基于CFD 辅助的工程流体力学课程教学改革与实践

洪 锋 胡 涛 张彬航 唐海波

（三峡大学机械与动力学院 湖北·宜昌 432300）

0 引言

“工程流体力学”是三峡大学能源与动力工程专业的一门重要的专业核心课程，它是一门基础性很强、应用性很广的学科。由于该课程理论性与抽象性较强，大篇幅的微分方程推导常使学生感到该课程理论高深莫测，也不知该如何学好该课程。此外，传统的课堂教学模式逐渐由板书过渡到PPT，课堂教学，特别是基本概念、原理的讲解，很多时候呈现出一种“走马观花，一跳而过”的形式，使得学生逐渐产生学习畏难心理，甚至丧失学习的兴趣。因此，对“工程流体力学”课程内容与教学方法进行改革，是我校培养学生具有解决流体力学问题及工程应用能力的重要任务。

1 CFD 辅助教学的优势

在数学与计算机技术高速发展的今天，不论工程实践还是科学研究，CFD 技术在求解流体力学问题时得到了广泛应用。CFD 是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。[1]CFD技术与传统的理论分析方法、实验方法组成了研究流体流动问题的完整体系。然而，绝大多数的非线性流动无法采用理论分析得到解析解，且实验的方法存在诸多方面的限制，而CFD 技术恰好克服了这两种传统方法的弱点。通过CFD 计算，不但解决了无法采用理论分析求解的复杂流动问题，而且通过数据处理还能得到整个流场的速度分布、压力分布以及其它物理量分布，达到在空间和时间上定量描述流场的目的。[2-4]因此，我们应该结合流体力学学科建设与发展，在本科“工程流体力学”课程中借助CFD进行辅助教学，是对教学内容与方法进行改革一个非常合适有效的途径。

2 CFD 辅助教学改革实践需要解决的问题

CFD 全部工作是借助计算机完成，整个流程包括几何建模、网格划分、数值计算及后处理，分别在不同的软件中完成。教师在授课过程中，教会学生软件操作及对流动现象分析是主要任务。因此，在本科“工程流体力学”课程内容与教学方法改革实践中，需要解决如下问题：

（1）建立数值仿真实验室，安装相应软件。

（2）编写上机指导手册，熟悉数值计算的流程。为使学生尽快熟悉CFD计算流程，特别是网格划分、求解设置及后处理流程，指导教师需为学生编写上机指导手册。

（3）数值计算仿真学时的安排。在课堂内通过2-4 学时完成这些简单的流动问题CFD 现场教学。而对复杂三维流动问题的计算，课堂内只对网格如何划分、求解设置及结果处理进行展示，其具体的操作步骤及计算过程鼓励学生自主安装CFD软件，课后进行自我练习。

（4）实际学习效果的评估。教师可以给学生提供某一工程实际问题案例，如桥墩绕流（即方柱绕流），通过图表的方式为学生提供该问题的实验测量数据，如速度分布；然后，对班级同学进行分组，每一个小组分别研究一个影响数值计算精度的因素，如边界条件类型、网格类型、数值计算时间步长、湍流模型等；最后，通过不同计算方案的流动计算结果，来探究影响方柱绕流问题计算精度的主要因素，旨在培养学生发现问题解决问题的能力。

3 CFD 辅助教学改革实践具体实施方法

在CFD 计算过程中，主要包含如下4 个步骤：（1）物理模型构建，即通过三维造型软件对实际流动问题进行流体计算域绘制；（2）网格划分，即基于离散的思想，通过微小体积的单元对计算域进行贴体填充，网格是CFD 计算的载体；（3）数值模型的构建，即选择合适的湍流模型、边界条件、控制方程求解格式等对流动问题进行数值描述；（4）计算及后处理，即选择商用软件（如FLUENT、CFX）对数值模型进行计算，并利用CFDPOST 等后处理软件对流场计算结果进行分析及数据处理。

以翼型绕流流动为例，对伯努利方程的本质加以辅助说明，伯努利方程的物理意义可以描述为：对于理想不可压缩且单值有势的单位质量流体的机械能沿一条流线守恒。为帮助学习该方程本质及其工程应用，可让学生上机，并在教师的指导下对二维CLARK-Y翼型绕流流动进行数值计算，后处理可以得到翼型表面总压云图（如图1）、速度云图（如图2）等，这些云图即反映了翼型外部流场特征。从压力云图中可以看到，在翼型头部位置，由于水流在该处发生冲击，导致头部出现了局部高压区，其外部为次高压区；而再对比速度云图可以发现，此时翼型头部的高压区速度明显低于次高压区速度，这说明了在翼型绕流过程中，压力大的地方，其速度就小，反之亦然。从能量角度，压力体现压能，速度体现动能，进一步说明流动中压能与动能之间可以相互转化，这与伯努利方程的本质相呼应。此外，分析压力云图可以发现，翼型上下表面压力是不对称的，这种压力差作用在翼型表面上就产生了升力效果。

图1 压力分布

4 结束语

CFD计算可以将流体流动过程中抽象的概念具体化，使得流动更加形象和直观。在工程流体力学课堂中，利用CFD 案例对课程中的一些抽象的概念、原理进行辅助教学，一方面可以激发学生的学习热情，消灭学生学习上的惰性与畏难心理，使学生对这些理论知识有更加直观形象的认识与学习，加深对基础理论的理解和掌握；另一方面，进行CFD 案例分析，还可以拓宽学生知识面，培养学生的动手、独立思考能力，以及发现问题与解决问题的能力，这对学生参与科研和工程实践是一个很好的训练，也是“工程流体力学”课程建设的需要和发展方向。

图2 速度分布