象，理論性強(qiáng)，與實(shí)際流動現(xiàn)象結(jié)合緊密的課程中顯得尤為突出。文章應(yīng)用Gambit，F(xiàn)luent和Tecplot等相關(guān)軟件，對無環(huán)量圓柱繞流的流動機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。目的在于驗(yàn)證無環(huán)量圓柱繞流數(shù)學(xué)、物理理論的正確性，觀察流動現(xiàn)象，分析產(chǎn)生各種現(xiàn)象的原因。通過研究表明，以直觀演示和定量分析相結(jié)合的方法，能夠非常好地解決許多教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題，使學(xué)生對抽象的教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生深刻的印象，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣。

CFD技術(shù)；多媒體；圓柱繞流；數(shù)值模擬；Fluent

流體力學(xué)課程是高等學(xué)校相關(guān)學(xué)科一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程的特點(diǎn)是：知識容量大，概念與原理抽象、復(fù)雜，且與工程實(shí)際現(xiàn)象緊密結(jié)合，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門專業(yè)課程時(shí)，普遍反映理論知識比較抽象，流體的運(yùn)動規(guī)律難于想象與理解，且不能與具體流動現(xiàn)象相參照。同時(shí)，受教學(xué)條件的限制，任課教師很難形象地將流體動態(tài)流動的各種現(xiàn)象講授給學(xué)生，這樣使專業(yè)課的理論知識講解與實(shí)際現(xiàn)象脫節(jié)。經(jīng)過流體力學(xué)校級精品課程建設(shè)課題組多年的教學(xué)實(shí)踐，將CFD技術(shù)引入流體力學(xué)課堂教學(xué)的教學(xué)方式，拓展了現(xiàn)有傳統(tǒng)意義上的多媒體技術(shù)教學(xué)手段和方法。

筆者應(yīng)用CFD技術(shù)的相關(guān)軟件，對流體力學(xué)中的無環(huán)量圓柱繞流的流動機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真。驗(yàn)證無環(huán)量圓柱繞流數(shù)學(xué)、物理理論的正確性，動態(tài)地觀察流動現(xiàn)象，分析產(chǎn)生各種現(xiàn)象的原因。研究結(jié)果表明：在流體力學(xué)多媒體教學(xué)中應(yīng)用CFD技術(shù)，可以拓寬傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，為提高教學(xué)質(zhì)量和收到良好的教學(xué)效果開辟了新的途徑。

1 無環(huán)量圓柱繞流的基本理論

由于勢函數(shù)和流函數(shù)滿足的控制方程是線性的，因此它們的解具有可疊加性。依據(jù)這一原理，基本流動的復(fù)位勢函數(shù)可以疊加起來給出較復(fù)雜的流動問題的解。其中無環(huán)量圓柱繞流就是沿軸方向均勻流與位于原點(diǎn)的源點(diǎn)在左匯點(diǎn)在右所組成負(fù)方向的偶極子疊加形成的(如圖1所示)。

圖1 均勻流與偶極子疊加

所形成流動的復(fù)勢為：

可求得復(fù)速度為：

圖2 圓柱繞流(無環(huán)量)

在θ=0，π處uθ=0，在柱面上ur=0，所以這兩點(diǎn)為駐點(diǎn)，在θ=π2時(shí)uθ=?2U ，為切向最大速度的位置。對于恒定、無旋流動，伯努利方程為：

對于無窮遠(yuǎn)未受擾動流動，即p=p∞，uθ=U，代入(6)式得常數(shù)C=p∞+ρu22，從而可知流場中一點(diǎn)處的壓強(qiáng)p ，即：

在柱面上ur=0，uθ=?2U sinθ，壓強(qiáng)p為：

2 無環(huán)量圓柱繞流的數(shù)值模擬與討論

使用仿真軟件，首先明確研究對象性質(zhì)，建立研究對象的物理模型，并建立研究對象數(shù)學(xué)模型；然后輸入流體流動的初始條件和邊界條件進(jìn)行計(jì)算；最后輸出所需的圖像、曲線或數(shù)據(jù)等相關(guān)結(jié)果。本實(shí)例的已知模擬條件：模型長500mm，高300mm，圓柱直徑10mm，均勻來流速度U=10m/s ，流動介質(zhì)為水。通過模擬，得到結(jié)果如圖3至圖12所示：

圖3 圓柱繞流速度矢量圖

圖4 圓柱繞流速度等值線圖

圖5 圓柱繞流速度分布云圖

圖6 圓柱繞流絕對壓強(qiáng)分布云圖

圖7 圓柱表面切應(yīng)力矢量圖

圖8 流體圓柱繞流的流線

圖9 圓柱表面流體的靜壓強(qiáng)分布曲線

圖10 圓柱表面流體的動壓強(qiáng)分布曲線

圖11 圓柱表面流體的切應(yīng)力分布曲線

圖12 圓柱表面流體的速度分布曲線

對于理想流體的圓柱繞流,在圓柱上存在前駐點(diǎn)A和后駐點(diǎn)D,最大速度點(diǎn)B和,如圖8所示。中心流線在前駐點(diǎn)分開,后駐點(diǎn)匯合。根據(jù)伯努利方程,流體質(zhì)點(diǎn)繞過圓柱所經(jīng)歷的過程為在A?B()區(qū),流體質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)流速為零，壓強(qiáng)最大，以后質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)沿程減小，流速沿程增大，到達(dá)B點(diǎn)流速最大，壓強(qiáng)最小。在B()?D區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)沿程增大，流速沿程減小，到達(dá)D點(diǎn)壓強(qiáng)最大，流速為零。

對于粘性流體的圓柱繞流，圖3、4、8、9和10說明，由于流體與固壁表面的粘附作用，在物面近區(qū)將產(chǎn)生邊界層(如圖8所示)。由于受到流體粘性阻滯作用，流體質(zhì)點(diǎn)在由A點(diǎn)到B()點(diǎn)的流程中，將消耗部分動能用來克服摩擦阻力做功，以至使其無法滿足由B()點(diǎn)到D點(diǎn)壓力升高的要求，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)在B()?D流程內(nèi)，流經(jīng)一段距離就會將全部動能消耗殆盡(一部分轉(zhuǎn)化為壓能，一部分克服摩擦阻力做功)。于是，在壁面某點(diǎn)速度變?yōu)榱?，如圖8中的，S2兩點(diǎn)。以后流來的流體質(zhì)點(diǎn)將從這里離開柱面進(jìn)入下游主流場中，這一點(diǎn)稱為分離點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為邊界層分離。在分離點(diǎn)之間的空腔內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生倒流，由下游高壓區(qū)流向低壓區(qū)，從而在圓柱后面形成了旋渦區(qū)。旋渦的產(chǎn)生使圓柱表面壓強(qiáng)分布前后不對稱，前駐點(diǎn)A的靜壓強(qiáng)要明顯大于后駐點(diǎn)D的靜壓強(qiáng)，因此出現(xiàn)了流動阻力；而B,點(diǎn)的動壓強(qiáng)明顯大于A，D的動壓強(qiáng),如圖9和10所示。圖5、7、11說明，在理想情況下,流體流到B點(diǎn)和點(diǎn)時(shí),速度達(dá)到最大值,切應(yīng)力也達(dá)到最大值,但是由于實(shí)際流體產(chǎn)生粘性阻力,流體流到B點(diǎn)和點(diǎn)之前切應(yīng)力就已經(jīng)達(dá)到最大值,并且沿著流動方向是對稱的。圖12說明理想流體由于不考慮流體的粘性作用，因此圓柱表面的流體介質(zhì)具有一定的速度,而實(shí)際流體由于存在邊界層，因此圓柱表面的流體介質(zhì)的速度為零。

3 結(jié)束語

(1)由于參數(shù)設(shè)置比較貼近實(shí)際，通過CFD技術(shù)得到的圖像、曲線和動畫，能夠?qū)?shí)際的工程流動問題如無環(huán)量圓柱繞流，進(jìn)行定性和定量分析。

(2)利用CFD技術(shù)能夠逼真地、準(zhǔn)確地模擬各種條件下實(shí)際流場的流動狀態(tài)，有助于學(xué)生掌握和理解流動過程復(fù)雜或難以觀察的，并且教師在語言上難以表達(dá)的各類流動現(xiàn)象。

(3)應(yīng)用CFD商業(yè)計(jì)算軟件制作出的圖像、曲線和動畫，經(jīng)過后期處理，色彩絢麗多變，美觀實(shí)用，使枯燥的課程變得富有生機(jī)和活力。通過教學(xué)實(shí)踐表明，可以很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，教學(xué)效果非常好。

[1] 李國威，崔俊奎.基于FLUENT的流體力學(xué)教學(xué)課件素材制作研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009，5：76～77

[2] 鄭捷慶，鄒鋒，張軍，等.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，10：119～121

[3] 董曾南，章梓雄.非粘性流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003

[4] 董曾南，章梓雄.粘性流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998

[5] Fluent Inc., FLUENT User′s Guide[Z].Fluent Inc.,2005

Application research of CFD technology in multimedia teaching of acyclic fl ow around cylinder

Li Guowei, Dong Jinling
Liaoning technical university, Fuxin, 123000, China

CFD technology is the popular tool and method in multimedia teaching of colleges and universities, especially in the course such as hydrodynamics which is of abstract concept, strong theoretical character, and is combined closely with practical fl uid fl ow. The article applies the soft wares such as Gambit, Fluent and Tecplot, etc. Simulates numerically and analyzes the mechanism of acyclic fl ow around cylinder. The aim is verifying the accuracy of mathematics theory and physical theory of the acyclic fl ow around cylinder, and observing the fl ow phenomena and analyzing the reason for generating the phenomena mentioned. The research shows that by combination of visible demonstration and quantitative analysis, most diffi culties and emphasis of teaching could be solved, and induces the students’ forms profound impression to abstract contents and enhances the learning interest of students.

CFD technology; multimedia; fl ow around cylinder; numerical simulation; Fluent

2010-12-07 稿件編號：1012038

李國威，在讀博士研究生，講師。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)立項(xiàng)課題“CFD技術(shù)在流體力學(xué)多媒體教學(xué)中的創(chuàng)新培養(yǎng)研究”(編號：YBQ104021)；遼寧工程技術(shù)大學(xué)“流體力學(xué)校級精品課程”(編號：2007-03)。