基于计算流体力学仿真软件的实践教学应用

韩青　门秀花　王晓慧　赵诗奎　孙选

【摘 要】以计算流体力学仿真软件在《流体力学与传热学基础》课程的本科教学为例，探索实现理论与实践相结合的教学方法，进一步提高本科教学质量。依据流体力学与传热学的理论和实践特点，在课堂讲授中侧重于核心知识，力求结合工程实例巩固基础知识，激发学生学习该课程的兴趣。建立计算流体力学仿真软件的上机体系，注重实践教学，培养学生在工程应用中的使用软件能力。

【关键词】计算流体力学软件；实践教学；FLUENT

【Abstract】In this paper， taking the course of “Fundamentals of fluid mechanics and heat transfer” as an example， the teaching method of combining theory with practice is explored in order to further improve the quality of undergraduate teaching. Based on the theoretical and practical characteristics of fluid mechanics and heat transfer， the core knowledge is emphasized in the classroom teaching， which aims at consolidating the basic knowledge and stimulating the students interest in learning the course. We want to establish the computer system of computational fluid dynamics simulation software， to pay attention to practical teaching and to cultivate students ability to use software in engineering application.

【Key words】Computational fluid dynamics software； Practical teaching； FLUENT

随着计算机科学技术的快速发展，计算流体力学（CFD）技术作为一种数值方法，正逐渐走向成熟，在流体机械中的应用越来越广泛，借助CFD技术，可以得到流体机械内任意位置的流动细节，如速度、压力、 能量损失、压力脉动、湍动量、漩涡等，从而在流体机械结构的设计和优化方面发挥了重要的作用。CFD基本思想可以归结为：把原来在时域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组以获得场变量的近似值[1]。目前，诸多企业和科研院所已经大量采用CFD技术进行生产实际分析，并将这些技术视为产品开发的重要工具，这就要求工作人员掌握流体力学分析、机械结构设计、分析计算及优化设计的能力。

目前，许多国内工科院校在机械类本科和研究生阶段都开设流体力学相关课程，我校针对工程教育专业认证，为机械工程专业的本科生开设了《流体力学与传热学基础》的必修课程。结合计算流体力学仿真软件的优点，在教学过程中可以引入CFD软件技术，使更多的学生从理论和实践中深切体会到流体力学与传热学基础知识在生产实际中应用的重要作用，通过工程实例分析解决生产实际遇到的问题，可以充分调动学生的积极性。利用Fluent教学，将先进的设计理念引进课堂教学中，能使学生掌握专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学与工程应用之间的有机结合。本文以计算流体力学在课程实践教学中的应用为例，探索实现理论与实践相结合的教学方法，进一步提高本科教学质量。

1 计算流体力学仿真软件实践教学的必要性

《流体力学与传热学基础》这门课程理论性较强，涉及流体力学、热力学、传热学、线性代数、数值分析等方面的基础知识，需要学生有较深厚的数学和力学基础知识，对于机械专业的本科生来说，比较抽象，难于理解。因此，在较少课时内教会学生系统掌握流体力学与传热学理论体系是比较困难的[2]。此外，依照课本完全进行理论教学，容易理论脱离实际，使学生产生厌学态度。因此，为提高教学效果，使学生在有限学时内更好地掌握流体力学与传热学的基础知识，必须在现有的单纯理论教学基础上增加学习的趣味性，使抽象的公式变得直观，使复杂的流动问题通过建模与仿真分析变得清晰且切实可行，通过借助CFD仿真软件增添教学内容，强调实用性，改善目前的学习现状，使学生在掌握专业基础知识的前提下体会到专业知识在工程实践中应用的乐趣。

因此，如何提高学生解决实际工程问题的能力是该课程面临的重要问题。学生在学习流体力学与传热学理论知识的基础上，应用CFD软件的FLUENT模块针对流体力学与传热学工程问题进行实例分析，可以培养采用CFD软件分析实际问题的基本技能，初步具备解决工程问题的能力，满足社会对人才的需求。因此，建立CFD软件的实践教学应用平台具有重要的实际意义。

2 计算流体力学仿真软件实践教学的内容

在仿真软件的教学内容编排上按照由简到难的顺序，首先将流体力学与传热学理论知识结合二维流动的实例，着重使学生掌握建模与计算的简单框架及操作步骤，其次将实例问题扩展到三维流动的数值模拟中，在巩固数值仿真的操作流程基础上，重点介绍复杂的后处理方法，从而使学生逐步掌握利用CFD软件进行流体流动与传热的数值模拟方法。目前常用的CFD仿真软件主要有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等[3]，我们采用目前国际上比较流行的商用软件FLUENT软件与前处理软件GAMBIT对流体力学与传热学实例进行分析。

2.1 建立计算模型

传热学和流体力学都是实验科学， 即在学习前人通过实验总结出规律性的理论的基础上，通过CFD数值模拟利用计算机进行仿真实验解决或提前预知实际工程中出现的各种流体力学及传热学问题[4]。对于要解决的实际流体力学与传热学工程问题，需要学生具备扎实的数学和物理基础知识，能够把实际问题抽象为数学模型，针对所研究的实际流体与传热的物理场进行几何建模，然后进行后续的计算机数值求解和结果分析。

在建模的过程中利用GAMBIT对要求解的具体实例进行计算模型的建立，这一步通过该软件进行建模也可以通过其他二维、三维软件建模，我们采用的软件建模的方式给学生讲解从节点到线段再到面和体的建立，使学生熟练掌握各个环节的面板操作，熟练的通过该软件建模。

2.2 利用求解器进行求解

基础理论知识中对所要研究的对象进行微分方程描述，需要将高阶微分方程转化为可求解的线性方程组，涉及了大量的公式，推导过程根据假设进行简化处理，理论求解过程繁杂，大大降低了学生学习的积极性，而利用FLUENT进行方程求解可以选择要求解的方程，解方程的过程交给计算机处理，学生只要将建好的模型导入到FLUENT中，确定好流体材料、物理属性及边界条件，选择流体符合的方程并确定求解器即可，简单直观，易于理解和操作。

2.3 计算结果的后处理

FLUENT具有强大的后处理功能，可以将数据可视化、直观、有效并能够根据需要定义显示的面给出计算结果，可以通过不同颜色描述速度矢量图、压力场和温度场中的流动参数大小。该软件既可以对某一时刻的稳态场进行直观显示，也可以利用流线进行动画显示，直观清楚的了解求解问题中的流体流动情况。

2.4 教学案例

本课程设置了三个教学案例，首先，通过冷、热水混合器内的二维和三维流动与换热问题这两个经典教学案例使学生快速的掌握数值计算过程、GAMBIT操作命令和FLUENT的计算和后处理步骤[3]。其中，图1为冷、热水混合器内的二维流动与换热问题。通过计算雷诺数，判定该流动属于湍流，图1（a）为采用初始计算网格，能量方程采用一阶离散方法得到的温度云图。学生通过实际操作得到计算结果，能够深刻的理解数值模拟求解过程，且通过结果显示可以直观了解拉格朗日方法描述与欧拉方法描述的区别，进一步加深基本概念的理解，例如：标量与矢量，流线与迹线，层流与湍流等。图1（b）是利用温度梯度定位网格单元进行网格加密后的网格图，在这一步的后处理过程中引出网格无关性的概念，使学生更好的理解网格对计算结果的影响。图1（c）为进行了网格加密且能量方程采用二阶离散后得到的温度云图，与图1（a）的温度云图对比可以明显看出数值计算结果的发散性越来越小。

教学案例三是学生通过计算机操作进行自测对所学内容进行巩固，为三维弯管内水的流动数值计算问题，图2（a）为出水在管道内流动中心对称面上的速度矢量场，使学生巩固了欧拉描述中“场”的概念以及矢量的概念。图2（b）为沿中心对称面上的迹线，即流体质点在运动过程中所走过的曲线。

3 计算流体力学仿真软件实践教学的效果

采用CFD仿真软件进行实例教学的方法在《流体力学与传热学基础》这门课程教学中起到了非常重要的作用，学生直接利用所学知识在计算机上进行数值模拟，缩短了教学与实践应用的差距，提高了学生的工程应用能力及实践能力，并能够提高学习的积极性和动手能力。将CFD软件引入课堂教学的教学方式拓宽了传统意义上的多媒体技术教学手段，丰富了多媒体的教学模式，同时不失为继续深入探讨高等教育教学改革，提高教学质量的有价值的方向之一[5]。学生从实际问题中提取出物理模型，选择流体传动与传热的基本方程，分析与流动与传热过程中的各项流动参数，通过数值模拟学生掌握了如何应用所学的理论知识解决实际工程问题的方法，通过分析、建模、 数值模拟发现问题，从而进一步修改物理模型并提出解决问题的方案，可以深化并巩固理论基础，提出创新性解决方案。因此，通过数值模拟不仅解决了实际问题而且培养了学生理论指导实践的意识。该教学方法对教师也是一个很大的促进和提高，通过实践教学不断更新教学内容，以教促学。总之，为了有效利用现有教学资源，进一步提高学生学习兴趣及主动创新性，此种形式的实践教学应该得以提倡。

【参考文献】

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]韩占忠，王敬.流体工程仿真计算实例与应用[M]，北京：北京理工大学出版社，2004.

[4]王经.流体力学与传热学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2011.

[5]郑捷庆，邹锋，张军，罗惕乾.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国现代教育装备，2007，56（10）：119-127.

[责任编辑：朱丽娜]