魏 凱，張必科，胡楷宇，張明金

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，近年來，我國建設(shè)了大量跨越江、海橋梁工程。東海大橋、港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、滬蘇通長江大橋相繼建成通車。與傳統(tǒng)陸地橋梁相比，上述橋梁長期承受水的動力作用，橋梁水動力學(xué)成為影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

橋梁水動力學(xué)是水力學(xué)的一個重要分支，主要研究水流作用以及波浪作用對橋梁的影響機理。隨著專家學(xué)者對橋梁工程研究過程的深化，橋梁水動力學(xué)已成為行業(yè)研究的熱點課題[1]。蘭雅梅等[2]對橋梁樁柱承臺水動力模型的研究；張家瑞等[3]研究并提出了深水橋墩波浪動力響應(yīng)概率模型；魏凱等[4]通過試驗研究了跨海橋梁高樁承臺波浪沖擊荷載；王坤[5]研究了海洋深水環(huán)境下橋墩基礎(chǔ)沖刷特性；楊熠琳[6]則研究了橋梁群樁基礎(chǔ)的局部沖刷機理。因此，未來的橋梁工程科研和設(shè)計人員應(yīng)該具備相應(yīng)的橋梁水動力學(xué)知識，以適應(yīng)行業(yè)未來的發(fā)展。

然而，橋梁水動力學(xué)的綜合性較強，主要涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、橋梁工程等相關(guān)課程。值得注意的是，流體力學(xué)的理論部分涉及不少偏微分方程組，比如連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程等。隨著考慮因素的增加，上述非線性偏微分方程組計算得出相應(yīng)解析解較為困難[7]。在教學(xué)方面，該課程具有抽象化特征，需要學(xué)生具備較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。為提高學(xué)生對該課程的興趣，教師們也在教學(xué)實踐中不斷積累經(jīng)驗，豐富教學(xué)方法，將具體的水流和波浪實驗引入課堂。由于具體實驗所需的試驗設(shè)備較為復(fù)雜、試驗周期較長等原因，不能讓學(xué)生在短時間內(nèi)深刻理解該學(xué)科知識。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)不斷完善，國內(nèi)各大高校相繼將CFD 技術(shù)引入課程教學(xué)環(huán)節(jié)。比如，楊戈爾等[8]將CFD 仿真技術(shù)引入到生物力學(xué)課程教學(xué)中；王東屏等[9]實現(xiàn)了計算流體力學(xué)與流體力學(xué)教學(xué)的結(jié)合；楊帆等[10]探究了CFD 技術(shù)在水泵及水泵站教學(xué)中的應(yīng)用；許萬軍等[11]進行了在汽輪機原理課程教學(xué)中引入CFD 技術(shù)的教學(xué)案例分析。以上研究成果表明，CFD 技術(shù)同樣可以較好地促進流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)實踐過程。為此，作者將CFD 技術(shù)引入橋梁水動力學(xué)的教學(xué)中，旨在提高橋梁水動力學(xué)課程的教學(xué)水平，開拓學(xué)生的視野。

一 計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)簡介

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門基于流體力學(xué)和數(shù)值模擬仿真技術(shù)的交叉學(xué)科。自20 世紀(jì)60 年代以來，計算機數(shù)值計算技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了數(shù)值分析和理論流體力學(xué)的結(jié)合。與傳統(tǒng)物理模型試驗相比，CFD 技術(shù)具有不少優(yōu)點，如計算成本低、計算速度快、計算模型不受限制等。近年來，該技術(shù)受到不少科研人員的關(guān)注。當(dāng)前，不少商業(yè)軟件均具備了CFD 模塊，如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、STAR-CD、OpenFOAM 等。其中，F(xiàn)luent、OpenFOAM 在各大高校的教學(xué)實踐中應(yīng)用較廣。目前，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土木工程、船舶水利、能源動力、汽車工程和航空航天等諸多領(lǐng)域，尤其在流體計算和傳熱等方面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。眾所周知，流體的運動規(guī)律是以三大守恒定律為基礎(chǔ)，即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。這些守恒定律均由不同非線性程度的數(shù)學(xué)方程組進行表述，傳統(tǒng)的求解方法很難解決一些復(fù)雜問題，而計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)可以通過計算機數(shù)值計算來分析上述方程組。同時，利用豐富的圖像處理工具可以清晰地看出相關(guān)規(guī)律，進而達到研究流體運動的目的。

二 CFD 技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用場景

（一）橋梁下部結(jié)構(gòu)波、流作用

近幾年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，海上交通需求不斷增加，國內(nèi)建成許多跨海大橋。不同于陸地上的橋梁，海上橋梁需要面臨更加復(fù)雜的海洋情況，尤其是在波浪和水流的共同作用下，使得橋梁結(jié)構(gòu)受力分析更加困難，給橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和防災(zāi)減災(zāi)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[7]。因此，理解并掌握橋梁波、流作用機理和計算方法是橋梁水動力學(xué)課程重要教學(xué)內(nèi)容之一。

實驗室中可采用試驗設(shè)備測量得到橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受波浪作用的力，卻很難生動地向?qū)W生展示波浪與基礎(chǔ)相互作用過程中的詳細流場信息。教師僅通過文字描述無法準(zhǔn)確地向?qū)W生傳達相應(yīng)知識點，也難以向?qū)W生傳授波浪作用下橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力的原理。為了讓學(xué)生更好地了解波、流作用于橋梁基礎(chǔ)的整個受力過程，可利用CFD 軟件對波浪或水流作用下的橋墩進行仿真模擬，將作用的整個過程通過圖像或視頻呈現(xiàn)于學(xué)生面前。下文列舉一實例。

如在CFD 軟件FLOW-3D 中建立一個具有一定長、寬、高的數(shù)值水槽，將橋墩模型設(shè)置在水槽中央，將水槽左側(cè)入口邊界定義為造波邊界，學(xué)生可通過在此邊界定義相關(guān)的環(huán)境參數(shù)和波浪參數(shù)，生成波浪作用于橋墩基礎(chǔ)，經(jīng)過軟件計算便可以得到對應(yīng)的模擬仿真數(shù)據(jù)。將水槽右側(cè)定義為出流邊界，為防止流域的出流邊界產(chǎn)生對波浪的反射，影響橋墩周圍的流場，應(yīng)在流域出水口處設(shè)置阻尼層以減弱反射波的影響。同理，需將水槽其他邊界也進行設(shè)置。水槽網(wǎng)格劃分也是CFD 最為核心的步驟之一，在橋墩附近合理加密網(wǎng)格可以得到更加精確的分析數(shù)據(jù)。此外，還需進行初始條件和輸出數(shù)據(jù)等設(shè)置。在做好準(zhǔn)備工作后，即可使用CFD 軟件進行仿真，軟件采用有限差分法將流體力學(xué)中的連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程等控制方程進行離散。利用CFD 軟件計算離散化的控制方程，進而得到整個流場詳細信息的近似解，并將分析后的結(jié)果進行可視化的處理。采用CFD 軟件模擬水流和波浪作用于橋墩模型的可視化流場信息圖像如圖1 所示。學(xué)生可以通過具有豐富色彩的受力圖以及流場的動畫，再結(jié)合教師課程所傳授的理論知識，對橋梁水動力學(xué)課程的原理有更深刻的理解和掌握。

圖1 橋墩波、流作用CFD 技術(shù)可視化信息圖

（二）水流對基礎(chǔ)的沖刷作用

橋梁基礎(chǔ)沖刷是指在河道中橋墩或者橋臺阻礙水流運動，橋梁基礎(chǔ)附近的流場會發(fā)生變化而帶走部分泥沙的現(xiàn)象?；A(chǔ)沖刷是橋梁破壞的重要因素之一[12]。易仁彥[13]收集了2000—2014 年期間，國內(nèi)橋梁在設(shè)計年限內(nèi)發(fā)生坍塌事故的詳細信息，在106 起橋梁垮塌事故中，由基礎(chǔ)沖刷導(dǎo)致的橋梁破壞事故超過30%。在經(jīng)濟較發(fā)達的東部沿海地區(qū)，交通量需求較大，建設(shè)有眾多跨越河流的橋梁，但由于國內(nèi)多數(shù)河流中含沙量較大，東部多為平原地勢，水流平緩，泥沙容易堆積為寬廣的覆蓋層。在夏季豐水期，水流增大，橋梁基礎(chǔ)沖刷增強，對橋梁安全極為不利。所以在橋梁水動力課程中，橋梁基礎(chǔ)沖刷是課程教學(xué)的另一項重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師在講授到水流造成基礎(chǔ)沖刷的原因時，往往使用文字對基礎(chǔ)附近流場的4 類情況進行描述，如圖2 所示，分別為墩前雍水、馬蹄形漩渦、墩身處向下射流和尾跡渦流[14]。此時學(xué)生往往僅停留在水流作用于基礎(chǔ)帶走泥沙的層面，并不能深入地理解流場中水流運動詳細的信息。在遇到不同工況或者不同外形橋墩的情況下，學(xué)生僅依靠這個層面的知識，并不能獨立思考解決多變環(huán)境下的實際問題，阻礙創(chuàng)新性思考。面對這些問題，可以采用CFD 技術(shù)對橋梁基礎(chǔ)附近流域進行數(shù)值模擬，分析得到水流運動的詳細信息，用生動的畫面向?qū)W生展示，加深學(xué)生對知識點的印象。也可以在課堂中采取分組的方式，讓學(xué)生上手操作CFD 軟件，對不同形狀橋梁基礎(chǔ)的水流作用進行模擬，分析得到?jīng)_刷情況以及流域信息。圖3 為課堂上所演示的橋梁臺階型沉井基礎(chǔ)附近的水流及渦量情況，從圖中流域分析可得水流的運動狀態(tài)符合實際情況。CFD 三維仿真技術(shù)直觀地展示了流域內(nèi)部水流的運動情況，對水流沖刷基礎(chǔ)有了清晰的認識，可以讓學(xué)生在實踐探索中掌握沖刷的基礎(chǔ)理論。

圖2 基礎(chǔ)附近流場及沖刷示意圖

圖3 基礎(chǔ)沖刷CFD 技術(shù)可視化信息圖

三 CFD 技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

自改革開放以來，隨著“一帶一路”“粵港澳大灣區(qū)”等建設(shè)，中國沿海地區(qū)和江河流域地區(qū)對陸路運輸需求不斷增長，中國橋梁的建設(shè)進入了快速發(fā)展的新階段[1]。尤其是在港珠澳大橋和楊泗港大橋建成通車之后，國內(nèi)對深水大跨徑橋梁的研究進入了新的篇章。對于國內(nèi)大跨徑橋梁的未來發(fā)展，橋梁水動力學(xué)課程教學(xué)顯得尤為重要，它不僅有利于學(xué)生對橋梁研究前沿的了解，而且為后續(xù)橋梁水動力學(xué)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。目前，橋梁水動力學(xué)課程教學(xué)正處于發(fā)展的初期階段，對于CFD 軟件在教學(xué)中的實踐應(yīng)用，仍存在著些許問題。

（一）CFD 軟件種類繁多

CFD 技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確地模擬水動力作用下橋梁的受力情況，逼真地展示橋梁基礎(chǔ)流域的實驗畫面，增加課程教學(xué)中的趣味性，引發(fā)學(xué)生積極思考，提高學(xué)生對橋梁水動力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。但是，目前市面上常用的CFD 軟件種類繁多，選擇什么類型的CFD 軟件應(yīng)用于教學(xué)實踐中，是值得考慮的問題之一。目前，CFD 軟件根據(jù)軟件功能可分為通用軟件和專業(yè)軟件；根據(jù)軟件在CFD 過程中的位置可分為前處理軟件和后處理軟件；根據(jù)源代碼是否公開可分為商業(yè)軟件和開源軟件，較常使用的商業(yè)軟件如ANSYS-Fluent、ANSYS-CFX、FLOW-3D、STAR-CCM+等，開源軟件如Open FOAM、REEF3D等，各有各的特點。Fluent 軟件提供了豐富的湍流模型和多相流模型，能與ANSYS 平臺其他仿真模塊進行多物理場仿真；Open FOAM 軟件中，用戶可以自己進行編譯也可以對源代碼進行修改形成自己的計算軟件；STAR-CCM+軟件不僅可以進行熱、流體分析，還擁有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、噪聲等其他物理場的分析功能。

（二）掌握CFD 分析的難度較大

橋梁水動力學(xué)是基于流體力學(xué)發(fā)展而來的，其課程教學(xué)和實踐內(nèi)容主要沿襲傳統(tǒng)的流體力學(xué)教學(xué)模式。若引進CFD 的授課教學(xué)，由于受限于課時，教師無法在短時間內(nèi)為學(xué)生進行CFD 全面的講解。由于CFD 的使用要求初學(xué)者具備一定的計算流體力學(xué)的理論知識，且各軟件的上手難度并不小，學(xué)生在私底下進行CFD 軟件的自我探索過程中可能會遇到各種各樣的難題，無論在前處理或者后處理模塊，都可能遇到問題，這可能使得教學(xué)適得其反，學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣。

（三）理論教學(xué)與實踐脫節(jié)

由于這門課程處于發(fā)展初期，當(dāng)前可供使用的教學(xué)資源并不充足。各大高校教學(xué)條件存在差異，沒有充足的科研教學(xué)經(jīng)費，試驗設(shè)備得不到及時升級，教學(xué)的硬件設(shè)施已經(jīng)無法滿足教學(xué)任務(wù)的需求。在教學(xué)過程中，關(guān)于水流對橋梁基礎(chǔ)沖刷的過程，只能通過文字和圖片進行描述，學(xué)生無法動手實驗，對該知識點的理解過于抽象。由于課堂教學(xué)更側(cè)重于理論學(xué)習(xí)，實踐部分相對較弱，理論和實踐不能很好地結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)興致不高，影響學(xué)習(xí)效果，這種問題普遍存在橋梁水動力學(xué)課程教學(xué)中。

四 對策與展望

通過對以上三點問題進行分析，可采取如下教學(xué)對策。

根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，選擇不同的CFD 軟件，如：若僅展示像第二節(jié)提及的仿真應(yīng)用，F(xiàn)LOW-3D、Fluent軟件可滿足教學(xué)需求；若欲展示海洋中帶有夾角的波流作用，Open FOAM、STAR-CCM+等軟件是最優(yōu)之選；若更關(guān)注于學(xué)生的實踐操作感受，F(xiàn)LOW-3D 軟件相較于其他CFD 軟件上手難度較小，在實踐教學(xué)選擇上更勝一籌。

針對學(xué)生學(xué)習(xí)CFD 的問題，可由教師根據(jù)主要教學(xué)算例，制作CFD 軟件使用視頻，通過生動有趣的軟件操作教學(xué)過程，用配音的方式將一些基礎(chǔ)理論知識在軟件的操作中對學(xué)生進行傳授，并通過后處理生成動畫豐富教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

增加實踐教學(xué)課在課程教學(xué)中的比重，用CFD 軟件實踐教學(xué)替代復(fù)雜的物理試驗實踐，將CFD 技術(shù)與課程教學(xué)相結(jié)合，授課過程中教師進行指導(dǎo)，學(xué)生一邊進行CFD 的操作使用，在實踐中學(xué)習(xí)，增強學(xué)生的獨自分析解決問題的能力，也提升了學(xué)習(xí)的興趣，有利于教學(xué)和科研共同發(fā)展。

通過結(jié)合波、流與基礎(chǔ)相互作用以及水流對基礎(chǔ)沖刷作用的教學(xué)應(yīng)用場景，總結(jié)橋梁水動力課程CFD 技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀，分析得出，CFD 技術(shù)與橋梁水動力學(xué)課程教學(xué)有機地結(jié)合起來，不僅可以提高教學(xué)效率，而且可以增強學(xué)生獨立思考能力。同時，不斷豐富橋梁水動力學(xué)教學(xué)方法，在符合該課程建設(shè)未來發(fā)展的道路上前進，為國家培養(yǎng)更多橋梁領(lǐng)域的高水平人才。