FLUENT軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

于萍 郭華鋒

摘要：工程流體力學(xué)涉及多門學(xué)科知識(shí)，內(nèi)容抽象、復(fù)雜，本文提出將FLUENT軟件融入到工程流體力學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，該軟件可以直觀形象的展示流體的流動(dòng)狀態(tài)，幫助學(xué)生理解并掌握工程流體力學(xué)中抽象的概念。學(xué)生通過(guò)FLUENT軟件對(duì)具體實(shí)例的模擬計(jì)算過(guò)程，就是學(xué)習(xí)相關(guān)工程流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程，學(xué)生由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，既鍛煉了他們的動(dòng)手能力，又提高了學(xué)習(xí)的效率。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；FLUENT軟件；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）16-0271-02

《工程流體力學(xué)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，屬于力學(xué)的一個(gè)分支，和實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密。該課程主要研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及流體和固體之間的相互作用，用于分析解決實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力[1]。課堂上，教師大多采用多媒體技術(shù)（電子課件、圖片、視頻等）進(jìn)行課堂教學(xué)，同學(xué)被動(dòng)地接受知識(shí)，由于工程流體力學(xué)內(nèi)容抽象、概念性強(qiáng)，大部分內(nèi)容都是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，并涉及到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)等多門課程，學(xué)生難于理解；另一方面，由于手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的普及，學(xué)生課堂上不聽(tīng)課而使用手機(jī)的現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，時(shí)間長(zhǎng)了，學(xué)生開(kāi)小差不聽(tīng)課，對(duì)課程產(chǎn)生厭惡感，教師在不同程度上變?yōu)榉庞硯?、播音員[2]。因此本文提出將FLUENT軟件融入工程流體力學(xué)本科教學(xué)中，用圖像化的方式展現(xiàn)書本上難以理解的概念和抽象化的問(wèn)題，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，主動(dòng)探索新知識(shí)。

一、FLUENT軟件與教學(xué)的結(jié)合

除了常規(guī)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值計(jì)算也是工程流體力學(xué)研究方法中很重要的一種。常用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件有ANSYS（FLUENT），COMSOL Multiphysics，CFX，PHOENICS，CD-STAR，F(xiàn)LOW3D等，其中以FLUENT最為成熟，應(yīng)用廣泛。由于涵蓋了Ployflow和Fluent Dynamic International（FDI）的全部計(jì)算資源，F(xiàn)LUENT軟件有豐富且先進(jìn)的物理模型和強(qiáng)大的后處理功能，如層流和湍流，定常流和非定常流，以及無(wú)粘性流等[3，4]。學(xué)生在數(shù)值模擬具體問(wèn)題時(shí)，可以根據(jù)具體情況選用不同的模型、計(jì)算方法和離散格式，求出數(shù)值解，再用圖像或者動(dòng)畫顯示計(jì)算結(jié)果，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)軟件中的命令、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)環(huán)節(jié)都涵蓋了工程流體力學(xué)的知識(shí)，所以學(xué)生在用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程，就是對(duì)該課程進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)生使用FLUENT軟件解決具體實(shí)例，可以主動(dòng)地學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)書本上相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。教師在講解實(shí)例時(shí)，將FLUENT軟件中的命令和工程流體力學(xué)書本上的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，這樣使該課程有一定的立體感，幫助學(xué)生理解并加深概念。另外，F(xiàn)LUENT軟件的應(yīng)用可以和畢業(yè)設(shè)計(jì)題目聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生在大三上學(xué)期接觸工程流體力學(xué)課程，在課程進(jìn)行到中期時(shí)，可以布置相關(guān)的模擬題目，作為課程的一個(gè)大作業(yè)，擇優(yōu)進(jìn)行整理保存，每年對(duì)優(yōu)秀作品拍照和錄視頻，記錄學(xué)生模擬過(guò)程中的心得體會(huì)，供下一屆學(xué)生參考和實(shí)踐。最后，在大三下學(xué)期期末學(xué)生開(kāi)始選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)方向時(shí)，提供與工程流體力學(xué)數(shù)值模擬相關(guān)的方向選題，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題和開(kāi)展提供依據(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)，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

二、教學(xué)案例

在教學(xué)過(guò)程中，可以將包含知識(shí)點(diǎn)的現(xiàn)象讓學(xué)生用FLUENT軟件數(shù)值模擬出來(lái)，學(xué)生數(shù)值模擬的過(guò)程，就是對(duì)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握的過(guò)程。學(xué)生在使用FLUENT數(shù)值模擬之前，首先要掌握Gambit軟件或者ANSYS中Geometry和Mesh模塊，對(duì)研究的過(guò)程建模、預(yù)處理并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其次要掌握FLUENT軟件里命令按鈕所代表的含義，以及能獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題的模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

1.粘性流體和理想流體。在講述粘性流體和理想流體時(shí)，我們知道流體是由大量分子組成，當(dāng)相鄰兩層流體相對(duì)滑動(dòng)或剪切變形時(shí)，由于流體分子之間的相互作用力，會(huì)在相反方向上產(chǎn)生阻止流體相對(duì)滑動(dòng)或剪切變形的剪應(yīng)力，稱為粘性應(yīng)力，不可忽略粘性效應(yīng)的流體為粘性流體，可忽略粘性效應(yīng)的流體稱為理想流體[5]。如果只是文字上的灌輸，學(xué)生可能會(huì)不能很好的理解流體是具有粘性的，但是如果采用軟件模擬的方法，用具體的實(shí)例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，學(xué)生會(huì)印象深刻，容易理解。課堂上，采用了頂蓋驅(qū)動(dòng)流的經(jīng)典計(jì)算模型來(lái)說(shuō)明實(shí)際流體是具有粘性的。在一個(gè)方腔內(nèi)充滿空氣，頂板以一定的速度向右移動(dòng)，由于流體的粘性效應(yīng)，頂板的移動(dòng)會(huì)同時(shí)帶動(dòng)方腔內(nèi)流體的流動(dòng)，流體中心形成漩渦，如圖1所示。如果給學(xué)生一定的時(shí)間用FLUENT軟件將計(jì)算模型模擬出來(lái)，同學(xué)不僅理解了該知識(shí)點(diǎn)并且會(huì)記憶深刻。這種教學(xué)方法能讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教學(xué)效果要比傳統(tǒng)的被動(dòng)接受知識(shí)要好。

2.外部繞流。外部繞流是流體力學(xué)中的經(jīng)典問(wèn)題，在實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)常遇到，如水利工程和船舶工程等。課堂上，采用了圓柱繞流的例子，在粘性流體繞流圓柱的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)邊界層分離的現(xiàn)象，邊界層的分離會(huì)出現(xiàn)旋渦，在主流流體的帶動(dòng)下，圓柱的背面會(huì)出現(xiàn)交替出現(xiàn)和消失的尾渦區(qū)，如圖2所示。如果僅僅是書本上知識(shí)的講解，學(xué)生很難理解邊界層的分離過(guò)程。如果通過(guò)FLUENT軟件將邊界層分離的過(guò)程以及旋渦產(chǎn)生和消滅的過(guò)程數(shù)值模擬展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生能夠直觀地看到流體流動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)的變化，對(duì)問(wèn)題的理解和掌握要比聽(tīng)和看深刻很多。

三、總結(jié)

工程流體力學(xué)涉及多門學(xué)科知識(shí)，理論性強(qiáng)，公式推導(dǎo)復(fù)雜、內(nèi)容枯燥，又和實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，所以提出將FLUENT軟件融入到該課程的教學(xué)當(dāng)中，該軟件可以直觀形象的展示流體的流動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律，以及壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等，幫助學(xué)生理解并掌握工程流體力學(xué)中抽象的概念。通過(guò)FLUENT軟件對(duì)具體實(shí)例的模擬計(jì)算，可以鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)鉆研的學(xué)習(xí)態(tài)度。

參考文獻(xiàn)：

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[5]侯國(guó)祥，孫江龍.工程流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.