王瑩+孫曉晶

摘要：計算流體力學是熱能動力工程等相關專業(yè)的學科基礎課。結合計算流體力學課程的教學內容與特點，探討了將CFD數(shù)值模擬技術引入到項目驅動實踐教學中的教學方法，并以Fluent仿真軟件為例，描述了CFD數(shù)值模擬技術在計算流體力學項目驅動實踐教學中的具體應用案例。

關鍵詞：計算流體力學;CFD數(shù)值模擬;項目驅動;實踐教學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）06-0141-02

計算流體力學CFD是流體力學的一個分支，是能源與動力工程類專業(yè)的重要基礎課。課程講授CFD數(shù)值模擬的基本思想、基本方法以及常用CFD數(shù)值模擬工具的使用，通過教學使學生了解、掌握CFD數(shù)值模擬的基本知識，為將來在涉及流體流動問題的研究和設計工作中應用CFD數(shù)值模擬打下基礎。在計算流體力學教學中，可將仿真技術以項目驅動的方式加入到實踐教學環(huán)節(jié)，以加深對概念、公式以及數(shù)值方法的理解，進而激發(fā)學生探索性學習能力。如何利用好仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，將其引入到計算流體力學實踐教學中來，提高教學效果是本文要探討的主要問題。

一、CFD數(shù)值模擬在項目驅動實踐教學中的優(yōu)勢

根據(jù)課程教學任務及其特點，選擇適用的教學方式是提高教學效果的關鍵。傳統(tǒng)的教學模式以教師授課為中心，注重基礎理論知識的傳授與講解。在教學過程中，教師往往花費大量的時間和精力介紹計算流體力學的基本原理并進行相關理論公式的推導，學生并不能理解計算流體力學的工程應用背景和意義，學生所接受的理論知識絕大部分來源于授課教師的灌輸。

由于計算流體力學課程涉及內容的復雜性，傳統(tǒng)的教學方法與手段，使得教師和學生在此課程的講授和學習中都遇到一定的困難和問題。涉及基本方程和數(shù)值方法公式推導的部分，傳統(tǒng)的板書教學方式可使學生對推導過程進行邏輯思維，對推導得到的公式和結果也會更加印象深刻。對于比較復雜、抽象的教學內容以及公式的應用，則可借助計算機仿真平臺的方式進行輔助教學，讓學生直觀地了解不同公式的應用過程和數(shù)值模擬結果。由于流體力學控制方程一般是非線性的，只有極少數(shù)情況下才能得到解析解，與工程相關的復雜流體力學問題幾乎不能得到解析解，而實驗研究一般是在模擬條件下完成的，幾乎所有的地面實驗設備都不能完全滿足所有參數(shù)和相似定理的要求。通過CFD數(shù)值模擬技術，可以設計一些虛擬的實驗，過程中可選用不同公式模型和數(shù)值方法，數(shù)值模擬所得的結果直觀，彌補了理論教學內容的不足。

項目驅動教學，或稱項目驅動下的學習、基于項目的學習，是一種以學生為中心的教育方式。要求學生通過一系列個人或合作完成的任務，借助他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，解決現(xiàn)實中的問題，獲取知識和技能[1]。在項目驅動實踐教學中，借助CFD數(shù)值模擬形象的模型分析與演示，既便于教師對計算流體力學應用于工程問題的知識講述，又使學生對計算流體力學理論知識有更加深刻的理解。

二、CFD數(shù)值模擬在項目驅動實踐教學應用中的關鍵問題

1.根據(jù)計算流體力學教材，結合學生的具體學習情況，對某些重點、難點以及不宜課堂講解的地方，考慮能否應用CFD數(shù)值模擬進行輔助教學。在教學過程中，需要根據(jù)具體的教學內容選擇恰當?shù)捻椖堪咐Y合傳統(tǒng)教學方法與現(xiàn)代教學方法，使其發(fā)揮各自優(yōu)勢才能獲得更好的教學效果。

2.在教學過程中，向學生展示CFD數(shù)值模擬在計算流體力學領域的前沿應用、經典案例。在課程教學中可以隨時調用視頻錄像或仿真軟件，將計算流體力學的一些前處理、流場計算和后處理等復雜問題進行動態(tài)仿真演示。這樣可以激發(fā)學生利用相關數(shù)值模擬軟件對理論知識進行進一步的學習的積極性和主動性，為后續(xù)課程設計、畢業(yè)設計乃至展開創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目打下基礎。

3.選取若干具體案例為“項目”任務以達到對前一階段課堂講授知識、技能傳授的總結與升華;項目內容中含有學生從來未遇到的問題，需要具備有一定難度。應用CFD數(shù)值模擬軟件建立計算流體力學仿真分析實例庫，這樣老師就可以方便地進行講解，并給學生提供直觀、形象的過程與結論，學生理解起來會更容易。

三、CFD數(shù)值模擬在項目驅動實踐教學的應用案例

1.概念設計。氣力輸送過程非常復雜，過去和現(xiàn)在多依靠試驗數(shù)據(jù)、經驗數(shù)據(jù)來解決問題。對一般粉體材料，在經驗數(shù)據(jù)充分時，可以得到比較可靠的結果。傳統(tǒng)方式靠人工計算過于費時間，現(xiàn)在可以利用計算機進行數(shù)值模擬，能較快地得到計算結果。計算機能在較短的時間內繪出初步的圖紙，因此在粉體的氣力輸送過程中能做更多的方案比較，使設計更加合理。數(shù)值模擬可以提供一些實驗測量中無法提供的數(shù)據(jù)。在概念設計階段，老師和學生進行項目的討論。教師起初先不必框定具體的設計內容，而是要引導學生根據(jù)工程應用的實際情況進行頭腦風暴，獲得設計的大方向，進而指導學生進一步通過閱讀文獻和資料收集，確立實施思路和初步的方案，獲取可借鑒的工程案例。

2.詳細設計。在詳細設計階段，教師需要預先講授CFD數(shù)值模擬工具的使用，以Fluent為例，該軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。在這個階段，學生通過對現(xiàn)場氣力輸送過程的調研資料和文獻資料，結合氣力輸送設備工藝特點，利用計算流體力學仿真軟件Fluent建立可靠的氣力輸送三維數(shù)學模型。對所建立的數(shù)值模擬模型進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，在此過程中，教師可以為學生講解計算域離散成網(wǎng)格點的過程。在此基礎上，利用所建立的氣力輸送三維數(shù)學模型對飛灰的氣力輸送進行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結果和實驗測量值進行對比，由此對所建立的數(shù)學模型的可靠性和適用性進行驗證。

3.發(fā)現(xiàn)問題。項目驅動的教學中教師需要著重引導學校在工程應用中發(fā)現(xiàn)問題，挖掘導致問題產生的根源，在CFD模擬過程中，要確定邊界條件、數(shù)學模型和求解方法。氣力輸送屬于大型工業(yè)輸送物料設備，雖然輸送管道幾何形狀簡單，但是總長度較長，并且管道內的輸送過程涉及到固相和氣相相互作用、物料顆粒湍動粘度以及顆粒間的相互碰撞，過程非常復雜。在此過程中，老師可以為學生講解各種邊界條件的優(yōu)缺點以及選擇依據(jù)、數(shù)學模型的原理和應用范圍、求解格式的選擇及相應的計算方法和方程。

4.改進設計。將模型預測結果與實驗測量值進行分析和比較，分析邊界條件、數(shù)學模型和求解方法對結果產生的影響，通過查閱文獻了解最新CFD數(shù)值模擬技術和方法，并嘗試應用到項目驅動實踐教學中，提高數(shù)值模擬預測結果的準確性?？梢岳迷摂?shù)值模擬數(shù)據(jù)研究氣力輸送旁管道內壓降隨著顆粒直徑、顆粒密度的變化規(guī)律，并通過改變旁通管幾何比以及壁面粗糙度的大小，研究管道結構和管道特性對壓降的影響。

從“概念設計”、“詳細設計”、“發(fā)現(xiàn)問題”和“改進設計”這幾個項目驅動的實踐教學環(huán)節(jié)可以看到，項目驅動式教學的最主要的特征就是教師引導學生通過尋找完成工作任務的途徑與方法，圍繞工作項目完成調查研究、網(wǎng)絡信息搜集、文獻查閱、個人獨立思考、討論答辯、團隊合作學習等各項相關的實踐與創(chuàng)造活動[2]。

在實施過程中，教師應引導學生查閱資料獲取類似項目的技術路線、解決方案與相關專業(yè)知識點，對錯誤明顯的方案做適當?shù)囊龑?、糾正，使方案盡量集中在合理的范圍之內[3]。需要選擇貼近實踐的項目案例，將CFD數(shù)值模擬軟件融入到分組學習和應用指導的整個過程，使學生在項目學習及完成過程中加深對理論知識的理解及實際應用，提升學生分析問題、解決問題的能力。

四、結束語

項目驅動教學在實施的過程中，表現(xiàn)出以項目為本位、以學生為主體的重要特征。教師教授和引導的是項目實施所需的技能、系統(tǒng)知識和應用知識，最終考核的是學生對知識的理解、應用、創(chuàng)新和總結。將CFD數(shù)值模擬技術應用到計算流體力學理論教學，可以使教學質量得到明顯提高，可以幫助克服客觀實際條件對理論教學的制約，加深學生對理論知識的理解，并激發(fā)學習和研究的興趣。

參考文獻：

[1]馬玲玲.項目驅動教學法培養(yǎng)學生自主學習能力研究[J].山西廣播電視大學學報，2010，（3）.

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[3][美]約翰D.安德森（John D. Anderson）.計算流體力學基礎及其應用[M].吳頌平，劉趙淼，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

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[5]呂汝金，魏德強，劉建偉，王喜社.模塊化項目驅動模式下工程訓練研究探索[J].實驗技術與管理，2014，（01）.