謝翠麗 倪玲英

(中國石油大學(華東)石工學院，山東青島266555)

計算流體力學在工程流體力學課程中的應用與實踐

謝翠麗1)倪玲英

(中國石油大學(華東)石工學院，山東青島266555)

隨著時代發(fā)展，適應大學生特點的教學改革在不斷進行，要求教師培養(yǎng)學生的學習能力而不是單純的傳授知識.針對本科生工程流體力學課程的教學模式進行改革，將計算流體力學引入到工程流體力學課堂.5年的教學實踐，證明其對學生們的工程流體力學課程和后續(xù)專業(yè)課的學習有很大幫助.文中以實例的形式介紹了將計算流體力學與本科生流體力學課程結合的方法與實踐，深入探討了教學改革.該實踐是提高教學質(zhì)量的有價值的嘗試.

流體力學,教學改革,數(shù)值模擬,計算流體力學

工程流體力學是大部分工科專業(yè)學生的必修基礎課程，它與許多專業(yè)的專業(yè)課程息息相關，主要涉及的專業(yè)有石油工程、能源與動力工程、化工、環(huán)保、石油儲運、建筑與環(huán)境、力學、船舶與海洋工程等，是一門重要的課程.為全面構建新型人才培養(yǎng)新體系，流體力學課程需不斷創(chuàng)新改革，本文介紹了將計算流體力學技術應用在流體力學教學過程中的應用與實踐經(jīng)驗.通過讓學生自己動手利用軟件對基本流動現(xiàn)象進行數(shù)值分析，可以將課堂所講授的抽象概念、理論變成形象的可視化流場及動畫演示，大大促進學生對基礎理論的深入理解和應用，同時也可以將流體力學的知識應用于與專業(yè)相關的實際問題分析和簡單設計中，激發(fā)了學生主動學習的興趣，培養(yǎng)了學生思考、創(chuàng)新的科研能力，同時也達到了改善教學效果的目的.

1 FLUENT軟件與課程教學的結合

1.1 編制上機指導手冊

Fluent軟件的簡單應用并不復雜，但為了在課時有限的情況下使學生盡快熟悉并利用計算流體軟件 Fluent和前處理軟件 Gambit進行簡單模擬計算，我們編制了上機模擬手冊.它包含與專業(yè)背景相關的模擬計算算例，模擬過程描述詳細，可根據(jù)步驟建模、劃分網(wǎng)格、進行計算以及后處理.比如，對于石油工程專業(yè)，我們設置了三維圓管和環(huán)空內(nèi)的流動模擬，旨在學習非牛頓流體模擬的設置，并將模擬的結果與理論課中所學的結論進行對比；對于熱能與動力工程專業(yè)則設置冷熱水混合器內(nèi)的三維流動與換熱上機模擬；對于船舶與海洋工程專業(yè)和海洋油氣專業(yè)，則設置了船舶行駛阻力特性的模擬；對于油氣儲運專業(yè)，則上機完成某輸油管道工程90?水平彎管內(nèi)油水兩相流動.

同時手冊包含基本方程、差分格式、湍流模型的簡單介紹，讓學生明白對于所有流動，F(xiàn)luent都求解質(zhì)量和動量守恒方程.對于包含傳熱或可壓性流動，還需要增加能量守恒方程.對于有組分混合或者化學反應的流動問題則要增加組分守恒方程.如果是湍流問題，還有相應的輸運方程需要求解.

1.2 熟悉上機模擬的流程

為讓學生快速熟悉上機模擬的前處理、核心求解和數(shù)據(jù)生成、后處理流程，我們?yōu)樗袑I(yè)的學生提供了二維障礙通道內(nèi)的流動，利用1課時的時間，讓學生在此過程中，理解了幾何建模、網(wǎng)格構造、邊界條件設定、網(wǎng)格輸出、求解計算設定和查看計算結果的簡單過程，很短的時間內(nèi)，學生就看到了流體由左側入口流入帶障礙物的通道后，從右側流出流場的速度矢量分布(圖1).

通過此過程，學生直觀的看到了可視化的流動，理解了伯努利方程的原理，流線不能轉折、旋渦的產(chǎn)生與能量的耗散等知識，同時學生也嘗試將設計的障礙物尺寸增大，或?qū)⑽恢谜{(diào)整，觀察它們對流體的擾動，觀察壓力云圖和速度矢量場圖的變化，過程非常直觀生動.通過動手模擬,學生們體驗了計算機軟件帶來的學習興趣和對流動研究的便捷.

圖1 二維有障礙通道內(nèi)的流動

1.3 將計算流體力學用于流體力學課程中原理性知識驗證

在流體力學理論課上推導了充分發(fā)展的圓管層流的基本理論公式，包括了速度拋物線分布公式，圓管層流存在入口段流動等概念.作為驗證，我們指導學生模擬了圓管層流的流動，如圖2.應用Fluent求解后，可以得到管道中心線速度沿流動方向的變化情況.

圖2 圓管層流

由圖3可以看出，距入口一定距離以后，速度達到穩(wěn)定，進入充分發(fā)展段.從圖4中也看出，圓管充分發(fā)展的層流流動速度分布是拋物線，最大速度在管軸中心線處.在靠近壁面處，網(wǎng)格劃分足夠細密，可以看到邊界層內(nèi)速度的快速增長.

圖3 管道中心線速度沿流動方向的變化

圖4 圓管層流速度拋物線分布

課堂所學的理論就這樣可以通過圖片及動畫演示方式等得到直觀的驗證，使學生易于理解和接受理論知識.

1.4 將計算流體力學用于課程里的拓展性思考

流體力學課堂上講到局部阻力時涵蓋了突擴管與突縮管局部阻力的成因與對比，通過計算流體力學上機模擬，我們提出拓展思考即怎樣減小局部阻力損失？

學生們通過軟件的模擬并繪制了速度矢量圖和流線圖，可以分析局部阻力產(chǎn)生機理.由圖5可以明顯看出突擴管與突縮管局部損失的原理是不同的，產(chǎn)生旋渦的位置也不同.突擴管旋渦主要產(chǎn)生在進入突擴段以后，而突縮管則由于流線不能轉折，分別在突縮段前和剛入突縮管的位置，它們局部阻力產(chǎn)生的原因是管徑突變處流體形成大小不一的漩渦區(qū).漩渦區(qū)域中水質(zhì)點的無規(guī)則運動和激烈的紊動消耗了部分水體的能量；渦流區(qū)恢復到正常流動時，這部分低能流體被主流的高能流體帶走要克服摩擦力；在進行動能交換，達到流速的重新組合時還會有一些局部阻力產(chǎn)生.

在明白了局部阻力產(chǎn)生的機理后，課后的作業(yè)是自拓展試驗--怎樣減小局部阻力損失？

圖5 突擴管與突縮管局部損失的產(chǎn)生

結果學生們以突縮管為例，采用控制變量法，一組把管徑擴大一倍，另一組把管長擴大一倍，可以對比各個情況下，突縮管的局部阻力情況.經(jīng)過模擬試驗學生們得出結論：為了減小局部阻力損失可以采取的措施是減小管徑比，將管道幾何邊界設計為流線型，或把突縮進口的直角改為圓角.

這樣的拓展性思考試驗打開了學生的視野和興趣，許多同學表示，雖然課后花了不少時間做作業(yè)，但獲得了很大的學習興趣和成就感，而且上機模擬直觀地表現(xiàn)了流動改變的效果，比室內(nèi)試驗更省時省力.

1.5 將計算流體力學用于專業(yè)學習中的初步設計實踐

新形勢下的專業(yè)基礎課授課要求，能將理論與工程或?qū)嶋H相結合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研能力，為此需要提出與專業(yè)知識結合的題目.以能源與動力工程專業(yè)為例，我們提出了冷熱水混合器自行設計的題目，給出了一個初步設計的上方為熱水進口，下方為冷水進口和混合水出口的冷熱水混合器，讓學生自行模擬，將流動與傳熱學結合考慮，并根據(jù)模擬情況優(yōu)化設計混合器，使出口水溫均勻.

實際上設計過程是一個不斷修正改進的過程，學生們首先通過上機模擬分析了溫度場后總結了原型的缺點：出口的溫度梯度大；容器左邊全都是冷水，右邊全是熱水，左右受熱不平衡會使容器左側膨脹，右側收縮，容器變形不協(xié)調(diào)，對容器有損害.所以設計時要解決的問題是首先使出口溫度均勻，其次要設計出使容器變形協(xié)調(diào)的方案.對此，學生們提出了自己的各種各樣的設計思路和理由，例如根據(jù)初始方案的經(jīng)驗，欲使溫度混合得好，冷熱水入口不應該離得太近，這樣使冷熱水射流有足夠的流動空間來混合，管嘴還應該設計成對稱傾斜，出口離入口也應該盡量遠，根據(jù)這些原則，學生設計出圖6(b)方案，它的優(yōu)勢在于：(1)溫度混合均勻，出口溫度穩(wěn)定且適中；(2)對容器的傷害小，容器中右壁全是混合好的溫度，所以右壁不會過度膨脹或收縮；觀察左壁可以發(fā)現(xiàn)雖然溫度差大，但是我們知道金屬的導熱很好比水好，這樣同樣的一塊金屬板溫度很快就均勻了，不會出現(xiàn)上面收縮下面膨脹而變形不協(xié)調(diào)的問題.

圖6 冷熱水混合器初步設計

上交的總結報告表明，學生們雖然認為這種實驗難度較大，但這充分要求同學們發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，對他們建立獨立思維，應用所學知識有很大幫助.

通過上述事例可以說明，應用計算流體力學技術在流體力學教學過程中確實能起到非常好的教學效果，在實際教學中，通過對學生學習情況的調(diào)研，學生反映普遍較好.

2 結束語

將計算流體力學引入到工程流體力學課堂的5年教學實踐，證明其對學生們的工程流體力學課程和后續(xù)的專業(yè)課的學習有很大幫助，文中以實例形式介紹了將計算流體力學與本科生工程流體力學課堂結合的方法，它創(chuàng)新了流體力學課程的教學模式，同時深入探討了高等教育教學改革.但這種教學方式對專業(yè)教師提出了新的要求，教師必須有計算流體力學的理論基礎及熟練操作使用數(shù)值計算軟件的能力，希望本文能為這一方向的教師提供參考和思路.

1謝翠麗,倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入 CFD教學的探討.力學與實踐,2013,35(3):91-93

2王東屏，賈穎，欒志博.計算流體動力學(CFD)在流體力學教學中的應用.教育現(xiàn)代化,2016,34:146-148

O351

A

10.6052/1000-0879-17-160

2017-05-16收到第1稿，2017-06-03收到修改稿.

1)謝翠麗,博士，副教授，主要研究方向為海洋油氣工程、流體力學.E-mail:xiecl@upc.edu.cn

謝翠麗,倪玲英.計算流體力學在工程流體力學課程中的應用與實踐.力學與實踐,2017,39(5):503-505

Xie Cuili,Ni Lingying.Application of CFD in engineering fluid mechanics class and practice.Mechanics in Engineering,2017,39(5):503-505

(責任編輯:胡 漫)