Fluent軟件在流體機(jī)械原理課程教學(xué)中應(yīng)用

許靜 錢(qián)昆 李斌 孫珺 倪敬

摘 要：基于流體機(jī)械原理的教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)，在葉片式離心泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題教學(xué)過(guò)程中，引人Fluent軟件，通過(guò)其計(jì)算后展示出的可視化的流場(chǎng)，學(xué)生可以直觀地看到流體在離心泵流道內(nèi)的流動(dòng)情況，該方法擴(kuò)寬了現(xiàn)有的教學(xué)方式，極大程度地將理論的教學(xué)內(nèi)容形象化，有助于提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生快速掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)有著巨大的幫助。

關(guān)鍵詞：Fluent軟件；流體機(jī)械原理；教學(xué)

《流體機(jī)械原理》是流體機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)必修課程，也是熱能與動(dòng)力工程、過(guò)程裝備與控制等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修或選修課程。它要求學(xué)生掌握葉片式流體機(jī)械的基本工作原理、結(jié)構(gòu)型式、能力轉(zhuǎn)換、設(shè)計(jì)計(jì)算、特性曲線(xiàn)、選型等知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用流體機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析流體機(jī)械性能的能力與設(shè)計(jì)能力，并最終啟發(fā)學(xué)生在流體機(jī)械上的創(chuàng)新意識(shí)。

近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)luent商業(yè)仿真軟件已成為國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，它以其豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，以及適用面廣、高效省時(shí)、穩(wěn)定性好精度高等優(yōu)點(diǎn)很好的融入于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，如航天航空、機(jī)械制造業(yè)等行業(yè)，并已在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著自身強(qiáng)大的計(jì)算作用。

在課堂教學(xué)和專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)中，引入Fluent商業(yè)仿真軟件，用數(shù)值和動(dòng)畫(huà)描述流體在流體機(jī)械中的流場(chǎng)情況，定量的展現(xiàn)流道中壓力、速度等參數(shù)的分布規(guī)律，并根據(jù)流動(dòng)特性分析其對(duì)流體機(jī)械性能的影響，這極大的加深學(xué)生理解抽象的流體力學(xué)理論，以及加深學(xué)生對(duì)流體機(jī)械基本工作原理的掌握，豐富教學(xué)資源，拓展現(xiàn)有的教學(xué)方式[ 1 ]。

與此同時(shí)，F(xiàn)luent商業(yè)仿真軟件已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，這使得良好的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，能夠提供多元化的特色教學(xué)素材。它要求教師努力探索理論與工程實(shí)踐相結(jié)合同時(shí)，需要能將個(gè)人科研與教學(xué)相融合，將自己最新科研成果能夠有效轉(zhuǎn)變成教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

通過(guò)引入Fluent軟件進(jìn)行教學(xué)，將實(shí)際解決流體機(jī)械領(lǐng)域的科研案例，有機(jī)融合到教學(xué)過(guò)程中，使學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，拓寬知識(shí)面，加強(qiáng)教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機(jī)結(jié)合。

1 Fluent軟件實(shí)例

在流體機(jī)械原理課程教學(xué)過(guò)程中，利用Fluent軟件講解葉片式流體機(jī)械元件和內(nèi)部流道間的流體力學(xué)計(jì)算，元件及系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

離心泵（centrifugal pump）是葉片式流體機(jī)械主要的型式之一，約占生產(chǎn)用泵的 80～90%，它是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使液體發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的[ 2 ] [ 3 ]。而葉輪是離心泵的核心部分，離心泵在啟動(dòng)前，必須使泵殼和吸水管內(nèi)充滿(mǎn)液體，然后啟動(dòng)電機(jī)，使泵軸帶動(dòng)葉輪和液體做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液體發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入離心泵的壓水管路，因此離心泵流道流體的流動(dòng)情況直接影響其運(yùn)行性能。

筆者以流體流經(jīng)主油泵（離心泵）流道的流動(dòng)特性為例，應(yīng)用ANSYS FLUENT 14.0，針對(duì)實(shí)例主油泵在全工況下內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，分析從小流量到大流量工況下流場(chǎng)的變化并繪制特性曲線(xiàn)，從而找出適合離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將其計(jì)算過(guò)程展示給學(xué)生，以此說(shuō)明仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。

如圖1所示單級(jí)離心泵有限元計(jì)算模型。該主油泵參數(shù)：流量Q=60m3/h，出口表壓P=0.98Mp（g），轉(zhuǎn)速n=2989r/min，葉輪外徑D=300mm。

從圖2計(jì)算結(jié)果可以看出如下流動(dòng)特征：

1）在全體計(jì)算域范圍內(nèi)，總體上靜壓沿徑向呈均勻增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2）采用周期性對(duì)稱(chēng)的導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)流環(huán)出口處壓力分布均勻化，從壓力云圖上看明顯減輕了非周期性的壓力變化，有利于減小振動(dòng)及噪聲。

綜上所述，從動(dòng)輪進(jìn)口至導(dǎo)流環(huán)的出口，流動(dòng)設(shè)計(jì)符合流體動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可以得到穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)特性、良好的吸入性能。

2 結(jié)語(yǔ)

將Fluent商業(yè)計(jì)算軟件應(yīng)用于流體機(jī)械原理課程教學(xué)中，擴(kuò)寬了現(xiàn)有的教學(xué)方式，極大程度地將理論的教學(xué)內(nèi)容形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)葉片式離心泵基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)的掌握，有助于提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生快速掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)有著巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊秀萍，陳煒，郭津津等. Fluent軟件在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013，15（175）： 4-5.

[2] 張克危.流體機(jī)械原理上冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2010.

[3] 潘剛. Fluent軟件在本科傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用①[J].創(chuàng)新教育， 2015， 25： 144-145.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51505112）

杭州電子科技大學(xué)高教研究課題編號(hào)：YB201547

作者簡(jiǎn)介：許靜，女，博士，講師。