將CFD技術(shù)融入船舶與海洋工程專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)的設(shè)想

孫士艷 陳林烽

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）飛速發(fā)展，在CFD技術(shù)浪潮下，許多科研人員對(duì)CFD技術(shù)開展研究，CFD技術(shù)已成為船舶工業(yè)的重要組成部分。在此背景下，文章提出將CFD技術(shù)融入船舶與海洋工程專業(yè)基礎(chǔ)類課程，加深學(xué)生對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：船舶與海洋工程;教學(xué);計(jì)算流體力學(xué)技術(shù);專業(yè)基礎(chǔ)課程

作者簡(jiǎn)介：孫士艷，江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)樗畡?dòng)力學(xué)、砰擊、波物相互作用;陳林烽，江蘇科技大學(xué)副教授，研究方向?yàn)檎承粤黧w力學(xué)、大渦模擬。（江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1671-0568（2019）21-0039-02

實(shí)踐教學(xué)是高校教學(xué)中的一種重要教學(xué)手段，有效的實(shí)踐教學(xué)不僅能夠鞏固深化理論知識(shí)，還能夠激發(fā)學(xué)生的探索熱情，從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)并解決問題。船舶與海洋工程作為一門專業(yè)性較強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生既具有一定的專業(yè)水平，又具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力，因此，實(shí)踐教學(xué)模式的設(shè)計(jì)和豐富在船舶與海洋工程專業(yè)教學(xué)建設(shè)中發(fā)揮了重大作用。[1]與船舶與海洋工程專業(yè)結(jié)合最緊密的基礎(chǔ)理論學(xué)科為流體力學(xué)，流體可分為液體和氣體，在船舶與海洋工程專業(yè)中，液體主要指水，因此很多船舶與海洋工程專業(yè)的從業(yè)人員開展船舶水動(dòng)力學(xué)方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）是開展船舶水動(dòng)力學(xué)研究的重要方法之一，然而，在本科生專業(yè)教學(xué)方面，CFD技術(shù)與本科生幾乎沒有聯(lián)系，學(xué)生對(duì)水動(dòng)力學(xué)的理解僅限于課本知識(shí)。此外，水動(dòng)力學(xué)與固體力學(xué)不同，水動(dòng)力學(xué)是以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為基礎(chǔ)，涵蓋以流體質(zhì)點(diǎn)為基本單位的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，理論性強(qiáng)，難以理解。因此，大部分本科學(xué)生畢業(yè)后，對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)仍然非常模糊。CFD技術(shù)引入成本低，容易入手，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有一定的啟發(fā)作用。因此，將CFD技術(shù)融入本科專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)是非常有必要的。

一、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)

CFD是計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡(jiǎn)稱，是流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互融合的新興交叉學(xué)科。CFD興起于20世紀(jì)60年代，受計(jì)算機(jī)技術(shù)和成本限制，CFD技術(shù)并未得到廣泛發(fā)展。20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)硬件工業(yè)迅猛發(fā)展，為CFD的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，CFD飛速發(fā)展，與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)共同成為產(chǎn)品開發(fā)中的重要技術(shù)。

目前主流的CFD軟件有CFX、Fluent、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD等。這些軟件具有良好的人機(jī)交互界面，讓使用者無須精通CFD相關(guān)理論就能夠解決實(shí)際問題。在CFD之前，水動(dòng)力學(xué)的研究方法主要為理論分析或模型實(shí)驗(yàn)方法，這兩種方法都有較大的局限性，前者通常只適用于一些簡(jiǎn)單流場(chǎng)或模型，后者則成本昂貴，這兩者對(duì)本科生的引導(dǎo)和啟發(fā)非常有限。相比之下，CFD技術(shù)具有易操作、可視化、可重復(fù)性、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，將其與水動(dòng)力相關(guān)的本科生課程緊密聯(lián)系起來，能取得較好的教學(xué)效果。CFD的教學(xué)應(yīng)用不僅可以加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，還有助于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

二、將CFD技術(shù)融入船舶與海洋工程專業(yè)教學(xué)的思路

CFD雖屬于一種邊緣學(xué)科，但其在數(shù)學(xué)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域均具有強(qiáng)大的生命力，沒有任何一項(xiàng)技術(shù)能夠取代CFD。在現(xiàn)實(shí)工作中，任何運(yùn)動(dòng)都遵循一定的自然規(guī)律，因此，利用 CFD 技術(shù)對(duì)流體力學(xué)進(jìn)行研究時(shí)，也要遵循一定的自然規(guī)律。常用的自然規(guī)律包括：能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律等。此外，外界因素容易干擾流體的運(yùn)動(dòng)，并且流體運(yùn)動(dòng)會(huì)因此發(fā)生一系列的變化，CFD 技術(shù)的出現(xiàn)克服了外界因素對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的干擾。CFD 技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)計(jì)算和流體力學(xué)，首先通過先進(jìn)的科學(xué)計(jì)算機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，然后根據(jù)研究結(jié)果建立離散型數(shù)字模型，最后通過對(duì)離散型數(shù)學(xué)模型的分析來達(dá)到計(jì)算的目的。[2]

1.CFD在“船舶流體力學(xué)”課程中的應(yīng)用實(shí)例?！按傲黧w力學(xué)”是船舶與海洋工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)船舶流體力學(xué)的前提條件是掌握高等數(shù)學(xué)、張量分析和力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，學(xué)生在高中階段并未涉及前兩者，本科階段僅涉及到后者的靜力學(xué)部分，而對(duì)于更加難以理解的動(dòng)力學(xué)部分，并未學(xué)習(xí)過，這使得船舶流體力學(xué)幾乎成為船舶與海洋工程專業(yè)最難的一門專業(yè)課。在一般情況下，學(xué)生學(xué)習(xí)完這門課程以后，只能達(dá)到會(huì)做題或考試的程度，而對(duì)問題背后的物理機(jī)理幾乎不理解。例如，如何用亥姆赫茲速度分解定理描述流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，平動(dòng)、線變形運(yùn)動(dòng)、角變形運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)分別對(duì)應(yīng)什么樣的流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，如何用數(shù)學(xué)方式將這些分解后的運(yùn)動(dòng)清楚表達(dá)出來等問題。若想理解這些抽象的概念，學(xué)生需要在頭腦中對(duì)其進(jìn)行形象加工，還有另外一種方法把抽象的問題形象化地表達(dá)出來，加深對(duì)物理問題本質(zhì)屬性的理解。例如，在學(xué)習(xí)波浪理論時(shí)，最開始介紹的是波浪滿足的邊界條件，其中最重要的是自由液面邊界條件，自由液面邊界條件包括運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件和動(dòng)力學(xué)條件，運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件本質(zhì)上是在勢(shì)流理論范圍內(nèi)建立關(guān)于流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)決定了波形的變化，因此可以通過波形的變化曲線推導(dǎo)出流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，這是從理論角度考慮波浪問題的方法。為了讓理論問題更加形象化，可以采用CFD軟件將波浪中的運(yùn)動(dòng)描繪出來，圖1采用OpenFOAM模擬的波物相互作用流場(chǎng)，上課時(shí)以動(dòng)畫形式展示此算例，可以加深學(xué)生對(duì)波面變化情況的理解。

2.CFD在“船舶阻力和推進(jìn)”課程中的應(yīng)用實(shí)例?！按白枇εc推進(jìn)”是集理論、實(shí)踐于一體的一門綜合性課程，要求學(xué)生具有一定的理論功底，因此“船舶流體力學(xué)”通常是這門課的先修課程。這門課程具有非常強(qiáng)烈的實(shí)踐性，實(shí)踐教學(xué)是此課程的重要教學(xué)方法之一靈活多變。例如，開展企業(yè)實(shí)踐教學(xué)，參加海洋航行器大賽和互聯(lián)網(wǎng)大賽等國(guó)內(nèi)外重要比賽項(xiàng)目。其核心思想是以教材為主體，以課程大綱為指導(dǎo)，注重教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)生能力的培養(yǎng)，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)聽講，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和運(yùn)用能力。[3]通過前面的分析，理解實(shí)踐教學(xué)對(duì)于“船舶阻力和推進(jìn)”課程的重要性，但是實(shí)踐教學(xué)也有其局限性，例如，航行器大賽等比賽項(xiàng)目并不是所有學(xué)生都會(huì)參加，因此，在課堂上增設(shè)基于CFD技術(shù)的動(dòng)畫演示，有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)此課程的理解。若鼓勵(lì)學(xué)生采用一些CFD軟件對(duì)螺旋槳影響的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，學(xué)生將有更多的收獲。

三、結(jié)語

CFD技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用，在船舶領(lǐng)域也占據(jù)著重要的地位。CFD技術(shù)飛速發(fā)展，船舶與海洋工程專業(yè)也進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)期。目前在船舶與海洋工程水動(dòng)力問題的分析中，大部分專業(yè)人員均采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬和物理現(xiàn)象分析。因此，將CFD技術(shù)融入專業(yè)基礎(chǔ)類學(xué)科的課堂教學(xué)，不僅會(huì)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙珂，雷林，趙藤，袁培銀.船舶與海洋工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式探索[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（27）： 168+151.

[2] 梁孟.試論流體機(jī)械中CFD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展與趨勢(shì)[J].建材與裝飾，2018，（51）：196.

[3] 張寶吉，周暉.卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的“船舶阻力與推進(jìn)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].船海工程，2016，45（6）：158-160.

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