工程流體力學(xué)與CFD軟件、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的結(jié)合

沈 妍 姚 江 何曉崐 許 嘯

江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇張家港 215600

工程流體力學(xué)與CFD軟件、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的結(jié)合

沈 妍 姚 江 何曉崐 許 嘯

江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇張家港 215600

CFD軟件和創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)融入工程流體力學(xué)本科教學(xué)中，學(xué)生圍繞一個(gè)議題分別進(jìn)行理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)、應(yīng)用和深化。讓學(xué)生既有創(chuàng)新性思考，又提升理論和軟件運(yùn)用能力。將成果運(yùn)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)，可提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，為進(jìn)一步深造做準(zhǔn)備。

工程流體力學(xué)；CFD軟件；創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

工程流體力學(xué)是能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，使學(xué)生了解流動(dòng)工質(zhì)在工程設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解設(shè)備與流動(dòng)工質(zhì)間相互作用規(guī)律，掌握工程設(shè)備中流體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的功能轉(zhuǎn)換原理，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)抽象、邏輯思維能力。課程基礎(chǔ)性強(qiáng)，應(yīng)用性廣，在工程應(yīng)用和科學(xué)研究中都有不可或缺的地位。

從學(xué)習(xí)的角度而言，工程流體力學(xué)是一門(mén)抽象難懂的課程。其中理論推導(dǎo)，需要由高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)等已學(xué)課程內(nèi)容支撐，在課上學(xué)生往往涉及理論推導(dǎo)就開(kāi)小差，注意力不集中，覺(jué)得自己聽(tīng)不懂，甚至覺(jué)得聽(tīng)懂了也沒(méi)用。越多的公式推導(dǎo)，學(xué)生就對(duì)課程有越多的反感。如何讓學(xué)生對(duì)工程流體力學(xué)感興趣，對(duì)課程印象深刻，達(dá)到想忘都忘不掉的效果，就應(yīng)該采用多種教學(xué)方法，刺激學(xué)生的大腦。將CFD軟件和創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)融入工程流體力學(xué)教學(xué)中，結(jié)合了數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析三大方法。3種方法各有所長(zhǎng)互相促進(jìn)，使理論知識(shí)不斷得到應(yīng)用和深化，對(duì)促進(jìn)課程建設(shè)，形成課程多元化培養(yǎng)模式具有重要意義。

1 常規(guī)工程流體力學(xué)教學(xué)

1.1 教學(xué)內(nèi)容

工程流體力學(xué)課程由緒論、流體及其物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、量綱分析與相似原理、管內(nèi)流動(dòng)和水力計(jì)算、氣體的一維流動(dòng)、理想流體的有旋和無(wú)旋流動(dòng)、黏性流體繞過(guò)物體的流動(dòng)、氣體的二維流動(dòng)等部分組成，其中部分為選修自學(xué)內(nèi)容。

這些內(nèi)容中，有的很好理解，課上簡(jiǎn)略帶過(guò)；有的很難理解，需要假設(shè)建模、公式推導(dǎo)求解，學(xué)生對(duì)于公式推導(dǎo)的興趣不大，將理論和實(shí)際相關(guān)聯(lián)的能力較弱，而理論和實(shí)際結(jié)合恰恰是公式推導(dǎo)的目的所在。因此，教師在課堂上要在難懂的內(nèi)容上多注意理論與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)和引導(dǎo)，如介紹流體垂直流線(xiàn)方向上的速度和壓強(qiáng)分布時(shí)，與彎管內(nèi)側(cè)、外側(cè)的速度和壓強(qiáng)分布的應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，化抽象為具體，對(duì)提高學(xué)生興趣大有益處。鼓勵(lì)學(xué)生寫(xiě)論文，可以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)理解公式內(nèi)容，運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題。

1.2 教學(xué)方法

教學(xué)中根據(jù)不同內(nèi)容分別采用實(shí)驗(yàn)視頻法、三維動(dòng)畫(huà)法、解題法、案例分析法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)法等方法，使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生興趣，加深了解。此外，大力發(fā)揮計(jì)算機(jī)在工程流體力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中計(jì)算功能和教學(xué)輔導(dǎo)功能等作用，達(dá)到事半功倍的效果[1]。

在層流和紊流概念講解時(shí)，播放層流和紊流的實(shí)驗(yàn)視頻，并讓學(xué)生操作演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)，觀(guān)測(cè)層流和紊流的不同流態(tài)。學(xué)生看視頻或做實(shí)驗(yàn)理解層流和紊流的概念和區(qū)別，不需要過(guò)多的語(yǔ)言描述。多年以后，調(diào)查學(xué)生對(duì)工程流體力學(xué)的內(nèi)容還記得什么，他們大多都記得雷諾實(shí)驗(yàn)的視頻和實(shí)驗(yàn)，足見(jiàn)視頻和實(shí)驗(yàn)在他們腦海中留下的印象深刻。因此，有趣的現(xiàn)象可通過(guò)實(shí)驗(yàn)視頻完全展現(xiàn)。視頻的來(lái)源可以是做實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)錄像，現(xiàn)實(shí)生活中相關(guān)現(xiàn)象的錄像截取，三維動(dòng)畫(huà)等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏時(shí)，征求有實(shí)驗(yàn)條件的院校同意并錄制相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在課上展示，吸引學(xué)生的注意力。

流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)中層流的速度是按旋轉(zhuǎn)拋物面分布；紊流中紊流核心區(qū)的速度是對(duì)數(shù)分布，黏性底層的速度是線(xiàn)性分布。公式推導(dǎo)可以得到分析解，畫(huà)出圖像是二維曲線(xiàn)，但都沒(méi)有三維圖像更形象全面。如果能通過(guò)做實(shí)驗(yàn)得到三維速度分布現(xiàn)象，就可以讓學(xué)生清楚的記憶各種情況的速度分布，以及在三維空間上的變化，并且明白理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要性。因此，在這部分內(nèi)容中實(shí)驗(yàn)視頻是很好的教學(xué)方法。

在介紹連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程的積分形式時(shí)，不僅要介紹方程的推導(dǎo)過(guò)程，還要講解例題即采用解題法。通過(guò)例題讓學(xué)生掌握方程在實(shí)際工程中的應(yīng)用，學(xué)會(huì)解題技巧。

講解相似原理和量綱分析時(shí)，可采用案例分析法。讓學(xué)生以習(xí)題的條件為實(shí)驗(yàn)背景設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，運(yùn)用相似原理和量綱分析，把實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際原型對(duì)應(yīng)起來(lái)，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

這門(mén)課程中單講理論公式是枯燥且難以理解的，但習(xí)題中有很多的啟發(fā)。只要將理論和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，采用多種教學(xué)方法，就可以化抽象為具體。學(xué)生理解理論推導(dǎo)過(guò)程的同時(shí)，理解工程應(yīng)用，化被動(dòng)的聽(tīng)眾為主動(dòng)的設(shè)計(jì)者、解題者和研究者。通過(guò)自己的思考，使得接觸的知識(shí)具體化，成為有效和長(zhǎng)效知識(shí)。

2 CFD軟件運(yùn)用

2.1 計(jì)算流體力學(xué)和常用CFD軟件

數(shù)值計(jì)算法是工程流體力學(xué)研究方法中很重要的一方面，是除了理論分析法、實(shí)驗(yàn)研究法的第三大方法。它通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，在時(shí)間和空間上離散，求得數(shù)值解，再由圖像顯示出來(lái)，對(duì)物理現(xiàn)象的理解有很大幫助[2]。該方法在機(jī)械和能動(dòng)專(zhuān)業(yè)的研究生階段運(yùn)用廣泛，在本科階段涉及較少，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)采用計(jì)算流體力學(xué)軟件，因此在教學(xué)過(guò)程中引入和企業(yè)產(chǎn)品分析計(jì)算流體力學(xué)軟件很有必要。

近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展迅速，大大促進(jìn)了工程流體力學(xué)的發(fā)展。常用的CFD軟件有ANSYS(Fluent)，CFX，PHOENICS，CD-STAR，F(xiàn)LOW3D和COMSOL Multiphysics等，其中以Fluent最為成熟，應(yīng)用較為廣泛[3]。針對(duì)計(jì)算流體力學(xué)開(kāi)設(shè)實(shí)踐課程，采用CFD軟件進(jìn)行一個(gè)完整的案例分析，可以為畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，甚至可以發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

2.2 實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

(1)要求學(xué)生掌握Gambit軟件的操作與應(yīng)用。

(2)要求學(xué)生基本掌握ANSYS Design Modeler和Mesh模塊，并利用軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理與網(wǎng)格劃分。

(3)要求學(xué)生掌握Fluent的基本功能并學(xué)會(huì)利用軟件進(jìn)行流體流動(dòng)仿真計(jì)算，培養(yǎng)獨(dú)立利用軟件進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題分析的能力。

2.3 計(jì)算案例

教學(xué)班級(jí)中每位同學(xué)完成一個(gè)模型的建立和計(jì)算分析。供選擇的物理模型有：串聯(lián)管道、并聯(lián)管道的阻力計(jì)算、各種閥門(mén)的阻力計(jì)算、彎管流動(dòng)、管嘴和管口液體出流、管殼式、翅片管式等各種熱交換器的阻力計(jì)算、油氣輸送、房間的通風(fēng)和氣流組織、水擊現(xiàn)象、容器卸流、水泵的運(yùn)行和障礙物擾流等。通過(guò)近幾年的實(shí)踐，學(xué)生獨(dú)立完成了很多簡(jiǎn)單模型的數(shù)值計(jì)算如圖1所示，取得了一些實(shí)效。

圖1 各種數(shù)值模型

3 創(chuàng)新實(shí)踐基地

工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立后，已采購(gòu)必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如工程流體力學(xué)綜合試驗(yàn)臺(tái)，可進(jìn)行雷諾實(shí)驗(yàn)、能量方程實(shí)驗(yàn)、管路沿程阻力和局部阻力實(shí)驗(yàn)、孔板流量計(jì)流量系數(shù)測(cè)定、文丘里流量系數(shù)的測(cè)定、皮托管測(cè)流速和流量等。實(shí)驗(yàn)室還可融入技術(shù)創(chuàng)新方法(TRIZ理論)[4]，開(kāi)放式的讓學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)。工科學(xué)生中涉及的設(shè)計(jì)，如管網(wǎng)設(shè)計(jì)、換熱器設(shè)計(jì)，大多是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和手冊(cè)，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后選取合適的尺寸，很少開(kāi)展開(kāi)放性設(shè)計(jì)。大學(xué)生思維活躍，創(chuàng)造力無(wú)窮，他們喜歡實(shí)物和動(dòng)手。給定學(xué)生一個(gè)題目，如：箱式馬桶的沖水量測(cè)量、沖力測(cè)試、毛細(xì)現(xiàn)象的最大抽吸高度測(cè)試、園林澆灌噴頭的扭矩測(cè)試、伯努利方程的驗(yàn)證、孔口出流和管嘴出流流量測(cè)試、各式水龍頭阻力測(cè)試等，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生以小組的形式共同合作設(shè)計(jì)，形成實(shí)物，擇優(yōu)參加比賽。實(shí)踐基地可以作為課程的延伸和活動(dòng)場(chǎng)所。

在實(shí)踐基地的開(kāi)展過(guò)程中，教師的引導(dǎo)非常重要。人員確定后，每組布置不同的題目。如果布置課題時(shí)毫無(wú)限定，學(xué)生將不知從何下手。因此，在分組后要注意，將測(cè)試目標(biāo)明確，形成一個(gè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和設(shè)備圖，然后搭建實(shí)物形成可靠的試驗(yàn)系統(tǒng)，若不便搭建實(shí)物可采用三維動(dòng)畫(huà)的形式模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

4 CFD軟件應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與工程流體力學(xué)的結(jié)合

4.1 發(fā)揮數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的直觀(guān)性 豐富工程流體力學(xué)的學(xué)習(xí)

工程流體力學(xué)的理論學(xué)習(xí)中，公式和符號(hào)居多，內(nèi)容枯燥抽象。試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能讓學(xué)生以測(cè)量目標(biāo)為目的了解原理和測(cè)試手段；CFD軟件的圖像處理可直觀(guān)的得到模型圖像和流場(chǎng)分析圖，彌補(bǔ)理論分析法的不足。沒(méi)有對(duì)基礎(chǔ)理論的了解很難得到合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值結(jié)果分析，因此刺激或迫使學(xué)生深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)解釋現(xiàn)象。

在CFD軟件應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與工程流體力學(xué)的結(jié)合時(shí)需注意時(shí)間分配。首先，在大三上學(xué)期接觸工程流體力學(xué)課程。其次，在課程進(jìn)行到中期時(shí)，可以布置相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，作為課程的一個(gè)大作業(yè)，形成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。當(dāng)進(jìn)入大三下學(xué)期時(shí)，擇優(yōu)進(jìn)行實(shí)物制作，每年形成一、二實(shí)物，并拍照和錄視頻記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，供下一屆學(xué)生參考和實(shí)驗(yàn)。最后，在大三下學(xué)期期末時(shí)，進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)訓(xùn)。通過(guò)CFD軟件的學(xué)習(xí)，可以就試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行建模模擬，得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，并分析誤差原因。這3個(gè)過(guò)程相輔相成，在不同的時(shí)間段分別完成階段性任務(wù)，最終可形成一個(gè)完整的報(bào)告，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題和開(kāi)展提供有利依據(jù)。不僅保證了后期畢業(yè)設(shè)計(jì)有充裕的時(shí)間，還在內(nèi)容上有一定的基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計(jì)可總結(jié)之前的工作，進(jìn)行研究?jī)?nèi)容的展開(kāi)和深化，如傳熱分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.2 加強(qiáng)學(xué)生軟件運(yùn)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)和鍛煉 帶動(dòng)理論分析能力的提升

在這3個(gè)過(guò)程中，學(xué)生以工程流體力學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，并在某一議題深入下去。隨著時(shí)間和精力的不斷投入，首先，他們學(xué)會(huì)工程流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)并想方設(shè)法運(yùn)用。將具體的實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合，并在實(shí)物搭建中不斷修正設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。其次，他們學(xué)會(huì)軟件操作并運(yùn)用軟件繪制自己需要的模型。將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合，鍛煉學(xué)生軟件運(yùn)用能力。最后，他們撰寫(xiě)既有理論，又有實(shí)驗(yàn)，還有數(shù)值分析的報(bào)告，鍛煉學(xué)生的理論分析能力，也可在畢業(yè)論文中匯總，提高畢業(yè)論文質(zhì)量。這與最后一學(xué)期學(xué)生草草入題，通過(guò)軟件模擬完成的畢業(yè)論文相比有質(zhì)的飛躍。與此同時(shí)，學(xué)生有時(shí)間實(shí)物制作，鍛煉其動(dòng)手能力；小組團(tuán)結(jié)分工協(xié)作，鍛煉其團(tuán)結(jié)合作能力；有時(shí)間精學(xué)軟件，鍛煉自學(xué)能力；有時(shí)間不斷修正自己的設(shè)計(jì)和計(jì)算，鍛煉理論分析能力和知識(shí)的運(yùn)用能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)工程流體力學(xué)課堂教學(xué)中理論推導(dǎo)多、內(nèi)容枯燥的問(wèn)題，提出了將CFD軟件應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與工程流體力學(xué)相結(jié)合的方法。該方法圍繞一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，以學(xué)生為主體利用課余時(shí)間，由教師指導(dǎo)通過(guò)CFD軟件模擬和制作作品，完成一個(gè)完整的課題和制作一個(gè)實(shí)物作品，參加創(chuàng)新實(shí)踐比賽也可為畢業(yè)設(shè)計(jì)作初步準(zhǔn)備。CFD軟件直觀(guān)的可視流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，幫助學(xué)生理解流動(dòng)過(guò)程；創(chuàng)新基地建設(shè)可以大大的鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)習(xí)積極性，從而促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)理論知識(shí)。本文通過(guò)分析該方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)方法的可行性進(jìn)行了初步探索。在整個(gè)過(guò)程中學(xué)生得到了多方面的鍛煉，同時(shí)培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)鉆研的學(xué)習(xí)態(tài)度，我們將繼續(xù)進(jìn)一步實(shí)踐探索，使三者結(jié)合發(fā)揮更好的作用。

[1]陶漢中,李菊香. 關(guān)于“工程流體力學(xué)”課程多媒體教學(xué)的思考[J].中國(guó)電力教育,2010(18):58-61.

[2]謝翠麗,倪玲英.《工程流體力學(xué)》本科課程引入CFD教學(xué)的探討[J].力學(xué)與實(shí)踐,2013,35(3):91-93.

[3]鄭捷慶,鄒鋒,張軍,羅惕乾. CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2007(10):119-121.

[4]趙存有,劉訓(xùn)濤,曹賀.工程流體力學(xué)課程創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(9):135-138.

Combination of Engineering Fluid Mechanics and CFD Software, Innovation Practice Platform

Shen Yan, Yao Jiang, He Xiaokun, Xu Xiao
School of Mechatronics and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang, 215600, China

CFD software and innovative practice platform are integrated into the of undergraduate teaching engineering fuid mechanics. Students can learn theoretical calculation, experimental test, and numerical simulation respectively around a topic in order to achieve knowledge learning, applying and deepening. The students not only have innovative thinking, but also improve the ability of using theory and software. All of the results from three aspects can be applied to thesis, which can improve the quality of thesis and bring up rigorous scholarship attitude to prepare for further study.

engineering fuid mechanics; CFD software; innovative practice platform

2016-10-24

沈妍，博士，講師。

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院“動(dòng)熱質(zhì)傳遞基礎(chǔ)”重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目。