Fluent软件在水力机械课程教学中的应用

摘 要：《水力机械》是流体机械专业一门重要的基础课程，也是学生在水力机械研究过程中应掌握的基础知识，具有理论抽象、内容复杂的特点。本文提出利用Fluent软件直观形象和可视化的优点，在课堂教学过程中生动展示水力机械内部工作状态，使学生在理解水力机械课程中抽象概念的同时，激发自身的创造性思维。对学生掌握应有的专业知识有着重要意义，对学生开展进一步研究有着指导性作用。

关键词：水力机械;Fluent软件;可视化;教学研究

一、绪论

《水力机械》是流体机械专业开设的一门专业基础课程，属于机械领域的一个分支。本课程要求学生学习掌握叶片式水泵、水轮机和水泵水轮机的工作原理、工作参数、主要类型和选择方法等相关基础知识，了解水力机械振动问题等内容[1]。通过学习《水力机械》，学生牢固掌握了专业知识，也为今后在水力机械领域的深层次研究打下了坚实基础。

然而，《水力机械》的教学过程比较困难，学生对其知识的理解不够理想。一方面，课程内容抽象、概念性强，如：叶片泵按照工作原理分为离心泵、轴流泵、混流泵。而离心泵按照结构型式进一步分为单级单吸卧式离心泵、单级双吸卧式离心泵、分段式多级离心泵、井用水泵。这给学生理解叶片泵的工作原理和基本结构造成了困扰。另一方面，由于课时的不断压缩，学生在短时间内难以充分理解模型，对课程容易厌倦，缺乏主动学习的同时，也难以建立自身创造性思维。

随着计算机可视化软件的发展，有限元仿真软件代表之一的Fluent为短时间、高质量的学习提供了可能。栾一刚等[2]将Fluent软件应用于工程流体力学课程教学中，使用有限元软件展示了牛顿平板流动现象。杨小平等[3]将Fluent软件应用于计算流体力学课程教学中，使用有限元软件展示了塔式太阳能吸热器的吸热管传热现象。于萍等[4]将Fluent软件应用于工程流体力学课程教学中，使用有限元软件展示了粘性流体外部绕流现象。胡朋等[5]将Fluent软件应用于土木工程专业工程结构抗风实验教学中，使用有限元软件展示了风场结果。许静等[6]将Fluent软件应用于流体机械原理课程教学中，使用有限元软件展示了离心泵流场压力。

本文将Fluent软件应用于水力机械课程教学中，使用有限元软件对离心泵内部流场进一步仿真，展示包括离心泵内部流体轨迹、离心泵内部流体速度、离心泵内部流场压力。帮助学生获得感性认识，形象理解离心泵内部流动情况。

二、Fluent软件介绍

Fluent软件在国际上是较为流行的商用CFD软件之一，凡是与流体、热传递及化学反应等相关的工程问题，运用Fluent均可以进行求解。

Fluent包含大量的物理模型、前沿的数值方法以及优异的前后处理功能，在汽车设计、化工、航空航天、机械工程等方面有着广泛的应用。例如，在石油天然气工业上的应用包括井下作业、喷射控制、油气消散与聚集、燃烧、环境监测、多相流、管道流动等。

Fluent软件具有模拟层流、紊流、热量传递和化学反应等现象的能力，在工业领域上可以分析很多具体实例，从血液流动到流过飞机机翼的气流，从钻井平台到鼓泡塔，从半导体生产到炉膛内的燃烧，从污水处理装置到无尘室设计等。软件中的特殊模型可以用于进行涡轮机械、空气声学、缸内燃烧和多相流系统的模拟工作。[7]

在水力机械课程教学中，运用Fluent软件模拟流体机械内部流场，既解决了传统课堂内容抽象枯燥的问题，又解决了实物模型的笨重、缺乏变通等问题。课堂内容更加形象化，立体感鲜明，加深了学生对流体机械的认识，实现了课堂教育的目的。

三、Fluent软件教学实例

在水力机械课程教学中，通过Fluent软件仿真结果讲解离心泵内部流场状况，以及能量转化过程等内容。

如图1，2所示叶片式离心泵有限元计算模型，设计参数为：流量Q=50m3/h，转速n=3000r/min，出口压力P=0.80MPa，叶轮外径D=280mm。

从图4仿真结果可以看到，水流在离心泵叶轮的作用下，压力有逐渐增大的趋势。此时，旋转的叶轮对水流做功，叶片转动产生的机械能一部分转化为水流的静压能。

四、结论

本文通过Fluent软件仿真水力机械中单级离心泵的案例，直观展示了离心泵内部流体轨迹、离心泵内部流体速度、离心泵内部流场压力，将《水力机械》中的理论与可視化仿真模型巧妙结合。在增强学生对水力机械认知的同时，帮助学生进行拓展性研究，有利于激发学生创造性思维，培养自身的创新能力，一定程度上提高了学生的学习热情和效率。使学生在有限的学习时间内，获得更高质量的学习效果。

参考文献：

[1]陈婧，张宏战，王刚.水力机械[M].北京：中国水利水电出版社，2015：1.

[2]栾一刚，万雷，孙涛，孙海鸥.Fluent软件在牛顿平板流动现象可视化演示中的应用[J].黑龙江科学，2019，10（4）：22-23.

[3]杨小平，蔡卓第.数值模拟在传热流动教学中的应用案例[J].广东化工，2018，15（45）：232-233.

[4]于萍，郭华锋.FLUENT软件在工程流体力学教学中的应用[J].教育教学论坛，2018，16：271-272.

[5]胡朋，韩艳.Fluent在工程结构抗风实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2017，4（34）：138-142.

[6]许静，钱昆，李斌，孙珺，倪敬.Fluent软件在流体机械原理课程教学中应用[J].科技风，2016，（12）：5.

[7]丁欣硕，刘斌.Fluent17.0流体仿真从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2018：21.

作者简介：刘竞之，男，太原理工大学硕士研究生。