洪 鋒 胡 濤 張彬航 唐海波

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 湖北·宜昌 432300）

0 引言

“工程流體力學(xué)”是三峽大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程，它是一門基礎(chǔ)性很強(qiáng)、應(yīng)用性很廣的學(xué)科。由于該課程理論性與抽象性較強(qiáng)，大篇幅的微分方程推導(dǎo)常使學(xué)生感到該課程理論高深莫測(cè)，也不知該如何學(xué)好該課程。此外，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式逐漸由板書過(guò)渡到PPT，課堂教學(xué)，特別是基本概念、原理的講解，很多時(shí)候呈現(xiàn)出一種“走馬觀花，一跳而過(guò)”的形式，使得學(xué)生逐漸產(chǎn)生學(xué)習(xí)畏難心理，甚至喪失學(xué)習(xí)的興趣。因此，對(duì)“工程流體力學(xué)”課程內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行改革，是我校培養(yǎng)學(xué)生具有解決流體力學(xué)問(wèn)題及工程應(yīng)用能力的重要任務(wù)。

1 CFD 輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，不論工程實(shí)踐還是科學(xué)研究，CFD 技術(shù)在求解流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)得到了廣泛應(yīng)用。CFD 是專門用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)的軟件。[1]CFD技術(shù)與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)方法組成了研究流體流動(dòng)問(wèn)題的完整體系。然而，絕大多數(shù)的非線性流動(dòng)無(wú)法采用理論分析得到解析解，且實(shí)驗(yàn)的方法存在諸多方面的限制，而CFD 技術(shù)恰好克服了這兩種傳統(tǒng)方法的弱點(diǎn)。通過(guò)CFD 計(jì)算，不但解決了無(wú)法采用理論分析求解的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題，而且通過(guò)數(shù)據(jù)處理還能得到整個(gè)流場(chǎng)的速度分布、壓力分布以及其它物理量分布，達(dá)到在空間和時(shí)間上定量描述流場(chǎng)的目的。[2-4]因此，我們應(yīng)該結(jié)合流體力學(xué)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展，在本科“工程流體力學(xué)”課程中借助CFD進(jìn)行輔助教學(xué)，是對(duì)教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行改革一個(gè)非常合適有效的途徑。

2 CFD 輔助教學(xué)改革實(shí)踐需要解決的問(wèn)題

CFD 全部工作是借助計(jì)算機(jī)完成，整個(gè)流程包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算及后處理，分別在不同的軟件中完成。教師在授課過(guò)程中，教會(huì)學(xué)生軟件操作及對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象分析是主要任務(wù)。因此，在本科“工程流體力學(xué)”課程內(nèi)容與教學(xué)方法改革實(shí)踐中，需要解決如下問(wèn)題：

（1）建立數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)室，安裝相應(yīng)軟件。

（2）編寫上機(jī)指導(dǎo)手冊(cè)，熟悉數(shù)值計(jì)算的流程。為使學(xué)生盡快熟悉CFD計(jì)算流程，特別是網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置及后處理流程，指導(dǎo)教師需為學(xué)生編寫上機(jī)指導(dǎo)手冊(cè)。

（3）數(shù)值計(jì)算仿真學(xué)時(shí)的安排。在課堂內(nèi)通過(guò)2-4 學(xué)時(shí)完成這些簡(jiǎn)單的流動(dòng)問(wèn)題CFD 現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。而對(duì)復(fù)雜三維流動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算，課堂內(nèi)只對(duì)網(wǎng)格如何劃分、求解設(shè)置及結(jié)果處理進(jìn)行展示，其具體的操作步驟及計(jì)算過(guò)程鼓勵(lì)學(xué)生自主安裝CFD軟件，課后進(jìn)行自我練習(xí)。

（4）實(shí)際學(xué)習(xí)效果的評(píng)估。教師可以給學(xué)生提供某一工程實(shí)際問(wèn)題案例，如橋墩繞流（即方柱繞流），通過(guò)圖表的方式為學(xué)生提供該問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，如速度分布；然后，對(duì)班級(jí)同學(xué)進(jìn)行分組，每一個(gè)小組分別研究一個(gè)影響數(shù)值計(jì)算精度的因素，如邊界條件類型、網(wǎng)格類型、數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、湍流模型等；最后，通過(guò)不同計(jì)算方案的流動(dòng)計(jì)算結(jié)果，來(lái)探究影響方柱繞流問(wèn)題計(jì)算精度的主要因素，旨在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

3 CFD 輔助教學(xué)改革實(shí)踐具體實(shí)施方法

在CFD 計(jì)算過(guò)程中，主要包含如下4 個(gè)步驟：（1）物理模型構(gòu)建，即通過(guò)三維造型軟件對(duì)實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行流體計(jì)算域繪制；（2）網(wǎng)格劃分，即基于離散的思想，通過(guò)微小體積的單元對(duì)計(jì)算域進(jìn)行貼體填充，網(wǎng)格是CFD 計(jì)算的載體；（3）數(shù)值模型的構(gòu)建，即選擇合適的湍流模型、邊界條件、控制方程求解格式等對(duì)流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值描述；（4）計(jì)算及后處理，即選擇商用軟件（如FLUENT、CFX）對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，并利用CFDPOST 等后處理軟件對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)處理。

以翼型繞流流動(dòng)為例，對(duì)伯努利方程的本質(zhì)加以輔助說(shuō)明，伯努利方程的物理意義可以描述為：對(duì)于理想不可壓縮且單值有勢(shì)的單位質(zhì)量流體的機(jī)械能沿一條流線守恒。為幫助學(xué)習(xí)該方程本質(zhì)及其工程應(yīng)用，可讓學(xué)生上機(jī)，并在教師的指導(dǎo)下對(duì)二維CLARK-Y翼型繞流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，后處理可以得到翼型表面總壓云圖（如圖1）、速度云圖（如圖2）等，這些云圖即反映了翼型外部流場(chǎng)特征。從壓力云圖中可以看到，在翼型頭部位置，由于水流在該處發(fā)生沖擊，導(dǎo)致頭部出現(xiàn)了局部高壓區(qū)，其外部為次高壓區(qū)；而再對(duì)比速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)翼型頭部的高壓區(qū)速度明顯低于次高壓區(qū)速度，這說(shuō)明了在翼型繞流過(guò)程中，壓力大的地方，其速度就小，反之亦然。從能量角度，壓力體現(xiàn)壓能，速度體現(xiàn)動(dòng)能，進(jìn)一步說(shuō)明流動(dòng)中壓能與動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，這與伯努利方程的本質(zhì)相呼應(yīng)。此外，分析壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，翼型上下表面壓力是不對(duì)稱的，這種壓力差作用在翼型表面上就產(chǎn)生了升力效果。

圖1 壓力分布

4 結(jié)束語(yǔ)

CFD計(jì)算可以將流體流動(dòng)過(guò)程中抽象的概念具體化，使得流動(dòng)更加形象和直觀。在工程流體力學(xué)課堂中，利用CFD 案例對(duì)課程中的一些抽象的概念、原理進(jìn)行輔助教學(xué)，一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，消滅學(xué)生學(xué)習(xí)上的惰性與畏難心理，使學(xué)生對(duì)這些理論知識(shí)有更加直觀形象的認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)，加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解和掌握；另一方面，進(jìn)行CFD 案例分析，還可以拓寬學(xué)生知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、獨(dú)立思考能力，以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，這對(duì)學(xué)生參與科研和工程實(shí)踐是一個(gè)很好的訓(xùn)練，也是“工程流體力學(xué)”課程建設(shè)的需要和發(fā)展方向。

圖2 速度分布